鋼筋桁架樓承板傾斜承載研究與應(yīng)用
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姚 剛1，許程丞1，徐士杰1，馮 鋒2，江 磊2，陳 治2
（1．重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶400045；2．中建鋼構(gòu)有限公司，重慶400045）
[摘要]鋼筋桁架樓承板已在許多工程領(lǐng)域得以應(yīng)用，以工程為例論述鋼筋桁架樓承板受力特性，對其傾斜狀態(tài)下的承載進(jìn)行力學(xué)分析。研究表明：在混凝土硬化前的施工階段，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度全部來源于鋼筋桁架，樓板質(zhì)量不會(huì)使板底混凝土產(chǎn)生拉應(yīng)力；桁架樓承板在樓面活荷載以及永久荷載作用下，比普通混凝土板變形、開裂的時(shí)間明顯延遲；隨著鋼筋桁架板傾斜角度的增加，其施工階段的適用跨度減小，必要時(shí)可增加上弦、下弦、腹桿筋的直徑
以達(dá)到提高其適用跨度的目的。通過貴陽花果園傾斜鋼筋桁架樓承板施工實(shí)例，驗(yàn)證了對其受力分析的可靠性。
[關(guān)鍵詞]鋼筋桁架；傾斜；受力；跨度；施工
[中圖分類號(hào)]TU323.4 [文章編號(hào)]1002-8498(2016)10-0045-04
壓型鋼板是很早就在工程中運(yùn)用的一種結(jié)構(gòu)構(gòu)件，混凝土樓板，壓型鋼板組合施工省去了施工過程中許多模板工程，能夠降低鋼結(jié)構(gòu)建筑施工周期，但這種組合結(jié)構(gòu)存在平面內(nèi)的兩個(gè)方向上剛度不等、只能單向受力、板材利用率不高、板底不平整等缺陷。在傳統(tǒng)壓型鋼板的形式上，衍生了鋼筋桁架混凝土樓板，鋼筋桁架樓承板的運(yùn)用完全解決了混凝土樓板，壓型鋼板組合樓板的缺陷。2006年楊強(qiáng)躍等做了一些鋼筋桁架樓承板在鋼結(jié)構(gòu)施工中的運(yùn)用研究，并對鋼筋桁架替代壓型鋼板的經(jīng)濟(jì)合理性和技術(shù)可行性進(jìn)行了分析論證。將加工好的鋼筋桁架樓承板可以直接在支撐鋼梁上安裝，然后進(jìn)行綁扎鋼筋、焊接栓釘，之后進(jìn)行混凝土澆筑，這樣節(jié)省了模板的支撐工序，使施工更加便利。由于鋼筋桁架樓承板的受力鋼筋已經(jīng)在工廠里焊接組合成了骨架結(jié)構(gòu)，上下弦桿、腹桿的相對位置準(zhǔn)確，使得工程質(zhì)量更加有保障。由于其減少了大量現(xiàn)場模板支護(hù)工作，所以具有經(jīng)濟(jì)性好、樓板施工質(zhì)量高等特點(diǎn)，發(fā)展非常迅速，已在國內(nèi)外各種大型建筑工程中得到了廣泛應(yīng)用。華西村的空中花園、北京新中關(guān)村、湖北武漢的世紀(jì)嘉園、貴州貴陽的花果園等工程中都應(yīng)用了鋼筋桁架樓承板。
現(xiàn)在對這種樓承板的研究工作主要集中在鋼梁結(jié)構(gòu)與樓承板之間的連接以及樓承板受力方式兩方面。結(jié)合其自身的優(yōu)勢，隨著施工技術(shù)的進(jìn)步，鋼筋桁架樓承板用法也呈現(xiàn)多樣化。例如在澆筑的墻體有一定的傾斜時(shí)，模板支撐難度大，施工措施多，鋼筋綁扎困難，這種情況下，傾斜鋼筋桁架板的運(yùn)用優(yōu)勢更是顯而易見。鋼筋桁架樓承板如圖1所示。
1 鋼筋桁架樓承板受力特征
樓板對結(jié)構(gòu)的整體性能起到非常關(guān)鍵的作用，樓板可以傳遞和聚集水平力到各個(gè)豎向抗側(cè)力構(gòu)件，然后協(xié)同這些抗側(cè)力構(gòu)件共同工作，特別是當(dāng)各抗側(cè)力構(gòu)件水平變形特征不同或豎向抗側(cè)力構(gòu)件布置復(fù)雜時(shí)，樓板就可以協(xié)同整個(gè)結(jié)構(gòu)的各抗側(cè)力構(gòu)件共同工作。樓板體系最重要的作用就是提供足夠的平面內(nèi)剛度和抗力，在使用階段，樓板會(huì)經(jīng)常受到動(dòng)力、靜力等各種荷載的作用，所以樓板常常作為重要結(jié)構(gòu)構(gòu)件在建筑設(shè)計(jì)中加以考慮。
在施工階段，普通樓板在底部有模板支撐，所以基本上不會(huì)產(chǎn)生撓度變形，但是在混凝土硬化達(dá)到一定強(qiáng)度拆去底部模板后，受重力作用普通混凝土樓板容易在底部產(chǎn)生拉應(yīng)力，由于拆模時(shí)混凝土未完全硬化，從而導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生微小拉裂。
鋼筋桁架樓承板的受力特性比普通的現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板更加優(yōu)越。在混凝土硬化前的施工階段，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度全部來源于鋼筋桁架，樓板質(zhì)量不會(huì)使板底混凝土產(chǎn)生拉應(yīng)力。鋼筋桁架樓承板樓板在樓面活荷載以及永久荷載作用下，比普通混凝土板變形、開裂的時(shí)間明顯延遲。在混凝土完全硬化后，鋼筋桁架上下弦鋼筋與混凝土一起承載受力，此時(shí)樓板與普通鋼筋混凝土樓板受力性能基本相同，雖然受拉鋼筋應(yīng)力是超前的，但是其承受荷載的能力與普通鋼筋混凝土樓板基本一致。
當(dāng)鋼筋桁架樓承板的跨度超過了一定限值時(shí)，施工澆筑時(shí)在跨中加設(shè)臨時(shí)支撐是非常必要的。
作為一種新興的樓板形式，鋼筋桁架混凝土樓板傾斜運(yùn)用的工程實(shí)例還是比較少的，由于其在傾斜狀態(tài)的受力情況和在平面運(yùn)用時(shí)有些區(qū)別，所以結(jié)合其受力實(shí)際情況，對在傾斜狀態(tài)下的使用跨度進(jìn)行研究是非常有必要的，為傾斜鋼筋桁架樓承板更廣泛的普及和運(yùn)用提供了理論支持。貴陽花果園項(xiàng)目中傾斜樓承板的具體應(yīng)用情況如圖2所示，由于各個(gè)樓層的樓板已經(jīng)澆筑完畢，這樣鋼筋桁架與梁的下翼緣連接更為方便。
2鋼筋桁架板承載計(jì)算
從混凝土開始澆筑到交付使用過程中，樓承板的承載荷載是不同的，所以應(yīng)分施工階段和使用階段進(jìn)行計(jì)算。
2.1使用階段計(jì)算
使用階段計(jì)算包括樓板正截面承載力的計(jì)算、混凝土中板底鋼筋應(yīng)力驗(yàn)算、撓度驗(yàn)算以及支座裂縫控制驗(yàn)算。計(jì)算公式可以參考。
2.2施工階段計(jì)算
施工階段計(jì)算主要包括受壓弦桿和腹桿的穩(wěn)定性計(jì)算、上下弦桿強(qiáng)度驗(yàn)算及樓承板撓度驗(yàn)算。
計(jì)算原則：當(dāng)施工階段在樓板的下方設(shè)有可靠臨時(shí)支撐時(shí)，可以滿足混凝土澆筑階段的施工荷載，設(shè)計(jì)時(shí)則不需進(jìn)行施工階段驗(yàn)算；當(dāng)混凝土澆筑施工階段沒有設(shè)可靠臨時(shí)支撐時(shí)，鋼筋桁架樓承板中桁架鋼筋桿的應(yīng)力和樓承板的撓度變形，采用一個(gè)單元的桁架計(jì)算。承載能力極限狀態(tài)按基本荷載效應(yīng)組合，重要性系數(shù)y0取0.9。樓板的撓度采用標(biāo)準(zhǔn)荷載組合計(jì)算。
施工階段荷載包括未結(jié)硬混凝土質(zhì)量、鋼筋桁架樓承板自重以及施工荷載（包括振搗荷載），施工荷載按照混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范取均布1.5 k N/m2。
- 上下弦桿強(qiáng)度計(jì)算公式：
3傾斜鋼筋桁架樓承板的計(jì)算與運(yùn)用
3.1 傾斜鋼筋桁架樓承板
把鋼筋桁架樓承板傾斜使用，國內(nèi)的工程實(shí)例并不多見。貴陽花果園項(xiàng)目的一些墻體是傾斜的，因?yàn)閮A斜墻體的鋼筋綁扎、模板制作安裝更為困難，而且如果需要預(yù)埋埋件的話，埋件在傾斜的墻體上定位困難，準(zhǔn)確度難以控制，所以這種傾斜用法把鋼筋桁架板的優(yōu)勢發(fā)揮的更加淋漓盡致，根據(jù)在工程實(shí)際建設(shè)過程中的成功應(yīng)用到現(xiàn)在的使用情況來看，充分證明這種用法的可行性，也證明了計(jì)算的可靠性。
3.2傾斜鋼筋桁架板的計(jì)算
以貴陽花果園的傾斜鋼筋桁架樓承板的計(jì)算為例，采用有限元分析軟件Midas直接建模加載計(jì)算，所加計(jì)算荷載依然為：為未結(jié)硬混凝土質(zhì)量、鋼筋桁架樓承板自重以及施工荷載。施工荷載同樣采用均布荷載為1.5 k N/m2。
計(jì)算條件：本工程斜墻鋼筋桁架樓承板型號(hào)為TD7 -120（根據(jù)本工程的使用跨度和斜墻厚度確定），樓承板斜墻厚度為150mm，其中上下弦桿距離h1為125mm；傾斜角度為600；跨度為（斜向距離）2 000mm。上弦、下弦和腹桿鋼筋均采用帶肋HRB400級(jí)熱軋鋼筋，上下弦筋直徑為12mm，腹桿筋直徑為5. 5mm。底模鋼板采用厚度為0.5mm鍍鋅板，其屈服強(qiáng)度> 250N/mm2，在貴陽花果園這個(gè)項(xiàng)目中，單張鋼筋桁架樓承板設(shè)計(jì)寬度為600mm，混凝土密度全部按2 400kg/m3計(jì)算。具體尺寸如圖3，4所示。
分析計(jì)算選取單張鋼筋桁架樓承板為1個(gè)計(jì)算單元，1個(gè)單元的鋼筋桁架樓承板由3榀鋼筋桁架和1層鍍鋅底模鋼板組成，計(jì)算分析得到桁架板的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性，結(jié)果如圖5所示。
分析臨界荷載系數(shù)24. 3同樣大于規(guī)范規(guī)定的3—5，所以在此情況下不需要在中間增加支撐。結(jié)構(gòu)構(gòu)件的比率≤0.7，桁架中上下弦鋼筋的比率基本處于0. 55~0.65，材料的利用率均勻合理。以上結(jié)果也說明公式計(jì)算和軟件模擬的吻合。
從貴陽花果園傾斜鋼筋桁架樓承板的成功施工，到現(xiàn)在的使用情況來看，這種計(jì)算方法合理可靠，鋼筋桁架樓承板的傾斜用法可行。
經(jīng)過計(jì)算和軟件驗(yàn)證，得到各種不同型號(hào)的鋼筋桁樓承板的施工時(shí)的適用跨度，如表1所示。
4結(jié)語
1)桁架能夠?yàn)闃前宓氖┕ぬ峁⿵?qiáng)度、剛度，大大減少施工中臨時(shí)支撐、模板的用量，甚至在限值跨度范圍內(nèi)根本不需要臨時(shí)支撐、模板；結(jié)構(gòu)使用階段鋼筋桁架參與受力，鋼筋用量按正常使用階段混凝土板進(jìn)行設(shè)計(jì)；桁架高度可以調(diào)節(jié)，鋼筋的選擇形式比較靈活。
2)在樓承板的使用階段鍍鋅板不參與受力；在施工階段替代了混凝土澆筑的模板。
3)混凝土鋼筋桁架組合樓板的優(yōu)勢如下：耐火能比壓型鋼板組合樓板優(yōu)良，大幅度減少了鋼筋綁扎工程和模板工程；抗裂性能好，其力學(xué)性能基本等同于傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土樓板；鋼筋在加工廠已經(jīng)排列固定，有效保證混凝土保護(hù)層厚度和鋼筋間距；底模為施工階段提供了一定的剛度，其防腐、防火性能優(yōu)良；樓板的兩個(gè)方向的平面剛度基本相近，提高了建筑物的抗震性能；栓釘不需要在施工現(xiàn)場焊接，容易保證質(zhì)量；預(yù)埋件直接固定在鋼筋桁架板上，解決了定位不準(zhǔn)確的問題，減少了預(yù)埋件安裝過程中的安全措施。
4)傾斜的鋼筋桁架，隨著傾斜角度的增加，其施工階段的適用跨度減小。必要時(shí)可以增加上弦、下弦、腹桿筋的直徑以達(dá)到提高其適用跨度的目的，但要綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益。
5)傾斜角為a的鋼筋桁架板，經(jīng)計(jì)算其懸挑長度不宜大于7h1cosa（h1為上下弦軸心之間的距離），否則施工時(shí)必須加設(shè)臨時(shí)支撐。
