单位:1 润弘精密工程奇迹株式会社(台北) 2 润铸建筑工程(上海)有限公司 3 台湾润泰集团总裁
摘 要
楼板是构造中最普通的构件,在预制混凝土装置整体式建筑中,预制叠合KT楼板也是最普通的预制构件,在构造体系中,楼板作为楼面竖向荷载传力构件,力学模型大略,或为单跨简支板,或为多跨连续板。在支座位置,板的面筋或按温度浸染效应配置,若为连续板,则按负弯矩效应作面筋配置,支座处底筋按履历布局配筋,对付整表示浇板,底筋伸入支座,没有任何质疑。但无论是在预制KT叠合板发明利用之初,还是目前美国、日本、台湾等国家或地区的实际案例、设计规范中,从施工便利快捷考虑,均没有哀求KT板底筋伸入支座,而当前国家规范引入预制KT板设计时,特殊强调KT板底筋伸入支座,这一限定对装置设计,施工是否合理,本文姑息案例中问题与干系规范条文进行剖析谈论!
希望预制KT叠合板预制设计与施工可朝合理化趋势发展。
关键词:叠合板 预制叠合KT板装置整体式建筑
01 序言
海内正大力实行装置整体式建筑设计施工技能,全国近20个省及直辖市宣告在2025年实现30%新建建筑面积采取装置工艺,预制率是装置建筑认定的一个主要指标,装置建筑预制率哀求逐年提高,而装置工艺能否跨上正常发展与运用轨道,终极仍是由本钱决策。为达到规定的预制率及装置率,且以最小的增量本钱去完成装置式工程,装置建筑最常采取的是预制与现浇叠合板。叠合板中的预制KT 板,所占面积最大,反应出来的预制率也是最可不雅观,按一样平常规模的单栋建筑量体来看,预制KT板所占预制率基本可达14%旁边,因此KT板是设计者优先考虑选用的预制构件。预制KT 板的构造设计按其板片尺寸会有单向板与双向板两种,而本文最为关注的是预制KT 板出筋、支撑设计及其板厚问题,以下将从施工端看问题,再回到规范内容,并谈论天下各地惯用的做法,与工程师们共同研讨。
02 预制KT 板出筋之设计不合理问题:
KT 板出筋,施工效率不佳,按照JGJ1[1]楼盖设方案定,预制板按接缝布局、支座布局、及长宽比分为单向板与双向板。且预制KT板受力筋宜伸入支座,即板端出筋,这便是海内KT 板习气于恪守出筋设计哀求。然而,KT 板之出筋很明显对施工产生三大侵害:其一,KT 板四面出筋,对付安装工艺需求较高,图2.1(a)板四边接合梁箍筋位置需十分精准;其二,出筋易造成梁箍筋被不当毁坏;伸出KT 板外之钢筋与梁箍筋发生冲突时,由于板的出筋较短且不利现场弯折,施工者便会直接对梁箍筋径行弯折,严重毁坏梁箍筋的力学行为,图2.1(b),设计者实应正视此问题,到底KT 板出筋主要,还是梁箍筋的完全性更主要,或者两者皆主要;其三,出筋将造成支承梁的上层钢筋排列不易,伸入梁内的板筋将叠合梁现浇层空间进一步分割成高下两个极小空间,使梁上层钢筋精确就位制造了很大的困难,纵然KT 板出筋已事先向下弯折一眇小角度,如图2.1(c)所示,照片显示梁上层钢筋定位之困难度仍很高,施工质量与效率大打折扣。KT 板出筋在制造上并不会造成太大的影响,后续所衍生施工上的问题,将间接对预制工艺、以及对施工单位、生产单位之间的折衷与整合产生隔阂与嫌隙,不利于工期与质量的掌握,这样的结果并非设计者所愿见地到的,也是设计者该当正视的问题。
(a) 双向出筋倾斜安装 (b) 出筋与梁箍筋冲突,梁箍筋被不当弯折(c) 梁上层筋不易定位
图 2.1 KT 板出筋面临施工性问题
03 预制KT板满堂施工架,有违装置式精神:
传统现浇混凝土楼板浇筑时,模板基本是采取6mm厚度的夹合木板拼接而成,由于该夹合板面外刚度很低,施工时所浇置混凝土自重与施工活载浸染下,夹合木板必须借助纵横平面铺设两向肋骨材,并在交叉点处设置垂直支撑,模板面上荷载通过骨材及支撑通报至下层楼板,同时为防止楼板变形、失落稳等不利情形发生。当整体构造混凝土全部现场浇置的情形下,框架柱或剪力墙之混凝土竖向构件将与楼板混凝土一同浇置,施工过程的安全性,竖向承载及侧向稳定性全部依赖模板支撑系统,采纳满堂架施工是情有可原且必要。
然而,装置式建筑的施工条件则不同,在水平预制构件吊装之前,竖向构件已达到一定的竖向及侧向强度,且水平叠合楼板构件本身因其预制楼板的厚度至少60mm;若预制楼板设有K支架,预制楼板刚度进一步提高;若为预应力叠合板,其先张拉预力所产生的负弯矩强度,恰可平衡部份施工过程中的垂直荷载浸染。通过简支梁的仿照剖析预制板之中间及两端支承所需的强度,反推支撑架配置型式与数量,可大幅度减少施工支撑架数量。当预制叠合板两端搁置于预制竖向构件时,于两端处将不必设置支撑架,更进一步减少施工支撑架数量。
(a) 满堂架施工 (b) 单排架施工
图3.1 KT 板支撑架之差异比较
过度支撑(图3.1a)增加装置建筑的建造本钱,增加施工现场安全卫生管理事情量,给现场施工动线增加不少障碍。但有些施工企业在KT板等水平构件安装时,常常有2种缺点的作法,第一不做支撑设计,直接采取现浇施工架设计,也便是满堂架。一味恪守传统施工思路,没有按新条件进行施工支撑,实非专业工程职员之基本事情态度,工程除了安全,还需讲求经济性,即标准化、合理化等,有违此原则,应视为工程职员之耻辱,当知「支撑为装置之耻」;第二、未取得施工架的极限毁坏荷载,直接履历支撑,结果导致支撑失落败;支撑支配须要合理方案(图3.2b),并考虑相应的安全系数是施工架配置的关键成分。在支撑架设计时,应先取得施工架的极限毁坏荷载,再除以2~3倍安全系数,即取得担保安全支撑的设计值[2],也避免走向满堂架施工的极度(图3.2)。
(a)支撑失落败案例 (b)支撑试验架设(屈从381 kN)[2] (c)立杆试验(挫屈60~130 kN)[8]
图3.2 支撑架的失落败案例与试验架设
04 关于楼板设计干系规程规定
4.1 叠合楼板最小厚度规定
混凝土规范GB 50010 [4]第9.1.2条针对现浇钢筋混凝土板的屋面板及楼板最小板厚的设方案定是60mm。装置构造的行业标准JGJ 1第6.6.2节第1款规定,叠合板预制层板厚度不宜小于60mm,后浇混凝土叠合层厚度不应小于60mm,若不计预制板的构造隔板浸染,后浇叠合层设方案定与GB50010规定同等。GBT51231[5]第5.5.1条规定叠合板设计应符合GB50010之有关规定,但在第5.5.2节的第2款却追加规定,屋面层和平面受力繁芜楼层宜采取现浇楼盖,当采取叠合楼盖时,楼板的后浇混凝土叠合层厚度不应小于100mm;此规定按条文阐明是为了增强顶层楼板的整体性,需提高后浇混凝土叠合层的厚度,看似合理,实则不然。相对混凝土规范及行业标准JGJ1提出了更严的哀求,只为了“整体性哀求”。假设这三本规范对”整体性哀求”做出相同的定义,其规定在逻辑上明显不通,或在否定GB 50010现浇的混凝土构造没有知足“整体性哀求”,或意在限定预制叠合板运用。
美国ACI 318-11[3]第21.11.6节针对通报地震力的横隔板-全现浇混凝土板或叠合混凝土板[W1] ,其最小板厚规定为50mm(2 in),而预制与现浇接合面干净无浮浆,有粗超度、配置钢筋时,组合截面可视为构造隔板。纵然是不考虑预制楼板与后浇置混凝土组合截面共同通报地震力浸染时,即非组合楼板或屋顶板,其现浇层最小厚度为63.5mm(2-1/2 in),该规定较全现浇楼板的厚度大,紧张是从工程履历上考虑了预制板厚度掌握容许预留偏差值,或部分预力预制楼板的预拱量不同,为确保现浇楼板内支配的钢筋以及水电配管之保护层厚度知足干系哀求。在JGJ 1第6.6.2节之条文解释有指出这一解释,其厚度规定与ACI规定靠近。其余,英国爱尔兰预制混凝土学会的预制混凝土设计规范第5.5节亦规定叠合楼板的最小厚度为50mm。
GB 50010与JGJ 1对付预制叠合板之现浇层厚度规定,与美国、英国爱尔兰相同,且符合施工合理性。而GBT 51231第5.5.2条第2款规定阐明却不能与现浇楼盖规定衔接,如当视预制叠合楼板为免拆模板时,其上后浇混凝土完备视为现浇楼盖的最小厚度为60mm,知足规范最小厚度规定,显然不须要以最小100mm厚来知足整体性哀求。规范中对板厚哀求提高,其增加预制工艺运用限定,不利于工业建筑工艺技能发展。
4.2叠合楼板配筋之规定
关于楼板板端钢筋伸入支座的规定,在楼板的分离式配筋办法有提出哀求,在GB 50010第9.1.4条中规定现浇楼板中心正弯矩钢筋“宜”全部伸入支座,且规定该纵向受力钢筋伸入支座的锚固长度不应小于5d;
关于温度钢筋规定,第9.1.8条中,温度紧缩钢筋可利用原有钢筋贯通支配,也可另行设置布局钢筋,并与原有钢筋按受拉钢筋的哀求搭接或在外围构件中锚固。
关于叠合板接合面规定,第9.5.2条規定叠合板的预制板表面凹凸不小于4mm,且在重荷载浸染环境下,应设置伸入叠合层的布局钢筋,如K支架。
ACI 318-11[3]第16.5条关于构造整体性哀求的板端配筋规定是,预制楼盖或屋盖与其支撑梁或墙之间必须相连接,其连接抗拉承载力必须大于每米4.4kN(300lb/ft)。
ACI 318-11[3]关于预制构件设计R16.4中阐明了温度钢筋规定,对付宽小于3.66m(12ft)单向叠合板,短向可不配置紧缩及温度钢筋。预制叠合板大部分的温度紧缩发生在现浇面层浇置施工之前,加上楼版经分割为多片组合时,温度及紧缩应力被分散到各预制单元,解释组合楼板对温度及紧缩效应小于整表示浇板。
以60mm现浇板层,上层钢筋配筋间距知足不大于450mm(18 in)哀求,即可符合叠合板与边梁的连接整体性及相应的温度及紧缩配筋哀求。[W2]
按GB50010第11章的抗震设计构件规定中,板并非抗震设计构件;KT 板仅为向梁或剪力墙体通报垂直荷载重之构件,完成建筑利用功能为主。而板真个构造设计者应可剖断单向板端部支座的下缘并无拉力的浸染。
在通报竖向荷载时,从单向板真个受力模式,受梁约束时,板端存在竖向剪力及负弯矩,按单层钢筋进行受弯承载力配置,板端上层钢筋抗弯受拉,板端下层由混凝土受压,受压区可不考虑受压钢筋浸染,且在板跨4~6m简支支撑时,60mm厚的混凝土楼板斜截面承载力完备大于楼面活载浸染的剪力设计值[9],为什么仍有那么多设计者仍认为它是应配置受力钢筋呢?个人认为都是受到现浇思维的影响,在现浇模式之下,考虑采取施工便利性的分离式配筋时,构造设计者直接将受力钢筋「延伸」过支座并代替温度紧缩钢筋,一方面藉此减少受力钢筋与温度紧缩钢筋之搭接用量,另一方面亦可减少现场钢筋配置的繁芜程度。楼板端部支承处的下层钢筋不需配置钢筋,并不是新不雅观念,早期的弯折配筋法,就已经施行多年且能完全表示力学行为的一种最节省材料之施工办法,只是,当代已逐渐摆脱弯折配筋的费工做法,而以分离式配筋法取代之。
分清问题症结后,再来看看JGJ 1第6.6.4节规定”板端支座处,预制板内的纵向受力钢筋宜从板端伸出并锚入支承梁端或墙的后浇混凝土中,锚固长度不应小于5d,且宜伸过支座中央线”。同时,该条文之解释,特殊强调是为担保楼板的整体性及通报水平力的哀求,规定预制板受力筋宜伸入支座,并符合现浇楼板下部纵向钢筋的布局哀求。其体例该条文的背后基本想法仍是按GB50010干系规定。
笔者认为,就构件方法及整体设计观点哀求,现浇层有配置面筋,预制板端可不须要出筋,为推广预制叠合板工艺,应该回归真实力学行为,回归弯折配筋方法,考虑温度及紧缩效应,重新核阅预制迭合楼盖或屋盖板端出筋的问题。
4.3 预制KT板端钢筋非打仗搭接
按极限理论配置板的钢筋,混凝土板本身极其随意马虎知足板端竖向承载力抗剪强度设计哀求,但作为楼盖板对温度浸染非常敏感,为掌握裂痕,板端需设抗裂温度筋。在ACI中规定温度筋的配置可采取非打仗搭接连接,为掌握无配筋间隔不宜过大,搭接钢筋间之间距dt(如图4.1)需小于150mm(6in)或1/5搭接长度。在预制叠合板设计中,预制板面设置了搭接钢筋,如下图4.1,预制KT板的面搭接钢筋与KT板内纵向受力筋形成非打仗搭接连接。
虽在国标中没有明确非打仗搭接连接布局,从R.帕克[8]的板毁坏剖析可以得知,板端裂痕多涌如今负弯矩区,抵抗开裂的作法是,在负弯矩配置适当的抗裂钢筋。
图4.1 梁板连接节点
4.4 叠合板试验
根据清华大学钱稼茹教授于2016年第六届中国(国际)预制混凝土技能论坛的报告「钢筋机器连接装置式剪力墙构造研究新进展」显示(图4.2),由钱教授主导之3层剪力墙构架中,第一、三层楼板之受力钢筋伸出板外,第二层楼板之受力钢筋则采取布局钢筋办法(不符合规程规定),经试验之结果显示,一、二层楼板负筋在9度大震时发生屈从,二层楼板上表面垂直加载方向发生通长裂纹,但紧张毁坏为与加载方向平行连梁的剪力毁坏,以及一层剪力墙墙肢的大型X型裂痕。依其结论,「叠合楼板受力端支座“预制板不出筋”可行,可加快预制板之安装进度、提高工程施工质量」。
(a)3层剪力墙构架模型 (b)预制楼板端支座钢筋支配条件
图4.2 清华大学钱稼茹教授3层剪力墙构架试验[6]
05 叠合板施工需求之合理化建议
5.1 KT 板厚的合理化设计
叠合板常按现浇层与预制层组合截面设计,按规范哀求预制KT 板的表面应制作成凹凸4mm的粗糙面,接合面由预嵌K支架以通报二次浇置混凝土与已凝固混凝土间之剪力值。各层厚度设计需考虑多方面的成分。
考虑到各施工阶段的强度与变形量、机电配管空间、KT板出筋与预制叠合梁上层筋之排布顺序、预制梁箍筋的型式、以及制造与施工偏差等成分。各施工阶段的强度验算,可依照混凝土的发展强度进行试算与检核。制造与施工偏差则与施工单位的履历与质量管控能力有关,但无论如何,仍需预留1mm~3mm的可能偏差。该预留偏差量值,在反省K支架上端筋之下缘与预制板上缘之间隙更形主要,理论打算值之外须再外加3mm作为施工性剖断基准。据此原则,若叠合板总厚度取120mm,预制层板厚取60mm,现浇混凝土层板厚将为60mm。一样平常电力管线的直径为25.4mm,要能配管的最小净空间该当有28mm才足够。如图5.1所示,叠合板60mm厚现浇层在现场施工时,并无足够之机电配管空间。
图5.1 叠合板总厚120mm,KT 板厚60mm之机电管线施工性反省
如果,将叠合板总厚增加10mm成为130mm,预制层板厚取65mm时,仅图5.2(b)显示净空间为30mm,剖断有足够机电施工空间;只是KT 板的上层横向钢筋必须穿越K支架上端筋的下方而过,施工上略为未便利。当然,预制叠合板厚度若降为60mm时,图5.2(c)所示之机电施工净空间将为30mm,虽属足够,但须把稳60mm厚的叠合板脱模时可能存在开裂风险,按笔者以往履历,预制层并不建议设为60mm厚。
图5.2 叠合板总厚130mm,KT 板厚65mm之机电管线施工性反省
如果,将叠合板总厚再增加10mm成为140mm时,预制板厚65mm的条件下,图5.3(a)与(b)皆有足够的机电施工空间,叠合板的上层横向钢筋可直接置于K支架上端筋的上方,施工非常方便。
图5.3 叠合板总厚140mm,KT 板厚65mm之机电管线施工性反省
由此可见,当KT 板的总厚度为140mm以上时,KT 板内的钢筋与机电管路配置就随意马虎许多。因此,从机电穿管需求的角度出发,130mm是最低哀求,而140mm的施工性最佳。
但是,以上的反省并未考虑到KT 板出筋与主、次梁上层筋之关系,以及机电配管通过预制梁顶后浇层混凝土之冲突状况,这将不才一节中谈论。
机电配管在穿管时,也必须遵照一个主要原则,即「垂直K支架方向的管路先排布,平行K支架管路后排布」,以避免管路浮突靠近楼板表面,造成混凝土超打情形,详细做法如图5.4所示。机电配管机遇,必须在预制梁上层钢筋定位完成后,否则,配管作业将与预制梁上层钢筋发生冲突情形
图5.4机电配管原则
5.2 KT 板出筋的合理化设计
KT 板出筋的合理化反省,不能单看KT 板本身,必须把主、次梁的上层钢筋排列一起反省,才能判断其施工是否合理。我们先依图5.2(b)叠合板厚为130mm之型式进行反省,并假设KT 板的受力钢筋平行Y轴时,创造:1-机电配管必须在梁上层钢筋定位后施做;2- 平行X轴向梁之上层钢筋在内侧时,KT 板不得出筋,否则梁上层钢筋若配置双层筋时将相互抵触无法施做。且位于KT 板出筋侧的预制梁上层筋只能单排筋,如图5.5所示;倘若KT 板不出筋则无此限定。同样地,叠合板厚为140mm时,其结论仍相同。由此可见,设计上该当不要着重次要构件的出筋问题,而应着重紧张抗震构件纵向钢筋排列之合理性,非打仗搭接是目前较合理的办理方案。
图5.5预制梁上层筋深化设计反省
06 结束语
根据本文剖析显示,叠合楼盖总厚度至少须为130mm,若能做到140mm则更佳。而预制板的厚度至少须为65mm,以避免脱模时板底发生开裂影响叠合板之耐久性。预制板可以不用出筋,但须配置布局钢筋并进行温度紧缩钢筋与楼板传剪力检核,所需之钢筋用量直接配置在后浇叠合层混凝土内,与预制叠合板内之钢筋采纳非打仗搭接连接布局。深化设计职员除应考虑钢筋配置问题外,亦应将机电配管列入设计反省内容中,以掩护整体之施工性。
钢筋混凝土布局的构造行为,系依赖混凝土与钢筋间之充分握裹所致,只要任何一个受到不当毁坏,都是降落质量的不良结果。规程条文规定倾向守旧侧时,设计者当深入理解其背后之事理,在不违背该事理前题下,发挥专业精神做最合理的设计才是位合格的设计者。虽说施工单位应确实按设计图施做,若深化设计图未充份考虑到施工偏差时,任由施工者随意弯折或毁坏钢筋原有之状态,实非众人之所愿。我们更期待规范编审之学者与专家们,应将施工性列入后续修订之主要议题,以掩护应有之构造质量与钢筋混凝土力学之实质。本文之提出,能得到多数人之共鸣,朝合理化预制设计与施工,方为我等心之所盼。
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