装配式混凝土结构中叠合板分离式拼缝构造分析与优化的探究

康兆光

（北京市石景山区建筑公司，北京 100043）

0 引 言

装配式混凝土结构较全现浇混凝土结构具有生产效率高、环境污染小、改善施工环境、利于质量控制、可持续发展等战略优势，越来越广泛地得到应用。但相比较之下，由于装配式结构的节点存在初始的裂缝，其整体性和抗侧刚度表现又存着先天不足，工程实践中，仍存在诸多技术难点。其中，叠合板作为广泛应用的装配式结构构件，与全现浇结构板相比，可节省材料、施工简便、缩短工期，与全装配结构板相比，则抗震性能好，整体性强。然而，现浇叠合层和预制叠合板混凝土应力应变存在非线性变化，现浇混凝土的收缩应力也对叠合板承载力产生较大的影响。在多种应力条件的共同作用下，叠合板的拼缝部位受力条件复杂，为保证结构整体性可靠、有效，对叠合板拼缝构造的改进和优化具有现实的工程实践意义。

1 叠合板拼缝形式

装配式混凝土结构叠合板分为单向板和双向板，根据接缝、支座构造和长宽比等条件进行设计拆分［1］。长宽比≤3 且四边支撑的叠合板，可按双向板设计，宜采用整体式接缝或无接缝。按单向板设计宜采用分离式接缝设计［2］。图1 为叠合板的预制底板布置形式示意图。

图1 叠合板的预制底板布置形式示意图

如图1（a）所示，分离式接缝无需设置后浇带。图1（b）方案需要设置板侧整体式接缝，实现钢筋与混凝土连续受力，但施工工序较复杂，现场支模、绑筋工作量大，未体现装配式结构优势。图1（c）方案整体性好，但板块拆分尺寸大，不利于加工生产和标准化设计。可见，在预制叠合板底板处直接拼缝，安装方便，施工速度快，与整体式接缝相比，施工工艺具有效率优势［3］。

2 分离式拼缝构造分析

采用典型分离拼缝构造，在荷载作用下，无附加钢筋时，由于施工荷载出现裂缝，荷载不增加，裂缝仍将向上部发展，直至破坏。为避免接拼缝处发生破坏，控制裂缝发展，根据现行设计规范，在预制底板表面设置附加钢筋，现浇层施工完成并达到设计强度值后，构成叠合板，形成整体结构［4］。

装配式结构的叠合板拼缝存在初始的裂缝，根据断裂力学，裂缝尖端的应力强度因子 K 是控制裂缝发展的重要参数。当裂缝尖端的应力强度因子达到界限值 Kc时，裂缝将会失稳扩展，Kc为材料的断裂韧性。裂缝失稳扩展的临界条件［5］如式（1）所示。

应力强度因子 K（kN/mm）超过材料的断裂韧性 Kc（kN/mm），裂缝将失稳扩展，导致构件破坏。而附加钢筋对裂缝发展起到约束作用，增大了裂缝发展的应力强度因子。叠合板拼缝处裂缝尖端的应力强度因子如式（2）所示。

附加钢筋产生了阻止裂缝开展的反向应力强度因子，使得裂缝尖端处应力强度因子下降，当值小于混凝土裂缝韧性时，裂缝不会发展。当附加钢筋产生的阻力逐渐增大，附加钢筋产生的逆向应力强度因子也随之增大，裂缝应力强度因子则趋于减小，限制裂纹发展。设置附加钢筋的钢筋混凝土叠合板其裂缝起始扩展角方向将垂直于拼缝沿叠合面方向发展。基于材料力学垂直于接缝方向单位板宽抗弯刚度如式（3）所示。

式中：Ec为混凝土弹性模量，MPa；Iy为截面惯性矩，mm4；η 为垂直于接缝方向单位板宽抗弯刚度拆减系数；b 为单位板宽，mm；h 为叠合板总厚度，mm；

叠合板拼缝部位受力情况不符合平截面假设。在荷载作用下，接缝区域一定范围出现零应力，中性轴上移，抗弯截面减小，钢筋应变值变化平缓，拼缝结构未能有效传力，未充分发挥钢筋抗拉性能，叠合板底板与现浇层不能有效实现整体受力、协同工作。由此可见，叠合板整体承载力取决于拼缝部位实际截面的承载能力。提高叠合板整体承载力必须合理构建拼缝部位受力体系，优化构造节点作法，提高叠合板整体性能。

3 叠合板拼缝构造节点优化

附加钢筋产生的阻裂机制，能够改变叠合板拼缝处受力特征，叠合面与拼缝处的最大正应力方向改变，最大正应力方向将趋向于沿叠合面水平方向，即裂缝发展至叠合面后，改为垂直于拼缝方向发展，不形成贯通裂缝。但是按分离式接缝设计的叠合楼板，经混凝土现浇层形成整体板块后，受力模式具有明显的双向板受力特征［6］，简单地按单向板受力模式设计拼缝节点，显然存在不合理性。

叠合板底板面设置附加钢筋对叠合板承载能力具有一定的贡献，形成了阻裂机制，但是由于计算高度较小，相对于板面较薄弱，降低了叠合板的整体承载力，随拼缝宽度的增大，影响愈加明显，叠合板拼接部位易产生应力集中，在预制板与后浇混凝土界面受弯承载力低、挠度较现浇板大，易发生开裂、破坏。

为提高正常使用状态下的的开裂载荷值，对拼缝部位进行节点优化，提高节点部位受力性能。叠合板底板上表面设置附加钢筋，且具有足够的锚固长度，使构件不但具有足够的承载力，同时具有足够的抗裂能力。叠合板纵向长边设置 40～60 mm 拼缝，与叠合层混凝土同时浇筑施工。拼缝底部设通长钢筋，通过拉钩与叠合层上铁拉结，形成拼缝部位钢筋桁架结构，如图2 所示。

图2 拼缝部位节点优化示意图（单位：mm）

在设计的使用荷载条件下，叠合板拼缝部位不设置钢筋桁架结构，叠合板的承载力和变形能够满足要求，钢筋屈服后将可能发生脆性破坏。设置钢筋桁架结构，有效传递剪力和弯矩，提高叠合板的延性，对叠合板的整体承载力有明显贡献。通过对单向叠合板拼缝部位节点的优化设计，改善了单向叠合板浇筑完成后形成的整体板块的受力性能，提高了抗裂性和整体性。

4 工程实践

本工程总建筑面积 128 316.32 m2，4 栋主体均为住宅楼，地上 28 层，层高 2.80 m，装修标准为精装修。建筑设计使用年限 50 年。抗震设防烈度为 8 度。建筑结构形式为装配式钢筋混凝土剪力墙结构。空调板、楼梯梯段等为预制构件，首层顶板至屋顶层地板为叠合楼板，其他楼板为钢筋混凝土现浇楼板，外墙为钢筋混凝土剪力墙结构，部分内墙为预制墙板。符合标准化设计、工厂化生产、装配化施工、一体化装修、信息化管理的工业化建筑特征。

根据初步结构设计节点详图，叠合板纵向拼缝为典型分离式接缝设计，叠合板底板板面设置Φ8@200 附加钢筋，锚固长度 90 mm，2Φ8 通长钢筋与附加钢筋绑扎。优化前预制叠合板拼缝构造如图3 所示。

图3 单向板侧拼缝节点一般做法（单位：mm）

图3 为典型单向板侧边分离式拼缝节点做法，叠合板在现浇层浇筑前已经存在初始裂缝。现浇层浇筑完成后，拼缝部位较薄弱，传力性能较差，在载荷作用下，易发生应力集中，裂缝易在拼缝缝部位集中出现，破坏叠合板整体性能。

经过分析与研究，对叠合板拼缝部位节点构造进行优化设计，叠合板纵向拼缝缝隙部位设 60 mm 宽现浇带，叠合板底板板面设置Φ8@200 附加钢筋，锚固长度 15 d（d 为钢筋直径），Φ8@250 通长钢筋与附加钢筋绑扎。后浇带中设 1Φ8 纵向通长钢筋与叠合板现浇层纵向钢筋采用 Φ6@600 拉钩形成桁架体系。优化后预制叠合板拼缝构造如图4 所示。

图4 单向板侧拼缝节点优化做法（单位：mm）

叠合板整体承载力受拼缝部位构造影响显著，取决于拼缝部位实际截面的承载能力值。叠合板拼缝部位设置钢筋桁架体系后，钢筋可有效传力，附加钢筋向叠合板底板受力钢筋充分传递，发挥钢筋抗拉性能，增强拼缝部位结构可靠性，削弱刚度发展突变，提高抗剪承载力，更有效抑制裂缝的发生，从而避免脆性破坏。

通过工程实践，叠合层浇筑完成后，板面未出现开裂，拼缝部位平整度偏差均≤1.5 mm，无裂缝出现，较传统拼缝节点做法，叠合板采取钢筋空间桁架构造设计，改善了拼缝部位的受力性能，收到较好的实际效果。

5 结 论

叠合板按构造可分为预制底板和现浇叠合层，在荷载作用下，预制底板与现浇叠合层应力、应变呈非线性变化。受拉钢筋应力超前，叠合层混凝土受压应变滞后。叠合层界面的相对滑移作用，二次受力、混凝土的收缩作用都对叠合板受力状态产生影响，受力情况复杂。为了能够清晰了解叠合板在荷载作下的受力状态，保证结构整体性能，叠合板拼缝部位构造应做为叠合板的重要构造组成深入进行分析和研究。通过对单向叠合板拼缝构造的受力分析对拼缝构造进行了优化偿试，并经过工程实践验证，得出如下结论。

1）单向叠合板拼缝部位设置钢筋网架的优化措施，有效削除了相临预制叠合板间由于尺寸偏差和安装误差引起的细微偏差，确保了结构施工质量，并为后期装修工作提供较好的施工条件。

2）通过对单向叠合板拼缝部位的优化设计，拼缝部位采取钢筋桁架构造措施，拼缝宽度宜设置在 40～60 mm，有效削弱刚度突变，实现拼缝部位对弯矩作用的传递，提高了单向叠合板的整体承载能力。

3）通过板缝节点构造优化，叠合板现浇层施工完成后，形成整体板块。由于叠合楼板整体受力模式在实际使用过程中具有双向板受力特征，对于叠合板底板的拆分，建议板缝避开弯矩较大部位，更有利于结构整体性能。