張 昊， 郭 杰， 劉建忠， 宋 磊， 張麗麗

(中建七局第一建筑有限公司，山西 太原市 030000)

0 引 言

相比混凝土澆筑類型的工程，裝配式結(jié)構(gòu)的工程具有施工作業(yè)污染小、有利于質(zhì)量控制、符合綠色工程理念等優(yōu)勢(shì)。目前，裝配式結(jié)構(gòu)的建筑開始在越來越多的領(lǐng)域中推廣使用。但裝配式結(jié)構(gòu)的建筑也存在一些缺陷，例如，不同構(gòu)件需要通過拼接的方式組裝在一起，節(jié)點(diǎn)容易存在初始化裂縫，因此，在后續(xù)的建筑工程項(xiàng)目中，施工方提出了裝配式建筑結(jié)構(gòu)的衍生成果，即裝配式疊合板，但此種構(gòu)件需要混凝土輔助澆筑制作，混凝土在結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力變化存在非線性趨勢(shì)，此種變化會(huì)對(duì)疊合板的承載能力與使用效果造成影響。為了優(yōu)化疊合板在使用中的性能，提升其承載力，下述將基于構(gòu)造角度，對(duì)疊合板展開優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。

1 裝配式疊合板拼縫形式

疊合板是指將預(yù)制板通過混凝土澆筑的方式疊合在一起，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)有效承載力的提升[1]。在建筑研究領(lǐng)域內(nèi)，疊合板被分為兩類，分別為雙向板和單向板，在建筑結(jié)構(gòu)施工中，設(shè)計(jì)方需要根據(jù)工程設(shè)計(jì)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、建設(shè)要求、接縫拼接長(zhǎng)度、支撐結(jié)構(gòu)構(gòu)造、板面長(zhǎng)度與寬度比值等指標(biāo)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與拆分。當(dāng)板面長(zhǎng)度∶寬度小于或等于3.0時(shí)，需要采用四邊支撐結(jié)構(gòu)的板塊進(jìn)行疊合。針對(duì)此種類型的疊合板，大多按照雙向板設(shè)計(jì)方式，參照無縫隙拼接或整體拼接等方式進(jìn)行施工作業(yè)[2]。倘若按照單向疊合板進(jìn)行裝配式建筑的施工作業(yè)時(shí)，建議采用分離式拼接方式進(jìn)行整體設(shè)計(jì)。分析疊合板預(yù)制頂板的多種布設(shè)方式，如圖1所示。

圖1 疊合板預(yù)制頂板的多種布設(shè)方式

圖1中，(1)代表單向疊合板布置方式，(2)代表雙向疊合板布置方式，(3)代表雙向疊合板無接縫布置方式[3]。在圖1(1)所示的布置方式中，分離式結(jié)構(gòu)接縫不需要進(jìn)行后澆筑帶的設(shè)計(jì)。在圖1(2)所示的布置方式中，需要在施工中板側(cè)位置設(shè)計(jì)整體式接縫，以確保預(yù)制結(jié)構(gòu)中的混凝土與鋼筋保持協(xié)同受力或連續(xù)均勻受力狀態(tài)。但此種布置方式的現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)工序相對(duì)復(fù)雜，在現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)過程中，現(xiàn)場(chǎng)支模與結(jié)構(gòu)鋼筋綁扎工程量較大，無法直接體現(xiàn)裝配式結(jié)構(gòu)在建筑施工中的優(yōu)勢(shì)，甚至還會(huì)出現(xiàn)拖拉工程施工工期、增加潛在施工成本等問題[4]。圖1(3)所示的布置方式是目前為止綜合性能最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，但在實(shí)際應(yīng)用中存在板塊拆分尺寸把控難度高的問題，可能對(duì)工程后續(xù)生產(chǎn)與加工造成困擾，不利于工程項(xiàng)目的規(guī)范化與標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。綜合上述分析，可在此類工程項(xiàng)目，采用在預(yù)制板底板位置直接拼接的方式進(jìn)行施工作業(yè)，此種作業(yè)方式具有操作便捷、施工速度快、施工工藝優(yōu)良等顯著優(yōu)勢(shì)。

2 裝配式疊合板拼縫構(gòu)造優(yōu)化

2.1 裝配式疊合板拼縫力學(xué)參數(shù)確定

在確定了裝配式疊合板拼縫的多種形式后，為實(shí)現(xiàn)對(duì)構(gòu)造優(yōu)化，首先需要確定裝配式疊合板拼縫力學(xué)參數(shù)。通常情況下，這一結(jié)構(gòu)的荷載可分為永久荷載和可變荷載兩種，其中可變荷載通常在1.8～2.2 kN/m2，永久荷載部分主要包括結(jié)構(gòu)自重和附加恒荷載。根據(jù)可變荷載所在的效應(yīng)控制組合能夠進(jìn)一步計(jì)算得出其設(shè)計(jì)圖紙中的荷載情況。在受到兩種荷載的作用下，施工荷載的產(chǎn)生會(huì)使得結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫，同時(shí)，在荷載不斷增加的過程中，其裂縫會(huì)呈現(xiàn)出持續(xù)向上延伸的趨勢(shì)，直到最終結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞[5]。為了避免拼縫構(gòu)造出現(xiàn)這一破壞現(xiàn)象，需要明確其裂縫位置上的失穩(wěn)擴(kuò)展臨界條件，如公式(1)所示。

K=Kc

(1)

式中：K為裝配式疊合板的應(yīng)力強(qiáng)度因子，kN/mm；Kc為裝配式疊合板的斷裂韌性，kN/mm。當(dāng)裂縫位置上的失穩(wěn)出現(xiàn)不斷擴(kuò)展的趨勢(shì)，則此時(shí)該結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)破壞。為了防止這一問題發(fā)生，通常會(huì)在該結(jié)構(gòu)上附加鋼筋，以此起到對(duì)裂縫的約束，進(jìn)而提高了裂縫發(fā)展的應(yīng)力強(qiáng)度因子，即提升了K值。因此，對(duì)于裝配式疊合板拼縫位置上的應(yīng)力強(qiáng)度因子，其計(jì)算公式為：

(2)

2.2 構(gòu)造節(jié)點(diǎn)優(yōu)化

在確定裝配式疊合板拼縫位置上的各個(gè)力學(xué)參數(shù)后，首先對(duì)構(gòu)造節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。通過增加鋼筋結(jié)構(gòu)，利用其阻礙裂縫產(chǎn)生的機(jī)制，能夠有效改變裝配式疊合板拼縫位置上的受力情況，并使得在這一位置上的最大正應(yīng)力方向發(fā)生改變，并逐漸從垂直拼縫面方向轉(zhuǎn)變到沿疊合面水平方向[6]。通過這一改變，能夠使拼縫構(gòu)造局部形成貫通的裂縫結(jié)構(gòu)。在實(shí)際應(yīng)用中，由于存在計(jì)算高度偏低的問題，裝配式結(jié)構(gòu)板面相對(duì)薄弱，承載力相對(duì)更低，這使得整體結(jié)構(gòu)上能夠承受的載荷壓力變低，導(dǎo)致拼縫的延伸速度逐漸增加，并且影響程度也將逐漸提高。針對(duì)這一問題，為實(shí)現(xiàn)對(duì)其拼縫構(gòu)造節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化，按照如圖2所示的內(nèi)容對(duì)其進(jìn)行處理。

圖2 拼縫構(gòu)造節(jié)點(diǎn)優(yōu)化處理示意圖

按照?qǐng)D2所示的流程，為了能夠在一般情況下提高拼縫構(gòu)造的開裂載荷數(shù)值，針對(duì)其節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，促使節(jié)點(diǎn)位置上的受力性能提升。選擇在裝配式疊合板底板的表面增加一個(gè)鋼筋結(jié)構(gòu)，并且確保該鋼筋結(jié)構(gòu)能夠具備充足的錨固長(zhǎng)度，促使裝配式疊合板整體結(jié)構(gòu)的承載力和抗裂能力提升。同時(shí)，在這一結(jié)構(gòu)的縱向邊長(zhǎng)位置上，完成對(duì)一個(gè)長(zhǎng)度超過30 mm的拼縫的拼接，并將這一施工內(nèi)容與疊合層混凝土的施工內(nèi)容合并，共同完成對(duì)其澆筑工作。同時(shí)，在拼縫構(gòu)造的底部位置上，應(yīng)當(dāng)增加一個(gè)鋼筋結(jié)構(gòu)，利用該結(jié)構(gòu)提升承載力以及其與上層結(jié)構(gòu)的相互作用，能夠形成一個(gè)近似鋼筋桁架的結(jié)構(gòu)能力，以此進(jìn)一步提升該位置上的荷載承受能力。同時(shí)，上述荷載條件下，裝配式疊合板拼縫位置上可不設(shè)置鋼筋桁架結(jié)構(gòu)，只需要確保構(gòu)造點(diǎn)的承載力和變形符合實(shí)際需要即可。在對(duì)鋼筋桁架進(jìn)行設(shè)置時(shí)，其剪力和彎矩都能夠得到有效傳遞，進(jìn)而提升裝配式疊合板整體的延伸性能，同時(shí)對(duì)于其整體承載力而言也具有極高的作用。通過對(duì)裝配式疊合板構(gòu)造節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化，能夠起到改善整體受力性能的目的，進(jìn)而達(dá)到預(yù)期的優(yōu)化目的。

2.3 構(gòu)造布置方案優(yōu)化

在完成對(duì)構(gòu)造節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化后，還應(yīng)當(dāng)結(jié)合具體建設(shè)項(xiàng)目對(duì)這一構(gòu)造的布置方案進(jìn)行優(yōu)化。在建筑和結(jié)構(gòu)方案布置階段，裝配式設(shè)計(jì)已經(jīng)介入。為了進(jìn)一步提高裝配式疊合板在施工中的可行性和經(jīng)濟(jì)性，避免后期方案反復(fù)修改的問題產(chǎn)生[7]，針對(duì)這一階段的布置方案進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)選用的裝配式疊合板結(jié)構(gòu)和拼縫特點(diǎn)，構(gòu)件在布置時(shí)應(yīng)當(dāng)具備規(guī)則、連續(xù)和均勻等要求，同時(shí)還應(yīng)當(dāng)充分滿足裝配式疊合板結(jié)構(gòu)的承載力、整體性和延伸性。在設(shè)計(jì)階段，應(yīng)當(dāng)最大限度地達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化要求，從而減少裝配式疊合板種類，降低后續(xù)建設(shè)的成本。除此之外，在對(duì)裝配式疊合板進(jìn)行拼縫處理時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分考慮采用裝配式疊合板的可實(shí)施性[8]。在對(duì)構(gòu)造進(jìn)行布置時(shí)，應(yīng)當(dāng)將復(fù)雜部分作為預(yù)制部分，以減少現(xiàn)場(chǎng)施工的難度，進(jìn)而提升施工效率，但布置過程中仍然需要遵循拆分布置原則。在對(duì)構(gòu)造進(jìn)行布置時(shí)，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先采用一字形結(jié)構(gòu)，不宜采用“L”形、“T”形和“U”形，并且針對(duì)同一結(jié)構(gòu)面上的拼縫布置，應(yīng)當(dāng)盡可能選擇同一種結(jié)構(gòu)類型，以此避免在后續(xù)現(xiàn)澆環(huán)節(jié)與預(yù)制環(huán)節(jié)的施工出現(xiàn)交叉。針對(duì)裝配式疊合板兩側(cè)的拼縫位置應(yīng)當(dāng)設(shè)置結(jié)構(gòu)受力更小的部分，同時(shí)布置時(shí)應(yīng)當(dāng)注意根據(jù)結(jié)構(gòu)要求選擇裝配式疊合板類型，并在最大限度上實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和模數(shù)化，以此提高裝配式疊合板拼縫構(gòu)造的使用性能。若在施工過程中，裝配式疊合板拼縫構(gòu)造的受力情況與平截面假設(shè)不相符，則在荷載的作用下，拼縫位置上一定范圍內(nèi)會(huì)出現(xiàn)零應(yīng)力現(xiàn)象。同時(shí)，這一現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，其中心軸會(huì)出現(xiàn)上移，抗彎界面也會(huì)不斷縮小，鋼筋結(jié)構(gòu)的應(yīng)變變化逐漸變得遲緩，無法充分發(fā)揮鋼筋結(jié)構(gòu)的抗拉性能。因此，針對(duì)這一問題，在布置時(shí)應(yīng)當(dāng)提高拼縫構(gòu)造的實(shí)際界面承載能力，從而達(dá)到提升裝配式疊合板拼縫構(gòu)造承載力的目的，提升其整體性能。

3 優(yōu)化效果分析

設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，用于證明此次研究提出的構(gòu)造優(yōu)化設(shè)計(jì)方法可以起到提升工程質(zhì)量的作用。

此次對(duì)比實(shí)驗(yàn)所選的工程為地區(qū)在建項(xiàng)目，對(duì)此項(xiàng)目的概況描述表1。

表1 工程項(xiàng)目概況描述

除表格1中闡述的內(nèi)容，在此建筑工程項(xiàng)目中，建筑樓梯等結(jié)構(gòu)均屬于預(yù)制結(jié)構(gòu)，建筑中首層頂板～屋頂層地面，均屬于疊合板設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，其他結(jié)構(gòu)屬于混凝土澆筑結(jié)構(gòu)。

為了證明本文設(shè)計(jì)的構(gòu)造優(yōu)化方法具有實(shí)際有效性，對(duì)疊合板施工部位，進(jìn)行構(gòu)造優(yōu)化設(shè)計(jì)，保留優(yōu)化前的疊合板，對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試區(qū)域進(jìn)行施工。圖3為優(yōu)化前采用單向板側(cè)拼縫方案的構(gòu)造結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 優(yōu)化前采用單向板側(cè)拼縫方案的構(gòu)造結(jié)構(gòu)示意圖

施工時(shí)，按照標(biāo)準(zhǔn)化的施工作業(yè)流程，對(duì)優(yōu)化前與優(yōu)化后的疊合板進(jìn)行澆筑，澆筑后對(duì)測(cè)試區(qū)域進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，靜置試件7～10 d，觀察澆筑的混凝土是否在此過程中出現(xiàn)收縮反應(yīng)，由項(xiàng)目的監(jiān)理人員進(jìn)行板面開裂的記錄，并使用高精度的測(cè)量裝置，對(duì)板面拼縫部位的平整度進(jìn)行測(cè)量。將測(cè)量后的結(jié)果與施工預(yù)計(jì)的板面平整度進(jìn)行比對(duì)，計(jì)算拼縫作為此次對(duì)比實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，記錄內(nèi)容如下：

第一天，無開裂現(xiàn)象，平整度偏差為0；

第二天，無開裂現(xiàn)象，平整度偏差為0；

第三天，無開裂現(xiàn)象，平整度偏差為0.07 mm；

第四天，無開裂現(xiàn)象，平整度偏差為0.12 mm；

第五天，無開裂現(xiàn)象，平整度偏差為0.14 mm；

第六天，無開裂現(xiàn)象，平整度偏差為0.56 mm；

第七天，無開裂現(xiàn)象，平整度偏差為0.78 mm；

第八天，無開裂現(xiàn)象，平整度偏差為0.78 mm；

第九天，無開裂現(xiàn)象，平整度偏差為0.78 mm；

第十天，無開裂現(xiàn)象，平整度偏差為0.78 mm。

從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，澆筑的混凝土在第三天開始固結(jié)，因此，板面拼接部位的平整度開始出現(xiàn)偏差，但相比優(yōu)化前的構(gòu)造而言，優(yōu)化后的構(gòu)造在實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)間內(nèi)未發(fā)生明顯開裂，且板面拼接部位的平整度偏差<1.5 mm，證明本文設(shè)計(jì)的構(gòu)造優(yōu)化方法在施工中具有提高工程項(xiàng)目質(zhì)量的顯著優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)束語

在完成對(duì)疊合板構(gòu)造的優(yōu)化設(shè)計(jì)后，對(duì)優(yōu)化前的構(gòu)造與優(yōu)化后的構(gòu)造進(jìn)行了對(duì)比分析，分析后發(fā)現(xiàn)，本文設(shè)計(jì)的構(gòu)造優(yōu)化方法應(yīng)用到實(shí)際施工中，可以起到防止板面出現(xiàn)開裂、降低平整度偏差等作用。未來，將繼續(xù)進(jìn)行此項(xiàng)技術(shù)的設(shè)計(jì)研究，并在證明此項(xiàng)研究成果真實(shí)可用后，將其投入市場(chǎng)使用，優(yōu)化市場(chǎng)內(nèi)現(xiàn)有建筑施工方式。