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大跨度现浇预应力空心楼盖研究应用
本文来源:网络  发表日期:2011-10-27
    一、 大跨度现浇预应力空心楼盖的研发概述
    此技术的发展过程可描述为:现浇空心楼板的概念、现浇板成孔方式的探索、现浇空心楼
    板的性能研究和工艺研究、预应力技术的研究、预应力空心楼板的研究应用。
    结合现浇施工工艺和预置空心板的特点,在板内形成永久性孔芯、大幅度减轻楼板结构自
    重,以提高整体结构的抗震性能。国外自20世纪50年代便有工程应用,不但应用于楼板结构工
    程还应用于桥梁上。在我国则起步较晚,1989年,北京市建筑工程研究院在北京市科委的支持
    下,立项进行研究并试点工程应用。完成了结构受力试验、管芯成型工艺、现浇施工工艺的研
    究,并成功应用了3个项目之后仅10年的时间,很多厂家在此成果的基础上,对成孔材料进行
    了广泛深入地探索,相继提出了纸质管芯、金属螺旋管芯、塑料管芯、薄壁水泥管芯、高密度
    聚苯材质管芯等芯材,成孔形状也包括圆孔、椭圆空、多边形孔、方形孔,为现浇空心楼盖的
    推广应用提供了广泛的选择面。
    为满足建筑空间使用要求的继续提高,预应力现浇空心楼盖应运而生。2000年,北京海
    淀体育馆要求跨度为16米和19米,在论证了密肋楼盖、预应力楼板的可行性和局限性,未予采
    用;又论证了SP型预应力空心板,因其整体抗震性差、现场运输吊装及节点安装的不可操作性
    也被否定。在这种背景下,现浇空心楼盖结合预应力筋的新型结构体系得到论证并着手进行结
    构设计计算和工艺研究,其优势在于:①空心楼板的板厚随跨度变化,16米—350mm、19米—
    450mm,空心率分别为38%和42%,随跨度增大,有效减轻结构自重;②跨度增大,而相对荷载
    较小,在施加预应力后,有效增大结构刚度,减小楼板挠度。
    “海淀综合训练馆“工程开创了预应力空心楼盖的先例,随着管芯工艺的发展和市场需求的
    扩大,应用数量和面积逐年增多,未推广应用奠定了基础。
    二、 大跨度现浇预应力空心楼盖的技术特点
    1、特点
    预应力空心楼板是适应大跨度结构的一种新型实用的结构体系,集空心楼板和预应力技术
    之优点,在使用跨度范围内能有效地减轻楼板自重,节约钢材与混凝土用量,增强结构整体
    性,总体上可能获得较好的经济效益和社会效益,并获得较好的使用功能。
    预应力空心楼板的优点:
    1)用途广泛:不但适用于大跨度办公楼、教学楼、展览大厅、停车楼、厂房,还适用于
    市政桥梁板;
    2)跨度加大,获得较佳的使用空间;
    3)可减少明梁或采用无梁结构,最大的增大楼层净高;
    4)可减轻结构自重,减少竖向支撑和基础承载力;
    5)中空楼板可获得良好的隔音效果;
    6)中空楼板可获得良好的隔热效果
    7)可减少明梁或采用无梁结构,模板施工难度降低,速度加快;
    大跨度现浇预应力空心楼盖的缺点:
    1)预应力空心楼盖体系是多种技术、多种材料的结合。由于施工难度的增加,施工质
    量要求严格,因此要求施工人员须经专业培训;
    2)预应力空心楼板有一定的适用范围。
    2、适用范围
    (a) 适用于大跨度办公楼、教学楼、展览大厅、停车楼、厂房,还适用于市政桥梁板;
    (b) 工程结构经济适用跨度;
    (c) 单向12.0米~19.0米;双向14.0米~27.0米;
    3、几种楼盖的技术经济比较
    现浇预应力空芯楼盖体系的应用,对比传统的普通钢筋混凝土梁板结构体系、密肋楼盖体
    系、预应力梁板结构体系和装配式空心楼盖结构体系,无论从结构受力特点、成型工艺、施工
    流程和控制措施都有其独到的特点。下表中是现浇预应力空心楼盖体系在设计、施工难易、使
    用功能上与其他楼板的比较,可以看到现浇预应力空心楼盖体系的特点和应用前景。表2技术
    经济性能比较(以楼板跨度12.0米、层高4.0米计)
    结构类型 普通梁板 密肋结构 预应力梁板 预应力空心楼盖
    结构形式 梁板形式 密肋形式 预应力梁 预应力空心板
    截面高度 1200 400 800 350
    净高(以层高4.0米计) 2.8 3.6 3.2 3.65
    设计及分析难易度 单向受力 单向受力 单向受力梁 单向受力板
    容易 较复杂 较复杂 较复杂
    施工难易度 常规:模板多 复杂:模板多 常规:模板多 常规:模板少
    中等 难 中等 中等
    造价分析 1(参照值) 1.05 1.1 1.15
    4、技术特性
    空心楼板的设计计算可按等效“工”字形界面进行计算分析,但实际空心楼板的空心率对
    其正截面抗弯、挠度、抗裂缝的性能和截面抗剪切性能的影响是设计应用的前提条件,全面认
    识空心楼板的受力性能,对工程设计及应用提供技术依据。
    本文用有限元分析实例简单描述:取预应力实心板和空心板的跨度相等、板厚相等,计算
    截面惯性矩因孔心率而不同,外荷载相同,但自重不同、预应力配筋不同,则综合剩余荷载不
    同,在这种条件下分析预应力空心板和实心板的跨中应力值和挠度受荷载不同、截面惯性矩不
    同的影响趋势,验证预应力空心板可按实心板的方法进行设计计算。
    图1 预应力空心板截面及配筋
    从单向板的模型分析看:预应力空心楼板的受力趋势和大小与预应力实心板基本相同,
    变形值二者也基本相同,因此说明预应力空心楼板按“工”字形等效截面进行截面特征计算
    后,可按实心板设计方法进行内力计算和变形计算。
    有双向板的模型分析看:预应力空心楼板的受力趋势和大小、变形值与预应力实心板基本
    相同,说明预应力空心楼板的设计可按实心板设计方法,计算时,双向空心楼板截面惯性矩按
    顺管方向等效为“工”字形截面计算刚度,近似认为横管方向的截面惯性矩与顺管方向的截面
    惯性矩相等,经实心板和空心板的变形分析看,实心板变形值和空心板变形值的比值与理论计
    算的二者挠度比较相近,可认为空心管等效为“工”字形截面刚度较实心板矩形截面刚度降
    低,当仍可按实心板设计方法。
    三、大跨度现浇预应力空芯楼盖的构造形式
    1、工程结构跨度
    1)预应力单向空心板:Lx/Ly〉2,单项布管按面积折算工字型截面刚度;
    2)预应力双向空心板:Lx/Ly≤2,单项布管,管芯长度≤1200管径方向,肋宽:60mm~
    120mm;按面积折算工字型截面刚度;垂直管径方向,肋宽取2.0管径方向肋宽;直接取工字
    型截面刚度;
    2、结构形式及典型结构跨高比
    1)单向预应力混凝土空心楼板:跨度12.0米~19.0米;跨高比35~45;
    2)有边界约束的双向预应力混凝土空心楼板;跨度14.0米~27.0米;跨高比40~50;
    3)无边界约束的双向预应力混凝土空心楼板;跨度12.0米~27.0米;跨高比40~45;
    3、基本尺寸
    管径:200mm~550mm;
    肋宽:60mm~120mm;(双向板,垂直管径方向。肋宽取2.0管径方向肋宽)
    板顶厚度:50mm~90mm;且50mm
    板底厚度:50mm~90mm;且50mm
    实心代:350mm~800mm
    空心率:30%~45%
    4、构造措施
    由于大跨度预应力空心楼板的特性,犹如下的特别要求:
    1)由试验研究所知,空心楼板的 受弯性能受空心率影响较小;但随着肋宽、板顶厚度和
    板底厚度的相对减小,导致肋间倾角加大,受剪承载力降低。因此在空心楼板截面设计中必须
    取定合理的板顶厚度和板底厚度,肋间宽度,控制合理的孔心率。
    2)预应力空心板在预应力钢筋张拉端及锚固端存在较大局部应力集中,为使预加压力均
    匀的传至空心板整个截面,在张拉端及锚固端应有足够的实心区域以实现压应力扩散。
    3)板肋混凝土侧向约束性能差,建议设置箍筋形成构造暗梁。
    4)由于空心楼板的孔心率消弱截面,其受剪承载力较差,故板上不应承受较大的集中荷
    载,如承受集中荷载,应在局部区域改为实心板。
    5)空心楼盖的周边与梁、柱、墙连接处,应有一定宽度的实心带,以提高局部的受剪承
    载力。
    6)为固定管芯和加强实心带抗剪切能力,空心管肋间构造性设置箍筋;或:空心管肋间
    上下铁间设置拉筋。
    图6 预应力空心板构造简图
    四、大跨度现浇预应力空芯楼盖的施工工艺
    1、工艺流程
    施工准备 — 支模板 — 绑扎空心板底铁钢筋、肋梁钢筋 —预埋管线 — 铺设预应力筋
    (有粘结波纹管) — 铺设空心管、固定 — 绑扎板面钢筋 — 预应力节点安装 — 隐检验收
    — 浇筑混凝土 — 预应力张拉 — 端部封堵(有粘结灌浆)
    2、施工质量关键控制点描述
    1) 预应力筋、钢筋材质检验控制;
    2) 空心管进厂检验,包括:规格外径检查,管芯平直度检查,管芯有无破损,管芯抗
    折、抗压检查,管芯吸水率检查(水泥管和纸管)
    3) 预应力筋矢高、顺直和节点固定的控制;
    4) 空心管固定、平直,管芯间实心肋的控制;
    5) 空心楼板的上下保护层的控制和空心管抗浮固定的控制;
    6) 混凝土浇筑前预应力筋铺放和节点的成品保护;空心管铺放定位的成品保护;混凝土
    浇筑后养护的控制。
    五、大跨度现浇预应力空芯楼盖的应用前景
    1、经济效益
    1)对比普通钢筋混凝土楼板,大跨度现浇预应力空心楼板在保证强度和刚度的前提下,
    可节省混凝土30%~50%,节省钢筋25%~40%;
    2)楼班自重的降低,使得结构柱、墙和基础的截面尺寸和配筋的相对减少,不但获得经
    济性,还可提高结构的抗震性能;
    3)对比普通钢筋混凝土楼板,在满足抗震要求前提下,减少或无梁,因此便于模板施
    工,提高施工速度;
    4)空心楼板可获得良好的隔热效果、隔音效果,有效提高建筑整体功能。
    2、市场需求
    由于建筑功能的不断提升,建筑开间、跨度的不断加大,大跨度现浇预应力空心楼板,凭
    借其独有的技术优势,广泛应用于大跨度架构工程,不但有单向楼板,还有双向楼板,应用工
    程25项,应用面积达120万平方米。
    典型工程一览表
    工程名称 跨度 板厚 跨高比 孔心率 肋宽 板顶板底厚度 肋内受剪钢筋
    海淀体育馆 16000 350 45 38.0 150 40∕50 √
    19000 450 42 42.0 150 60∕60 √
    华戎大厦 12600 300 42 33.5 100 50∕50 √
    建华商业及公寓 11970 300 40 32.0 120 50∕50 √
    13950 350 40 36.5 120 50∕50 √
    21750 550 40 43.2 140 50∕50 √
    富华金宝中心 13500 350 39 34.0 110 80∕80 √
    15700 400 40 37.0 110 50∕50 √
    成中大厦 12700 300 42 33.0 110 45∕55 √
    14000 350 40 35.0 110 45∕55 √
    宣武传媒展厅 16000 350 45 38.0 150 40∕50 √
    19000 450 42 42.0 150 60∕60 √
    3、应用前景
    大跨度现浇预应力空心楼板在保证结构强度、刚度和整体性能的基础上,简化施工工艺,
    节省造价,得到了建设、施工各方的肯定和欢迎,随着设计理论、施工工艺研究的不断深化,
    应用数量和面积逐年增多,设计与施工经验不断得到积累,对解决楼板内管线布置和施工工艺
    流程也提出了可行措施,应用范围也由单纯的大跨度单向板发展到大跨度双向楼板,随着市场
    的不断扩大、技术优势的广泛认知,此项技术的推广应用会有着美好的前景。
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