预应力混凝土钢管桁架叠合板施工阶段性能分析研究

随着我国建筑技术水平不断提高，装配式结构可显著缩短现场施工时间，形成标准化、规范化的施工，对于加快我国建筑工程的施工进度有重要意义。在装配式建筑体系中，楼面结构是重要的受力构件，大致分为预制板、现浇板和叠合板。

预制板装配率高、施工速度快，但抗震性能、楼板整体性能相对较差。现浇板抗震整体性能好，但现场大面积浇筑增大了施工难度。叠合板是由预制板和现浇钢筋混凝土层叠合而成的装配整体式楼板，结合了装配式楼板和现浇楼板的优点，近年来得到了广泛应用。

1各类叠合板的性能比较

现阶段，我国建筑结构采用的叠合板主要有预应力混凝土（平板）叠合板、预应力带肋混凝土叠合板、预应力混凝土钢筋桁架叠合板，还有近几年出现的新型预应力混凝土钢管桁架叠合板。

图1为预应力混凝土（平板）叠合板，内有预应力钢筋，相比普通楼板，具有更好的承载力和更大的刚度。但板自重较大且陈海等试验得出叠合后预应力混凝土（平板）叠合板在正常使用状态下仍存在反拱，施工过程中需设置的临时支撑较多，结合面抗剪能力较差。

图1预应力混凝土（平板）叠合板

图2为预应力带肋混凝土叠合板，该板由于设置矩形或T形肋，提高了刚度和承载力，板肋的增设增大了新旧混凝土的接触面积，肋与肋内预留孔洞后浇混凝土形成的“销栓效应”能够增大机械咬合力，提高叠合面的抗剪性能，但在生产底板时上部混凝土肋需要二次浇筑成型，因此生产效率较低。

图2预应力带肋混凝土叠合板

图3为钢筋桁架叠合板，其底板上部配置三角形钢筋桁架，桁架下弦钢筋同时充当受力钢筋，桁架上、下弦钢筋间由连续的腹杆钢筋连接。钢筋桁架能够提高叠合板在施工阶段的刚度，提高了叠合板的受力性能。但钢筋桁架叠合板在吊装、运输以及后浇混凝土的过程中，底板混凝土容易开裂，挠度过大。钢筋桁架叠合板若在底板中施加预应力，形成预应力混凝土钢筋桁架叠合板。由于预应力的施加，底板厚度较薄。由于预应力施工需要专门的生产线，生产工艺相对较复杂，现阶段钢筋桁架叠合板是运用最广泛的叠合板。

图3钢筋桁架叠合板

图4为预应力混凝土钢管桁架叠合板，图5为钢管桁架，与钢筋桁架叠合板相似，将桁架中的上弦钢筋改为钢管，钢管内灌浆，底板内施加预应力。底板施加的预应力以及灌浆钢管桁架的设置，极大地提高了底板的刚度和抗裂度，因而底板较薄（约为35~40?mm），方便吊装运输等，具有较好的经济效应。目前已越来越多地应用于实际工程中且具有较好的应用前景。

图4预应力混凝土钢管桁架叠合板

图5钢管桁架

现阶段叠合构件的设计原则是在叠合完成后“等同现浇”，因此各叠合板在叠合完成后的受力性能相差不大，而在叠合前的施工阶段各叠合板受力性能却有所不同。为了提高施工效率，装配式混凝土结构中叠合板施工阶段无支撑或有少量支撑，为了方便运输吊装，底板尽可能薄，因而叠合板在施工阶段的性能主要取决于是否具有较大的抗弯刚度。为了对比各种叠合板在叠合前施工阶段的受力性能，根据标准图集06SG439–1《预应力混凝土叠合板》、14G443《预制带肋底板混凝土叠合楼板》、15G336–1《桁架钢筋混凝土叠合板》、L18ZG?401《预应力混凝土钢管桁架叠合板》中同为小跨度3m板、大跨度6m板的各种叠合板的底板厚度、施工期间支撑数量等进行比较分析。

1.1小跨度各类叠合板的性能比较

在底板上部设置混凝土肋、钢筋桁架或钢管桁架施加预应力都能提高叠合板在施工阶段的抗弯刚度，在底板中施加预应力还能提高叠合板施工阶段的抗裂性。同为3?m跨度板，相对于同底板厚度的普通钢筋混凝土楼板，钢筋桁架叠合板仅有钢筋桁架对于抗弯刚度的提高作用，预应力混凝土（平板）叠合板仅有预应力的提高作用，所以这两种板在施工阶段的抗弯刚度提高幅度较小，底板厚度较厚，底板自重大且施工中需要设置一道支撑。

预应力带肋混凝土叠合板和预应力混凝土钢管桁架叠合板既在底板中施加预应力，又有混凝土肋或钢管桁架的作用，所以这两种板抗弯刚度提高幅度较大，由于底板都较薄且施工期间无需设置支撑，较预应力混凝土（平板）叠合板和钢筋桁架叠合板更具优势。

其中预应力带肋混凝土叠合板的板厚仅为钢筋桁架叠合板的1/2，底板自重较轻，但预应力带肋混凝土叠合板需二次浇筑，制作较复杂，降低了生产效率。总体而言，在小跨度四种叠合板的应用中，预应力混凝土钢管桁架叠合板更具优势。

1.2大跨度各类叠合板的性能比较

6m大跨度的各类叠合板，为了吊装运输方便，底板厚度取值与3m跨度板相差不大，通过在施工阶段增加支撑数量满足施工阶段变形的要求。预应力混凝土（平板）叠合板需设三道支撑，另外叠合板需要设置两道支撑。

同样1.2m宽的板，预应力混凝土钢管桁架叠合板底板的重量仅为预应力带肋混凝土叠合板底板的68%，为预应力混凝土（平板）叠合板的59?%，在运输、施工起吊方面更具优势。通过与大跨度叠合板的对比，预应力混凝土钢管桁架叠合板支撑数量少、底板薄、重量轻，因此更适用于大跨度叠合板的应用。

经比较可知，无论在大跨度还是小跨度叠合板的应用中，预应力混凝土钢管桁架叠合板具有自重轻、底板薄、支撑数量少、工艺简单、抗裂性能好的优点，故此具有较好的应用前景。

2　预应力混凝土钢管桁架叠合板抗弯刚度

目前国内外对钢筋桁架叠合板施工阶段短期抗弯刚度的计算，一般不考虑腹杆钢筋的影响，即采用换算截面的方法将上弦钢筋、混凝土底板、预应力钢筋部分均等效为底板混凝土进行计算。

根据T/CECS722–2020《钢管桁架预应力混凝土叠合板技术规程》中的规定，预应力混凝土钢管桁架叠合板计算施工阶段承载力和变形时按照等效组合截面进行计算。将灌浆钢管、预应力混凝土底板、预应力钢筋等效为底板混凝土进行计算（按底板混凝土强度等级进行等效）。对于底板混凝土强度相同的叠合板，短期抗弯刚度取决于截面惯性矩。

2.1计算算例

计算宽度B=500mm的预应力混凝土钢管桁架叠合板施工阶段的抗弯刚度，底板厚度tp=35mm，C40混凝土，底板内预应力筋采用45消除应力螺旋肋钢丝，预应力筋距离底板底面20mm，上弦钢管采用壁厚1mm直径25mm的Q?195钢管，上弦钢管内填充的灌浆料强度等级C40。

桁架高ha=95mm，桁架腹弦钢筋采用直径6mm热轧光圆钢筋，腹杆间距200mm。算例换算截面如图6所示。

图6算例换算截面示意

由于钢管桁架作用，该叠合板的中性轴位置较底板中心偏上，钢管及其内灌浆料、预应力筋自身惯性矩占总惯性矩的0.37%，混凝土底板自身惯性矩所占比重为37.00%，钢管及其内灌浆料相对于中性轴的面积矩占比62.43%，因此惯性矩主要取决于钢管及其内灌浆料相对于中性轴的面积矩及底板自身惯 性矩。

为了研究预应力混凝土钢管桁架叠合板在施工阶段的刚度优势，将预应力混凝土钢管桁架叠合板与预应力混凝土（平板）叠合板、预应力带肋混凝土叠合板进行对比分析，探讨底板厚度、桁架高度对各种叠合板施工阶段的刚度影响。在进行对比分析时，除探讨的参数外，各种叠合板的其余参数取值相同。

为探讨钢管内灌浆对其刚度的影响，钢管分空心钢管和灌浆钢管两种。钢筋桁架叠合板分为上弦8钢筋和同钢管直径相同的实心钢管两种。钢筋桁架叠合板的钢筋桁架高度取值与预应力混凝土钢管桁架叠合板相同。

2.2底板厚度影响

计算底板厚度分别为35mm、50mm、70mm时各种叠合板在施工阶段的中和轴高度y、惯性矩I、惯性矩I相较预应力平板惯性矩I0的倍数。预应力筋距离板底20mm，预应力混凝土钢管桁架叠合板其余参数同第2.1节算例。

经验算得出：同底板厚度的叠合板抗弯刚度从大到小依次为：预应力混凝土实心钢管桁架叠合板、预应力混凝土灌浆钢管桁架叠合板、预应力混凝土空心钢管桁架叠合板、钢筋桁架叠合板、预应力混凝土（平板）叠合板。

当底板厚度为较薄的35mm时，钢筋桁架叠合板较预应力混凝土平板叠合板惯性矩有明显提升，预应力混凝土空心钢管桁架叠合板对比直径8钢筋桁架叠合板刚度有所提高，但提高幅度不大。经过灌浆后，叠合板抗弯刚度提高幅度变大， 约为平板的2.94倍，是不灌浆预应力混凝土空心钢管桁架叠合板的1.38倍。因此，采用预应力混凝土钢管桁架叠合板在施工阶段具有较大的抗弯刚度。

当桁架高度不变，底板厚度增加时，桁架起的作用减弱，各种叠合板相对于预应力平板的刚度提高幅度减少；而且底板薄，方便安装与运输，优势较明显。所以在施工阶段，为了不加支撑或少加支撑，增加底板厚度，不能高效地发挥预应力混凝土钢管桁架叠合板的作用。当跨度较大，在施工期间增加支撑比增加底板厚度更经济。

2.3?桁架高度影响

桁架最大容许高度取决于叠合板叠合完成后总厚度。板跨度越大，叠合板越厚，桁架高度可以越大。计算桁架高度分别为80mm、95mm、110mm时各种叠合板在施工阶段的中和轴高度y及惯性矩I，计算惯性矩I相较桁架高度为65mm时的惯性矩I0的倍数。其余参数同第2.1节。

桁架高度不同时抗弯刚度提升比例如图7可知，随着桁架高度的增加，桁架的作用越大，其对应底板的面积矩也随之增大，各种叠合板抗弯刚度均增大。预应力混凝土实心钢管桁架叠合板的抗弯刚度提高的幅度最大，其次为预应力混凝土灌浆钢管桁架叠合板，预应力混凝土空心钢管桁架叠合板和钢筋桁架叠合板的提高幅度最小。

图7桁架高度不同时抗弯刚度提升比例

所以当板跨度较大，叠合板叠合后厚度较厚时，应增大桁架高度，有利于充分发挥钢筋桁架、钢管桁架中桁架的作用，使底板部分在施工阶段具有较大的 抗弯刚度，以发挥其性能。

虽然和钢管同直径的实心钢管对比可知，其他几种叠合板具有较大的抗弯刚度，但由于钢筋直径大、用量多、成本较高且现阶段无法实现18mm以上上弦钢筋和腹杆的自动机器焊接，因此现阶段预应力混凝土空心钢管桁架叠合板、预应力混凝土灌浆钢管桁架叠合板为性能较优的叠合板。

3预应力混凝土钢管桁架叠合板参数分析

3.1　钢管直径对钢管桁架叠合板的受力影响

为了探讨钢管直径对预应力混凝土钢管桁架叠合板抗弯刚度的影响，计算钢管直径分别为22mm、25mm、28mm、30mm，壁厚同为1mm的不同种类叠合板在施工阶段的惯性矩I，计算短期刚度相较直径为22mm短期刚度Bs0的倍数，其余参数同第2.1 节。根据2015年GB50010—2010《混凝土结构设计规范》 ，预应力混凝土钢管桁架叠合板底板开裂前的短期刚度Bs1=0.85EcI0。

无论何种填充物，钢管直径每增加3mm，叠合板的换算截面惯性矩及短期刚度提升接近1.2倍，直径大小对灌浆钢管的影响较空心钢管更大，其主要原因是钢管直径大，随之管内填充物也会增加。钢管直径越大，叠合板在施工阶段短期刚度越大，但灌浆后的长细比变大，杆件长细比越大则越趋于细长，越小则越是短、粗、胖，则不易发生屈曲和变形，因此灌浆后叠合板的稳定性略差些，腹杆间距不能加大。但刚度较预应力混凝土空心钢管桁架叠合板的刚度 略大。

当壁厚不变、钢管直径增大，空心钢管和灌浆钢管的抗弯刚度均增大，但空心钢管抗弯刚度随直径增加提高的幅度不大，钢管直径大小对灌浆钢管的影响较空心钢管大一些，其主要原因是直径大，随之管内混凝土也会增加，因而抗弯刚度提高的幅度较空心钢管要大一些。但腹杆间距同为200mm时，上弦灌浆钢管长细比相对大、稳定性略差，因此腹杆间距应比空心钢管大。

3.2　壁厚对预应力混凝土钢管桁架叠合板受力的影响

为了探讨钢管壁厚对空心钢管、灌浆钢管抗弯刚度的影响，计算钢管直径同为25mm，壁厚分别为1mm、2mm、3mm、4mm的不同种类叠合板在施工中的惯性矩I及短期刚度Bs1，计算短期刚度相较壁厚为1mm短期刚度Bs0的倍数。其余参数同第2.1节。

预应力混凝土空心钢管桁架叠合板和预应力混凝土灌浆钢管桁架叠合板随着壁厚的增加，刚度提升幅度不同。壁厚为3mm的钢管桁架叠合板惯性矩可高达壁厚为1mm的叠合板短期刚度的1.83倍，而灌浆钢管桁架叠合板仅达1.49倍，其原因主要是，桁架上弦钢管灌浆对提高叠合底板的抗弯刚度已有一定提升作用，将1mm厚混凝土换为钢筋对刚度提升效果不明显且壁厚越大，钢材用量增加较多，经济效益不明显，灌浆钢管采用厚壁厚钢管经济效益不明显，因此预应力混凝土空心钢管桁架叠合板受钢管壁厚度影响较大。

从长细比计算方法来看，壁厚对于预应力混凝土灌浆钢管桁架叠合板的长细比没有影响，但均比空心钢管大，稳定性则相对较差，壁厚对预应力混凝土空心钢管桁架叠合板的长细比有一定影响，壁厚越大则长细比越大。

预应力混凝土灌浆钢管桁架叠合板相对于不灌浆的空心钢管桁架叠合板，抗弯刚度较大，但要增加灌浆这一道工序，而且其截面回转半径小，长细比稍大，稳定性相对较差，因而腹杆间距较小。实心钢管虽然对抗弯刚度提高效果明显，但其相对于灌浆钢管和空心钢管用钢量明显增加很多，经济效益不明显且无法实现18mm以上上弦钢筋和腹杆的自动机器焊接。所以预应力混凝土灌浆钢管桁架叠合板与预应力混凝土空心钢管桁架叠合板，在实际工程中具有较大刚度、稳定性及经济的优势。

当钢管直径相同时，随着壁厚增加，空心钢管和灌浆钢管的抗弯刚度均增大且提高的幅度较大，空心钢管提高的幅度较灌浆钢管大。灌浆钢管内混凝土对抗弯刚度有提高作用，增加钢管壁厚实际上是将原钢管内同厚度的混凝土换为钢材，所以抗弯刚度提高幅度相对较小。所以灌浆钢管采用厚壁钢管，虽然抗弯刚度较大，但钢材用量也随之增加，故此灌浆钢管经济效益不明显。

4?结论

（1）预应力混凝土钢管桁架叠合板的底板厚度薄、抗裂性能好、自重轻、运输成本低、所需支撑数量少，在大跨度与小跨度叠合板的应用中均有优势。

（2）钢桁架可有效地提高预应力混凝土叠合底板在施工阶段的短期刚度，施加预应力能够提高叠合板在施工阶段的抗裂性，因此同样使用桁架的预应力混凝土钢管桁架叠合板的刚度比钢筋桁架叠合板大。

（3）预应力混凝土钢管桁架叠合板底板厚度越薄，在施工阶段桁架起的作用越大。所以当叠合板跨度较大时，在施工阶段通过增加支撑数量满足刚度要求，比增加底板厚度更能发挥钢管桁架的作用，更具经济优势；相同底板厚度时，钢桁架高度越大，桁架起的作用越大，所以应根据叠合板总厚度选定最大的桁架高度。

（4）预应力混凝土钢管桁架叠合板的钢管直径越大，叠合底板在施工阶段短期刚度越大；钢管壁厚的大小对预应力混凝土空心钢管桁架叠合板的影响作用更大，对灌浆钢管影响不显著。

（5）实心钢筋预应力混凝土钢管桁架叠合板的惯性矩与抗裂度提高幅度较大，但用钢量大、成本太高，不推荐使用。

综上，在实际工程中，若对叠合板刚度要求不太大，可优先选用预应力混凝土空心钢管桁架叠合板，少一道灌浆工序，钢管桁架对刚度的提升作用明显，选用薄壁钢管用钢量小且长细比小，钢管的稳定性更好，腹杆间距可以加大，在工程应用中性价比更高，若对叠合板刚度要求大，则优先选用预应力混凝土灌浆钢管桁架叠合板，虽多一道灌浆工序，但其刚度较预应力混凝土空心钢管桁架叠合板大。