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钢筋桁架楼承板在装配式钢结构工程中的应用

发布时间:2021/02/24 点击量:
随着我国建设领域全面大力发展装配式建筑,装配式钢结构迎来了广阔的发展空间。钢结构建筑从设计、生产到施工、装修均是全生命周期的绿色建筑,拥有信息化管理的特点。很多地方政府也出台了相关政策,鼓励政府投资的学校、医院等公共建筑采用装配式钢结构建造。
 
在钢结构建筑中,为加快施工速度及满足装配式建筑的要求,通常采用免支模的压型钢板组合楼板或钢筋桁架组合楼板。与传统的压型钢板相比,钢筋桁架楼承板整体性更好,可作为双向板使用,耐火性和防腐性能更强,并能减少现场的钢筋制作绑扎量,其综合的经济成本也低于压型钢板组合楼板,近年已越来越多地用于多层、高层甚至超高层钢结构中。
 
一、工程概述
 
北京怀柔医院二期扩建工程地下3层,地上10层,建筑面积约9.8万㎡。本工程地上部分采用钢框架结构体系,钢框架结构抗震等级为二级,建筑结构安全等级为一级,设计使用年限为50年。地上结合建筑平面布置由防震缝分成门诊大厅、A区和B区3个结构单体。结构的整体计算模型如图1所示。
 
图1 结构整体计算模型
 
本工程地上部分楼板均采用钢筋桁架楼承板,楼板厚度有120mm和150mm共2种。设计时对楼承板楼盖体系的布置方案、楼承板的施工阶段及使用阶段的受力特点进行了分析研究。
 
二、楼盖体系的方案比选
 
次梁在钢结构楼盖中起减小楼板跨度、传递楼面荷载的作用,次梁的布置方案直接决定了楼承板的跨度和铺板方式,影响结构楼盖体系的经济性和施工便捷性。
 
本工程B区主要柱网为7.8m×7.8m,次梁的布置有2个可选方案:方案一为单向布置两道次梁,次梁间距2600mm;方案二为单向布置一道次梁,次梁间距3900mm。2个方案均采用120mm厚楼板。为满足施工阶段免支模的要求,2个方案选用不同的钢筋桁架楼承板型号(表1)。
 
表1 2种方案采用的楼承板情况
 
对2个方案在以下4方面进行比较。
 
1、施工周期
 
由于减少1道次梁,方案二在主体钢结构的生产、加工、安装等方面的工作量减少,而楼承板施工量并未增加,因此在施工周期方面有一定优势。
 
2、工程造价
 
分别于B区下部门诊区和上部病房区选取2个典型楼层(3层和8层),其次梁布置如图2所示。按2种方案进行计算对比,计算对比结果见表2、表3。
 
图2 典型楼层次梁布置方案

表2 2种次梁布置方案经济性比较(3 层)

表3 2种次梁布置方案经济性比较(8 层)
 
从表2、表3可看出,双次梁方案的型钢用量高于单次梁方案,但楼板费用低于后者。经综合比较,方案一的经济性优于方案二。
 
3、楼板舒适度方面
 
以3层楼板为例,选取3个典型位置计算楼板自振频率,考察次梁布置对楼板舒适度的影响。两方案楼板动力特性见表4。
 
 
表4 2种次梁布置方案楼板舒适度比较
(YJK 计算结果)
 
从表4可看出,2个方案楼盖竖向振动频率相差不大,方案一舒适度略好于方案二。
 
4、受力合理性方面
 
楼承板的无支撑跨度由施工阶段的受力要求决定的,在施工阶段验算时采用斜腹杆铰接,上下纵向钢筋连续的桁架模型计算,不考虑底部镀锌钢板的作用。验算内容包括上弦和下弦钢筋强度验算,受压弦杆、腹杆稳定验算及挠度验算。
 
分别对2个方案所用的2种(TD3-90和TD6-90)板型按简支板和连续板2种情况进行验算,结果见表5。
 
表5 施工工况验算
 
由表5可看出以下几点:
 
(1)简支板施工阶段的验算基本由挠度控制,通过提高钢筋直径来加大楼板的无支撑跨度效果并不明显,且施工期间挠度过大会增加混凝土厚度,增加楼板自重;
 
(2)连续板施工阶段的验算基本由支座处下弦钢筋的稳定验算控制,提高下弦钢筋直径虽能加大连续板的无支撑跨度,但会导致使用工况下钢筋应力偏低。
 
本工程由于标准层存在降板,需在降板边界处设置次梁,即使是单次梁方案,楼板也被分隔成跨度较小的双向板,板计算配筋面积较小。若采用方案二,为满足施工期间的支承问题,采用TD6-90的楼承板(板下铁实际配筋为10@195),在使用过程中钢筋的强度利用率很低,会造成浪费。
 
在施工周期、工程造价、楼板舒适度及受力合理性等4方面,2个方案的比较结果见表6。
 
表6 2种次梁布置方案对比结果
 
综上所述,通过提高楼承板的型号(即钢筋直径)来增大施工阶段的无支撑跨度并不经济,设计时应尽量采用常规楼板型号,适当减小次梁间距,个别跨度较大处及异形板处可在施工期间增加临时支撑;另外,还应尽量避免出现单跨简支板。
 
施工前应审核施工单位的排板图,避免在多跨连续板末端出现单跨简支板,对简支板的无支撑跨度要求宜适当减小。
 
本项目最终采用单向布置两道次梁的方案。
 
三、使用阶段楼承板的设计问题
 
与压型钢板不同,当楼板长短边跨度比小于3时,钢筋桁架楼承板在使用阶段沿2个方向的刚度接近,受力状态与普通现浇混凝土楼板相同,宜按双向板设计;而在施工阶段钢筋桁架承担全部的荷载,使钢筋桁架中的受拉钢筋应力比楼板一次加载时大,这一现象称为“受拉钢筋应力超前”。
 
CECS273:2010《组合楼板设计与施工规范》参考无支撑叠合梁板的要求虽给出了使用阶段的弯矩组合公式和钢筋受拉应力的控制条件,但与混凝土叠合板相比,钢筋桁架楼承板有以下不同之处。
 
(1)叠合楼板在施工阶段为简支板,因此其受拉钢筋应力超前均发生在下铁钢筋处,而钢筋桁架楼承板在施工时大部分为连续板,其负弯矩区段的钢筋同样存在应力超前的现象。
 
(2)根据规范,2种板型正弯矩区段弯矩设计值均按式(1)计算:
 
M=M1G+M2G+M2Q(1)
 
对叠合构件而言,正截面受弯承载力均按GB50010—2010(2015版)《混凝土结构设计规范》第6.2节计算,仅计算M1G和M2G对应的钢筋面积As时,楼板的计算高度h0不同。而计算钢筋桁架楼承板时,M2G是根据GB50010—2010(2015版)《混凝土结构设计规范》第6.2节计算,而M1G对应的钢筋面积则是按钢筋的桁架受力方式分析得到的。
 
为考察一次加载方式和考虑施工阶段加载方式对楼承板配筋的影响,以两跨连续板为例,分别按长短边比例为1:1,1.33:1,3:1(单向板)建立3个计算模型,y向边支座均按固接考虑。
 
按2种不同加载方式计算x方向钢筋面积As。As0为钢筋桁架初始配筋面积(上部钢筋402m㎡/m,下部钢筋528m㎡/m),As0+为初始钢筋与上部附加φ8@195面积之和,As0++为初始钢筋与上部附加φ10@195面积之和。
 
从模型1(长短边比例1:1)、模型2(长短边比例2:1)、模型3(长短边比例3:1)不同加载模式上铁钢筋面积计算结果可看出以下几点。
 
(1)在单向板受力模式下是否考虑施工阶段加载相差不大,按普通混凝土板计算配筋的设计方式基本可满足受力要求。
 
(2)越接近双向板的受力模式,是否考虑施工阶段加载,二者算得楼板钢筋面积相差越大。
 
(3)由于钢筋桁架本身已有一定数量的钢筋,只有当第二阶段的荷载较大时才会出现按一次加载计算配筋不足的情况。
 
(4)在满足施工阶段验算的要求后,下铁钢筋使用阶段很少出现配筋不足的情况。
 
综上所述,虽然钢筋桁架楼承板的在使用阶段的受力方式与现浇混凝土板完全相同,但使用阶段不应采用与普通混凝土板相同的计算方法,否则可能会出现桁架方向的受拉钢筋不满足承载力要求的情况。
 
结论
 
(1)钢筋桁架楼承板施工阶段刚度较大,可比压型钢板实现更大的无支撑跨度,但通过提高钢筋直径的方式来增加无支撑跨度并不经济;设计时应采用常规板型、常规的楼板跨度才更能发挥钢筋的强度,同时也更经济,更易满足舒适度的要求。
 
(2)应尽量避免频繁改变楼承板布置方向,尽量避免布置单跨简支楼板。
 
(3)钢筋桁架楼承板按双向板设计更符合实际受力方式,也能节省钢筋,减少造价。
 
(4)不应简单地按普通混凝土板计算方法进行楼承板使用阶段的验算,应考虑施工阶段加载产生的应力超前现象,尤其是桁架的上弦钢筋。
 
编辑概况:黄鑫(1982—),男,山东莱州人,高级工程师,硕士。
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