冯鑫, 陈明, 田志昌

表1 叠合板的分类

1.1 传统型叠合板

预应力平板叠合板底板采用预应力平板,板的四周有外伸钢筋,在叠合面上设置有人工粗糙面,现浇叠合层是否设置抗剪钢筋,一般根据具体的设计要求而定,板间连接采用双向密缝附加钢筋连接。该板构造简单,生产施工方便,整体性也较好,但此类叠合板厚度较大、自重大、使用跨度较小、抗弯性能差、易开裂,因此应用较少。

比藏式预应力叠合板(图1(a))底板特制的“燕尾”形沟槽保证叠合面具有较高的抗剪力,现浇叠合层设有抗剪钢筋,以进一步加强叠合板整体受力性能,此类叠合板在施工时可以被用作模板。

预应力空心叠合板(图1(b))一般为单向受力板,其预制底板为预应力混凝土空心板,在底板侧面一般设置有键槽,方便板间连接施工,对于未设置键槽的,可采用密拼或密缝连接的方式,需按具体设计方案而定。

综上所述,传统型叠合板虽然具有生产施工方便、整体性较好等优点,但由于其具有抗震性差、抗弯性能差、易开裂等缺点,故工程应用较少。

1.2 改进型叠合板

改进型叠合板应用最为广泛,在构造形式上对传统型叠合板进行了改进,增强了叠合板力学性能,提高了经济效益。根据构造形式本文将其分为以下4大类:钢筋桁架叠合板、预制带肋叠合板、空心底板叠合板、双向密肋空心(夹芯)叠合板。

1.2.1 钢筋桁架叠合板

普通钢筋桁架叠合板(图2(a))由德国人研发,具有工业化程度高、施工速度快、整体性好等优点,应用十分广泛。钢筋桁架叠合板预制底板为设置有钢筋桁架的混凝土薄板,钢筋桁架的存在增强了叠合板的整体性和刚度,此类叠合板大部分设计为双向板,只有少数设计为单向板。当设计为双向板时,板端预留外伸钢筋,便于板间连接,连接方式为整体式连接,并配有构造钢筋加强叠合板整体受力;设计为单向板时,板端无外伸钢筋,板连接方式为密缝或密拼连接。钢筋桁架叠合板一般为自承式板,多应用于小跨度建筑结构,在小跨度情况下可不设置支撑。

不同学者在普通钢筋桁架叠合板基础上又提出了许多性能更优的钢筋桁架叠合板形式。

刘文政等[6]提出底板为单向预应力钢筋桁架底板,而整体双向受力的叠合板,试验研究发现其相较于平板型叠合板,这种叠合板底板的抗弯刚度、抗裂性能及承载能力均有所提高;有限元分析表明底板抗弯刚度和抗裂性能主要与桁架高度、底板厚度和预应力筋数有关;该叠合板具有明显的双向受力特征,板跨较小(小于3 m)时可不设置支撑。

刘慧颖等[7]提出了单向预应力钢筋桁架双向受力叠合板,此类叠合板在底板钢筋桁架下的孔洞设置横向钢筋,浇筑叠合层后整体受力为双向板;理论分析和试验研究发现,该叠合板为双向受力,双向计算系数可按普通双向板的系数乘以α来计算,其中α为叠合板长跨弯矩分配系数与普通混凝土板长跨弯矩分配系数之比。

侯和涛等[8]将钢筋桁架的上弦钢筋换成灌浆钢管提出了灌浆钢管桁架叠合板,进一步提高了叠合板抗弯刚度和承载力。理论分析和试验研究表明,叠合板的刚度为底板抗弯刚度与灌浆钢管的抗弯刚度之和,灌浆钢管的抗弯刚度按照钢管混凝土计算,计算时不考虑腹杆对叠合板抗弯刚度的贡献,相较于普通钢筋桁架叠合板其施工时可不设置支撑,该结构还能应用于大跨度结构。

于敬海等[9]通过静力试验研究了“二阶段受力”对预应力钢管桁架叠合板受力性能的影响。

刘香等[10]研制出一种预制带肋钢筋桁架叠合板(图2(b)),该类板在钢筋桁架之间增设了矩形肋。研究表明,矩形肋的设置不仅使得叠合板刚度增大,而且减小了楼板在施工阶段挠度值,故在施工阶段可不设或少设支撑。

钢筋桁架叠合板因为其水平刚度和整体性较好,且一般设计为双向板,受力更合理,抗震性能也更好,配筋也更加经济,同时生产施工便捷,建设周期短,施工质量也较好控制,适用于各类型建筑结构,是目前应用最为广泛的叠合板。但仍存在一些问题:由于钢筋桁架的存在,此类叠合板厚度一般较大,因此自重大,在跨度较大时仍需设置支撑,且叠合板随着跨度的增加,用钢量增加,建设成本增加,这大大限制了其在大跨度结构方面的应用。

1.2.2 预制带肋叠合板

预制带肋叠合板是在钢筋桁架叠合板基础上,将钢筋桁架换成混凝土肋梁,其肋梁形式包括矩形肋、T形肋、倒T形肋等多种形式。此类叠合板一般为单向板,预制底板单向配筋,板间连接方式多为密缝连接和密拼连接。相较于钢筋桁架,预制底板设置肋梁造价更低、施工更加便捷,特别是在跨度较大时,优势更加明显。

安海玉等[11]研发了一种底板为单向带肋,整体却具有双向受力特征的叠合板,该板由单向预制底板通过板缝和叠合层连接,形成具有双向受力的整体板结构。试验研究表明,单向底板叠合后形成的叠合板具有双向受力特征,可按照普通双向板对其进行设计。柳旭东等[12]研发了一种新型带肋预应力夹芯叠合板(图3(a)),其结构形式为在肋板之间填充保温块并设置加劲肋,该板不仅具有较高的刚度和承载力,而且自重小,还具有保温隔热的功能,在施工时也可不设置支撑,施工便捷。

侯和涛等[24]提出了改进型T形肋叠合板(图3(b)),该板为单向受力板,通过在肋底部设置三角形钢筋支架来加强新老混凝土的黏结性能。试验结果表明,三角钢筋支架对增强预制底板与T形肋的黏结力效果明显,支架间距减小,腹板高度和翼缘厚度增加,都会提高叠合板的开裂承载力和极限承载力。杨正俊等[25]研制出一种工字形钢肋叠合板(图3(c)),将工字钢底部翼缘及部分腹板固嵌于底板中,以此代替传统带肋叠合板中的肋梁。相较于传统肋叠合板,型钢肋叠合板制作施工更加简单,而且具有更高的极限承载力和延性,研究发现,增大肋高和翼缘宽度可有效提升其极限承载力和延性。

PKG叠合板(图3(d))是在PK板基础上,通过在PK叠合板矩形肋两侧外包C形钢而成,进一步加强了底板与叠合面的黏结力,提高了叠合板刚度,可作为施工时无支撑模板体系。杨丽、钱帆等[26-27]对PKG叠合板承载力、挠度等进行了理论计算,优化了相关截面参数,并编制了MATLAB优化程序,为PKG叠合板的设计、生产和施工提供了参考。

综上所述,预制带肋叠合板能高效实现预制底板和现浇叠合层的黏结,保证了叠合板的整体性,通过在肋梁上设置孔洞,实现了叠合板双向受力和配筋且有利于水电管线的铺设。但此类板大部分为单向受力板,单向配筋,经济性不高,其板间连接方式以密拼和密缝为主,造成拼接缝在后期容易开裂,影响其受力性能,且制作、施工较为复杂,在一定程度上限制了其推广和使用。

1.2.3 空心底板叠合板

此处定义的空心底板叠合板是在传统型空心叠合板基础上进行改进,为了实现减小板厚、减轻板重、提高叠合板使用跨度而在空心圆孔混凝土薄板上现浇叠合层或在其他结构形式的底板上设置空心圆柱内膜而成的改进型叠合板。

吴方伯等[28-29]在传统空心叠合板基础上研发了WFB空心叠合板(图5(a)),其结构形式为在底板两侧留有凸出板肋,底板上部配有横向钢筋,施工时只需在板间连接处浇筑混凝土肋梁,预制底板厚度即为叠合板厚度。该板自重轻、板厚小、施工便捷,可应用于大跨度结构。试验研究表明,WFB空心叠合板整体工作性能良好,具有较高的刚度和强度;其极限承载力,挠度和裂缝计算均可按照《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)进行设计和计算。

SP板指美国人研发的大跨度预应力混凝土空心板,SPD叠合板(简称SPD板)是以SP板为底板,在其上现浇混凝土叠合而成的一种新的楼板体系,多应用于大跨度结构,一般按单向受力叠合结构设计,板间连接多为嵌锁式键槽结构。王文彬[30]提出了一种SP空心叠合板(图5(b)),该板具有适用跨度大、经济性高、承载力高、施工时无需支撑、自重小、整体性好等优点。研究发现,该叠合板各项受力性能良好,其设计方法与SPD板相似,开裂弯矩计算时要考虑“二次受力”影响,受弯承载力可按《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)进行计算设计,受剪承载力要同时考虑底板与叠合层的共同抗剪作用,对于叠合层空心率较大的情况应设置抗剪钢筋。

为了充分发挥预应力钢筋材料性能,增大PK叠合板使用跨度,吴方伯等[31-32]在PK叠合板基础上研发了在底板上布置空心内模的空心PK叠合板,其结构形式见图6,研究发现,该叠合板具有较高的抗剪强度、抗弯承载力及较好的抗裂性能,并给出了该板的设计方法。

1.2.4 双向密肋空心(夹芯)叠合板

双向密肋夹芯叠合板,由双向密肋楼板、预制空心板和叠合板的理论与实践发展而来,其结构形式为在预制底板上间隔一定距离设置轻质内模(可设计成空心或添加轻质填充块),内模之间的间隙可布置钢筋形成肋梁,最后浇筑叠合层形成整体。双向密肋叠合板为典型的双向受力叠合板,受力性能良好,其使用跨度均在10m以上,适用于大跨建筑,施工时需要设置支撑。

周友香等[33]研发了一种预应力双向密肋夹芯叠合板,结构形式如图7(a)所示,理论分析发现,这种叠合板具有双向受力特征,具有足够的刚度、整体稳定性和较大的承载力;夹心层设置轻质填充块可以起到减重,保湿,隔热,隔音的功能。洪云希等[34]进一步分析了这种叠合板在施工阶段和使用阶段的受力状态,并提出了这种板的设计计算方法。李林等[35]提出了轻质芯模密肋叠合板,静力加载试验结果表明,该叠合板呈现出明显的双向受力特征。李书进等[36]开发出一种新型装配式双向密肋空腔叠合板(图7(b)),该楼板整体工作性能良好,刚度大、承载力强、延性较好,具有明显的双向受力特征,可按双向板计算。武立伟等[37]提出一种采用聚苯板作为内模的预制空心叠合板(图7(c)),经过静力荷载试验发现,该楼板整体工作性能良好,承载力满足规范中对施工阶段和使用阶段的规定。

1.3 新型叠合板

新型叠合板是在传统型和改进型两类叠合板的基础上,通过使用新技术和新材料,在减轻叠合板自重、提升叠合板的相关力学性能的同时还具有保温隔热,隔音等多种功能,其预制底板构造仍然采用钢筋桁架、底板带肋、底板空心等基础形式。

在运用新技术的新型叠合板研究方面,孙小曦等[38-39]研究分析了蒸压加气混凝土作为底板的“NALC叠合板”在力学性能、经济效益、施工便捷等方面的优势。目前,该叠合板体系已经运用到实际工程。彭亚萍等[40-41]将碳纤维增强复材(CFRP)片材粘贴于叠合板拼缝处下表面处,从受力特点和破坏形态、承载特性、变形能力三个方面研究了叠合板的受弯性能,有效解决了叠合板预制底板连接处需预留外伸钢筋的问题。

在使用新材料的新型叠合板研究方面,黄炜等[42]通过足尺试验研究了不同底板形式采用钢纤维淤泥陶粒混凝土时叠合板的受弯性能。罗斌等[43]提出发泡聚苯乙烯保温砂浆夹芯保温叠合板(简称ETIM夹芯保温叠合板),研究得出了影响该类叠合板受弯性能的因素有底板形式、芯材和钢筋桁架的配置。谷倩等[44]在叠合层采用页岩陶粒轻质混凝土,并根据试验结果和弹性力学薄板理论推导了叠合板的截面中和轴高度、抗弯刚度和挠度计算公式。罗斌等[45]通过对比试验,研究分析了预制底板和叠合层都添加钢纤维的双向叠合板的抗弯性能,研究发现,底板构造形式对叠合楼板的受弯性能有较大影响,在用塑性屈服线理论计算极限承载力时,应考虑不同底板形式对塑性屈服线位置的影响。

表2 板间连接类型及特点

整体式连接是目前应用最为广泛的连接方式,技术成熟。在国家现行标准和图集[46-48]中给出了具体做法,其构造形式为:底板预留有外伸钢筋与叠合层钢筋连接,板间留有200～300 mm的后浇带与叠合层一同浇筑。这种连接方式承载力高,可等同于现浇板,设计方法可按常规整体双向板设计。但此类连接方式由于外伸钢筋的存在导致底板制作、运输、安装困难,施工繁琐,施工质量不易控制,无法发挥装配式建筑的优势。

分离式连接相较于整体式,预制底板没有外伸钢筋,施工时两板直接拼接,在拼缝处底板上设置横向拼缝钢筋,在底板的制作、运输、存放和安装方面具有明显优势。其主要类型有三类:密拼、密缝和分离式配筋的整体连接。目前,在国家现行标准和图集[46-48]以及团体标准[49]中给出了各类型分离式连接做法。分离式连接方式构造简单,施工便捷,但拼缝钢筋传递弯矩能力较弱,无法实现板的双向受力,故设计方法一般按单向受力设计,目前对于板连接的研究也主要是针对具有双向受力特征的分离式连接构造及设计方法方面。

综合以上两种连接方式的特点以及建筑工业化发展趋势,分离式连接方式更有优势,但这种连接方式的受力特点为单向受力,这影响了分离式连接方式的推广应用,设计一种受力良好、构造简单、施工方便的叠合板板间连接方式将是当前研究的重点。

叠合层的厚度及配筋对叠合板整体受力也有一定影响,目前,对于叠合层厚度及配筋一般按照现行国家标准、相关叠合板技术规程和图集,并结合具体工程情况而定,本文不再赘述。

综上所述,可以发现叠合板的发展趋势主要围绕使其受力更加合理、增强叠合面的抗剪强度、提高经济效益三个方向。而提高这三方面性能的主要方式为优化结构构造,从传统型叠合板到改进型叠合板都是叠合板结构构造的优化:1)将平板型设计成钢筋桁架和带肋形式,使叠合板新旧混凝土黏结性更好,叠合面抗剪强度更高;2)在钢筋桁架和肋梁下布置横向钢筋,叠合板从单向板向双向板转变,受力更加合理,最大程度实现钢筋材料性能;3)将底板设计成空心形式,进一步提高叠合板使用跨度,减轻自重,使其具有隔热、隔声等功能;4)使用新材料、新技术,提高叠合板力学性能,提高经济效益;5)研究设计双向受力的分离式连接方式,使板间连接方式受力更合理,施工更便捷。

虽然叠合板研究成果丰富,但在有些方面尚存在一些问题和不足,仍然有许多问题需要进一步研究:

(1)应用比较广泛的叠合板,如钢筋桁架叠合板、带肋叠合板,基本上都是按照单向板进行设计,造成配筋过多、板厚过大,材料性能不能完全发挥,经济性不高。实际工程中,双向受力模型更加普遍,叠合板双向受力的计算模型研究有待进一步完善。

(2)高性能混凝土具有强度高、抗裂性能和耐久性好等优点,将其运用到叠合板的研究还较少,应开展相关方面的研究;运用新材料和新技术,使叠合板具有更多建筑功能,满足更多居住要求的新型叠合板研究也有待进一步扩展。

(3)目前叠合板应用跨度较小,适用于大跨度建筑的叠合板有待进一步研究拓展。

(4)叠合板板间连接方式的受力特点还有待进一步优化,受力更好,构造简单,施工方便的板间连接方式需要拓展。