一种装配式大跨度组合钢桁架混凝土叠合板在某工程的应用

王仕琪

（广东省建筑设计研究院有限公司 广州510010）

1 项目概况

某工程为学校建筑，单栋建筑楼层层数4～6 层，均为框架结构体系建筑。为响应国家推动建筑工业化的号召，本项目采用装配式结构，其中主体竖向及水平构件分别均采用带钢节点整体预制混凝土柱、带钢连接件预制混凝土梁，板及楼梯等结构构件均采用预制混凝土构件；外围护墙隔墙采用预制轻质混凝土间隔墙。混凝土构件预制率约35%，建筑装配率约54%（按国家标准计算方式）。

2 大跨度组合钢桁架混凝土叠合板的结构形式

装配式建筑推动了建筑工业化，装配式楼板是装配式建筑的一个重要发展方向。当前，各地采用的装配式楼板主要是整体预制混凝土板、楼承板（压型钢板及钢筋桁架楼承板等）和混凝土叠合板（钢筋桁架叠合板及PK 叠合板等）这3 种。但是，整体预制混凝土板由于其自重较大，吊装及安装非常困难，使得施工周期延长；而楼承板由于钢模外露，施工浇灌混凝土后，还需对钢模进行拆除或作防火防腐措施，使得施工成本较高，且在使用期间维护费用增加。对比于前两者，目前普遍使用的叠合板基本能够满足装配式建筑施工及使用的要求，叠合板自重较轻，且与梁、柱、墙等构件具有较好连接，但是，现有叠合板在施工过程中还存在着以下缺陷：

⑴当板跨较大时，由于叠合板的承载力不足，在其施工过程中，必须设置相应的竖向支撑，从而导致施工工期延长。

⑵现有叠合板均是预制板，该叠合板在现场安装后即为楼板，由于叠合板的厚度就是楼板的厚度，因此，叠合板在制作完成后，其板厚较大，不仅吊装及安装非常困难，延长了施工周期，而且整楼自重较大。

对此本工程创新性地采用了一种适用于装配式的大跨度组合钢桁架混凝土叠合板［1-2］（见图1）。本大跨度组合钢桁架混凝土叠合板包括2 对或3 对角钢、混凝土预制层、板底主受力筋、板底分布筋和钢桁架受力筋，各对角钢沿纵向设置且并列排布，每对角钢中的2个角钢呈背向设置且2个角钢的腹板之间留有空隙，在每对角钢的顶端沿纵向设有用于连接该对角钢腹板的钢桁架受力筋，板底主受力筋沿纵向设置为并列排布的数条，板底主受力筋的上端与角钢翼缘的上表面相平齐，板底分布筋沿横向设置为并列排布的数条，板底分布筋位于板底主受力筋上并与所述角钢的腹板相连，板底主受力筋、板底分布筋和角钢的翼缘均处于混凝土预制层中。

图1 组合钢桁架混凝土叠合板的结构形式Fig.1 Structural Form of Composite Steel Truss Concrete Laminated Panel

3 大跨度组合钢桁架混凝土叠合板的计算分析

对组合钢桁架混凝土叠合板采用大型非线性有限元分析软件ABAQUS 进行计算分析（见图2），模拟组合钢桁架混凝土叠合板在预制完成后现场吊装的受力工况（考虑自重和1.5 的动力系数，工况1）、现场刚浇筑完成时的安装静力工况（考虑竖向重量和施工活载，工况2）、以及考虑跨中或边缘最不利不均匀布置的现场浇筑混凝土时的浇筑动力工况（考虑竖向荷载在施工过程的动力工况及施工活载，工况3），分析上述工况下本组合钢桁架混凝土叠合板的受力情况［3-4］。其中混凝土采用损伤模型实体单元模拟，型钢采用壳单元模拟，模型的混凝土强度等级、尺寸（4 m板跨）等均按结构施工图建立。

图2 ABAQUS有限元模型Fig.2 ABAQUS Finite Element Model

根据ABAQUS 分析结果（图3～图4），施工吊装阶段（考虑动力系数），钢桁架混凝土叠合板中的型钢的最大MISES 应力为17.04 N∕mm2，混凝土没有出现损伤；在考虑现场浇注混凝土完成时的静力工况（工况2）和考虑不均匀布置的浇注混凝土动力工况（工况3），钢桁架混凝土叠合板底部混凝土出现受拉裂缝，叠合板处于带裂缝工作状态，叠合板中的型钢的最大MIS⁃ES应力为249 N∕mm2，小于Q355型钢的设计应力值［5-8］。

图3 角钢应力Fig.3 Stress of Angle Steel

图4 混凝土的受压损伤Fig.4 Compressive Damage of Concrete

由分析可见，组合钢桁架混凝土叠合板可以充分利用材料性能，在满足现场施工承载力要求的情况下，进一步实现大跨度免支撑施工，缩短施工工期，推动装配式的发展。

4 大跨度组合钢桁架混凝土叠合板的施工方法

大跨度组合钢桁架混凝土叠合板的施工方法［9-10］，其特征在于包括以下步骤：

⑴制备所述装配式大跨度组合钢桁架混凝土叠合板，包括在模具中沿纵向搭建数条板底主受力筋，各板底主受力筋并列排布，并在模具中沿纵向架设并列排布的角钢，板底主受力筋的上端与角钢翼缘的上表面相平齐；在板底主受力筋的上方搭建横向并列排布的数条板底分布筋，并将板底分布筋与所述角钢的腹板相连；在每对角钢的顶端沿纵向设置钢桁架受力筋，并将钢桁架受力筋连接该对角钢的腹板；向模具中浇筑混凝土，将板底分布筋、板底主受力筋和角钢的翼缘浇筑在混凝土中，形成混凝土预制层；

⑵将制备完成的叠合板运送至施工现场；

⑶将运送至施工现场的叠合板吊装至安装位置；

⑷在叠合板的上方绑扎楼板的面筋钢筋网，即在叠合板的板底分布筋的上方绑扎面筋钢筋网，其中，叠合板的钢桁架受力筋作为楼板面筋钢筋网的一部分；

⑸根据楼板的设计厚度进行混凝土一体浇筑。

5 大跨度组合钢桁架混凝土叠合板的优点

⑴在板底设有板底主受力筋和板底分布筋，在板的受力方向加设数对角钢，能够完全满足叠合板在现场施工的承载力要求，可以实现大跨度免支撑施工，大大缩短施工工期。

⑵本叠合板为半预制板，在施工现场进行现浇混凝土成为楼板，因此本发明叠合板的板厚较小，吊装及安装方便，可进一步缩短施工周期，大幅度减小整楼自重。

⑶既可作为单向板使用，也可作为双向板使用，因此，板底分布筋的具体受力应根据叠合板的性质而定，当为单向板时，板底分布筋是符合构造的板底分布筋；而当为双向板时，板底分布筋是板底受力钢筋。

⑷本叠合板在角钢的腹板上开设有用于将混凝土浇筑到空隙中的浇筑孔，确保混凝土能够充分填满每对角钢腹板之间的空隙，从浇筑孔浇筑的混凝土与混凝土预制层结成一体，成为混凝土预制层的一部分。

⑸结构简单、制造成本低、施工方便快捷、实用性强，适于广泛推广和应用。

6 结论

装配式大跨度组合钢桁架混凝土叠合板在本工程的装配式施工中成功运用，取得了较好的成果，其组合特性使其可根据具体的板跨及受力特性进行灵活配置使用。在装配式建筑中使用可以有效加速建设速度，降低建设成本。可在其他工程项目中作为参考。