铁路客站站房工程工期相对紧张,对结构施工速度 有非常严苛的要求｡在实际施工过程中,钢-混凝土组 合结构中的钢梁施工速度较快,混凝土楼板施工相对较 慢,故一般采用预制板或者钢筋桁架楼承板来加快建设 进度[1-2]｡但钢筋桁架楼承板中的钢筋焊点会破坏底板镀 锌层,容易出现耐久性问题[3],而传统带胡子筋预制板 又存在运输不方便､胡子筋与钢梁上栓钉冲突等问题[4], 因此需研发一种新型开槽式预制板,取消胡子筋构造, 简化构造和施工,达到免支撑施工条件,提高施工速 度,是非常迫切与必要的｡

本文研究了一种新型开槽式预制板,对其连接构 造､胡子筋､行架筋､支撑体系等方面进行了分析,改 善了传统预制板的技术缺陷,进一步推进了结构装配式 的快速建造和绿色建造｡

1、工程简况

广州白云火车站总建筑面积45.3万 m2 ,钢筋混凝土 组合结构,设计年限100年｡站场规模11台24线,属于 高架站房,南北长550 m,东西宽438 m(图1)｡

图1 广州白云站剖面效果

候车厅结构超长,总长度269 m,仅在中部设置一道结构缝,不设缝长度达135 m,超过混凝土､钢结构 规范的最大设缝长度,如图2所示｡

图2 广州白云站候车厅

该候车厅人流十分密集,同时对楼盖的舒适度设计 提出了很高的要求｡由于高架层结构层高达12.4 m,不 利于支模等常规施工操作,而且工期十分紧张,对工程 的实施带来了更高的挑战｡

候车大厅结构原设计采用“带胡子筋的预制板装配 式”的方案,即采用80 mm预制板+70 mm现浇混凝土 叠合结构｡在实际实施过程中,存在带胡子筋的预制板 与承重钢梁上的栓钉冲突,减弱节点连接受力,同时实 施工效降低等问题;为防止出现裂缝,预制板需采用临 时支撑予以固定[5-6],防止影响结构安全,临时支撑钢材 耗用量极大,不经济｡

2、技术需求分析

2.1 预制构件的板缝连接方式

在预制构件中,节点与连接是非常重要的一点,如 果后浇混凝土不能与预制混凝土协同工作,共同受力, 会极大地影响结构的整体性[7]｡传统的板端外伸胡子筋 的做法会导致胡子筋与混凝土预制梁的纵筋､组合梁的 栓钉等构件发生冲突,影响现场施工(图3)｡

图3 传统预制构件连接处示意

以上冲突问题通常使得楼板的施工工期延长30%左右｡为了避免胡子筋的影响,出现了在预制板端上表面 放置附加连接钢筋的做法[8]｡但是该方法钢筋的位置靠 近楼板的中和轴,导致钢筋对结点受力的贡献较小,同 时钢筋也不能很好地固定,在浇筑后浇层混凝土的时候 容易使钢筋产生移位,不能有效地保证连接的可靠性, 装配整体式建筑的“等同现浇”的目的难以达到｡故需 要提出更合理的连接方式,解决上述问题｡

2.2 预制板施工过程中临时支撑

临时支撑的使用也是预制混凝土预制板在应用过程中不可避免的一大问题｡当荷载较大或板件跨度较大时,通常会在板跨中或1/3处设置临时支撑,以避免施工 过程中预制板出现下挠或开裂的情况[9]｡临时支撑的使 用对预制板施工阶段性能有重要的意义,但临时支撑的 搭设耗费大量钢材,同时也会对工期有一定影响,若可 以取消临时支撑,仅将预制板搭在两侧钢梁或混凝土梁 上,既作为叠合层的一部分,也作为后浇混凝土层的模 板,省去搭设临时支撑的工序,可以极大地提高施工的 效率,降低钢材用量｡

2.3 预制板桁架钢筋

桁架钢筋的主要作用是提高预制板在施工阶段的刚度｡根据国内外研究结果,国内桁架钢筋尺寸较小,对 提升刚度所起到的作用较弱[10]｡若在不影响预制板刚度 的前提下,取消桁架钢筋的设置,则可以极大降低预制 板的钢筋用量,减少成本,提高经济效益｡

以广州白云站项目为依托,对传统预制混凝土板加 以分析和研究,同时探索传统预制板不出胡子筋､取消 桁架钢筋､取消临时支撑的可行性,并从力学性能､施 工速度､成本造价等方面进行评估,最终得到完整的施 工方案｡

3、板缝连接方式优化

3.1 板缝连接的新形式设想

预制构件取消板侧的外伸胡子钢筋,改为在板端预 留一排条形槽口,预制板吊装到位后,在槽口内放置附 加钢筋[11-12]｡

预制构件端部不伸出钢筋,可以避免钢筋冲突,在 预制构件的端部开槽提供连接钢筋的放置空间,并将附 加钢筋放入槽口中代替胡子筋进行预制构件的连接,具 体如图4所示｡新板缝连接形式构造如图5所示,在后浇 混凝土层的作用下,连接钢筋可以使2个预制构件有效 连接｡

图4 槽口内附加钢筋示意

图5 优化后的预制板连接处构造

3.2 钢筋锚固长度的确定

考虑到新旧混凝土界面强度可能存在问题,以广 州白云站项目为试验项目,进行了开槽预制板的锚固强 度试验｡通过设计试验､建立试验模型,综合设定多种 连接节点的参数和方式｡试验将整浇试件和叠合试件对 比,一共选择了2批共72个构件,试件详细参数如表1所 示｡因在预制板四周设置槽口,槽口与槽口间通过埋设 螺纹钢筋来加强连接,因此,槽口的深度､宽度､连接 钢筋的规格尺寸､锚固长度､直径､配筋率等为关键指 标数值｡

表1 试件参数

3.3 连接节点及开槽长度实验分析

开槽型混凝土预制板依靠在槽口内放置附加钢筋进行连接,钢筋与槽口混凝土的锚固的可靠性是保证预 制板连接有效性的重要依据,经过以上试验和数据的分 析,新型预制板连接构造设想可行｡整浇和叠合试件通 过拉拔测试的方式,得到钢筋的锚固强度,由于新旧混 凝土界面抗拉强度低于基体,导致钢筋在界面处的锚固 强度降低,大约是整浇锚固强度的0.747倍(表2)｡

表2 锚固强度对比

为达到等强锚固设计,开槽型混凝土预制板中锚固 长度可取为普通锚固长度的1.4倍,即21d时可实现等强 锚固设计｡

4、临时支撑优化

4.1 取消临时支撑验算参数

参照相关规范[13-15],对施工阶段的承载力､挠度､ 裂缝等进行计算,得出临时支撑的优化配置｡预制板在 荷载作用下,欲满足施工阶段的承载力条件和正常使用 条件,需要计算的主要指标包括:跨中弯矩设计值､极 限抗弯承载力､最大裂缝宽度､最大裂缝宽度限值､跨 中最大挠度和挠度限值｡

4.2 取消临时支撑计算分析

承载力､裂缝宽度､扰度的计算分析:设定的某一 预制板的板厚70 mm､跨度为2.50 m｡

4.2.1 承载力验算

按简支边界条件计算,预制板跨中弯矩设计值为 3.32 kN·m,将预制板看作单筋混凝土梁,其极限抗弯承 载力为3.5 kN·m,因此承载力满足要求｡考虑预制板弹 性受力状态,板底应力为4.06 MPa,应变值为125.1 με, 板底应力大于混凝土抗拉强度标准值,因此需进行裂缝 宽度验算｡

4.2.2 裂缝宽度验算

根据GB 50010—2010《混凝土设计规范》条文7.1.2 的最大裂缝宽度计算公式进行计算,且对钢筋混凝土构 件施工阶段采用的荷载组合为标准组合,代入最大裂 缝宽度计算公式,可得值为0.067 mm｡根据规范条文 3.4.5,环境类别为一类的裂缝控制等级为三级,最大裂 缝宽度限值0.3 mm,因此此预制板设想的板厚和跨度裂 缝宽度满足要求｡

4.2.3 挠度验算

根据GB 50010—2010《混凝土设计规范》条文7.2.3 的混凝土受弯构件的短期刚度计算方法,可得70 mm厚 预制板的刚度为1.75×105 kN·m｡按照简支边界条件计 算跨中最大挠度为12.39 mm,根据规范条文3.4.3,楼板 的挠度限值为跨度的1/200,即12.5 mm,因此挠度满足 要求｡

由以上计算结果可知:当预制板跨度为2.50 m时, 浇筑混凝土时不需要在预制板下方设置临时支撑,但 需要注意控制施工活荷载的大小,施工活荷载不应超 2.5 kN/m2 ｡

5、桁架钢筋优化

5.1 取消桁架钢筋试验方法

建立试验模型,综合设定多种参数和方式,以“有” “无”桁架钢筋为变量,设置2组试件,研究桁架钢筋 对预制板施工阶段刚度的影响,分析2组试验的荷载-挠 度曲线,研究2种构件的荷载挠度曲线的差异｡试验加 载装置如图6所示｡

图6 加载装置示意

5.2 有､无桁架钢筋控制实验分析

1)桁架钢筋对于预制板刚度和开裂荷载的提升效 果较小｡桁架钢筋的设置会削弱混凝土板受压截面,导 致预制板的承载力明显降低｡试验结果表明,当桁架钢 筋间距为600 mm时,承载力降幅达19%(图7)｡

图7 有､无桁架钢筋预制板荷载-挠度曲线

2)桁架钢筋上弦钢筋容易发生屈曲,导致预制板 的延性降低｡

3)叠加刚度法可以准确地计算桁架钢筋预制板的 刚度｡

4)增加板厚是比设置桁架钢筋更为有效的提升预 制板受力性能､降低制作成本的方法｡

因此得出本工程的设想与结论:采用70 mm厚无桁 架钢筋的预制板施工时,其最大设计跨度比60 mm厚桁 架钢筋板受力提高51%､钢筋用量减少26%｡因此,在 工程中推荐采用70 mm厚无桁架钢筋预制板替代60 mm 厚桁架钢筋预制板｡

6、工程应用

新型预制开槽式预制板用于广州白云站候车厅,使 用预制板预制构件最大尺寸为3 250 mm×2 400 mm× 80 mm､质量为1 560 kg;最小尺寸为2 275 mm× 500 mm×80 mm､质量为228 kg｡相比于传统预制板结构,开槽型预制板四周预留槽道,无预留“胡子筋”｡

其施工工艺为:排版及节点深化设计→预制板工厂 生产制作､编号→养护→运输进场→按吊装流程清点数 量→控制预制板标高与定位轴线→按编号和吊装流程逐块安装就位｡

预制板吊装采用专用吊架,即专业预制板型钢吊具 (图8),进行预制板类构件的吊装;待预制板间钢筋 放置完成后,开始进行机电管线及线盒预埋施工;根据 设计图纸中钢筋分布要求,进行预制板上层钢筋绑扎; 预制板钢筋绑扎及验收完成后,开始进行预制板混凝土 浇筑施工[16]｡

图8 开槽型混凝土预制板吊装示意

工程应用中最为关键的工艺为新型预制叠合板排版､节点深化设计,以及相邻板的构造连接施工｡每块 预制叠合板应根据主梁间尺寸进行深化设计,每种预制 叠合板的开槽方向均应一一对应,以保证预制叠合板间 开槽处能够安装剪力筋｡

同时,在深化设计时,应该充分考虑水电预留孔洞 的位置｡在预制板和立柱连接的位置,预制叠合板根据 立柱直径尺寸留设对应的圆弧段缺口,保证预制板能够 与主柱完美的契合｡另外,为了便于预制叠合板吊装, 应在每块板四角设计吊筋,且在每块预制叠合板上进行 编号｡

相邻预制叠合板的连接构造施工中,每块板与主梁 搭接长度应不小于50 mm,如图9所示,在相邻板间槽口 处放置的附加连接钢筋,长度应略小于2倍槽口长度, 并满布在槽口内,作为相邻预制板叠合间的连接纽带｡ 工程应用实景如图10所示｡

图9 搭接示意

图10 新型叠合板工程应用

7、结语

新型开槽型不出筋预制板构造具有如下特点:板端 无胡子筋,安装时不会发生冲突;槽口定位,连接钢筋 布置方便,能有效避开支承梁或墙中的钢筋;连接钢筋 与底板纵筋高度相近,使得结点抗弯强度得到保证｡同 时具有以下优势:简化了预制板的连接节点,施工操作 简便,预制､运输､安装效率提升;单块预制板取消桁 架筋,进一步减少钢筋含钢量,节约建材｡

通过在广州白云站项目中对该新型预制板结构的实践,本新型预制板构造及结构安全可靠､工艺先进,同 时具有较好的经济效益,在施工时可不用搭设满堂架, 对于大型大空间建筑来说具有里程碑式的意义,可为后 续高铁车站候车厅结构快速建设提供经验参考｡

参考文献:

[1]杨文菲.钢筋桁架楼承板在超高层建筑中的应用[J].建筑技术, 2023,54(1):92-95.

[2]曹计栓,苏磊,王继生,等.钢结构+全预制混凝土楼板体系标准 化设计及应用[J].施工技术,2023,52(20):49-55.

[3]严星,赵泽云,张欢,等.大面积混凝土钢筋桁架楼承板裂缝控制 技术[J].工程质量,2024(1):90-93.

[4]袁步堂.浅谈预制板端部胡子筋对结构施工的影响及对策[J]. 建筑工程技术与设计,2019(1):2060.

[5]刘晓东.开槽式预拌混凝土楼板裂缝的防控研究[J].建筑技术 开发,2021,48(24):72-73.

[6]聂建国,姜越鑫,聂鑫,等.叠合板中桁架钢筋对预制板受力性能 的影响[J].建筑结构学报,2021,42(1):151-158.

[7]欧佩,贤森荣,班立惠.装配式钢结构住宅预制构件节点设计[J]. 城市住宅,2021(2):223-225.

[8]刘海燕.公路桥预制桥面板新型板式锚固头异型钢筋连接构造 [J].世界桥梁,2023(5):122.

[9]邓国杰,吴光伟,贾大强.新型支撑系统在叠合板施工中的应用 [J].施工技术,2018(20):116-120.

[10]聂建国,姜越鑫,聂鑫,等.叠合板中桁架钢筋对预制板受力性能 的影响[J].建筑结构学报,2021,42(1):151-158.

[11]聂鑫,赵鹤,聂建国,等.采用板端不出筋预制板的装配式钢-混凝 土组合楼盖体系:CN201920030571.8[P].2020-05-26.

[12]杨悦,聂鑫,聂建国.一种混凝土预制板板端取消胡子筋的构造 及施工方法:CN201710265796.7[P].2017-10-13.

[13]程志军,赵勇,马智周,等.T/CECS 715—2020《钢筋桁架混凝土 叠合板应用技术规程》技术要点介绍[J].施工技术,2022(15): 63-66.

[14]中国工程建设标准化协会.开槽型混凝土叠合板应用技术标 准:T/CECS 1563—2024[S].北京:中国建筑工业出版社,2024.

[15]湖南省住房和城乡建设厅.开槽型混凝土叠合板应用技术标 准:DBJ 43/T 388—2022[S].北京:中国建筑工业出版社,2022.

[16]李渊儒,安昌侯,付雪松,等.新型键槽式叠合板加工与安装施 工方法[J].中文科技期刊数据库(全文版):工程技术,2022(5): 130-134.

基金资助:中铁建工集团有限公司科技计划项目(2022-重点-12);

文章来源:李志强,钟万才.新型开槽式预制板构造研究与应用[J].建筑施工,2024,46(12):1983-1987.