桁架钢筋混凝土叠合板抗弯承载性能研究现状探析

陈 哲，吴仲勤，尹 刚，张丽芳，耿 飞

（1.南京航空航天大学土木与机场工程系，江苏 南京 211106；2.江苏宇辉住宅工业有限公司，江苏 泰州 225500；3.连云港赣榆区散装水泥办公室，江苏 连云港 222100）

0 引言

桁架钢筋叠合板具有施工快捷、整体刚度大、抗震性好等优点［1，2］，是目前国内装配式建筑最常用的水平部件。现阶段国内叠合板是在工厂工业化生产，将受拉钢筋网和桁架钢筋下部浇筑在一起形成桁架钢筋预制底板，在工程现场吊装拼接后再浇筑后浇层，硬化后形成桁架钢筋叠合板。此过程中，预制底板既是叠合板结构的组成部分，也充当后浇层的模板。由于施工阶段不确定因素较多，使得预制底板在堆放、运输和吊装等过程中容易出现挠度过大、开裂等现象，从而不满足施工规范要求。梁冠成［3］在研究混凝土预制构件生产周期内出现裂缝成因时，发现裂缝会大大影响预制构件的使用性能，并提出可通过增设螺旋筋的方式增强预制构件抗拉应力来抑制裂缝产生。夏立鹏等［4］对带有裂缝的桁架钢筋叠合板研究时发现，叠合板在施工阶段的损伤会不断累积，且损伤不可恢复。在堆放阶段，边广生等［5］采用有限元模拟了单向叠合板开裂成因，并给出了抑制其开裂的长宽比阈值，使用条形支撑的跨中最大应力将比点状支撑时提升 10 %。在运输阶段，曹高硕［6］通过设置横向钢筋与桁架钢筋组成外露钢筋网，抑制预制底板普遍存在的开裂问题。由此可见，桁架钢筋叠合板在施工阶段内产生裂缝的现象较为普遍，且裂缝损伤不可逆，对尺寸设计和支撑条件要求较高，实际应用时桁架钢筋叠合板的跨度一般只能做到 3.9 m，严重影响了桁架钢筋叠合板的使用和推广。

本文通过对桁架钢筋构造要点的归纳比较，从桁架钢筋叠合板的抗弯承载力、刚度贡献、挠度三个方面出发，研究分析桁架钢筋的受力特点及其对叠合板的刚度影响，系统地讨论桁架钢筋叠合板抗弯承载性能的研究现状，为提高其抗弯性能承载性能、抑制裂缝产生提供依据。

1 桁架钢筋构造要点

桁架钢筋叠合板的受力分为两个阶段，施工时，由预制底板承受板的自重、施工荷载及后浇层的重量；使用时，后浇层硬化后与预制底板结合一个受力整体。由于预制底板充当现浇混凝土的模板，其构造薄而平，整体刚度较小，易在施工阶段受到外力破坏，不满足规范要求，严重影响了叠合板的正常使用。而桁架钢筋叠合板就是通过布置桁架钢筋提高板的短期刚度［7，8］。因此，如何设置桁架钢筋充分发挥其刚度作用至关重要。

目前，预制底板中桁架钢筋设置方式有三种［9，10］，按照受力钢筋的设置顺序可分为两大类，一类为受力钢筋布置在分布筋下方，如图 1 和图 2 所示，该种方法符合受弯构件的钢筋设置要求。图 1 与图 2 的区别：图 1 的桁架下弦钢筋在分布筋下方，替代了部分受力钢筋，预制底板钢筋为 2 层，具有减小叠合板配筋量的优点，但是由于桁架钢筋在工厂是预制品，在施工时，该方式需要分布筋横穿桁架钢筋，造成施工不便；而图 2 的桁架下弦钢筋在分布筋上方，底板有 3 层钢筋，易施工，结构满足受弯构件的受力特性，但此方式桁架钢筋与混凝土的结合深度变浅，削弱了预制底板的短期刚度，同时该方式钢筋高度加保护层厚度需要严格控制，对现场施工操作要求非常高，实际很难实施，所以适用于板厚较大的叠合板。另一类为分布筋布置在受力筋下方，如图 3 所示，是国家建筑标准设计图集 15 G 366－1《桁架钢筋混凝土叠合板（60 mm 厚底板）》中采用的方法，预制底板钢筋为 2 层，不太符合受弯构件的钢筋布置要求，但受力筋依然承受主要荷载，故在对叠合板设计时需要调整受力钢筋的保护层厚度，同时在对大尺寸叠合板设计时，还要考虑下钢筋保护层厚度增加对板的受力性能影响。

这三种桁架钢筋构造在实际项目中均有可能使用，需要结合实际需求去应用，图 3 的方式是国标图集推荐应用最多的，下面将对图 3 方式的叠合板作抗弯承载性能探析。

2 桁架钢筋叠合板抗弯承载性能分析

抗弯承载性能受桁架钢筋叠合板的刚度影响，而刚度则与材料的抗变形能力有关，是材料或结构本身的特性。挠度是抵抗材料或结构在应力下弯曲的能力，三者关系十分紧密，故从抗弯承载力、刚度贡献问题、挠度问题三个方向对桁架钢筋叠合板抗弯承载性能进行探析。

2.1 抗弯承载力

图1 受力钢筋布置在分布筋下方（单位：mm）

图2 受力钢筋布置在分布筋上方（单位：mm）

图3 受力钢筋布置在分布筋上方（单位：mm）

普通的混凝土底板，板厚小、刚度低，在运输和施工过程时，容易损坏且施工需要设置临时支撑。而桁架钢筋叠合板利用弯折成三角形的钢筋桁架与上下层钢筋连接，组成能够承受荷载的空间桁架结构体系，极大地提高了预制底板的承载力和刚度，使得预制底板和叠合板的力学性能均符合规范要求。

桁架钢筋叠合板是由预制底板和后浇层构成，兼具了预制板和现浇板两者的优点，如施工快速、短期刚度大、整体性强等。因此它的破坏发展规律和特征显得十分重要，对此，刘轶等［11，12］采用有限元模拟和试验研究，比较了桁架钢筋叠合板和桁架钢筋现浇板各阶段受力性能，发现钢筋桁架混凝土叠合板与普通现浇混凝土板裂缝发展规律和破坏特征基本一致，皆为跨中纵向受力钢筋断裂，极限承载力差别不大且叠合面未滑移，满足施工规范要求。吴方伯等［13］对叠合板在使用阶段的性能研究时发现，叠合板和现浇板裂缝相似，挠度满足使用阶段的要求，具有较好的延性。同时，王元清等［14］研究双向叠合板和现浇板在不同约束、不同板厚比影响下的受力情况时，也发现叠合板和现浇板的受力特征类似，并且还发现当预制底板满足施工阶段要求时，预制底板截面厚度所占比例越小，使用阶段的抗弯承载力越大。王晓锋［15］进行了双向叠合楼板的均布荷载试验时，也得到了相同的观点。由此可见，预制底板对叠合板整体的力学性能影响很大，这一点在马兰等［16］对桁架钢筋混凝土叠合板进行相关试验时得到了印证，其研究表明：叠合板满足施工阶段的规范要求是受预制底板短期刚度控制，若预制底板满足施工阶段要求，则叠合板在使用阶段具有较高的安全储备，同时发现桁架钢筋的高度、间距、底板厚度及上下弦筋直径对预制板短期刚度起决定性作用，腹筋直径对短期刚度的影响可忽略。学者们关于桁架钢筋提高了预制底板短期刚度，桁架钢筋高度、上弦筋直径、底板厚度、混凝土强度对叠合板刚度影响较大的观点一致。这种受力机制德国规范 DIN 1045－1 曾进行过阐述。以桁架钢筋为试验因素，高新宇［17，18］设计制作三块预制底板，通过试验对比得到裸露的桁架钢筋可以提升预制底板的短期刚度 1.36 倍、抗裂性能 1.18 倍和荷载承载力 0.43 倍，减小板的挠度，这与吴方伯等观点一致并提出通过增加桁架钢筋上弦筋的直径或数量来减少施工阶段临时支撑的布置。马祥林等利用有限元软件建模研究桁架钢筋对预制底板的整体刚度的作用，也印证了吴方伯等提出的观点，同时提出实际工程建议，60 mm 板厚 3 m 跨度可以不设置支撑，70 mm 板厚该跨度可延伸到 3.6 m。刘文政等［19］研究发现桁架钢筋可以提高预制底板的开裂荷载 1.94 倍，且呈现出明显的延性破坏特征。侯和涛等［20］提出一种新型灌浆钢管桁架混凝土叠合板，在净跨为3.15 m 时，其开裂荷载为 4.16 kN/m2，叠合板的极限承载力为 5.68 kN/m2，远高于施工荷载 3.5 kN/m2，挠度满足规范要求，具有较好的抗弯性能，施工时无需设置支撑。

与传统的混凝土板相比，桁架钢筋叠合板抗裂性能和荷载承载力均有所提高，具有与现浇板相似的延性破坏特征。但其跨度为 2.25 m 的桁架钢筋混凝土叠合板在施工阶段受自重和施工荷载影响，不设置支撑，开裂荷载仅 1.62 kN/m2，不满足规范要求。故国标图集规定，在施工阶段，桁架钢筋预制底板需要在距离支座500 mm 处和跨内设置临时支撑，增加了施工工作量，降低了施工效率。而灌浆钢管桁架大大提高了开裂荷载且不需要临时支撑。因此，使用灌浆钢管桁架提高现有叠合楼板抗弯性能和施工效率是十分有效的。

2.2 刚度贡献问题

目前，中国的建筑规范［21-24］中没有说明桁架钢筋对预制底板短期刚度贡献作用，在计算预制底板的短期刚度时，是根据无桁架钢筋设计计算的。例如，GB 50010－2010《混凝土结构设计规范》采用“等弹性模量”法将桁架钢筋等效成“同面积的等弹性模量混凝土”来计算钢筋桁架预制底板的刚度。

通过收集相关数据，了解到国外板厚普遍达到18 cm 以上，而我国桁架钢筋叠合板板厚为 12～13 cm，由国标图集 15 G 366－1，A 80 桁架钢筋外露部分为 43 mm的垂直高度，桁架钢筋有效高度太低，削弱对叠合板的短期刚度提高作用。故近年来，部分学者对我国桁架钢筋板中桁架钢筋的作用产生了质疑。聂建国等［25］以有无桁架钢筋为变量设计了四块试件，研究桁架钢筋对预制底板的抗弯性能影响，发现桁架钢筋对提高预制底板的短期刚度作用是有限的，相反，桁架钢筋会压缩预制底板的有效受压面积，以至于预制底板抗弯承载力显著降低，当桁架间隔 600 mm 放置时，抗弯承载力降低 19 %；且外露钢筋易屈曲，致使预制底板的延性下降，并提出了适当增加预制板厚替代桁架钢筋提升预制底板受力性能，降低生产成本的方案。赵磊［26］对自承式钢筋桁架混凝土叠合板受力研究时也提出了相似的说法，认为当桁架钢筋叠合板跨度和板厚增加时，会削弱该板型的结构优势，桁架钢筋的作用减小。故王晓锋［27］、 聂建国等［25］对桁架钢筋在叠合板中的作用进行了分析：①增大预制底板的短期刚度；②吊运时用作吊钩；③增加叠合板的叠合面抗剪能力；④施工“马镫”。其中增大预制底短期刚度最重要。由上文可知桁架钢筋高度对叠合板的短期刚度影响较大，43 mm 的桁架高度可能无法发挥桁架的作用，而其他作用也可通过其他措施解决，如抗剪采用人工拉毛也能满足抗剪规范要求［28，29］，吊钩可单独设置，马镫可采用其他工具代替。

由前文马兰、马祥林等人的研究可知，桁架钢筋高度、上弦筋直径是影响桁架钢筋刚度的重要因素，而我国叠合板板厚多为 12 cm，桁架钢筋外露高度仅 43 mm，使得学界对桁架钢筋对叠合板的承载力和短期刚度贡献产生了争议，部分学者提出增加板厚改善预制板受力性能、采用降低技术成本的方式比设置桁架钢筋更为有效。故需要对其进一步研究分析。

2.3 挠度问题

马兰等研究发现叠合板满足施工阶段的规范要求是受预制底板短期刚度控制，而板的挠度受短期刚度影响较大，预制底板满足施工阶段要求后，叠合板使用阶段有很高的安全储备。李杰等［30，31］研究桁架钢筋混凝土叠合板各阶段的抗弯性能时，发现挠度才是板在施工阶段能满足规范要求的控制要素，由GB/T 50152 －2012《混凝土结构试验方法标准》［32］可知，叠合板的破坏有两条判断标准，达到以下其中一条即可判定试件达到正常使用极限状态：①预制底板跨中挠度达到 L/200，L 为预制底板的计算跨度；②最大裂缝宽度达到 0.2 mm。因此只需要满足施工阶段挠度要求即可。

由 2.1 节知桁架钢筋高度、上弦筋直径、底板厚度、混凝土强度是影响预制底板短期刚度和挠度的重要因素，通过提高底板厚度和混凝土强度的方式，后期施工麻烦，经济性不太明显；故优化桁架高度和上弦筋直径为最佳方式，这优化方向在前两节也有着重提到；如 2.1 节使用灌浆钢管增大上弦筋直径提高预制底板的刚度，抗弯性能较好；2.2 节中得知 A 80 型桁架钢筋外露仅 43 mm，对桁架钢筋的短期刚度贡献并不明显，同时也增加了预埋水电管线的施工难度，且使用阶段的上弦筋和腹筋对叠合板的抗弯承载力贡献很小，钢筋浪费严重。

基于此吴方伯等［33］研发了一种带可拆桁架肋的叠合整体双向楼盖，提高了楼盖的短期刚度、减小了施工阶段的挠度，有效解决了底板开裂及施工期间免竖向支撑难题，且可循环利用，经济环保。同样为增加预制底板的短期刚度，达到消除楼板底部的垂直支撑脚手架，庞祖杰等［34，35］对工具式组装桁架叠合板进行了研发及性能研究，研发了独立桁架式叠合板、耳板式叠合板、斜筋式叠合板，并分析其优缺点。为最大化增大桁架钢筋的高度，朱辉祖等［36］设计了一种可拆卸的预应力桁架钢筋，将其倒置预制底板下表面与预埋的钢板连接，由于施加预应力，可适用于各种跨度的叠合板，每平方米可节省钢筋约 2.5～3.5 kg/m2。

综上可见，挠度是叠合板满足施工阶段规范要求的决定因素，并且使用阶段叠合板具有充足的安全性。可拆卸桁架钢筋通过提高预制底板短期刚度和抗弯承载力，抑制板的开裂，挠度变形，在拼装完成后进行拆卸周转使用，是未来降低技术成本的新途径。

3 结语

1）我国桁架钢筋叠合板板厚远小于国外的板厚，使得桁架钢筋高度过低，无法形成有效的空腹桁架，故近年来，一些学者对桁架钢筋对预制底板的贡献提出了质疑，桁架钢筋对预制底板的贡献需要做更进一步的细致研究。

2）在施工阶段预制底板的短期刚度是由挠度控制的，上弦钢筋直径能明显提高预制底板的短期刚度，而国内施工偏保守，在施工阶段一般搭设竖向支撑，甚至使用满堂撑；且后期使用阶段桁架钢筋的作用不大，造成资源浪费，故预制底板在吊装后可考虑拆卸上弦钢筋提高叠合板预制底板的抗弯刚度和抗裂性能，待临时施工完成后可拆卸多次周转使用。Q