预应力混凝土钢管桁架叠合板现场实施应用

李 志 田 斌 邵志兵 叶文启

中天建设集团有限公司 上海 201102

装配式建筑指建筑物的全部或部分构件首先在工厂预制作完成，然后运送到施工现场，通过稳定的连接手段，将构件组合为整体的混凝土结构类建筑[1]。装配式建筑以其预制程度高、施工方便快捷、经济效应好、环境污染少等优点在国内外得到了广泛应用和发展。

叠合板是装配式建筑最重要的部件，量大面广，传统叠合板下多采用满堂支撑架，木工工作量大，工期增加，与装配式建筑的初衷背道而驰。预应力混凝土钢管桁架叠合板（PK板）的诞生，较好地解决了传统叠合板自重大、易开裂、跨度小、支撑多、造价高等痛点。但对于大部分企业来说，PK板的应用仍处于起步阶段，甚至还未涉及，在验证体系可行性后，我们仍需对该体系的施工关键技术进行进一步探索与总结。

PK板落地实施于上海市西虹桥09-15地块普通商品房项目，建筑结构形式为装配整体式剪力墙结构，单体预制率达40%以上。其中，包含的预制构件类型有预制墙板、预制凸窗、预制楼梯、叠合板和PK板。

我公司缺乏PK板楼盖体系施工经验，项目实施初期，对于PK板的免支模体系仍持怀疑态度。为保障安全，板底支撑方案拟采用保守的满堂架进行搭设。因此，本文以PK板为研究对象，设计堆载试验，并通过计算分析明确了PK板下临时支撑的搭设原则，也为以后的同类项目提供参考。

1 预应力混凝土钢管桁架叠合板

PK板通过先张法构造底板预应力钢筋，然后浇筑混凝土，并配置由灌浆钢管和两侧腹杆钢筋焊接而成的桁架，最后于施工现场后浇叠合层的混凝土形成楼盖体系。在叠合楼盖体系施工时，首先铺设和拼接底板，这也是“PK”名称的由来，即为“拼块”的汉语拼音的首字母。

本文研究分析的预应力混凝土钢管桁架叠合板预制底板试件是基于山东省建筑标准图集L18ZG401《预应力混凝土钢管桁架叠合板》[2]进行设计，由三一集团在其工厂生产制作完成。本次试验设计与计算依据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》[3]、GB/T 51231—2016《混凝土结构工程施工规范》[4]、JGJ 1—2014《装配式混凝土结构技术规程》[5]、T/CECS 722—2020《预应力混凝土钢管桁架叠合板技术规程》[6]，并在参照现有桁架钢筋混凝土叠合板研究成果的基础上进行。

2 现场试验研究

2.1 试验材料

本次现场堆载试验在18号楼5层PKB12板上开展，构造配筋如图1所示。构件尺寸：跨度×宽度×厚度＝3 360 mm×1 500 mm×35 mm；底板预应力钢筋采用直径为5 mm的消除应力螺旋肋钢丝，底板横向构造钢筋采用屈服强度为300 MPa的热轧光圆钢筋；桁架上弦钢管直径28 mm，腹弦钢筋同样选择了屈服强度为300 MPa的热轧光圆钢筋，且直径不小于6 mm；预制底板面预应力筋保护层厚度为20 mm，采用C40细石混凝土，后浇混凝土叠合层强度等级为C30。

图1 PK板构造示意

2.2 试验方案

根据项目现场材料储备情况，考虑堆载质量，试验选用型号HRB400的钢筋对PK板进行单调均布加载，钢筋材料基本属性：长度3 180 mm、直径25 mm。为避免钢筋直接堆积在钢管桁架上造成应力集中，将钢筋平行于桁架方向放置，且在钢筋铺设高度超过桁架高度后，再均匀地将钢筋顺序堆放于板面。现场堆载试验方案如图2所示。

图2 PK板位移监测点位布置示意

PK板采用简支模型，两端采用过梁作为支座，搁置长度180 mm，板净跨长度l＝3 000 mm。试验设置6个板挠度测试点（位移点1～6），分别位于构件跨中和距支座的1/3跨处。测试点布置于板底，且在板底两侧分别布置，距板边200 mm。

本次试验位移点监测采用的是智能无线数据采集系统，主要由终端控制仪、综合分析仪和位移传感器组成，其中的位移传感器为拉绳式传感器。加载前，传感器安装好后，用重物牵引下垂至地面、固定平稳；然后运行电脑，打开自动化监测预警系统云平台网页版，在工程管理中设置好对应的试验参数；最后，调试终端控制仪，使控制仪和位移传感器完成连接。

本次PK板堆载试验加载模式设计为逐级加载。试验开始前先对构件进行预加载，预加载分3级进行，每级荷载为0.27 kN/m2（即120 kg），每级荷载加载后持续5 min。预加载结束后，卸去荷重块并清零位移计，开始正式加载。构件开裂前每级施加荷载为0.55 kN/m2（即250 kg），开裂后减小至0.22 kN/m2（即100 kg），每级荷载维持15 min。根据GB/T 50152—2012《混凝土结构试验方法标准》[7]，并结合预应力混凝土钢管桁架叠合板的构造特点：当底板开裂或跨中弯曲挠度达到1/200，认定达到施工阶段正常使用极限状态；当跨中弯曲挠度超过l/50、裂缝宽度达到1.5 mm、预应力钢筋拉断或上弦钢管屈曲，认定达到承载能力极限状态。

2.3 结果分析

预加载阶段主要是为了检查支座是否平稳，各类传感器能否正常工作，确定试验装置各部分接触良好。由于预应力的存在，预加载至0.81 kN/m2，构件并未发生可见变形。正式加载至3.85 kN/m2时，跨中和距支座1/6净跨处挠度分别为13.28 mm和5.64 mm，构件无裂缝出现。此时，构件跨中挠度13.28 mm＜15.00 mm（l/200），为正常使用状态。加载至4.40 kN/m2时，跨中挠度为15.02 mm，恰好超过15 mm。加载至5.12 kN/m2时，构件下表面产生一条裂缝，宽0.12 mm，位于左端支座右侧59.28 cm处。加载达到5.78 kN/m2时，构件旧裂纹宽度增大，且未产生新裂缝。继续增加荷载，当荷载为6.00 kN/m2时，构件破坏，挠度变化幅度较大，跨中和距支座1/6净跨处挠度达到了76.35 mm和22.88 mm，构件下表面产生出现一条新裂缝，宽0.45 mm，位于右端支座左侧61.91 cm处。此时，跨中挠度76.35 mm＞60.00 mm（l/50），停止加载。

图3为施加荷载与挠度（q-f）曲线。由图可以看出，正式加载阶段，构件的变形可分为3个阶段：第1阶段（正常使用状态），荷载从0 kN/m2增加到3.85 kN/m2时，构件跨中和距支座1/6净跨的位移均为线性变化；第2阶段（承载能力状态），构件从正常使用状态转换为承载能力状态，荷载从4.40 kN/m2增加到5.78 kN/m2时，构件跨中和距支座1/6净跨的位移均为指数变化；第3阶段（屈服破坏状态），荷载为6.00 kN/m2时，构件破坏。

图3 构件荷载-挠度曲线

综合考虑施工时荷载情况，设定均布荷载4.38 kN/m2为检验荷载（见3.1节）。根据试验结果可知，在检验荷载下，PK板净跨l≤3 000 mm时，若不设支撑，此时构件亦能满足施工条件，不仅安全可靠，而且减少了现场实施的作业量。对于净跨3 000 mm的构件，其开裂荷载和极限荷载分别为5.12 kN/m2和6.00 kN/m2。

3 现场应用实施

3.1 临时支撑设置

PK板吊装前，需根据规范[3]设置临时支撑，待吊装结束，位置校核完成，方可浇筑叠合层混凝土，板下支撑应按规范[4]进行排布。PK板就位前，应设置好由竖向支撑和横梁组成的临时支撑，支撑与两端距离支座外侧距离不应大于500 mm（图4）。

图4 板底支座处支撑布置示意

跨内支撑布置原则为：取施工荷载的最不利组合，限制混凝土楼板的挠度不超过l/200。首先，由公式（1）计算PK板抗弯刚度Bs；然后，考虑荷载的标准组合，验算预制构件的挠度和裂缝，由公式（2）得到均布荷载q；最后，由公式（3）根据PK板施工受力特点，等同简支梁求出板跨中挠度。

其中，Bs为PK板抗弯刚度，βc＝0.85，为刚度折减系数，Econ为PK板组合弹性模量，I0为PK板组合惯性矩；q为板面所受均布荷载，G为恒荷载，Q为活荷载；f为板跨中挠度，l为板计算跨度。

在叠合楼板的预制部分楼板上进行现浇部分楼板施工，预制楼板需要承担现浇楼板质量及施工荷载，其两端与梁现浇锚固，受力形式等同简支梁，取1 m单位宽度计算。根据设计材料性质和构件尺寸，由式（1）可得PK板抗弯刚度为3.65×1011N·mm2；施工过程中，基于公式（2）进行计算，PK板叠合层混凝土自重荷载为2.38 kN/m2，施工荷载综合考虑取2.00 kN/m2，可得板面均布荷载共计4.38 kN/m2（检验荷载）；最后，通过公式（3）监测不同跨度PK板的跨中挠度，结果如表1所示。根据规范[6]，结合表1，可总结出施工阶段PK板下临时支撑方案，如表2所示。通过计算对表2的工况进行验证，结果均表明PK板在施工阶段处于正常使用状态，最大跨中挠度未超过l/200，这与2.3节的结论可相互佐证。因此，表2所述的临时支撑方案安全可行。

表1 施工荷载下PK板跨中挠度值

表2 施工阶段PK板下临时支撑设置方法

3.2 施工注意事项

3.2.1 堆放和吊装

构件堆放场地应为混凝土地坪，地面平整、坚实，排水性好。堆放时PK板与地面间保持一定距离，垫块放置在桁架侧边，其长、宽、高均不宜小于100 mm。垫块上下对齐、垫实，不得出现一角脱空的现象，垫块摆放如图5所示。

图5 垫块摆放示意

不同型号构件应分别堆放，严禁倒置，堆放高度不宜超过6层。构件堆放过程中，在预应力作用下，随着时间的推延会产生徐变，致使构件翘曲或板厚不均匀。因此，要求堆放时间不宜多于2个月。其间还应采取合理的防潮、防雨、防边角损伤措施。

构件在吊装时，其底板混凝土强度应达到设计强度的100%，缓起慢落，避免碰撞。保证起重设备的吊钩、吊具与构件中心在垂直方向重合，钢丝绳与构件水平夹角不应小于45°，不宜大于60°。

3.2.2 端部钢筋构造

PK板平行于钢管桁架方向采用预应力钢筋，若生产时预留胡子筋，对构件生产效率无明显影响；若安装构件时未预留胡子筋，其支座处易发生开裂，故宜在板端预留胡子筋。当支撑梁或剪力墙现浇时，两端均预留胡子筋会影响铺板施工，因此可优化为其中一端预留胡子筋，伸出长度（L1）≥15倍钢筋直径且伸过支座中心线。另一端设置端部连接钢筋代替胡子筋，端部连接钢筋一端伸入支座，一端锚入底板（图6）。伸入板端支座长度（L2）与L1要求相同，锚入板内长度（L3）不应小于1.6倍的受拉钢筋锚固长度。此外，连接钢筋直径不宜小于5 mm，间距不宜大于250 mm。

图6 PK板端部连接钢筋做法

在设计生产时应明确PK板的安装方向，并在构件生产完成后喷漆标明，施工前对相关作业人员做好交底，吊装完成后及时校核。

3.2.3 拼缝构造

PK板拼缝的处理应按图7施工。沿钢管方向为密拼式安装，因预制底板生产安装时存在误差，底板之间难免会存在缝隙，但施工时应控制缝隙不超过10 mm。对于施工缝的处理可先采用腻子填充，再铺贴一层耐碱网布，最后再用腻子磨平。

图7 板缝后处理做法

3.3 现场实施效果

基于3.1节临时支撑设置原则，本工程仅在现浇梁下方和净跨大于3 m（最大板跨为4.12 m）的构件跨中进行支模架加固，而对净跨不超过3 m的构件均未设置临时支撑。楼板混凝土浇筑时，严格做好板下挠度监测工作，结果均在计算值范围之内。说明本方案安全可靠，楼板成形效果良好。

4 结语

本文通过现场堆载试验和计算研究分析，明确了PK板下临时支撑的搭设规则，提供了具体的数据参考，并结合现场施工情况，解决了一些PK板施工中常见的问题，得出如下结论：

1）施工阶段，构件q-f曲线可分为正常使用、承载能力和屈服破坏状态3个阶段。不同阶段构件挠度变化也不尽相同，分别为线性变化、指数变化和破坏变化。构件裂纹产生常见于其计算跨度的1/5处附近。

2）通过计算分析，给出PK板下临时支撑设置原则：底板跨度≤3 000 mm，板底可不设支撑；底板跨度＞3 000～6 600 mm，应于板底跨中设置1道支撑；底板跨度＞6 600～9 000 mm，需在1/3板跨处各设1道支撑；与试验结果一致。

3）PK板两端应分别设置预留胡子筋和端部连接钢筋，相邻板的设置应交错组合。其中，预留胡子筋和端部连接钢筋伸入支座长度不小于15倍钢筋直径且伸过支座中心线。端部连接钢筋锚入板内长度不应小于1.6倍的受拉钢筋锚固长度。

4）相较于普通叠合板，PK板的受弯性能和抗裂能力均有明显提升，且减少了现场模架搭设工作，缩短了建筑施工周期。以本工程为例，可节约60%左右的支模材料、45%左右的人工，提高施工速度1.5倍以上。

随着我国工业化的发展，诸如商办大楼、学校、医院等大规模项目建造需求与日俱增，预应力混凝土钢管桁架叠合板的应用势在必行[8]。本工程的试运行证实PK板的可行性高、施工方便、安全可靠，与装配式建筑的初衷不谋而合，对PK板的推广应用具有一定的指导意义，。