許浩波，郭召旭

（云南工程建設(shè)總承包股份有限公司，云南 昆明 650011）

0 引言

鋼筋桁架樓承板是近幾年新興的一種樓板組合形式，相比傳統(tǒng)現(xiàn)澆板而言，它具有造價低廉、施工便捷和施工周期短等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)的建筑市場已逐漸得到普及。樓承板在施工過程中存在撓度變形過大、混凝土易開裂等問題。張莉莉[1]等提出了通過對樓承板拼縫工藝、標(biāo)高控制、支撐方式和集中荷載等方面采取了有效措施，較好地控制了鋼筋桁架樓承板混凝土裂縫的產(chǎn)生。盧文浩[2]針對某實(shí)際工程中裝配式鋼筋桁架樓承板出現(xiàn)的各類裂縫，通過對相關(guān)工程質(zhì)量的檢測，對裂縫形成的原因進(jìn)行了分析。本文的創(chuàng)新之處在于以云南省民族文化宮建設(shè)項目為例，提出了數(shù)種創(chuàng)新性控制裂縫的施工方法，最終選擇并實(shí)施了拱架懸掛施工工藝，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過預(yù)期效果。該工藝的成功應(yīng)用為超高空間、大跨度鋼結(jié)構(gòu)廠房、劇場等提供了新的設(shè)計思路，降低建設(shè)成本，提高施工效率，保證了施工質(zhì)量和安全。

1 工程概況

云南省民族文化宮建設(shè)項目建筑面積31 900m2，位于昆明市西山區(qū)滇池路1503 號云南民族博物館內(nèi)，為三層群體公共建筑。層高范圍5.4～21m 不等，內(nèi)部最大跨度61.5m。主體結(jié)構(gòu)為常規(guī)鋼框架結(jié)構(gòu)，普通鋼筋混凝土樓板，局部采用5mm厚花紋鋼板鋪底增加剛度，變更后所有樓板均采用TDB7-120-576 型鋼筋桁架樓承板，其底部鍍鋅鋼板厚度為0.5mm，鋼框架結(jié)構(gòu)體系；建筑高度：20m；正負(fù)零標(biāo)高：1 888.3m；抗震設(shè)防烈度：八度。

2 試驗方案與結(jié)果

2.1 影響開裂的原因初探

導(dǎo)致鋼筋桁架樓承板混凝土開裂的原因有很多，在試驗設(shè)計之前應(yīng)初步探索開裂原因。為確保主要原因能被找到，通過探討，列舉主要原因如下：（1）施工荷載過于集中導(dǎo)致變形過大引起裂縫；（2）天氣炎熱養(yǎng)護(hù)收面不及時導(dǎo)致開裂；（3）混凝土配合比問題導(dǎo)致開裂；（4）澆筑方式采用泵送時泵管震動過大導(dǎo)致開裂；（5）樓承板使用跨度過大超過設(shè)計跨度導(dǎo)致變形過大后引起裂縫。

2.2 試驗設(shè)計

結(jié)合上述原因，天氣情況、澆筑方式、混凝土配合比問題較好控制，最難控制的是變形后引起裂縫。因此，設(shè)計試驗時可選擇具有結(jié)構(gòu)跨度一致，且為減少試驗干擾盡量選擇同一樓層同一區(qū)域連續(xù)跨度的工況下進(jìn)行現(xiàn)場對比試驗研究。試驗對比之前對樓承板變形大小并無數(shù)據(jù)支撐，則應(yīng)提前考慮預(yù)堆載試驗，模擬混凝土澆筑過程，找到變形關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

通過預(yù)堆載試驗找到變形最大處，方便下一步設(shè)計支撐體系減小變形，為支撐與不支撐兩種情況下的混凝土澆筑試驗提供依據(jù)。

2.3 試驗設(shè)計

根據(jù)項目情況，首先選取工況相同、試驗影響因素較小區(qū)域進(jìn)行樓承板預(yù)堆載試驗。預(yù)堆載試驗完成后，選擇與預(yù)堆載試驗選取區(qū)域結(jié)構(gòu)一致的部位（二層3-4/P-M 軸區(qū)域）進(jìn)行支撐與不支撐（二層4-5/P-M 軸區(qū)域）兩種工況下澆筑混凝土對比試驗。其目的之一是為監(jiān)測其撓曲變形情況和裂縫分布情況。試驗區(qū)域樓板為2 500mm、2 500mm、3 000mm 和4 000mm 跨度組成的四跨連續(xù)板，厚度為150mm。鋼筋桁架鋼筋規(guī)格尺寸見表1。

表1 鋼筋桁架尺寸規(guī)格

試驗將應(yīng)力應(yīng)變器焊接在樓承板桁架鋼筋上，以便實(shí)時記錄下上弦鋼筋及下弦鋼筋的變形及受力的變化過程，同時監(jiān)測分布鋼筋變形及受力過程。將應(yīng)力計固定埋置在混凝土內(nèi)監(jiān)測混凝土從初凝到強(qiáng)度100%過程中應(yīng)力變化過程。對鋼主梁及次梁布置應(yīng)變計監(jiān)測期間變形。布置千分表在樓承板下方監(jiān)測澆筑過程及澆筑完成后樓承板撓度大小變化。設(shè)計百分表對支撐部位立桿軸力變化監(jiān)測以及鋼梁應(yīng)變監(jiān)測。

2.4 預(yù)堆載試驗

將四跨連續(xù)板簡化為四跨連續(xù)梁，按最不利狀態(tài)布置施工活載。通過軟件模擬計算最大撓度的出現(xiàn)部位并布置百分表，總測點(diǎn)數(shù)17 個。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》和《建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，施工活載取1.5kN/m2[5]，混凝土容重取25kN/m3，由于板厚為150mm，計算恒載為：25×0.15=3.75kN/m2，考慮加載后樓板下?lián)?，厚度增加，故取恒載為4.0kN/m2。在參考《建筑結(jié)構(gòu)試驗》[6]、《新型自承式鋼筋桁架樓承板體系施工階段力學(xué)性能研究》[7]等文獻(xiàn)資料后，按照加載材料產(chǎn)生的荷載應(yīng)能夠以足夠的精度進(jìn)行控制和測量，同時受力狀態(tài)應(yīng)能與混凝土澆筑時的受力狀態(tài)接近。在比對多種加載材料后，選擇堆砂加載，砂的密度經(jīng)多次測定修正后取值為1 340.5kg/m3。

加載方式為四級加載、三級卸載，各級加載的荷載值詳見表2。為方便操作和精確控制加載值，一級加載值取200kg/m2，砂厚度為150mm。四級加載時先加1、3 跨，如此能更好地體現(xiàn)施工活載在最不利布置狀態(tài)下樓承板的撓度差異，待百分表讀數(shù)穩(wěn)定后再加2、4 跨。

表2 各加載級荷載值

四級加載完成后所有跨荷載值均達(dá)到550kg/m2，4 號測點(diǎn)絕對變形值為31.260mm；5 號測點(diǎn)（N 軸對應(yīng)的次梁跨中）變形值為15.288mm，未超過規(guī)范允許值L0/200。

考慮最不利荷載位置時，四級加載僅加1、3 跨，3 號測點(diǎn)相對撓曲變形值達(dá)到24.199mm，超過規(guī)范允許值20mm 或L/180，且相對位移值大于4 號測點(diǎn)。

2.5 加撐與不加撐對比試驗

選擇與預(yù)堆載試驗區(qū)域（二層4-5/P-M 軸區(qū)域，不加支撐）相同跨度的緊鄰區(qū)域（二層3-4/P-M 軸區(qū)域，加支撐）進(jìn)行混凝土澆筑對比試驗。每跨板跨中設(shè)鋼管支撐一排，立桿間距為1.3m，頂托上設(shè)置通長木枋?；炷翝仓瓿珊蟛患又吻闆r下，4m 板跨中在消除預(yù)堆載試驗非彈性變形后的最大撓度值為18.4mm，加支撐的4m 板跨中最大撓度為6.8mm。

試驗區(qū)域混凝土澆筑按照施工規(guī)范嚴(yán)格控制商品混凝土質(zhì)量、鋼筋保護(hù)層厚度、平整度及振搗與養(yǎng)護(hù)等質(zhì)量要求。在混凝土澆筑完成后，不加支撐樓板出現(xiàn)較大面積規(guī)則的網(wǎng)狀裂縫和不規(guī)則的其他裂縫，裂縫多為沿桁架鋼筋發(fā)展，最大縫寬為1.2mm，加支撐的樓板均未發(fā)現(xiàn)裂縫。通過本項對比試驗，證實(shí)樓板撓曲變形過大是鋼筋桁架樓承板產(chǎn)生裂縫的主要原因。

3 撓度控制工藝探究

在對上述樓板撓曲變形試驗數(shù)據(jù)綜合分析研究后，找到了主要原因。但因傳統(tǒng)鋼管腳手架支撐成本過高，施工速度較慢，加之層高過高（最高21m）安全保障性較差。因此通過探討研究結(jié)合傳統(tǒng)施工工藝與特殊工況下的相關(guān)施工經(jīng)驗，本文摒棄底部支撐的工藝，提出在樓板上方架橋懸吊控制撓度變形進(jìn)而控制混凝土開裂的想法。在《鋼筋桁架樓承板撓曲變形控制施工方法》中曾提出七種上部控制方法，通過可行性探究，最終選擇借鑒拱橋經(jīng)驗，利用拱良好的受力條件來解決變形問題。

3.1 拱架受力及拱架懸掛體系設(shè)計

根據(jù)《結(jié)構(gòu)力學(xué)》[8]知識，單拱結(jié)構(gòu)在拱腳存在水平推力，其余部位均為壓力。要采用拱結(jié)構(gòu)受力，需第一步解決在原有結(jié)構(gòu)上因拱腳推力造成鋼梁側(cè)面彎矩，故而消除或極限減小推力便是難題。于是設(shè)計拱架懸掛體系時，可通過彈性變形較小的塑鋼鋼筋連接拱腳，通過拱腳系桿連接花籃螺栓后解決拱腳推力問題。單拱架側(cè)傾須有固定措施，懸掛桿件應(yīng)精心設(shè)計。現(xiàn)詳細(xì)介紹如下：

3.1.1 懸掛式拱架裝置原理

本工法的鋼拱架為主要的承力構(gòu)件，是利用三鉸拱的承力原理，通過拱腳系桿抵消或減小拱腳水平推力，僅傳遞豎向分力的懸掛施工方法。吊桿通過花籃螺栓與鋼筋桁架樓承板連接，形成多點(diǎn)彈性支承，起到控制樓承板撓度變形的作用。吊桿將鋼筋桁架樓承板、混凝土自重和施工荷載傳遞給拱架，再由拱架和拱腳系桿共同工作，將豎向荷載通過臨時支座傳遞給鋼框架梁。在混凝土澆筑過程中，鋼筋桁架樓承板、拱架、鋼結(jié)構(gòu)體系的變形協(xié)調(diào)一致，達(dá)到了控制鋼筋桁架樓承板撓度變形及樓承板混凝土開裂目的。

懸掛式拱架裝置包括邊緣帶支座型半拱架（1），中間帶支座型半拱架（2），中間不帶支座型半拱架（3），吊桿（4），拱腳系桿（5），花籃螺栓（6），吊耳（7），拱頂拉桿（8），斜撐（9），臨時支座（10），加節(jié)拱架圖詳見圖1。

圖1 加水平加節(jié)后的四鉸梯形拱架示意圖

3.1.2 懸掛式拱架裝置連接

每個鋼拱架分為兩段，邊緣帶支座型半拱架（1）與中間帶支座型半拱架（2）相連，或者邊緣帶支座型半拱架（1）與中間不帶支座型半拱架（3）相連。拱腳與鋼梁上焊接的臨時支座（10）采用螺栓連接；拱頂采用螺栓連接，形成三鉸拱體系。拱架主體通過邊緣帶支座型半拱架（1）、中間帶支座型半拱架（2）和中間不帶支座型半拱架（3）交替組合成單跨拱架，或者連續(xù)多跨拱架。（1）與（2）和（3）之間通過拱頂螺栓連接；（2）和（3）之間通過（2）所帶的拱腳支座的預(yù)留螺栓孔螺栓連接。所有拱腳部分均通過螺栓與臨時支座（10）連接；臨時支座（10）則焊接于鋼框架梁上。

3.1.3 吊桿及拱腳系桿連接

拱架主體安裝完成后，將吊桿（4）上端安裝于吊耳（7）上；下端通過花籃螺栓（6）連接于鋼筋桁架樓承板的上部分布筋上。通過花籃螺栓（6）的擰緊程度控制樓承板的撓度和預(yù)拱度。

為消除或減小拱腳水平推力，設(shè)置拱腳系桿（5）與花籃螺栓連接并擰緊。則拱腳部位僅剩下集中的豎向荷載，通過鋼框架梁傳遞給鋼柱，以確保鋼框架梁不存在受扭情況。吊點(diǎn)的間距和數(shù)量應(yīng)通過計算確定。計算時應(yīng)考慮鋼筋桁架樓承板和拱架吊桿共同承力。吊桿荷載取值以吊桿作用點(diǎn)的影響范圍而定，一般可按照1/3 板自重及施工荷載的組合值，平均分配到每根吊桿上。一個吊耳對應(yīng)一根吊桿，數(shù)量與間距均應(yīng)保持一致。

拱架平面外穩(wěn)定性通過設(shè)置拱頂拉桿（8）和斜撐（9）控制。拉桿和斜撐采用電焊固定方式或扣件連接等方式，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況選擇。材質(zhì)可選擇鋼管、角鋼等材料。

如上是針對三鉸拱固定跨度情況下拱架懸掛施工的工藝原理。當(dāng)板跨度改變時，可在原有三鉸拱的拱頂增加水平加節(jié)，作為調(diào)節(jié)拱架跨度的桿件，以擴(kuò)大拱架的使用范圍。該方式將三鉸拱變?yōu)樘菪喂凹?，拱架鉸接點(diǎn)變?yōu)樗你q梯形拱。拱架在受力計算時將拱身等效于梁，截面法應(yīng)力計算拱身受力情況。系桿的拉力計算可通過拱身承受的彎矩除以拱高獲得。

3.2 拱架懸掛施工

拱架懸掛施工是一種創(chuàng)新的施工方法，可以采用鋼管拱、工字鋼拱、桁架拱等多種拱架形式。利用拱架受力合理和截面較小的特點(diǎn)，在鋼筋桁架樓承板兩側(cè)主梁或次梁上設(shè)置永久支座，連接固定拱架，再采用吊桿將鋼筋桁架樓承板永久荷載和施工荷載傳遞給拱架，通過拱架傳遞給次梁或主梁，使得鋼筋桁架樓承板、拱架體系、鋼結(jié)構(gòu)體系能夠較好地協(xié)同工作。吊桿與鋼筋桁架樓承板相連的部位，應(yīng)提前在上弦筋下部預(yù)設(shè)短鋼筋（直徑不宜過?。⑴c吊桿吊鉤可靠連接，以使吊桿的作用力均勻分散到各片桁架上，起到分散集中力、避免單點(diǎn)吊力過大破壞桁架筋與鍍鋅板焊點(diǎn)。

該施工工藝具有層層獨(dú)立施工，提高施工速度，節(jié)約工期，節(jié)省支撐腳手架搭設(shè)工程量，大面積甚至全面解決樓承板開裂問題，是難能的創(chuàng)新工藝，尤其是在超高空間大跨度鋼結(jié)構(gòu)廠房、歌劇院等結(jié)構(gòu)推廣應(yīng)用價值更高。拱架可回收再加工后用到公路隧道初支護(hù)中，重復(fù)利用率較高。拱架懸掛施工比搭設(shè)腳手架支撐更安全、經(jīng)濟(jì)。在層高高，跨度大的工程中推廣價值較高，為鋼結(jié)構(gòu)體系樓板施工提供一種新的思路和方法。

4 結(jié)論

本文以云南省民族文化宮建設(shè)項目為例，科學(xué)地進(jìn)行實(shí)驗設(shè)計，首先選取工況相同、試驗影響因素較小區(qū)域進(jìn)行樓承板預(yù)堆載試驗以及加撐與不加撐對比試驗，從而得出影響鋼筋桁架樓承板開裂的主要原因。相關(guān)人員在對撓度控制工藝進(jìn)行深入研究，最終選擇借鑒拱橋經(jīng)驗，全面分析拱架受力及拱架懸掛體系設(shè)計，提出了拱架懸掛施工這種創(chuàng)新的施工方法，不僅節(jié)約了工期，還很好地解決了樓承板大面積開裂的問題，推動了鋼筋桁架樓承板的推廣和發(fā)展。