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        裝配式預應力混凝土疊合樓蓋體系關鍵技術研究與應用

        作者:上海華謹建材 發布日期:2023-11-07 08:38:25

                                裝配式預應力混凝土疊合樓蓋體系關鍵技術研究與應用


        近年來,我國大力推動裝配式建筑的發展,行業規模不斷增長,各種裝配式建筑技術和產品層出不窮。預制疊合樓蓋由于對建筑物結構的影響相對較小,容易通過疊合方式實現規范規定的“等效現澆”目標,同時在國內大部分地區的評定規則中,預制疊合板可以按照投影面積計算預制率,因此被作為裝配式建筑的“標配”技術和產品,應用廣泛。


        鋼筋桁架混凝土疊合樓蓋是目前使用較多的一種樓蓋體系,該體系與傳統現澆樓蓋最接近,無論從設計、施工角度都可以實現較低難度的切換。實際市場中絕大部分疊合樓蓋都是先按現澆結構體系進行設計,再“拆分”成預制加現澆的疊合樓蓋,底板部分在工廠預制,上半部分在現場現澆,該體系在國外一直有應用,并在多類建筑工程應用中發揮了很好的作用。但由于我國建筑功能、抗震設防、產業配套等因素的影響,很多工程按照這種方式拆分后,實施效率反而降低,建造成本增加,效果并不理想。而預應力技術在解決水平結構承載力、裂縫、撓度,以及建造成本等方面具有非常大的優勢,已經在市政、鐵路、橋梁領域廣泛應用。結合裝配式建筑的發展,通過工廠化的預制預應力技術與裝配式建筑疊合板技術結合,在房建領域進行技術創新,將獲得極大的經濟和社會效益。


        本文介紹公司研發的3種高性能預應力混凝土樓蓋:預應力帶肋混凝土疊合樓蓋、預應力混凝土空心板疊合樓蓋、預應力混凝土雙T板疊合樓蓋。這3種預應力混凝土樓蓋的研究從建筑和結構體系開始,再到設計、生產、施工的關鍵技術,均成功應用于裝配式建筑多項工程,取得了良好的經濟效益和社會效益。3種預制板的特點與適用性詳見表1。


        表1 預應力疊合板的特點及適用性

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        預應力帶肋混凝土疊合樓蓋


        預應力疊合樓板由預制預應力帶肋混凝土底板和上部后澆混凝土疊合層組成,具有整體性好、抗裂性強、承載力高,跨度適用范圍大、經濟性好等優點。預制預應力帶肋混凝土底板在工廠預制成型,側向不出筋,縱向為預應力鋼筋,底板厚度通常取50mm。上部設肋,可抵抗預應力筋形成的反彎矩,在有施工或者永久荷載時抵抗壓應力,預制預應力帶肋疊合板底板如圖1所示。


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        圖1 預制預應力帶肋疊合板底板


        1.1 設計研究



        1.1.1 理論研究


        首先明確結構計算邊界條件,確定建筑跨度和使用最不利條件;其次分析預制構件及疊合后結構在生產、運輸、安裝、使用等不同階段的受力狀況,通過力學計算合理配筋并設計預應力值;最后進行數值分析和模擬。


        力學計算:預設最大跨度9.0m,板寬取600mm、800mm為基礎尺寸,預制肋寬取200mm,進行底板抗裂、撓度、反拱值的分析計算,截面尺寸如圖2所示。


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        圖2 預制預應力帶肋疊合板標準截面(單位:mm)


        單板有限元分析:預應力筋采用高強度預應力鋼絲,直徑7mm或9mm。部分有限元模擬結果如圖3所示。


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        圖3  疊合板試件有限元模擬結果


        1.1.2 節點設計


        根據不同的結構形式,設計適應的構造節點,以滿足不同結構的受力要求。根據板端的抗剪要求,合理地設置抗剪構造,如:鋼梁栓釘、板端處抗剪桁架筋等,如圖4所示。


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        圖4  疊合板節點構造示意圖(單位:mm)


        1.1.3 試驗研究


        試驗設計了1塊預制帶肋底板試件(S1)和1塊預應力疊合板試件(S2)的受彎承載力試驗,并與有限元的相關建模分析進行對比,以驗證模型中預應力施加和所選參數的準確性。


        試驗采用均布加載的方式,研究預應力帶肋疊合板的撓度變化、裂縫特征、極限承載力等力學性能,并確定破壞荷載值。S1、S2試件在試驗及模擬條件下的荷載-撓度曲線對比如圖5所示。


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        圖5  帶肋疊合板荷載-撓度曲線試驗與模擬對比


        由試驗結果可知:


        (1)疊合板試件在正常使用荷載作用下未開裂,撓度滿足規范限值;(2)在長期荷載作用下,跨中最終總撓度為相同規格相同荷載作用下兩端簡支板跨中撓度的23.6%,整體大板呈現出雙向受力特征;(3)正常使用荷載下,板底板頂混凝土均未開裂破壞;預應力鋼筋最大拉應力遠小于鋼筋受拉屈服強度,滿足設計要求;(4)有限元數值模擬的結果與試驗結果吻合良好,較好地反映疊合板真實受力特點。


        1.2 生產技術研究



        長線法流水作業技術:采用長線臺,模臺長度120m,寬度有2400、3500mm這2種,模臺下設水浴養護循環管道。圍繞模臺形成模臺清理、鋼筋布置、預應力張拉、混凝土澆筑、養護、松張、吊裝流水作業。如圖6所示。


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        圖6 帶肋疊合板長線法生產線


        多功能張拉裝置:設計了具備多種張拉力和配筋形式的反力架,以及可適應不同配筋、不同張拉力、不同截面尺寸疊合板的張拉和放張裝置,可針對不同條件靈活調整,提高生產線的靈活性和適用范圍。


        高效布置預應力筋技術:長線臺布設非預應力鋼筋,采用焊接網片,由人工逐一放置;預應力筋采用多功能小車1次牽引完成,1條線布筋大約需要15~20min。


        預應力智能張拉技術:采用200kN張拉機,配有4個千斤頂及千斤頂升降裝置等,張拉數據具有保存和輸出功能,且張拉數據到達設定值后能自停,有效保證了張拉的質量。


        鋼筋智能化高效生產技術:采用自動網片焊接機生產鋼筋網片及桁架鋼筋,實現連續、高效生產。


        混凝土高效運輸技術:采用空中自動控制混凝土運輸車(俗稱魚雷罐)運輸混凝土,通過程序自動化控制。


        混凝土高效澆筑技術:采用攤鋪機和人工相結合的方式進行下料,底板采用平板振搗器振搗,肋采用振搗棒振搗,澆筑時間短,生產效率高。


        混凝土高效養護技術:露天生產時主要采用蒸汽管道輸送蒸汽到混凝土表面,同時采用帆布進行覆蓋;室內生產時采用模臺底部設置回熱水水浴管道,蒸汽加熱循環水進行養護。


        高效出貨、堆放技術:創新研發了快速出貨平車、高效運輸架、高效吊架等配套設施,實現疊合板從出池到現場安裝的高效運作。如圖7所示。


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        圖7 帶肋疊合板高效碼放、運輸


        1.3 工程應用及技術成果



        深圳市長圳公共住房及其附屬工程:深圳市長圳公共住房項目總建筑面積114.6萬㎡,是國內在建的最大規模保障性住房項目。工程采用了大跨度預應力疊合樓板、套筒灌漿剪力墻、鋼與混凝土組合主次結構等一系列前沿裝配式技術。其中預應力帶肋疊合板使用面積超過30萬㎡。樓板的設計跨度達到6600mm,一般的鋼筋桁架疊合板承載力及使用跨度無法滿足其建筑功能及結構的需求。工程現已完成構件安裝和結構驗收,正在進行精裝修,預計2021年12月底之前交工。圖8為該項目帶肋疊合板的安裝。


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        圖8 深圳市長圳公共住房項目帶肋疊合板的安裝


        深圳市坪山區多所學校項目:深圳市政府近年來被學位缺口所困擾,大力投資興建學校,要求“工期快,質量好”。中建科技利用自身優勢,積極配合政府完成相關任務,陸續以EPC模式建設了8所學校,面積超過50萬㎡。多所學校工期僅為1年,經研究決定采用預制混凝土柱與鋼梁組合結構體系,配合使用預應力帶肋疊合板。經過多個項目實踐驗證,該建造體系高效、安全、適用,綜合成本低,經濟和社會效益十分顯著。圖9為項目組合結構預應力疊合板的安裝。


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        圖9 組合結構預應力疊合板按照


        本項技術研究取得的部分成果見表2。


        表2 預應力帶肋混凝土疊合樓蓋主要技術成果

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        預應力混凝土空心板疊合樓蓋


        預應力混凝土空心板(如圖10所示)是一種常見的預應力構件,具有承載力高、跨度大、自重輕、安裝效率高、經濟效益好等特點,經過幾十年的研究和應用,已經比較成熟。但是國內針對高抗震、大跨度、重載、高層建筑的工程研究和應用幾乎沒有。


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        圖10 預應力混凝土空心板


        2.1 設計研究



        2.1.1 理論計算


        力學計算:針對中建科技集團承接的坪山區新能源汽車產業園項目,以高層(限高100m),樓面荷載值6.5kN/m2進行設計,層高4.5~8m,跨度8m,擬采用預制預應力空心板疊合樓蓋。通過靜力分析,對空心板的短期和長期兩種工況的承載力、開裂值、撓度、反拱等進行計算校核。


        樓蓋整體受力分析:分別建立2個模型進行疊合樓板的抗拉、抗彎及抗剪計算。


        有限元應力計算:以實際項目為基礎,進行樓層的有限元抗震分析,部分樓板的有限元計算結果如圖11所示。


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        圖11  高層重載工業廠房部分樓層板應力分布


        2.1.2 節點連接


        為滿足疊合樓蓋高層變形和抗震要求,空心板板頂設置現澆疊合層,空心板端部分空腔內放置桁架鋼筋并用細石混凝土灌實,以及空心板板縫內設置抗剪鋼筋三道構造措施提高空心板的整體性和防脫落能力,板端構造和板縫剖面圖如圖12所示。


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        圖12  預應力空心板安裝構造圖(單位:mm)


        2.1.3 試驗研究


        試驗分為力學性能試驗與耐火性能試驗。


        力學性能試驗:通過靜力加載試驗,了解研究空心板的開裂荷載、撓度變形、裂縫發展、承載能力等力學性能??招陌寮虞d試驗采用均布、分級加載方式,分3個階段,每級加載后持續時間5min,再觀察記錄各測點撓度變化、板底裂縫開展情況等??招陌蹇缰泻奢d-撓度曲線如圖13所示。


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        圖13 預應力空心板板跨中荷載-撓度曲線


        由試驗結果可知:


        (1)試件加載至正常使用極限狀態荷載時,撓度值、裂縫寬度均滿足規定,滿足正常使用極限狀態的要求;(2)試件加載至承載能力極限狀態荷載時,撓度值、裂縫寬度均滿足規定,滿足承載能力極限狀態的要求。


        耐火性能試驗:為了驗證預應力空心板是否滿足高層建筑的防火要求,對2種厚度的空心板進行了耐火性能試驗,對試件在規定高溫下的承載力、完整性、隔熱性進行了檢測。由試驗結果,根據GB/T 9978.5《建筑構件耐火試驗方法》的規定,對200mm、265mm厚度預應力空心板進行承載能力、耐火完整性和耐火隔離性試驗,均滿足90min、120min的耐火時間要求。


        2.2 生產技術研究




        干性混凝土研究:采用C45細石混凝土,配合比主要由P.Ⅱ52.5R水泥、S95礦粉、5~10mm細骨料、水、外加劑等材料組成,總膠材量為400kg/m3,水灰比0.35,24h的強度可以達到35MPa以上,有效縮短放張起模時間,提高生產效率。


        高效布筋:預應力空心板生產線可與預應力帶肋疊合板共用,布筋工藝采用多功能小車,一次牽引布筋僅需2min,極大地提高了生產效率。


        高效成型:采用德國進口一體化滑模機進行滑模成型,滑模速度1~3m/min,無須支模拆模,干硬性混凝土直接成型構件截面,構件總長度100~110m,根據設計長度進行切割。


        高效養護:在模臺底部安裝多個發熱組件,由模臺起始端向終點端均平衡布置,升溫均勻,整個模臺溫度相差小,大大縮短了預制構件的養護時間。


        高效切割:通過使用MAS(多角度切割機)可以將已經硬化的混凝土構件在生產板床上切割至需要的長度,定位長度誤差在1‰,可以實現0°~180°的直角切割或者0°~90°以及90°~180°的斜切。


        生產過程中的預應力筋鋪設及構件滑膜成型與養護如圖14、圖15所示。


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        圖14 預應力筋鋪設


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        圖15 構件滑模成型養護


        2.3 工程應用及技術成果



        坪山新能源汽車產業園項目一期1~3棟項目的建筑面積約為2.6萬㎡ ,1號和2號樓采用鋼管混凝土框架-核心筒結構體系,結構高度分別為95.6m和86.1m;3號A座和B座采用鋼管混凝土框架-剪力墻結構體系,結構高度分別為91.7m和87.2m。


        該項目層高普遍在4~5m,1~2層甚至達到10m,普通的支?,F澆難以實現;其次,該廠房結構跨度大、荷載重,最大跨度達12m,最大荷載6.5KN/㎡ 。采用預應力空心板,安裝免模板支撐,施工速度快,平均吊裝一塊只需5~10min,大大縮短工期。同時,對預應力空心板節點連接進行創新設計,有效地解決了其在高層應用中的抗震問題,使其成為全國首例應用預應力空心板的百米項目。圖16為預應力空心板的安裝。


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        圖16 預應力空心板安裝


        本項技術研究取得的部分成果見表3。


        表3  預應力混凝土空心板疊合樓蓋主要技術成果

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        預應力混凝土雙T板疊合樓蓋


        預應力雙T板是一種高效的重載、大跨預制構件,最大跨度可達40m,常用于房建領域的大跨度結構。中國建筑綠色產業園綜合樓項目,采用大跨度主次結構,結構跨度18m,荷載設計值56kN/㎡ ,采用常規構件不可能實現。通過研發,采用突破現有規范的重載大跨度雙T板,實現了設計意圖。如圖17所示。


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        圖17 預應力混凝土雙T板


        3.1 設計研究



        3.1.1 理論計算


        構件截面受彎承載力分為縱向和橫向兩部分,縱向即按T梁截面進行受彎承載力計算;橫向即按板進行截面彎矩計算,再通過其開裂值、反拱值、撓度值等限定,進行反復的迭代計算,同時對其生產過程的張拉、脫模起吊等階段進行校核驗算。


        3.1.2 節點設計


        雙T板的設計關鍵技術之一是擱置節點設計。參考美國PCI手冊,根據構件間接觸面的區別按柔性連接和剛性連接2種方式進行驗算。對雙T板跨中受彎承載力和端部企口受剪承載力進行設計計算和配筋。同時,為保證結構安全,須對雙T板擱置處節點的最小擱置長度、預留間隙、安全儲備等進行設計計算和試驗研究。圖18、圖19分別為雙T板企口部位配筋示意圖及雙T板擱置示意圖。


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        圖18 雙T板企口部位配筋示意圖


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        圖19 雙T板擱置示意圖


        3.1.3 試驗研究


        通過單向簡支雙T板的靜力荷載試驗,研究其在不同試驗荷載下撓度、裂縫的變化情況,以及破壞荷載。


        雙T板靜力荷載試驗采用均布、分級加載方式,變形測量點位于雙肋支座附近、跨中和1/4點處,分3個階段加載,每級加載5min,之后記錄位移計讀數。雙T板試驗加載過程如圖20所示,雙T板板跨中荷載-撓度曲線如圖21所示。



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        圖20 雙T板試驗加載過程


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        圖21 雙T板板跨中荷載-撓度曲線


        由試驗結果可知:


        (1)試件加載到荷載標準值時,尚未出現裂縫,撓度值滿足要求,滿足正常使用極限狀態的要求;

        (2)試件在加載至46.36kN/㎡ 時,出現第1條裂縫,開裂荷載實測值滿足計算要求,跨中撓度值滿足規定的開裂荷載允許值;

        (3)試件跨中撓度值和最大裂縫值均滿足承載能力極限狀態標志下對應的要求,也未出現其他任一承載能力極限狀態標志,滿足承載能力極限狀態的要求;

        (4)試件在承載能力極限狀態下的最終荷載值為68.58kN/㎡ 。


        3.2 生產技術研究



        自持力模架:每條肋上設有6條150mm×150mm× 10mm方通和2條140mm×140mm×10mm角鐵,兩端采用100mm厚度的承力鋼板,以達到模臺自持力要求。因此模架無需打地錨,可靈活移動,只要場地平整堅硬,雙T板可“可移動式”生產。


        長線法生產:可以實現同一條生產線生產不同肋高、不同跨度的雙T板產品,自由搭配,利用率高。


        固定模具架+可變款模板:在保持自持力模架不變的前提下,其余模板可根據項目需要進行重新拆裝,滿足不同截面構件的需要。


        自由組合:自持力長線模臺由3條20m長的模臺縱向拼裝而成,可根據需要進行組合,提高模具使用率,降低成本。


        自持力可組合式長線法模臺生產線如圖22所示。


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        圖22 自持力可組合式長線法模臺


        3.3 工程應用及技術成果



        大跨重載預應力雙T板疊合樓蓋應用于深圳深汕合作區綠色產業園綜合樓項目,建筑面積5150㎡ ,建筑高度21m。該項目采用裝配式混凝土鉸接框架結構,3層以上采用巨型結構設計,整個巨型空間的桁架結構都作用于首層的雙T板樓面上,板面荷載設計值高達56kN/㎡ ,跨度達到18.2m,在民用建筑中十分罕見。通過設計、生產、安裝技術研究,成功解決了一系列關鍵技術,實現了工程目標。如圖23所示。


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        圖23 中建綠色產業園綜合樓示意圖


        本項技術研究取得的部分成果見表4。


        表4 預應力混凝土雙T板疊合樓蓋主要技術成果

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        結語


        上述科技成果,于2021年8月31日通過中國水泥與混凝土制品協會(CCPA)組織國內外頂級專家鑒定,整體達到國際先進水平,并獲協會科技進步二等獎。成果的技術性、先進性可歸納為以下幾點:


        (1)創新了設計關鍵技術;通過理論分析、數值模擬和試驗論證,綜合考慮施工過程短暫受力和永久受力的特點,歸納總結設計過程的關鍵技術,將預應力帶肋混凝土疊合板、預應力混凝土空心板兩種樓蓋體系的設計方法編制成為計算軟件,提供了可靠合理、高效便捷的程序化、數字化的設計方式。


        (2)創新了預應力帶肋混凝土疊合板樓蓋的應用技術;實現跨度6.6m帶肋疊合板在全國最大保障性住房項目—深圳光明區長圳公共住房項目的應用,使用規模超過30萬㎡ ,建筑結構最大高度達到150m,實現了建筑大空間可變戶型的設計要求,為預應力疊合板在住宅中的應用開創了新的局面。


        (3)創新了預應力混凝土空心板疊合樓蓋的應用技術;通過對預應力混凝土空心板的節點連接、疊合層設計、板縫抗剪等問題進行研究,有效地解決了其在高層建筑應用中的抗震問題,并成功地在深圳坪山區新能源汽車產業園項目上應用,使用跨度達到8.4m,建筑結構高度達到95m,是全國首例應用預應力空心板的百米項目。


        (4)創新了預應力混凝土雙T板疊合樓蓋的應用技術;通過對重載、大跨度預應力混凝土雙T板的設計方法、節點構造、疊合層設計、生產工藝等問題進行研究,實現了跨度18m、設計荷載值56kN/㎡ 的雙T板在辦公建筑中的應用,為類似重載、大跨度的巨型結構在民用建筑中的應用探索了新的路徑。


        (5)創新了預應力構件的生產技術;通過對德國進口預應力生產線成型、養護、切割、鉆孔等技術升級研發,部分實現了進口設備的國產化;通過自主創新完成了預應力帶肋疊合板生產線的設計、使用,實現該板型的高效高質量生產;通過創新研發自持力模臺,實現預應力雙T板的可移動、可變款、可組合式高效生產。


        (6)創新了預應力疊合樓蓋的施工技術;通過合理的設計構件尺寸和配筋、合理的制定吊裝和支座方案、科學的設計臨時支撐,最大程度實現了預應力疊合樓蓋少支撐甚至免支撐的建造方式,解決了鋼筋桁架混凝土疊合板、現澆樓板施工過程支模過多、工業化程度低、施工環境差的痛點,引導了裝配式建筑行業的正確發展方向。



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