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干货!预制预应力混凝土空心板研究及应用综述

干货!预制预应力混凝土空心板研究及应用综述

打印 0条评论来源:混凝土与水泥制品杂志(id:hntysnzp)

摘 要:对预制预应力空心板国内外研究及工程应用情况进行了综述,并结合工业化建筑发展和国内工程需要,对预制预应力空心板的研究和应用提出了展望。


前言


二战结束后,西方国家和日本面临着战后建筑房屋大量短缺、人力不足等问题,为了能快速地进行战后重建,开始进行建筑工业化。20 世纪 50 年 代,我国的建筑工业化开始发展,并基于发展国民经济的第一个五年计划,借鉴国外经验,在我国开始推行标准化、工厂化、机械化的预制构件和装配式建筑。经过几十年的发展,工程师们研发出了很多新型的预制构件。目前,国内外常见的预制板主 要有预制预应力混凝土空心板(以下简称预制空心 板)、预制预应力混凝土带肋叠合板、预制混凝土双 T 型板等。本文针对预制空心板的研究与应用进行概述,介绍国内外主要研究进展和工程应用典型,以期为促进我国预制空心板的研究和应用提供一 定参考。


1 预制空心板的发展


预制空心板具有承载力高、刚度大、跨度大、防 火性能好、尺寸误差小、隔音效果好、自重轻、抗震性能好、可切割、经济效益好等优点,是绿色及被动 式房屋的主要结构性构件。


预制空心板的主要结构特点如下:


①孔芯为水滴形,混凝土受压区面积较大。生产过程中孔芯模板可及早抽出,同时不会引起上方混凝土塌落;


②孔芯不仅能通过放置桁架筋增加抗剪承载力,还可用于管线、电线、器材等的隐藏铺设;


③最大跨度可达 18 m,常规宽度主要有1.2 m、2.4 m 两种,根据工程需要,沿宽度方向可任意切割,具体规格见表 1;


④预制空心板的预应力主 要通过张拉 1860 MPa 高强预应力钢绞线施加,混凝土强度等级为 C40 及以上,两种材料的工作协调 性较好。


一定程度上,预制空心板具有节约材料的优点,且实现无支撑施工,具有良好的经济效益,尤其在钢结构建筑中的应用,其综合效益更为显著。预制空心板的养护、堆放、吊装、施工见图 1。



1.1 国外发展


预制混凝土结构起源于西欧, 之后推广到美国、加拿大、日本等国,大量的应用始于美国。20 世纪 50 年代,战争、城市化等因素造成了住宅供应严重不足,该时期西方国家和日本出现了各 种类型的大板住宅建筑体系。以日本为例,日本在1963 年引进了预制空心板,并进行了大规模的公营 住宅建设,为其后续的建筑工业化提供了重要的基础。日本建设部随后制定了一系列的政策及规范,通过政府主导,协会、社团推动的方式,进一步推动了预制混凝土构件的生产认证、规范制定等相关工作。同时期,美国对预制空心板的抗压抗剪等性能也进行了大量研究。根据资料显示,日本目前最高的采用预制空心板的建筑为 54 层。


20 世纪 70 年代,随着生活条件的改善,人们对居住环境的要求逐渐提高,此时劳动力的短缺进一步促进了建筑工业化的发展。以新加坡为例,20 世 纪 80 年代,新加坡建屋发展局开始将装配式建筑理念应用于住宅工程,发展初期,三家外国企业中标了新加坡建屋发展局五个重点工程,项目建设过程中引入了“预制技术”的概念,采用的预制构件主 要有框架梁、墙体、楼板等。项目完成后得到了新加坡建筑行业的认可。此后,新加坡一些本地建筑公司也开始尝试建筑工业化的理念。


20 世纪 80 年代, 德国的 FILIGRAN 公司将全预制和现浇的理念结合在一起,研发了钢筋桁架式叠合板,并开始在建筑行业大量推广。


1.2 国内发展


国内最早使用的空心板为非预应力空心板,20世纪 50 年代,北京等地作为试点开始将冷拉钢筋、 冷拔钢丝、冷轧带肋钢筋等与预应力混凝土楼板组合使用,但受当时经济条件、生产工艺和施工水平的限制,在应用过程中漏水问题频发,严重影响正常使用。同时,节点构造复杂,施工困难等因素也制约了其推广应用。


为了与国际接轨,1995 年冶金部公布的产品标准中新增了小股钢绞线(二股或者三股钢绞线强度 大约是冷拔等钢丝的 2~3 倍)。随着经济的发展,跨度超过 9 m 的预制板类构件开始应用。为满足大跨度和大承载力要求,七股钢绞线开始应用于预应力空心板的生产,但由于七股钢绞线产生的巨大局部挤压力易造成锚固端局部破坏,且由于当时缺乏相关实践,该工艺一直未被广泛采用。


根据参考文献,20 世纪中后期,我国房屋建 筑平均使用年限不到 30 年, 仅为设计使用年限的一半(北京尤为明显)。为了满足建筑耐久性、安全性和大开间体系的需要,我国于 21 世纪初引进了美国的 SPANCRETE 板(简称 SP 板),该板在长线台座上采用干硬性混凝土挤压成型,预应力通过张拉七股钢绞线施加,并出版了 SP 板相关标准图集、技术手册以及相关计算机程序等资料。地震资料显示,SP 板承载力、连接节点能满足抗震需求,此后,SP 板开始大量应用于多层工业厂房、 学校建筑、多 层和高层住宅等。


2 工程应用


(1)预制空心板应用初期被认为性能不如现浇 板,但相关工程应用表明其具有一定的优越性和安全性。根据资料显示,1976 年唐山 7.8 级大地震中部分预制空心板建筑的倒塌是由砖墙倒塌引起的。同时,部分工业厂房的预制空心板屋盖倒塌也是由柱顶接头连接焊缝破坏或者空间支撑系统失效引 起的,没有证据表明预制空心板的本身抗震性能差。相反,在采取相关抗震措施后,预制空心板建筑可以满足抗震需求,例如:第 21 中学教学楼的预制空心板屋面在设有圈梁的情况下, 预制空心板、墙体和挑檐的整体刚度得到提高,在地震中未发生整体倒塌,见图 2。这也证明了圈梁对预制空心板建筑整体刚度提高的重要性。



(2)当地震烈度较大时,预制空心板可能塌落导致结构发生破坏。因此,为了有效约束预制空心板,可按楼层依次沿纵墙和横墙设置钢筋混凝土圈梁。同时,板缝间可增设现浇混凝土带。由于采取了上述措施,2008 年汶川 8.0 级地震中高烈度区彭州市白鹿九年制学校预制空心板楼盖在震后未见明显裂缝,见图 3。由此证明,上述措施对建筑物抗震设防具有明显作用,采用预制空心板建筑仍可具 备较好的整体性及抗震性能。



(3)莘庄工业区 1 号科技创新中心项目位于上海市莘庄工业区西区, 采用框架-剪力墙结构体系,地上 10 层,地下 1 层。 其中,裙楼 4 层,主屋面 高度为 46.75 m,4~10 层采用预制空心板,最大跨度为 8.4 m,板厚为 180 mm,叠合层厚度为 60 mm,见图 4。



(4)百花公园综合楼为 4 层框架结构,最大跨度为 15 m,开间 6.5 m,总高度 32.5 m,总建筑面积4 290 m2,楼面采用 SP 板,板厚 380 mm,楼面允许荷载 5.0 kN/m2,实际使用活荷载 2.7 kN/m2,竣工验收指标均符合相关标准要求,见图 5。



(5)西北农林科技大学图书馆(7 度抗震设防)为 4 层框架结构,长 147 m,宽 36 m,建筑物总高 18.6 m,平面布置大跨开放式阅览区,采用 SP 空心板,板宽 0.8~1.2 m,见图 6。 由于混凝土和模板支护工作量大大减少,造价减少 10% 左右,但预制空心板板端连接需采取加强措施。



(6)上海家用电器松江生产基地新建项目总建筑面积 101625 m2,包含 3 栋生产用房,1 栋生产及辅助用房及若干配套用房。其中,除了若干配套用房以外,其余建筑均为装配整体式框架结构,预制 率达 41.7%,采用预应力空心板,最大跨度约 11 m,见图 7。



(7)深圳市坪山新能源汽车产业园区 1~3 栋项目规划总用地面积约为 41883 ㎡,共有 4 栋塔楼,见图 8。其中,1 栋和 2 栋为研发办公大楼,采用钢 管混凝土框架-核心筒结构体系,由钢管混凝土柱、 钢筋混凝土核心筒、钢梁和预制空心板组成,结构高度分别为 95.6 m 和 86.1 m,3 栋 A 座和 3 栋 B 座 均为厂房结构,采用钢管混凝土框架-剪力墙结构体系,由钢管混凝土柱、钢筋混凝土剪力墙、钢梁、 预制空心板组成,其高度分别为 91.7 m 和 87.2 m,标准层均采用跨度为 8.4 m 的预制空心叠合楼板。为保证空心板楼盖的受力性能,采取了以下抗震构造措施:


a)加强节点构造。通过板端开孔、设置桁架钢筋、现浇混凝土等措施加强节点连接性能。


b)板顶现浇混凝土。板顶设置双向配筋、支座及板缝处设置附加钢筋,并现浇混凝土,确保水平力的有效传递。核心筒、楼电梯间采用现浇形式。


c)现浇区域闭合。形成类似“圈梁”作用,箍住空 心板,进一步保证楼盖体系的整体性。



(8)1995 年神户 7.2 级地震后,据日本建筑师协会的统计数据,119 栋使用预应力空心楼板的建筑中有 117 栋没有发生任何破坏,2 座体育馆发生倒塌是支撑架在地震中发生晃动所致。预制空心板建筑在施工质量得以保证的前提下,比普通现浇混凝土结构具有更大的刚度和稳定性,具有优越的抗震性能。


(9)在美国,采用预制空心板的建设项目不仅应用于高地震带,在高层中也有许多运用。图 9 所 示的高层建筑于 1976 年完工,21 层均采用全预制剪力墙结构,楼板全部采用预制空心板,整个工程工使用了 2 116 个预制构件,近半个世纪的使用证明了预制空心板的安全性和稳定性。




(10)马萨诸塞州萨默维尔市合金住宅的主体结构工期为冬季,地上 13 层、地下 1 层,外墙装饰工程与主体结构工程同步进行。由于冬季现浇施工 难度较大,考虑采用预制空心板方案,见图 10。


(11)黄石俱乐部位于美国 D 类地震带(美国地震等级为七级,D、E、F 属于高地震带,E、F 为重大活动断层带)。将现浇混凝土施工方案改为预制方案 后, 项目工期从三年缩短至一年。项目总共采用 4565 个预制构件,主要包括预制空心板、预制挡土墙、预应力双向阳台等,见图 11。



3 相关规范


德国的预应力空心板生产线根据用户需要,还 相应给出了预应力空心板产品截面、配筋和产品选用表等设计依据,见图 12。



日本为了满足设计人员的需要,1976 年出版了 《预应力空心楼板的设计手册》,1987 年又改编出版了第二版。国内常用的预制空心板相关设计依据有规范、技术手册、图集和产品手册。其中,预制空心板相关设计规范从 GB 14040—93 《预应力混凝土空心板》更新至 GB 14040—2007。除了相应的设计规范,中 国建筑标准设计研究院根据 1998 年美国 PCI 协会发行的第二版《预制预应力混凝土协会空心板设计手册 PCI》 和 SPANCRETE 公司及其制造商协会的试验研究资料, 在参考其他有关资料的基础上,编制了适合于我国国情的 《SP 预应力空心板技术手册》。同时,中国建筑标准设计研究院还出版了设计图集 05SG408《SP 预应力空心板》,见图 13。



目前, 我国预制空心板相关技术规范主要有:13BGZ2-1 《PK 预应力混凝土叠合板》、13G440《大跨度预应力空心板》、JGJ/T 258—2011《预制带肋底 板混凝土叠合楼板技术规程》、《装配式混凝土结构连接节点》、05SG408 《SP 预应力空心板》[16]。其中,05SG408 的主要设计依据参考 GB 50010—2010《混凝土结构设计规范 》, 而 GB 50010—2010 与 GB50010—2002 针对预制空心板部分的不同之处主要体现在预应力损失、承载能力极限状态设计和正常 使用极限状态验算方法等方面。相关施工验收规范主要有:GB 50204—2015 《混凝土结构工程施工质量验收规范》、JGJ 1—2014《装配式混凝土结构技术规程》、GB 50666—2011 《混凝土结构工程施工规范》、JGJ 355—2015《钢筋套筒灌浆连接应用技术规程》。目前,上述规范还未涉及对预制空心板的进场验收、文件检查报告、空心板制作过程检查文件等内容,建议修订时增加完善。


4 结论与展望


预制空心板在我国经历了从兴起, 到衰落,再 到兴起的发展阶段,目前相关研究工作也取得了一 定的进展, 但仍然存在以下方面需要进一步研究,主要包括:


(1)预制空心板与主体结构连接节点的安全性研究还有待深入。

(2)预制空心板在高层建筑中应用的楼盖整体性、水平传力性能需要进一步研究。

(3)大跨预制空心板的舒适度、振动性能研究还有待加强。


(编辑:奚雅青)


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