趙 雷, 趙廣軍, 王曉鋒, 祝 磊
(1 北京建筑大學(xué)土木與交通工程學(xué)院,北京 100044;2 北京電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院有限公司,北京 100101;3 中國建筑科學(xué)研究院有限公司,北京 100013;4 中冶建筑研究總院有限公司,北京 100088)
裝配式建筑在我國建筑工業(yè)化發(fā)展中扮演著重要的角色,各級政府積極推進(jìn)并出臺(tái)各項(xiàng)鼓勵(lì)政策,2017年3月,住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部下發(fā)了《“十三五”裝配式建筑行動(dòng)方案》,明確2020年前全國裝配式建筑占新建比例達(dá)15%以上,重點(diǎn)推廣區(qū)域需達(dá)20%。目前裝配式混凝土結(jié)構(gòu)采用的主要是等同現(xiàn)澆設(shè)計(jì)思路,應(yīng)用最多的還是水平疊合構(gòu)件。疊合結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)相比具有工期短、施工方便、節(jié)約支撐材料等優(yōu)點(diǎn)。在住宅建筑中,樓蓋占整個(gè)建筑混凝土總造價(jià)的20%~30%[1],疊合樓蓋的選型與設(shè)計(jì)直接影響結(jié)構(gòu)的施工速度和建造成本。
國內(nèi)外學(xué)者對新型疊合樓蓋進(jìn)行了大量的研究。Mohammed[2]對后澆混凝土層中摻加碎橡膠作為細(xì)骨料的壓型鋼板混凝土疊合板的受力性能進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,對于跨度較小的橡膠混凝土板,其極限破壞荷載與常規(guī)疊合板相差很??;Wang等[3]對使用不同種類混凝土的多肋疊合板受力性能進(jìn)行研究,結(jié)果表明,摻加鋼纖維的混凝土可以延遲疊合板斜截面混凝土的開裂;Thanoon等[4]針對一種新型的桁架鋼筋-砌體磚混凝土疊合板進(jìn)行了相關(guān)研究,該疊合板具有施工快速、自重小、無需模板、造價(jià)低、抗彎性能優(yōu)秀等特點(diǎn);吳方伯等[5]對預(yù)制帶肋薄板混凝土疊合板的受力性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究,結(jié)果表明,在一定條件下預(yù)制薄板能滿足施工階段承載力要求,可作為無支撐體系模板。
預(yù)應(yīng)力混凝土疊合板作為一種裝配式混凝土疊合樓板,與應(yīng)用較多的鋼筋桁架混凝土疊合板相比,具有生產(chǎn)流程簡單、鋼筋用量少、抗裂性好的特點(diǎn),可在部分建筑中替代鋼筋桁架混凝土疊合板[6-7]。帶肋板是預(yù)應(yīng)力混凝土疊合板應(yīng)用的最主要形式,其形成的疊合樓蓋整體性較好[8],其板肋在施工階段可有效提高底板承載力與剛度、降低撓度,更有利于實(shí)現(xiàn)僅疊合底板兩端有支撐、跨間無支撐的高效施工。
根據(jù)國內(nèi)樓板設(shè)計(jì)的實(shí)際情況,預(yù)應(yīng)力混凝土帶肋疊合底板(簡稱預(yù)應(yīng)力帶肋疊合底板)的后澆混凝土層不會(huì)太厚,其板肋的存在不利于后澆混凝土層管線布置。此問題的成功解決可促進(jìn)預(yù)應(yīng)力帶肋疊合底板的推廣應(yīng)用,為解決裝配式建筑目前成本較高、施工效率較低的問題提供有效途徑。預(yù)應(yīng)力帶肋疊合底板肋部開槽是解決管線敷設(shè)的有效措施,從管線布置角度考慮,開槽位置越隨意管線布置越方便,但從結(jié)構(gòu)受力角度,肋部開槽尺寸、位置及數(shù)量會(huì)影響施工階段預(yù)應(yīng)力帶肋疊合底板的剛度與承載力,開槽位置不合理將導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力帶肋疊合底板不滿足施工階段受力要求。為此,本文針對預(yù)應(yīng)力帶肋疊合底板肋部開槽的數(shù)量及位置進(jìn)行相關(guān)的受力驗(yàn)算和合理性分析,根據(jù)實(shí)際工程需要及構(gòu)件受力特點(diǎn),針對預(yù)應(yīng)力帶肋疊合底板肋部沿跨中對稱開槽和單側(cè)開槽兩種方式進(jìn)行相關(guān)研究。
預(yù)應(yīng)力帶肋疊合底板的設(shè)計(jì)目標(biāo)是確保其在預(yù)應(yīng)力筋放張、吊裝、施工和使用階段的安全性。
肋部開槽的預(yù)應(yīng)力帶肋疊合底板與未開槽的預(yù)應(yīng)力帶肋疊合底板的設(shè)計(jì)不同,肋部開槽主要影響底板施工階段承載能力,故需要對肋部開槽的預(yù)應(yīng)力帶肋疊合底板進(jìn)行施工階段的驗(yàn)算,主要包括承載力驗(yàn)算與撓度驗(yàn)算。為了計(jì)算方便,將開槽后的預(yù)應(yīng)力帶肋疊合底板簡化為兩端簡支的變截面梁,如圖1所示。
圖1 開槽后預(yù)應(yīng)力帶肋疊合底板示意圖
在施工階段,隨著肋部開槽位置(l1)的變化,底板剛度與承載力也在發(fā)生相應(yīng)的變化,在某些位置開槽,底板可能不滿足相應(yīng)的承載力要求,而抗裂驗(yàn)算又為主要的承載能力驗(yàn)算項(xiàng)目。為此本文以開槽位置為變化參數(shù),以抗裂驗(yàn)算為目標(biāo),確定預(yù)應(yīng)力帶肋疊合底板肋部開槽的合理范圍及相應(yīng)條件,以供設(shè)計(jì)人員直接選用。
與此同時(shí),預(yù)應(yīng)力帶肋疊合底板肋部開槽后,由于開槽寬度、數(shù)量及位置的不同導(dǎo)致截面剛度沿板長不均勻變化,給施工階段預(yù)應(yīng)力帶肋疊合底板的撓度計(jì)算帶來困難。為此本文通過理論推導(dǎo)預(yù)應(yīng)力帶肋疊合底板肋部開槽后的撓度計(jì)算公式,用以定量計(jì)算撓度,使設(shè)計(jì)人員便于確定預(yù)應(yīng)力帶肋疊合底板肋部開槽后的撓度大小,進(jìn)一步判斷是否超出《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》(GB 50666—2011)[9]對模板撓度規(guī)定的限值(l/400)。
本文通過改變開槽位置與底板跨度進(jìn)行相應(yīng)的驗(yàn)算,進(jìn)而探究預(yù)應(yīng)力混凝土疊合板底板開槽的合理性,并進(jìn)一步理論推導(dǎo)底板肋部開槽的合理?xiàng)l件。
根據(jù)開槽后底板剛度變化的情況,及可能出現(xiàn)的應(yīng)力最大區(qū)域,選擇抗裂驗(yàn)算的控制截面進(jìn)行相應(yīng)的抗裂驗(yàn)算,對于施工階段下預(yù)應(yīng)力帶肋疊合底板混凝土下表面抗裂驗(yàn)算,開槽部位與未開槽部位驗(yàn)算位置不同(圖1)。開槽部位的抗裂驗(yàn)算位置選擇彎矩較大的位置,為圖1中“抗裂驗(yàn)算點(diǎn)1”,未開槽部位選擇彎矩最大的跨中部位,為圖1中“抗裂驗(yàn)算點(diǎn)2”。
所選算例采用的材料參數(shù)如下:預(yù)應(yīng)力帶肋疊合底板厚h1=50mm,寬b1=600mm,矩形肋高h(yuǎn)2=40mm,寬b2=300mm,后澆混凝土疊合層最大厚度為70mm;混凝土采用C40混凝土,鋼筋采用φH5消除應(yīng)力螺旋肋鋼絲:預(yù)應(yīng)力筋極限強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fptk=1 860N/mm2,預(yù)應(yīng)力筋屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpy=1 320N/mm2;驗(yàn)算荷載:施工階段荷載1.5kN/m2,使用階段面層、吊頂?shù)群奢d1.2kN/m2,可變荷載以住宅為例取2.0kN/m2。截面參數(shù)示意如圖2所示。
圖2 預(yù)應(yīng)力帶肋疊合底板截面參數(shù)示意圖
開槽部位與未開槽部位截面參數(shù)相關(guān)計(jì)算如下:
預(yù)應(yīng)力鋼絲與混凝土的彈性模量之比:αE=Ep/Ec;預(yù)應(yīng)力帶肋疊合底板截面對板底的靜距:S1=b1h1h1/2+b2h2(h1+h2/2);換算截面對底邊的靜距:S0=S1+(αE-1)Ap(ap+d/2);換算截面面積:A0=A1+(αE-1)Ap;換算截面中心到底邊的距離:y0下底=S0/A0。
未開槽部位的截面慣性矩:
開槽部位的截面慣性矩:
式中:ap為預(yù)應(yīng)力筋保護(hù)層厚度;Ap為板底區(qū)域預(yù)應(yīng)力筋面積;d為預(yù)應(yīng)力筋直徑;ep0為預(yù)應(yīng)力鋼絲的偏心距。
(1)跨度3.6m預(yù)應(yīng)力帶肋疊合底板
根據(jù)工程實(shí)際情況,預(yù)應(yīng)力帶肋疊合底板跨度l選用較經(jīng)濟(jì)的跨度3.6m。開槽寬度l2依據(jù)現(xiàn)階段大部分管線直徑,初步定為50mm,計(jì)算沿跨中單邊開槽、對稱開槽位置時(shí)的底板撓度(圖3),探究開槽位置對撓度的影響。
圖3 撓度與開槽位置趨勢圖(3.6m跨度)
采用的計(jì)算參數(shù)為:預(yù)應(yīng)力筋數(shù)量為7根φH5消除應(yīng)力螺旋肋鋼絲,張拉控制系數(shù)為0.72,折合成施工階段均布荷載q=2.70kN/m(預(yù)應(yīng)力帶肋疊合底板自重+后澆層混凝土自重+外加施工荷載1.5kN/m2),未開槽部分短期剛度Bs=752 999N·m2,開槽部分短期剛度Bs=185 455N·m2,反拱彎矩Mp=3.04kN·m。
通過改變開槽位置進(jìn)行相應(yīng)的跨中撓度計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見圖3。從圖3可以看出,無論單側(cè)開槽還是對稱開槽,開槽位置l1越接近底板l/2處,底板的撓度就越大。按《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》(GB 50666—2011)[9]對模板撓度規(guī)定的限值(l/400),確定底板在施工荷載作用下的撓度限值為9mm,遠(yuǎn)大于開槽后跨中最大撓度1.8mm,滿足規(guī)范要求。同時(shí)可知,在開槽位置l1<800mm時(shí),開槽后撓度小于未開槽撓度,經(jīng)分析是由于反拱彎矩Mp引起的(圖4),開槽后的截面剛度小,造成反向彎曲,使簡支梁跨中位置整體向上移動(dòng),導(dǎo)致開槽撓度小于未開槽撓度。
圖4 簡支梁撓度變化
綜上可得,在跨度3.6m的范圍內(nèi),撓度均滿足規(guī)范要求。開槽位置越接近跨中,底板撓度越大;開槽位置越接近支座處,撓度越小,由于反拱彎矩的存在,底板撓度有時(shí)也會(huì)小于未開槽時(shí)撓度。
(2)跨度4.5m預(yù)應(yīng)力帶肋疊合底板
為了進(jìn)一步探究開槽位置的影響,選擇跨度l為4.5m底板進(jìn)行相關(guān)分析,探究底板在跨中彎矩較大的情況下,最不易滿足要求的驗(yàn)算項(xiàng)目;開槽寬度l2同樣采用50mm,探究開槽位置對混凝土開裂的影響。
采用的計(jì)算參數(shù)為:預(yù)應(yīng)力筋數(shù)量9根φH5消除應(yīng)力螺旋肋鋼絲,張拉控制系數(shù)為0.60,折合成施工階段均布荷載q=2.70kN/m,未開槽部位短期剛度Bs=768 213N·m2,開槽部位短期剛度Bs=189 185N·m2,反拱彎矩Mp=3.18kN·m。
通過改變開槽位置,進(jìn)行底板的撓度和底部抗裂的應(yīng)力分析,得到相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果如圖5、圖6所示。從圖5可以看出,沿跨中對稱開槽部位的開槽位置l1從300mm增加到1 500mm的過程中,跨中撓度從8.19mm增加至9.17mm,接近規(guī)范限值11.25mm,但仍未超限。從圖6可以看出,開槽位置l1=850mm時(shí),抗裂驗(yàn)算點(diǎn)1即將達(dá)到混凝土抗拉強(qiáng)度限值,抗裂驗(yàn)算不滿足要求,其余位置受力驗(yàn)算項(xiàng)目均滿足要求。由此可見,施工階段下預(yù)應(yīng)力帶肋疊合底板在混凝土下表面抗裂驗(yàn)算時(shí),抗裂驗(yàn)算點(diǎn)1位置為底板抗裂驗(yàn)算的控制截面。
圖5 撓度與開槽位置趨勢圖(4.5m跨度)
圖6 預(yù)應(yīng)力帶肋疊合底板混凝土下表面應(yīng)力曲線
從圖6還可以看出,4.5m跨度的底板隨著開槽位置l1向跨中移動(dòng),混凝土下表面應(yīng)力(抗裂驗(yàn)算點(diǎn)1)逐漸由壓力變成拉力,超出混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk(2.39N/mm2),底板在施工階段下混凝土截面下表面被拉裂。結(jié)合圖5、圖6的數(shù)據(jù),可以看出本構(gòu)件的開槽位置l1在0~850mm之間時(shí)開槽是合理的。
圖7 混凝土極限開裂彎矩包絡(luò)圖
綜上所述,施工階段下混凝土下表面的抗裂驗(yàn)算點(diǎn)1為預(yù)應(yīng)力帶肋疊合底板抗裂驗(yàn)算的控制截面,當(dāng)此處抗裂驗(yàn)算滿足要求時(shí),即可認(rèn)為其他位置混凝土均不開裂。
根據(jù)前文研究結(jié)果,抗裂驗(yàn)算點(diǎn)1是開槽抗裂驗(yàn)算的控制截面。下面據(jù)此推導(dǎo)開槽位置的合理?xiàng)l件。
開槽部位與未開槽部位的受力情況均表現(xiàn)為混凝土上表面受壓,下表面受拉,抗裂驗(yàn)算依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)(2015年版)[10]:
預(yù)應(yīng)力帶肋疊合底板下表面不出現(xiàn)裂縫的最大法向應(yīng)力:
σck=σpc+ftk
應(yīng)力公式:
式中:σck為抗裂驗(yàn)算表面的混凝土法向應(yīng)力;σpc為由預(yù)加力產(chǎn)生的混凝土法向應(yīng)力;W下為疊合底板下表面的換算截面抵抗矩。
跨間無支撐預(yù)應(yīng)力帶肋疊合底板在施工階段,抗裂驗(yàn)算點(diǎn)1處的彎矩為:
式中:gk為施工階段荷載標(biāo)準(zhǔn)組合;Np0為預(yù)應(yīng)力筋有效拉力;ep0為開槽截面預(yù)應(yīng)力鋼絲的偏心距。
整理得:
(1)
(2)
由式(1)的一元二次不等式可得如下結(jié)論:
推導(dǎo)預(yù)應(yīng)力帶肋疊合底板肋部開槽后,其在施工階段下的撓度計(jì)算公式。采用共軛梁法推導(dǎo)變剛度梁撓度計(jì)算公式[11],使用清華大學(xué)研制的結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器對撓度公式的正確性進(jìn)行驗(yàn)證。
預(yù)應(yīng)力帶肋疊合底板在預(yù)加應(yīng)力作用下產(chǎn)生反拱彎矩Mp(由于開槽對反拱彎矩產(chǎn)生的影響較小,故統(tǒng)一采用未開槽截面處的Mp計(jì)算)如圖8所示。為模擬反拱彎矩Mp,在簡支梁兩端施加集中荷載F。求解均布荷載下變剛度梁的撓度,即求解圖9所示梁的撓度。
圖8 簡支梁模型
圖9 變截面梁模型
在各截面將實(shí)梁(真實(shí)的梁)彎矩除以實(shí)梁的抗彎剛度,得到虛梁(實(shí)梁的共軛梁)[11]的虛荷載分布圖,即虛梁的外力圖,見圖10。實(shí)梁與虛梁均為兩端簡支。
圖10 變截面梁的虛梁外力圖
其中:
式中:q為作用在梁上的均布荷載;l為梁的計(jì)算跨度;E1I1為未開槽截面的實(shí)梁抗彎剛度;E2I2為開槽截面的實(shí)梁抗彎剛度。
同理可得預(yù)應(yīng)力筋放張階段產(chǎn)生的反拱撓度計(jì)算方法,反拱撓度計(jì)算簡圖如圖11所示。
根據(jù)開槽位置l1與預(yù)應(yīng)力傳遞長度ltr的相對關(guān)系,分三種類型進(jìn)行積分:類型1:l1+l2≤ltr(圖11(a));類型2:l1≤ltr≤l1+l2(圖11(b));類型3:l1+l2≥ltr(圖11(c))。
圖11 反拱彎矩作用下的撓度計(jì)算簡圖
由于反拱撓度f類型2≈f類型3,故省略類型2的計(jì)算,只計(jì)算類型1和類型3,函數(shù)分為兩段:
類型1反拱撓度的計(jì)算:
類型3反拱撓度的計(jì)算:
綜上所述,預(yù)應(yīng)力筋放張后反拱計(jì)算公式如下式:
因施工階段預(yù)應(yīng)力帶肋疊合底板撓度f=施工荷載下的撓度f均布荷載-預(yù)應(yīng)力筋放張后反拱撓度f反拱,故預(yù)應(yīng)力帶肋疊合底板肋部開槽撓度計(jì)算公式如下:
(3)
為進(jìn)一步探究開槽位置的合理性及所研究結(jié)果的正確性,設(shè)計(jì)了3塊預(yù)應(yīng)力帶肋疊合底板,并進(jìn)行相應(yīng)的抗彎試驗(yàn)。試驗(yàn)中采用預(yù)應(yīng)力帶肋疊合底板兩端鉸支堆載加載方案,試件設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。B1為未開槽矩形肋梁預(yù)應(yīng)力帶肋疊合底板,B2為兩端對稱開槽預(yù)應(yīng)力帶肋疊合底板,B3為跨中開槽預(yù)應(yīng)力帶肋疊合底板。試件底板寬b1均為600mm,底板高h(yuǎn)1均為50mm,矩形肋寬b2均為250mm,矩形肋高h(yuǎn)2均為40mm,開槽寬度l2均為50mm,跨度l均為3 300mm。
預(yù)應(yīng)力帶肋疊合底板試驗(yàn)參數(shù) 表1
(1)荷載-撓度曲線
通過試驗(yàn)加載得到了相應(yīng)的荷載-撓度曲線,如圖12所示。從圖12可知,B1,B2與B3在達(dá)到施工荷載時(shí),撓度均未超過對規(guī)范限值(l/400);B3撓度增長速率明顯高于B2,表明跨中開槽試件撓度增加速率最快;作為對照試件B1,其撓度增長小于B2與B3。表明開槽對預(yù)應(yīng)力帶肋疊合底板的撓度影響較大,在開槽設(shè)計(jì)中撓度驗(yàn)算必不可少。
圖12 跨中荷載-撓度曲線
(2)混凝土應(yīng)變分析
試驗(yàn)中,使用應(yīng)變片對混凝土應(yīng)變進(jìn)行采集,觀察預(yù)應(yīng)力帶肋疊合底板不同位置的混凝土應(yīng)變發(fā)展趨勢。得到的B2荷載-應(yīng)變曲線如圖13所示。從圖13可知,開槽位置板頂與板底的應(yīng)變變化速率明顯大于未開槽位置(跨中)的應(yīng)變變化速率,即同一荷載等級下開槽位置混凝土應(yīng)變大于跨中位置混凝土應(yīng)變,其中開槽位置底板混凝土下表面應(yīng)變變化速率最大,開槽位置相對跨中位置易破壞,開槽位置截面混凝土下表面最易發(fā)生開裂。
圖13 B2荷載-應(yīng)變曲線
以上試驗(yàn)結(jié)果結(jié)合理論研究表明:1)預(yù)應(yīng)力帶肋疊合底板肋部開槽位置截面混凝土下表面最易發(fā)生開裂;2)預(yù)應(yīng)力帶肋疊合底板肋部開槽后,由于開槽寬度和開槽位置的不同,在跨間無支撐施工階段底板的撓度變化幅度較大,在開槽設(shè)計(jì)中撓度驗(yàn)算必不可少;3)經(jīng)過合理設(shè)計(jì),在施工階段下開槽設(shè)計(jì)在跨間無支撐情況時(shí)是可行的。
通過以上分析,明確了預(yù)應(yīng)力帶肋疊合底板在跨間無支撐施工時(shí)的開槽設(shè)計(jì)流程。由于施工階段下預(yù)應(yīng)力帶肋疊合底板混凝土下表面抗裂驗(yàn)算點(diǎn)1是混凝土開裂驗(yàn)算的控制截面,開槽后底板撓度變化較大,故只有在施工階段,開槽后的預(yù)應(yīng)力帶肋疊合底板混凝土下表面抗裂驗(yàn)算和撓度驗(yàn)算兩個(gè)條件均滿足要求時(shí),方可允許開槽。引入?yún)?shù)k(k=l1/l)描述開槽位置相對于預(yù)應(yīng)力帶肋疊合底板端部的距離。進(jìn)一步總結(jié)得出預(yù)應(yīng)力帶肋疊合底板開槽設(shè)計(jì)的流程如圖14所示。
結(jié)合公式(2),(3)和開槽設(shè)計(jì)流程圖(圖14)即可進(jìn)行跨間無支撐施工開槽設(shè)計(jì)。
圖14 開槽設(shè)計(jì)流程圖
依據(jù)開槽設(shè)計(jì)流程,進(jìn)行了系列預(yù)應(yīng)力帶肋疊合底板的開槽計(jì)算,得到了系列結(jié)果如表2所示,表中計(jì)算結(jié)果為肋部開槽的極限位置,即達(dá)到最大開槽位置l1時(shí),抗裂驗(yàn)算點(diǎn)1位置處混凝土下表面應(yīng)力均達(dá)到ftk(2.39N/mm2)時(shí),撓度計(jì)算均滿足要求。
預(yù)應(yīng)力帶肋疊合底板開槽設(shè)計(jì)算例 表2
(1)對于跨間無支撐的肋部開槽預(yù)應(yīng)力帶肋疊合底板,施工階段抗裂驗(yàn)算控制由更接近跨中的開槽變截面處板底拉力控制,本文據(jù)此原則提出滿足施工抗裂驗(yàn)算要求的肋部開槽范圍。
(2)給出跨間無支撐的肋部開槽預(yù)應(yīng)力帶肋疊合底板的施工階段撓度計(jì)算公式,并可由此來控制底板撓度。
(3)試驗(yàn)研究證明預(yù)應(yīng)力帶肋疊合底板的板肋開槽位置下表面混凝土最易發(fā)生開裂。經(jīng)過合理設(shè)計(jì),跨間無支撐預(yù)應(yīng)力帶肋疊合底板實(shí)現(xiàn)施工階段無支撐是可行的,可滿足受力與撓度控制要求。
(4)結(jié)合上述由施工抗裂驗(yàn)算確定的肋部開槽范圍與開槽底板施工階段撓度計(jì)算公式,提出完整的帶肋底板開槽設(shè)計(jì)流程,可指導(dǎo)具體的工程應(yīng)用。