康兆光
(北京市石景山區(qū)建筑公司,北京 100043)
裝配式混凝土結(jié)構(gòu)較全現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)具有生產(chǎn)效率高、環(huán)境污染小、改善施工環(huán)境、利于質(zhì)量控制、可持續(xù)發(fā)展等戰(zhàn)略優(yōu)勢(shì),越來(lái)越廣泛地得到應(yīng)用。但相比較之下,由于裝配式結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)存在初始的裂縫,其整體性和抗側(cè)剛度表現(xiàn)又存著先天不足,工程實(shí)踐中,仍存在諸多技術(shù)難點(diǎn)。其中,疊合板作為廣泛應(yīng)用的裝配式結(jié)構(gòu)構(gòu)件,與全現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)板相比,可節(jié)省材料、施工簡(jiǎn)便、縮短工期,與全裝配結(jié)構(gòu)板相比,則抗震性能好,整體性強(qiáng)。然而,現(xiàn)澆疊合層和預(yù)制疊合板混凝土應(yīng)力應(yīng)變存在非線性變化,現(xiàn)澆混凝土的收縮應(yīng)力也對(duì)疊合板承載力產(chǎn)生較大的影響。在多種應(yīng)力條件的共同作用下,疊合板的拼縫部位受力條件復(fù)雜,為保證結(jié)構(gòu)整體性可靠、有效,對(duì)疊合板拼縫構(gòu)造的改進(jìn)和優(yōu)化具有現(xiàn)實(shí)的工程實(shí)踐意義。
裝配式混凝土結(jié)構(gòu)疊合板分為單向板和雙向板,根據(jù)接縫、支座構(gòu)造和長(zhǎng)寬比等條件進(jìn)行設(shè)計(jì)拆分[1]。長(zhǎng)寬比≤3 且四邊支撐的疊合板,可按雙向板設(shè)計(jì),宜采用整體式接縫或無(wú)接縫。按單向板設(shè)計(jì)宜采用分離式接縫設(shè)計(jì)[2]。圖1 為疊合板的預(yù)制底板布置形式示意圖。
圖1 疊合板的預(yù)制底板布置形式示意圖
如圖1(a)所示,分離式接縫無(wú)需設(shè)置后澆帶。圖1(b)方案需要設(shè)置板側(cè)整體式接縫,實(shí)現(xiàn)鋼筋與混凝土連續(xù)受力,但施工工序較復(fù)雜,現(xiàn)場(chǎng)支模、綁筋工作量大,未體現(xiàn)裝配式結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)。圖1(c)方案整體性好,但板塊拆分尺寸大,不利于加工生產(chǎn)和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)??梢?jiàn),在預(yù)制疊合板底板處直接拼縫,安裝方便,施工速度快,與整體式接縫相比,施工工藝具有效率優(yōu)勢(shì)[3]。
采用典型分離拼縫構(gòu)造,在荷載作用下,無(wú)附加鋼筋時(shí),由于施工荷載出現(xiàn)裂縫,荷載不增加,裂縫仍將向上部發(fā)展,直至破壞。為避免接拼縫處發(fā)生破壞,控制裂縫發(fā)展,根據(jù)現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范,在預(yù)制底板表面設(shè)置附加鋼筋,現(xiàn)澆層施工完成并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度值后,構(gòu)成疊合板,形成整體結(jié)構(gòu)[4]。
裝配式結(jié)構(gòu)的疊合板拼縫存在初始的裂縫,根據(jù)斷裂力學(xué),裂縫尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子 K 是控制裂縫發(fā)展的重要參數(shù)。當(dāng)裂縫尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到界限值 Kc時(shí),裂縫將會(huì)失穩(wěn)擴(kuò)展,Kc為材料的斷裂韌性。裂縫失穩(wěn)擴(kuò)展的臨界條件[5]如式(1)所示。
應(yīng)力強(qiáng)度因子 K(kN/mm)超過(guò)材料的斷裂韌性 Kc(kN/mm),裂縫將失穩(wěn)擴(kuò)展,導(dǎo)致構(gòu)件破壞。而附加鋼筋對(duì)裂縫發(fā)展起到約束作用,增大了裂縫發(fā)展的應(yīng)力強(qiáng)度因子。疊合板拼縫處裂縫尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子如式(2)所示。
附加鋼筋產(chǎn)生了阻止裂縫開展的反向應(yīng)力強(qiáng)度因子,使得裂縫尖端處應(yīng)力強(qiáng)度因子下降,當(dāng)值小于混凝土裂縫韌性時(shí),裂縫不會(huì)發(fā)展。當(dāng)附加鋼筋產(chǎn)生的阻力逐漸增大,附加鋼筋產(chǎn)生的逆向應(yīng)力強(qiáng)度因子也隨之增大,裂縫應(yīng)力強(qiáng)度因子則趨于減小,限制裂紋發(fā)展。設(shè)置附加鋼筋的鋼筋混凝土疊合板其裂縫起始擴(kuò)展角方向?qū)⒋怪庇谄纯p沿疊合面方向發(fā)展?;诓牧狭W(xué)垂直于接縫方向單位板寬抗彎剛度如式(3)所示。
式中:Ec為混凝土彈性模量,MPa;Iy為截面慣性矩,mm4;η 為垂直于接縫方向單位板寬抗彎剛度拆減系數(shù);b 為單位板寬,mm;h 為疊合板總厚度,mm;
疊合板拼縫部位受力情況不符合平截面假設(shè)。在荷載作用下,接縫區(qū)域一定范圍出現(xiàn)零應(yīng)力,中性軸上移,抗彎截面減小,鋼筋應(yīng)變值變化平緩,拼縫結(jié)構(gòu)未能有效傳力,未充分發(fā)揮鋼筋抗拉性能,疊合板底板與現(xiàn)澆層不能有效實(shí)現(xiàn)整體受力、協(xié)同工作。由此可見(jiàn),疊合板整體承載力取決于拼縫部位實(shí)際截面的承載能力。提高疊合板整體承載力必須合理構(gòu)建拼縫部位受力體系,優(yōu)化構(gòu)造節(jié)點(diǎn)作法,提高疊合板整體性能。
附加鋼筋產(chǎn)生的阻裂機(jī)制,能夠改變疊合板拼縫處受力特征,疊合面與拼縫處的最大正應(yīng)力方向改變,最大正應(yīng)力方向?qū)②呄蛴谘丿B合面水平方向,即裂縫發(fā)展至疊合面后,改為垂直于拼縫方向發(fā)展,不形成貫通裂縫。但是按分離式接縫設(shè)計(jì)的疊合樓板,經(jīng)混凝土現(xiàn)澆層形成整體板塊后,受力模式具有明顯的雙向板受力特征[6],簡(jiǎn)單地按單向板受力模式設(shè)計(jì)拼縫節(jié)點(diǎn),顯然存在不合理性。
疊合板底板面設(shè)置附加鋼筋對(duì)疊合板承載能力具有一定的貢獻(xiàn),形成了阻裂機(jī)制,但是由于計(jì)算高度較小,相對(duì)于板面較薄弱,降低了疊合板的整體承載力,隨拼縫寬度的增大,影響愈加明顯,疊合板拼接部位易產(chǎn)生應(yīng)力集中,在預(yù)制板與后澆混凝土界面受彎承載力低、撓度較現(xiàn)澆板大,易發(fā)生開裂、破壞。
為提高正常使用狀態(tài)下的的開裂載荷值,對(duì)拼縫部位進(jìn)行節(jié)點(diǎn)優(yōu)化,提高節(jié)點(diǎn)部位受力性能。疊合板底板上表面設(shè)置附加鋼筋,且具有足夠的錨固長(zhǎng)度,使構(gòu)件不但具有足夠的承載力,同時(shí)具有足夠的抗裂能力。疊合板縱向長(zhǎng)邊設(shè)置 40~60 mm 拼縫,與疊合層混凝土同時(shí)澆筑施工。拼縫底部設(shè)通長(zhǎng)鋼筋,通過(guò)拉鉤與疊合層上鐵拉結(jié),形成拼縫部位鋼筋桁架結(jié)構(gòu),如圖2 所示。
圖2 拼縫部位節(jié)點(diǎn)優(yōu)化示意圖(單位:mm)
在設(shè)計(jì)的使用荷載條件下,疊合板拼縫部位不設(shè)置鋼筋桁架結(jié)構(gòu),疊合板的承載力和變形能夠滿足要求,鋼筋屈服后將可能發(fā)生脆性破壞。設(shè)置鋼筋桁架結(jié)構(gòu),有效傳遞剪力和彎矩,提高疊合板的延性,對(duì)疊合板的整體承載力有明顯貢獻(xiàn)。通過(guò)對(duì)單向疊合板拼縫部位節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化設(shè)計(jì),改善了單向疊合板澆筑完成后形成的整體板塊的受力性能,提高了抗裂性和整體性。
本工程總建筑面積 128 316.32 m2,4 棟主體均為住宅樓,地上 28 層,層高 2.80 m,裝修標(biāo)準(zhǔn)為精裝修。建筑設(shè)計(jì)使用年限 50 年??拐鹪O(shè)防烈度為 8 度。建筑結(jié)構(gòu)形式為裝配式鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)。空調(diào)板、樓梯梯段等為預(yù)制構(gòu)件,首層頂板至屋頂層地板為疊合樓板,其他樓板為鋼筋混凝土現(xiàn)澆樓板,外墻為鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu),部分內(nèi)墻為預(yù)制墻板。符合標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工廠化生產(chǎn)、裝配化施工、一體化裝修、信息化管理的工業(yè)化建筑特征。
根據(jù)初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)詳圖,疊合板縱向拼縫為典型分離式接縫設(shè)計(jì),疊合板底板板面設(shè)置Φ8@200 附加鋼筋,錨固長(zhǎng)度 90 mm,2Φ8 通長(zhǎng)鋼筋與附加鋼筋綁扎。優(yōu)化前預(yù)制疊合板拼縫構(gòu)造如圖3 所示。
圖3 單向板側(cè)拼縫節(jié)點(diǎn)一般做法(單位:mm)
圖3 為典型單向板側(cè)邊分離式拼縫節(jié)點(diǎn)做法,疊合板在現(xiàn)澆層澆筑前已經(jīng)存在初始裂縫。現(xiàn)澆層澆筑完成后,拼縫部位較薄弱,傳力性能較差,在載荷作用下,易發(fā)生應(yīng)力集中,裂縫易在拼縫縫部位集中出現(xiàn),破壞疊合板整體性能。
經(jīng)過(guò)分析與研究,對(duì)疊合板拼縫部位節(jié)點(diǎn)構(gòu)造進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),疊合板縱向拼縫縫隙部位設(shè) 60 mm 寬現(xiàn)澆帶,疊合板底板板面設(shè)置Φ8@200 附加鋼筋,錨固長(zhǎng)度 15 d(d 為鋼筋直徑),Φ8@250 通長(zhǎng)鋼筋與附加鋼筋綁扎。后澆帶中設(shè) 1Φ8 縱向通長(zhǎng)鋼筋與疊合板現(xiàn)澆層縱向鋼筋采用 Φ6@600 拉鉤形成桁架體系。優(yōu)化后預(yù)制疊合板拼縫構(gòu)造如圖4 所示。
圖4 單向板側(cè)拼縫節(jié)點(diǎn)優(yōu)化做法(單位:mm)
疊合板整體承載力受拼縫部位構(gòu)造影響顯著,取決于拼縫部位實(shí)際截面的承載能力值。疊合板拼縫部位設(shè)置鋼筋桁架體系后,鋼筋可有效傳力,附加鋼筋向疊合板底板受力鋼筋充分傳遞,發(fā)揮鋼筋抗拉性能,增強(qiáng)拼縫部位結(jié)構(gòu)可靠性,削弱剛度發(fā)展突變,提高抗剪承載力,更有效抑制裂縫的發(fā)生,從而避免脆性破壞。
通過(guò)工程實(shí)踐,疊合層澆筑完成后,板面未出現(xiàn)開裂,拼縫部位平整度偏差均≤1.5 mm,無(wú)裂縫出現(xiàn),較傳統(tǒng)拼縫節(jié)點(diǎn)做法,疊合板采取鋼筋空間桁架構(gòu)造設(shè)計(jì),改善了拼縫部位的受力性能,收到較好的實(shí)際效果。
疊合板按構(gòu)造可分為預(yù)制底板和現(xiàn)澆疊合層,在荷載作用下,預(yù)制底板與現(xiàn)澆疊合層應(yīng)力、應(yīng)變呈非線性變化。受拉鋼筋應(yīng)力超前,疊合層混凝土受壓應(yīng)變滯后。疊合層界面的相對(duì)滑移作用,二次受力、混凝土的收縮作用都對(duì)疊合板受力狀態(tài)產(chǎn)生影響,受力情況復(fù)雜。為了能夠清晰了解疊合板在荷載作下的受力狀態(tài),保證結(jié)構(gòu)整體性能,疊合板拼縫部位構(gòu)造應(yīng)做為疊合板的重要構(gòu)造組成深入進(jìn)行分析和研究。通過(guò)對(duì)單向疊合板拼縫構(gòu)造的受力分析對(duì)拼縫構(gòu)造進(jìn)行了優(yōu)化償試,并經(jīng)過(guò)工程實(shí)踐驗(yàn)證,得出如下結(jié)論。
1)單向疊合板拼縫部位設(shè)置鋼筋網(wǎng)架的優(yōu)化措施,有效削除了相臨預(yù)制疊合板間由于尺寸偏差和安裝誤差引起的細(xì)微偏差,確保了結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量,并為后期裝修工作提供較好的施工條件。
2)通過(guò)對(duì)單向疊合板拼縫部位的優(yōu)化設(shè)計(jì),拼縫部位采取鋼筋桁架構(gòu)造措施,拼縫寬度宜設(shè)置在 40~60 mm,有效削弱剛度突變,實(shí)現(xiàn)拼縫部位對(duì)彎矩作用的傳遞,提高了單向疊合板的整體承載能力。
3)通過(guò)板縫節(jié)點(diǎn)構(gòu)造優(yōu)化,疊合板現(xiàn)澆層施工完成后,形成整體板塊。由于疊合樓板整體受力模式在實(shí)際使用過(guò)程中具有雙向板受力特征,對(duì)于疊合板底板的拆分,建議板縫避開彎矩較大部位,更有利于結(jié)構(gòu)整體性能。