[分享]从施工端看问题,探讨预制叠合KT板设计合理性!

发表于2018-12-17     1557人浏览     2人跟帖     总热度:128  

从施工端看问题,探讨预制叠合KT板设计合理性!


摘要
 
楼板是结构中最普通的构件,在预制混凝土装配整体式建筑中,预制叠合KT楼板也是最普通的预制构件,在结构体系中,楼板作为楼面竖向荷载传力构件,力学模型简单,或为单跨简支板,或为多跨连续板

在支座位置,板的面筋或按温度作用效应配置,若为连续板,则按负弯矩效应作面筋配置,支座处底筋按经验构造配筋,对于整体现浇板,底筋伸入支座,没有任何质疑。

但无论是在预制KT叠合板发明使用之初,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,均没有要求KT板底筋伸入支座,而当前国家规范引入预制KT板设计时,特别强调KT板底筋伸入支座,这一限定对装配设计,施工是否合理,本文将就案例中问题与相关规范条文进行分析讨论!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板装配整体式建筑


一、前言

国内正大力推行装配整体式建筑设计施工技术,全国近20个省及直辖市宣布在2025年实现30%新建建筑面积采用装配工艺,预制率是装配建筑认定的一个重要指标,装配建筑预制率要求逐年提高,而装配工艺能否跨上正常发展与应用轨道,最终仍是由成本决策。

为达到规定的预制率及装配率,且以最小的增量成本去完成装配式工程,装配建筑最常采用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观,按一般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%左右,因此KT板是设计者优先考虑选用的预制构件。

预制KT 板的结构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,并讨论世界各地惯用的做法,与工程师们共同研讨。


二、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]楼盖设计规定,预制板按接缝构造、支座构造、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,这就是国内KT 板习惯于恪守出筋设计要求。

然而,KT 板之出筋很明显对施工产生三大伤害其一,KT 板四面出筋,对于安装工艺需求较高,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破坏;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,严重破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 板出筋重要,还是梁箍筋的完整性更重要,或者两者皆重要;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上下两个极小空间,使梁上层钢筋正确就位制造了很大的困难,即使KT 板出筋已事先向下弯折一微小角度,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、生产单位之间的协调与整合产生隔阂与嫌隙,不利于工期与质量的控制,这样的结果并非设计者所愿意见到的,也是设计者应该正视的问题。

图 2.1 KT 板出筋面临施工性问题

(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


三、预制KT板满堂施工架,有违装配式精神

传统现浇混凝土楼板浇筑时,模板基本是采用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作用下,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传递至下层楼板,同时为防止楼板变形、失稳等不利情况发生。

当整体结构混凝土全部现场浇置的情况下,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靠模板支撑系统,采取满堂架施工是情有可原且必要。

然而,装配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作用。

通过简支梁的模拟分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。

图3.1 KT 板支撑架之差异比较

     (a) 满堂架施工                      (b) 单排架施工

过度支撑(图3.1a)增加装配建筑的建造成本,增加施工现场安全卫生管理工作量,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种错误的作法,第一不做支撑设计,直接采用现浇施工架设计,也就是满堂架。一味固守传统施工思路,没有按新条件进行施工支撑,实非专业工程人员之基本工作态度,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,应视为工程人员之耻辱,当知「支撑为装配之耻」;第二、未取得施工架的极限破坏荷载,直接经验支撑,结果导致支撑失败;支撑布置需要合理规划(图3.2b),并考虑相应的安全系数是施工架配置的关键因素。在支撑架设计时,应先取得施工架的极限破坏荷载,再除以2~3倍安全系数,即取得保证安全支撑的设计值[2],也避免走向满堂架施工的极端(图3.2)。

图3.2 支撑架的失败案例与试验架设

(a)支撑失败案例  (b)支撑试验架设(屈服381 kN)[2] (c)立杆试验(挫屈60~130 kN)[8]


四、关于楼板设计相关规程规定

 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计规定是60mm。装配结构的行业标准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,若不计预制板的结构隔板作用,后浇叠合层设计规定与GB50010规定一致。

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,屋面层和平面受力复杂楼层宜采用现浇楼盖,当采用叠合楼盖时,楼板的后浇混凝土叠合层厚度不应小于100mm;此规定按条文解释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提出了更严的要求,只为了“整体性要求”。假设这三本规范对”整体性要求”做出相同的定义,其规定在逻辑上明显不通,或在否定GB 50010现浇的混凝土结构没有满足“整体性要求”,或意在限制预制叠合板应用。

美国ACI 318-11[3]第21.11.6节针对传递地震力的横隔板-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,组合截面可视为结构隔板。即使是不考虑预制楼板与后浇置混凝土组合截面共同传递地震力作用时,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,主要是从工程经验上考虑了预制板厚度控制容许预留误差值,或部分预力预制楼板的预拱量不同,为确保现浇楼板内布置的钢筋以及水电配管之保护层厚度满足相关要求。在JGJ 1第6.6.2节之条文说明有指出这一说明,其厚度规定与ACI规定接近。另外,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对于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款规定解释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,其上后浇混凝土完全视为现浇楼盖的最小厚度为60mm,满足规范最小厚度规定,显然不需要以最小100mm厚来满足整体性要求。规范中对板厚要求提高,其增加预制工艺应用限制,不利于工业建筑工艺技术发展。

 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方式有提出要求,在GB 50010第9.1.4条中规定现浇楼板中央正弯矩钢筋“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,温度收缩钢筋可利用原有钢筋贯通布置,也可另行设置构造钢筋,并与原有钢筋按受拉钢筋的要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,且在重荷载作用环境下,应设置伸入叠合层的构造钢筋,如K支架。

ACI 318-11[3]第16.5条关于结构整体性要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中解释了温度钢筋规定,对于宽小于3.66m(12ft)单向叠合板,短向可不配置收缩及温度钢筋。预制叠合板大部分的温度收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,温度及收缩应力被分散到各预制单元,说明组合楼板对温度及收缩效应小于整体现浇板。

以60mm现浇板层,上层钢筋配筋间距满足不大于450mm(18 in)要求,即可符合叠合板与边梁的连接整体性及相应的温度及收缩配筋要求。[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传递垂直荷载重之构件,完成建筑使用功能为主。而板端的结构设计者应可判定单向板端部支座的下缘并无拉力的作用。

在传递竖向荷载时,从单向板端的受力模式,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作用,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全大于楼面活载作用的剪力设计值[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,考虑采用施工便利性的分离式配筋时,结构设计者直接将受力钢筋「延伸」过支座并代替温度收缩钢筋,一方面藉此减少受力钢筋与温度收缩钢筋之搭接用量,另一方面亦可减少现场钢筋配置的复杂程度。楼板端部支承处的下层钢筋不需配置钢筋,并不是新观念,早期的弯折配筋法,就已经施行多年且能完整体现力学行为的一种最节省材料之施工方式,只是,现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,且宜伸过支座中心线”。同时,该条文之说明,特别强调是为保证楼板的整体性及传递水平力的要求,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构造要求。其编制该条文的背后基本想法仍是按GB50010相关规定。

笔者认为,就构件措施及整体设计概念要求,现浇层有配置面筋,预制板端可不需要出筋,为推广预制叠合板工艺,应当回归真实力学行为,回归弯折配筋方法,考虑温度及收缩效应,重新审视预制迭合楼盖或屋盖板端出筋的问题。

 4.3 预制KT板端钢筋非接触搭接

按极限理论配置板的钢筋,混凝土板本身极其容易满足板端竖向承载力抗剪强度设计要求,但作为楼盖板对温度作用非常敏感,为控制裂缝,板端需设抗裂温度筋。在ACI中规定温度筋的配置可采用非接触搭接连接,为控制无配筋距离不宜过大,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接触搭接连接。

虽在国标中没有明确非接触搭接连接构造,从R.帕克[8]的板破坏分析可以得知,板端裂缝多出现在负弯矩区,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)预制混凝土技术论坛的报告「钢筋机械连接装配式剪力墙结构研究新进展」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用构造钢筋方式(不符合规程规定),经试验之结果显示,一、二层楼板负筋在9度大震时发生屈服,二层楼板上表面垂直加载方向发生通长裂纹,但主要破坏为与加载方向平行连梁的剪力破坏,以及一层剪力墙墙肢的大型X型裂缝。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」。

图4.2 清华大学钱稼茹教授3层剪力墙构架试验[6]

(a)3层剪力墙构架模型      (b)预制楼板端支座钢筋布置条件


五、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,按规范要求预制KT 板的表面应制作成凹凸4mm的粗糙面,接合面由预嵌K支架以传递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因素。

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、以及制造与施工误差等因素。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。制造与施工误差则与施工单位的经验与质量管控能力有关,但无论如何,仍需预留1mm~3mm的可能误差。该预留误差量值,在检讨K支架上端筋之下缘与预制板上缘之间隙更形重要,理论计算值之外须再外加3mm作为施工性判定基准。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。一般电力管线的直径为25.4mm,要能配管的最小净空间应该有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之机电管线施工性检讨

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,判定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,施工上略为不方便。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,但须注意60mm厚的叠合板脱模时可能存在开裂风险,按笔者以往经验,预制层并不建议设为60mm厚。

图5.2 叠合板总厚130mm,KT 板厚65mm之机电管线施工性检讨

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之机电管线施工性检讨

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容易许多。因此,从机电穿管需求的角度出发,130mm是最低要求,而140mm的施工性最佳。

但是,以上的检讨并未考虑到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,这将在下一节中讨论。

机电配管在穿管时,也必须遵循一个重要原则,即「垂直K支架方向的管路先排布,平行K支架管路后排布」,以避免管路浮突接近楼板表面,造成混凝土超打情况,具体做法如图5.4所示。机电配管时机,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况

图5.4机电配管原则

 5.2 KT 板出筋的合理化设计

KT 板出筋的合理化检讨,不能单看KT 板本身,必须把主、次梁的上层钢筋排列一起检讨,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之型式进行检讨,并假设KT 板的受力钢筋平行Y轴时,发现: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互相抵触无法施做。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 板不出筋则无此限制。同样地,叠合板厚为140mm时,其结论仍相同。由此可见,设计上应该不要着重次要构件的出筋问题,而应着重主要抗震构件纵向钢筋排列之合理性,非接触搭接是目前较合理的解决方案。

图5.5预制梁上层筋深化设计检讨


六、结束语

根据本文分析显示,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,但须配置构造钢筋并进行温度收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取非接触搭接连接构造。深化设计人员除应考虑钢筋配置问题外,亦应将机电配管列入设计检讨内容中,以维护整体之施工性。

钢筋混凝土构造的结构行为,系依靠混凝土与钢筋间之充分握裹所致,只要任何一个受到不当破坏,都是降低质量的不良结果。规程条文规定偏向保守侧时,设计者当深入了解其背后之原理,在不违背该原理前题下,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误差时,任由施工者随意弯折或破坏钢筋原有之状态,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重要议题,以维护应有之结构质量与钢筋混凝土力学之本质。

本文之提出,能获得多数人之共鸣,朝合理化预制设计与施工,方为我等心之所盼。


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 发表于2018-12-17   |  只看该作者      

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从施工端看问题,探讨预制叠合KT板设计合理性!

 发表于2019-04-17   |  只看该作者       筑龙币+20

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在支座位置,板的面筋或按温度作用效应配置,若为连续板,则按负弯矩效应作面筋配置,支座处底筋则按经验构造配筋.

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