钢筋桁架楼承板裂缝控制创新施工工艺的研究

许浩波，郭召旭

（云南工程建设总承包股份有限公司，云南 昆明 650011）

0 引言

钢筋桁架楼承板是近几年新兴的一种楼板组合形式，相比传统现浇板而言，它具有造价低廉、施工便捷和施工周期短等优点，在国内的建筑市场已逐渐得到普及。楼承板在施工过程中存在挠度变形过大、混凝土易开裂等问题。张莉莉[1]等提出了通过对楼承板拼缝工艺、标高控制、支撑方式和集中荷载等方面采取了有效措施，较好地控制了钢筋桁架楼承板混凝土裂缝的产生。卢文浩[2]针对某实际工程中装配式钢筋桁架楼承板出现的各类裂缝，通过对相关工程质量的检测，对裂缝形成的原因进行了分析。本文的创新之处在于以云南省民族文化宫建设项目为例，提出了数种创新性控制裂缝的施工方法，最终选择并实施了拱架悬挂施工工艺，远远超过预期效果。该工艺的成功应用为超高空间、大跨度钢结构厂房、剧场等提供了新的设计思路，降低建设成本，提高施工效率，保证了施工质量和安全。

1 工程概况

云南省民族文化宫建设项目建筑面积31 900m2，位于昆明市西山区滇池路1503 号云南民族博物馆内，为三层群体公共建筑。层高范围5.4～21m 不等，内部最大跨度61.5m。主体结构为常规钢框架结构，普通钢筋混凝土楼板，局部采用5mm厚花纹钢板铺底增加刚度，变更后所有楼板均采用TDB7-120-576 型钢筋桁架楼承板，其底部镀锌钢板厚度为0.5mm，钢框架结构体系；建筑高度：20m；正负零标高：1 888.3m；抗震设防烈度：八度。

2 试验方案与结果

2.1 影响开裂的原因初探

导致钢筋桁架楼承板混凝土开裂的原因有很多，在试验设计之前应初步探索开裂原因。为确保主要原因能被找到，通过探讨，列举主要原因如下：（1）施工荷载过于集中导致变形过大引起裂缝；（2）天气炎热养护收面不及时导致开裂；（3）混凝土配合比问题导致开裂；（4）浇筑方式采用泵送时泵管震动过大导致开裂；（5）楼承板使用跨度过大超过设计跨度导致变形过大后引起裂缝。

2.2 试验设计

结合上述原因，天气情况、浇筑方式、混凝土配合比问题较好控制，最难控制的是变形后引起裂缝。因此，设计试验时可选择具有结构跨度一致，且为减少试验干扰尽量选择同一楼层同一区域连续跨度的工况下进行现场对比试验研究。试验对比之前对楼承板变形大小并无数据支撑，则应提前考虑预堆载试验，模拟混凝土浇筑过程，找到变形关键数据。

通过预堆载试验找到变形最大处，方便下一步设计支撑体系减小变形，为支撑与不支撑两种情况下的混凝土浇筑试验提供依据。

2.3 试验设计

根据项目情况，首先选取工况相同、试验影响因素较小区域进行楼承板预堆载试验。预堆载试验完成后，选择与预堆载试验选取区域结构一致的部位（二层3-4/P-M 轴区域）进行支撑与不支撑（二层4-5/P-M 轴区域）两种工况下浇筑混凝土对比试验。其目的之一是为监测其挠曲变形情况和裂缝分布情况。试验区域楼板为2 500mm、2 500mm、3 000mm 和4 000mm 跨度组成的四跨连续板，厚度为150mm。钢筋桁架钢筋规格尺寸见表1。

表1 钢筋桁架尺寸规格

试验将应力应变器焊接在楼承板桁架钢筋上，以便实时记录下上弦钢筋及下弦钢筋的变形及受力的变化过程，同时监测分布钢筋变形及受力过程。将应力计固定埋置在混凝土内监测混凝土从初凝到强度100%过程中应力变化过程。对钢主梁及次梁布置应变计监测期间变形。布置千分表在楼承板下方监测浇筑过程及浇筑完成后楼承板挠度大小变化。设计百分表对支撑部位立杆轴力变化监测以及钢梁应变监测。

2.4 预堆载试验

将四跨连续板简化为四跨连续梁，按最不利状态布置施工活载。通过软件模拟计算最大挠度的出现部位并布置百分表，总测点数17 个。根据《建筑结构荷载规范》和《建筑施工模板安全技术规范》的规定，施工活载取1.5kN/m2[5]，混凝土容重取25kN/m3，由于板厚为150mm，计算恒载为：25×0.15=3.75kN/m2，考虑加载后楼板下挠，厚度增加，故取恒载为4.0kN/m2。在参考《建筑结构试验》[6]、《新型自承式钢筋桁架楼承板体系施工阶段力学性能研究》[7]等文献资料后，按照加载材料产生的荷载应能够以足够的精度进行控制和测量，同时受力状态应能与混凝土浇筑时的受力状态接近。在比对多种加载材料后，选择堆砂加载，砂的密度经多次测定修正后取值为1 340.5kg/m3。

加载方式为四级加载、三级卸载，各级加载的荷载值详见表2。为方便操作和精确控制加载值，一级加载值取200kg/m2，砂厚度为150mm。四级加载时先加1、3 跨，如此能更好地体现施工活载在最不利布置状态下楼承板的挠度差异，待百分表读数稳定后再加2、4 跨。

表2 各加载级荷载值

四级加载完成后所有跨荷载值均达到550kg/m2，4 号测点绝对变形值为31.260mm；5 号测点（N 轴对应的次梁跨中）变形值为15.288mm，未超过规范允许值L0/200。

考虑最不利荷载位置时，四级加载仅加1、3 跨，3 号测点相对挠曲变形值达到24.199mm，超过规范允许值20mm 或L/180，且相对位移值大于4 号测点。

2.5 加撑与不加撑对比试验

选择与预堆载试验区域（二层4-5/P-M 轴区域，不加支撑）相同跨度的紧邻区域（二层3-4/P-M 轴区域，加支撑）进行混凝土浇筑对比试验。每跨板跨中设钢管支撑一排，立杆间距为1.3m，顶托上设置通长木枋。混凝土浇筑完成后不加支撑情况下，4m 板跨中在消除预堆载试验非弹性变形后的最大挠度值为18.4mm，加支撑的4m 板跨中最大挠度为6.8mm。

试验区域混凝土浇筑按照施工规范严格控制商品混凝土质量、钢筋保护层厚度、平整度及振捣与养护等质量要求。在混凝土浇筑完成后，不加支撑楼板出现较大面积规则的网状裂缝和不规则的其他裂缝，裂缝多为沿桁架钢筋发展，最大缝宽为1.2mm，加支撑的楼板均未发现裂缝。通过本项对比试验，证实楼板挠曲变形过大是钢筋桁架楼承板产生裂缝的主要原因。

3 挠度控制工艺探究

在对上述楼板挠曲变形试验数据综合分析研究后，找到了主要原因。但因传统钢管脚手架支撑成本过高，施工速度较慢，加之层高过高（最高21m）安全保障性较差。因此通过探讨研究结合传统施工工艺与特殊工况下的相关施工经验，本文摒弃底部支撑的工艺，提出在楼板上方架桥悬吊控制挠度变形进而控制混凝土开裂的想法。在《钢筋桁架楼承板挠曲变形控制施工方法》中曾提出七种上部控制方法，通过可行性探究，最终选择借鉴拱桥经验，利用拱良好的受力条件来解决变形问题。

3.1 拱架受力及拱架悬挂体系设计

根据《结构力学》[8]知识，单拱结构在拱脚存在水平推力，其余部位均为压力。要采用拱结构受力，需第一步解决在原有结构上因拱脚推力造成钢梁侧面弯矩，故而消除或极限减小推力便是难题。于是设计拱架悬挂体系时，可通过弹性变形较小的塑钢钢筋连接拱脚，通过拱脚系杆连接花篮螺栓后解决拱脚推力问题。单拱架侧倾须有固定措施，悬挂杆件应精心设计。现详细介绍如下：

3.1.1 悬挂式拱架装置原理

本工法的钢拱架为主要的承力构件，是利用三铰拱的承力原理，通过拱脚系杆抵消或减小拱脚水平推力，仅传递竖向分力的悬挂施工方法。吊杆通过花篮螺栓与钢筋桁架楼承板连接，形成多点弹性支承，起到控制楼承板挠度变形的作用。吊杆将钢筋桁架楼承板、混凝土自重和施工荷载传递给拱架，再由拱架和拱脚系杆共同工作，将竖向荷载通过临时支座传递给钢框架梁。在混凝土浇筑过程中，钢筋桁架楼承板、拱架、钢结构体系的变形协调一致，达到了控制钢筋桁架楼承板挠度变形及楼承板混凝土开裂目的。

悬挂式拱架装置包括边缘带支座型半拱架（1），中间带支座型半拱架（2），中间不带支座型半拱架（3），吊杆（4），拱脚系杆（5），花篮螺栓（6），吊耳（7），拱顶拉杆（8），斜撑（9），临时支座（10），加节拱架图详见图1。

图1 加水平加节后的四铰梯形拱架示意图

3.1.2 悬挂式拱架装置连接

每个钢拱架分为两段，边缘带支座型半拱架（1）与中间带支座型半拱架（2）相连，或者边缘带支座型半拱架（1）与中间不带支座型半拱架（3）相连。拱脚与钢梁上焊接的临时支座（10）采用螺栓连接；拱顶采用螺栓连接，形成三铰拱体系。拱架主体通过边缘带支座型半拱架（1）、中间带支座型半拱架（2）和中间不带支座型半拱架（3）交替组合成单跨拱架，或者连续多跨拱架。（1）与（2）和（3）之间通过拱顶螺栓连接；（2）和（3）之间通过（2）所带的拱脚支座的预留螺栓孔螺栓连接。所有拱脚部分均通过螺栓与临时支座（10）连接；临时支座（10）则焊接于钢框架梁上。

3.1.3 吊杆及拱脚系杆连接

拱架主体安装完成后，将吊杆（4）上端安装于吊耳（7）上；下端通过花篮螺栓（6）连接于钢筋桁架楼承板的上部分布筋上。通过花篮螺栓（6）的拧紧程度控制楼承板的挠度和预拱度。

为消除或减小拱脚水平推力，设置拱脚系杆（5）与花篮螺栓连接并拧紧。则拱脚部位仅剩下集中的竖向荷载，通过钢框架梁传递给钢柱，以确保钢框架梁不存在受扭情况。吊点的间距和数量应通过计算确定。计算时应考虑钢筋桁架楼承板和拱架吊杆共同承力。吊杆荷载取值以吊杆作用点的影响范围而定，一般可按照1/3 板自重及施工荷载的组合值，平均分配到每根吊杆上。一个吊耳对应一根吊杆，数量与间距均应保持一致。

拱架平面外稳定性通过设置拱顶拉杆（8）和斜撑（9）控制。拉杆和斜撑采用电焊固定方式或扣件连接等方式，根据现场实际情况选择。材质可选择钢管、角钢等材料。

如上是针对三铰拱固定跨度情况下拱架悬挂施工的工艺原理。当板跨度改变时，可在原有三铰拱的拱顶增加水平加节，作为调节拱架跨度的杆件，以扩大拱架的使用范围。该方式将三铰拱变为梯形拱架，拱架铰接点变为四铰梯形拱。拱架在受力计算时将拱身等效于梁，截面法应力计算拱身受力情况。系杆的拉力计算可通过拱身承受的弯矩除以拱高获得。

3.2 拱架悬挂施工

拱架悬挂施工是一种创新的施工方法，可以采用钢管拱、工字钢拱、桁架拱等多种拱架形式。利用拱架受力合理和截面较小的特点，在钢筋桁架楼承板两侧主梁或次梁上设置永久支座，连接固定拱架，再采用吊杆将钢筋桁架楼承板永久荷载和施工荷载传递给拱架，通过拱架传递给次梁或主梁，使得钢筋桁架楼承板、拱架体系、钢结构体系能够较好地协同工作。吊杆与钢筋桁架楼承板相连的部位，应提前在上弦筋下部预设短钢筋（直径不宜过小），并与吊杆吊钩可靠连接，以使吊杆的作用力均匀分散到各片桁架上，起到分散集中力、避免单点吊力过大破坏桁架筋与镀锌板焊点。

该施工工艺具有层层独立施工，提高施工速度，节约工期，节省支撑脚手架搭设工程量，大面积甚至全面解决楼承板开裂问题，是难能的创新工艺，尤其是在超高空间大跨度钢结构厂房、歌剧院等结构推广应用价值更高。拱架可回收再加工后用到公路隧道初支护中，重复利用率较高。拱架悬挂施工比搭设脚手架支撑更安全、经济。在层高高，跨度大的工程中推广价值较高，为钢结构体系楼板施工提供一种新的思路和方法。

4 结论

本文以云南省民族文化宫建设项目为例，科学地进行实验设计，首先选取工况相同、试验影响因素较小区域进行楼承板预堆载试验以及加撑与不加撑对比试验，从而得出影响钢筋桁架楼承板开裂的主要原因。相关人员在对挠度控制工艺进行深入研究，最终选择借鉴拱桥经验，全面分析拱架受力及拱架悬挂体系设计，提出了拱架悬挂施工这种创新的施工方法，不仅节约了工期，还很好地解决了楼承板大面积开裂的问题，推动了钢筋桁架楼承板的推广和发展。