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可拆卸鋼筋桁架樓承板最大免支撐跨度?試驗(yàn)及理論依據(jù)來了

 中清科技 2020-07-02
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引言

將受壓鋼筋與受拉鋼筋合理組合,在工廠采用機(jī)械化加工形成受力性能良好的鋼筋桁架,在鋼筋桁架與模板之間設(shè)置連接件,組成底??刹鹦兜臉前澹@種樓板稱作可拆卸鋼筋桁架樓承板(簡稱可拆卸樓承板)。可拆卸樓承板由三部分組成,分別為:鋼筋桁架、可拆模板和連接件,如圖1所示。鋼筋桁架部分為施工階段提供無支撐+剛度,使用階段成為樓板中需配置的鋼筋;可拆模板作為樓板施工階段的模板,可選用竹膠板和鋁模板。

可拆卸樓承板受力過程分為施工階段與使用階段,施工階段為可拆卸樓承板開始拼裝到混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求這一過程中,該過程樓承板自重、濕混凝土重量以及施工活荷載全部由鋼筋桁架承擔(dān);當(dāng)混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后,樓承板即進(jìn)入使用階段,該階段鋼筋桁架上下弦鋼筋與混凝土共同工作,其受力性能及承載力與普通現(xiàn)澆混凝土樓板相同。該樓承板在施工階段減小了滿堂腳手架搭設(shè)、現(xiàn)場模板支撐、樓板鋼筋綁扎等工作;同時(shí),該樓承板受力更加合理,能提供更大的剛度,具有良好的抗震性能。

可拆卸樓承板與其它類型的樓板相比具有明顯的優(yōu)勢:
(1)與一般現(xiàn)澆混凝土樓板相比:可拆卸樓承板免除了模架支設(shè)作業(yè),消除模架垮塌的風(fēng)險(xiǎn);減少了大部分樓板鋼筋綁扎的工作,加快了施工速度,人工費(fèi)用明顯降低;工廠化生產(chǎn),保證了樓板質(zhì)量,結(jié)構(gòu)可靠性顯著提高。
(2)與同樣可免除模板支撐系統(tǒng)的預(yù)制疊合板相比:可拆卸樓承板自重輕,無需使用大型運(yùn)輸設(shè)備;對道路通行條件、垂直運(yùn)輸機(jī)具、現(xiàn)場存放條件無特殊要求。
(3)與鋼筋桁架樓承板相比:可拆卸樓承板底模板完成樓板成型任務(wù)后可拆除,低??芍貜?fù)利用降低造價(jià);避免了鍍鋅鋼板底模焊點(diǎn)處發(fā)生銹蝕的風(fēng)險(xiǎn)。
可拆卸樓承板與梁搭接時(shí)主要有2種搭接方式,在鋼結(jié)構(gòu)中與鋼梁搭接時(shí)可采用兩端焊接的方式,兩端可看作固接,在混凝土框架結(jié)構(gòu)中與梁一起澆筑時(shí),可拆卸樓承板兩端與梁內(nèi)鋼筋綁扎,并在端部下側(cè)用木楞或者用斜桿進(jìn)行支撐,兩端可看作鉸接。為了使可拆卸樓承板理論體系更加的完善,本文分別對單跨單向可拆卸樓承板兩端支座在鉸接和固接情況下進(jìn)行了試驗(yàn)研究,結(jié)合試驗(yàn)的案例提出施工階段鋼筋桁架板強(qiáng)度、穩(wěn)定性及撓度驗(yàn)算的公式,并闡述了可拆卸樓承板的連接構(gòu)造要求。
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試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)共制作了兩個(gè)可拆卸樓承板試件,兩塊板平面尺寸均為4600mm×600mm,鋼筋桁架高180mm,鋼筋保護(hù)層厚度為15mm,模擬可拆卸樓承板在板厚210mm情況下施工過程中鋼筋桁架的受力情況。
試件上下弦采用的是冷軋帶肋鋼筋550級,直徑都為12mm,fy = 360N/mm2;腹桿鋼筋采用成盤供應(yīng)的冷軋光圓鋼筋550級,直徑為6mm,fy = 360N/mm2,鋼筋的彈性模量均為1.9×105N/mm2??刹鹦兜啄2捎弥衲z板。
1.2 試驗(yàn)方案
本試驗(yàn)在國家建筑工程質(zhì)量監(jiān)督中心所做,采用堆鉛塊加載方法,分別對試件兩端鉸接和兩端固接情況下進(jìn)行了試驗(yàn)研究,探究可拆卸樓承板在施工階段荷載作用下鋼筋桁架板的撓度變化情況。試件1為兩端鉸接,可拆卸樓承板直接放在兩端的梁上,端部下端用木楞進(jìn)行支撐,試驗(yàn)裝置及試件加載示意圖如圖2所示;試件2為兩端固接,下部鋼筋與兩端梁牢牢焊住,試驗(yàn)裝置及試件加載示意圖如圖3所示。

圖2 兩端鉸接

圖3 兩端固接
為了避免鉛塊對可拆卸樓承板造成應(yīng)力集中,先在每兩榀鋼筋桁架之間均布鉛塊加載,待第一層鉛塊滿布于兩榀桁架之間后,再在上部均勻添加鉛塊。試驗(yàn)采用分級加載的方法,加載到8.15kN/m2為止,分5級加載,逐級加載1.63kN/m2。分別在板的跨中底部及兩端支座處布置百分表,以測試在荷載逐級加載作用下其撓度變化情況。

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試驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果分析
(1)試件1
不同荷載作用下,試件1的撓度如表1所示。
表1 不同荷載作用下,試件1的撓度如表1所示。

試驗(yàn)荷載最大加載到8.15kN/m2,其中考慮24.5kN/m3的混凝土自重以及使用階段3.0kN/m2的活荷載。根據(jù)CECS273:2010《組合樓板設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》中4.2.2與6.2.5規(guī)定:鋼筋桁架板在施工階段可按桁架計(jì)算,最大撓度值取1/180的板跨與 20mm的較小值,本試驗(yàn)中試件跨度為4600mm,因L0/180=25.56mm>20mm,故最大撓度限值為20mm。試驗(yàn)開始時(shí)撓度為0mm,當(dāng)荷載達(dá)到4.89kN/m2時(shí),跨中撓度為15.93mm;當(dāng)跨中撓度達(dá)到限值20mm時(shí),此時(shí)能承受6.16kN/m2的荷載,混凝土的自重荷載為5.15kN/m2。由此可見,當(dāng)施工活荷載控制在1kN/m2時(shí),可拆卸樓承板在兩端鉸接的情況下能滿足組合樓板設(shè)計(jì)規(guī)范要求。試驗(yàn)荷載一直加載到8.15kN/m2,測得可拆卸樓承板跨中的最終撓度為26.08mm。

(2)試件2
不同荷載作用下,試件2的撓度如表2所示。
表2 不同荷載作用下,試件2的撓度如表2所示。

試件2加載過程與試件1一致,試驗(yàn)開始時(shí)撓度為0mm,當(dāng)荷載加載到4.89kN/m2時(shí),跨中撓度為13.97mm;當(dāng)荷載加載到6.52kN/m2時(shí),一端支座出現(xiàn)了0.1mm水平方向的水平位移,此時(shí)算得跨中撓度為19.54mm;當(dāng)繼續(xù)增加荷載時(shí),一端支座繼續(xù)發(fā)生細(xì)微的水平移動,當(dāng)跨中撓度達(dá)到限值20mm時(shí),此時(shí)能承受6.67kN/m2的荷載,若施工活荷載控制在1.5kN/m2之內(nèi),可拆卸樓承板在兩端固接的情況下(一段支座出現(xiàn)了細(xì)微的水平位移)能滿足組合樓板設(shè)計(jì)規(guī)范要求。試驗(yàn)荷載一直加載到8.15kN/m2,測得可拆卸樓承板跨中的最終撓度為24.48mm。

試驗(yàn)結(jié)果可得,在施加相同荷載的情況下,可拆卸樓承板在兩端固接的撓度值要比兩端鉸接的撓度值小。兩端鉸接時(shí)必須得控制施工活荷載為1kN/m2,才能滿足規(guī)范的要求,兩端固接時(shí)施工活荷載能控制在1.5kN/m2。兩種連接方式的荷載-撓度曲線如圖4所示,由圖可知,曲線基本呈線性,說明可拆卸樓承板處于彈性狀態(tài)。

圖4 荷載—撓度曲線
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理論分析
3.1 受力分析

普通現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板施工時(shí)由于需搭設(shè)模板進(jìn)行施工,所以施工過程中基本沒有撓度,待混凝土養(yǎng)護(hù)達(dá)到一定強(qiáng)度之后拆模,鋼筋混凝土樓板會在自重及活荷載作用下出現(xiàn)撓度,甚至出現(xiàn)裂縫。而可拆卸樓承板在施工過程中可以不設(shè)臨時(shí)支撐,所以在施工階段,可拆卸樓承板的自重、混凝土自重以及施工荷載都由鋼筋桁架承擔(dān),可拆卸樓承板中桁架桿件的內(nèi)力及樓板的撓度都可采用桁架模型計(jì)算。在混凝土初凝到達(dá)到設(shè)計(jì)要求的強(qiáng)度過程中,可拆卸樓承板也會變形回縮,此時(shí)板底的混凝土不會受可拆卸樓承板自重產(chǎn)生拉力。所以與普通現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板相比,可拆卸樓承板混凝土板底所受的拉力會減小,樓板開裂會延遲,其剛度較大。

3.2 理論計(jì)算

由于混凝土終凝前與混凝土終凝后樓板受力明顯不同,所以在進(jìn)行可拆卸樓承板受力計(jì)算時(shí)應(yīng)將施工階段與使用階段分別進(jìn)行計(jì)算,本文結(jié)合可拆卸樓承板試驗(yàn),對可拆卸樓承板的施工階段和使用階段進(jìn)行理論計(jì)算分析??刹鹦稑浅邪迨┕るA段應(yīng)驗(yàn)算上下弦鋼筋強(qiáng)度、上弦鋼筋及腹桿鋼筋穩(wěn)定性以及鋼筋桁架撓度。

以本文試驗(yàn)中試件的一榀桁架為例(4600mm × 200mm),計(jì)算長度ln= 4600mm,C30混凝土,樓板厚度h=210mm,桁架高度ht=180mm,保護(hù)層厚度c=15mm,上下弦鋼筋直徑都為12mm,腹桿鋼筋為6mm,施工荷載取1.5kN/m2,重要性系數(shù)γ01=0.9。由于可拆卸樓承板長邊遠(yuǎn)大于短邊長度,所以應(yīng)按單向板進(jìn)行計(jì)算。樓板自重g1=1.05kN/m,施工荷載P1=0.3kN/m,可以求出:樓板自重產(chǎn)生的彎矩M1Gk= 2.777kN·m,施工荷載產(chǎn)生的彎矩M1Qk=0.794kN·m,最大彎矩設(shè)計(jì)值M1=γ01(γGM1Gk+γQM1Qk)= 4kN·m,剪力V1= 0.5γ01γGg1 QP1)=3.478kN。可求得受壓區(qū)鋼筋截面面積As’=113.093mm2,受拉區(qū)鋼筋截面面積As=226.195mm2,腹桿鋼筋截面面積Asc=28.274mm2

(1)上下弦鋼筋強(qiáng)度驗(yàn)算:

經(jīng)計(jì)算:
上弦鋼筋受壓應(yīng)力為210.53N/mm2<0.9fy,滿足要求。
下弦鋼筋受拉應(yīng)力為105.27N/mm2<0.9fy,滿足要求。
(2)上弦鋼筋及腹桿穩(wěn)定性:

經(jīng)計(jì)算:
上弦鋼筋穩(wěn)定驗(yàn)算為252.43N/mm2<fy,滿足要求。
腹桿鋼筋穩(wěn)定驗(yàn)算為105.27N/mm2<fy,滿足要求。
(3)撓度驗(yàn)算:

本算例中,求得δ1=19.146mm,撓度小于限值,滿足要求。
根據(jù)撓度驗(yàn)算公式計(jì)算本文試驗(yàn)中5個(gè)等級加載各階段跨中撓度,試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果撓度對比如表3所示,試驗(yàn)撓度與理論撓度的誤差基本控制在10%以內(nèi)。由于在試驗(yàn)過程中支座處有微小的移動,所以對試驗(yàn)結(jié)果造成了一定的誤差。
表3 試驗(yàn)撓度與理論撓度對比表


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結(jié)論

(1)由試驗(yàn)結(jié)果可得,兩端固接的情況下?lián)隙茸兓葍啥算q接的情況下降低了7%左右,所以可拆卸樓承板與鋼梁或預(yù)制混凝土梁搭接更加安全可靠,當(dāng)樓承板跟混凝土梁一起澆筑時(shí),在施工過程中應(yīng)該在兩端與梁接觸的地方鋼筋要搭接牢固,必要時(shí)采用焊接進(jìn)行連接,同時(shí)兩端下方進(jìn)行可靠支撐。

(2)本文給出了可拆卸樓承板施工階段的設(shè)計(jì)方法,并將兩端鉸接試驗(yàn)的撓度結(jié)果與理論計(jì)算的撓度結(jié)果進(jìn)行對比,誤差基本控制在10%以內(nèi),分析由于支座處出現(xiàn)了微小的水平位移,對實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成了一定的誤差。

(3)通過試驗(yàn)和理論分析,可得可拆卸樓承板在一定跨度內(nèi)可以做到免支撐,當(dāng)跨度較大時(shí)只需中間加設(shè)一道臨時(shí)支撐即可。

(4)可拆卸樓承板是一種改進(jìn)的技術(shù)和產(chǎn)品,與普通現(xiàn)澆混凝土樓板相比,具有結(jié)構(gòu)受力更加合理、生產(chǎn)效率提高、安裝方便、安全可靠等優(yōu)點(diǎn),適合我國現(xiàn)階段建筑工業(yè)化的政策,在工程應(yīng)用也必將發(fā)揮越來越大的市場價(jià)值。

原文發(fā)表于《北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)》2018年第4期,有修改。

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