宗德林：预应力空心楼板应用技术研究

导读
“预应力空心楼板？空心楼板不安全，当年在唐山地震时都成了棺材板。这种中国禁用的建材，美国怎么仍在使用呢？美国大概没有地震。如果有也没有中国的地震厉害。也可能美国有钱，震倒了再盖。”这样的对话，在中国有不下百次的经验，且而不仅是一般百姓，连工程界也有相同的误解。预应力空心楼板在美国发展了60多年，成为除了双T板以外唯一广泛使用的预制楼板，是有其原因的，笔者认为有从历史及技术的角度来说明的必要。


预应力空心楼板和中国传统的空心楼板除了都有孔，在材料及生产工艺上是完全不同的。而孔并不是造成当初认为楼板不安全的原因。


一、美国的地震
美国的地震分布和中国非常相似，有低到高地震带（如图1所示）。以中国为标准，美国八级（.2g）地震以上的人口约占全美总人口的20%；而九级（.4g）地震的总人口大约与中国九级总人口相似。美国西海岸的重要城市，例如旧金山、落杉矶都在.4g范围内，所以美国对地震设计要求也极严格。预应力空心楼板在美国高地震带的西海岸也普遍使用了超过半世纪，与中国最大的不同是允许预应力空心楼板在没有迭合层的情况下传送包括地震力在内的水平力。






二、对空心楼板在地震下的误解
1、唐山地震
1976年7月28日北京时间凌晨3时42分在唐山市发生了里氏7.8级强烈地震。当时唐山对地震是没有设防的城市，而所有的房子都没有经过抗震设计以致酿成大灾。人民大量死亡不是因为空心楼板的使用，而是因为当地对地震危险估计不足。当时的砖混结构也没有圈粱-构造柱的要求，而在有限的照片中看到了很多空心楼板的建筑生存下来（如图2所示）。在唐山市的震央区不论是何种建筑，几乎无一幸免，而有许多现浇结构倒塌后更加大救援的困难。























中国建筑西南设计研究院有限公司在2010年9月的《建筑结构》上发表了《104所农村小学砌体结构校舍抗震设计思络及震害分析》，文章中提到，成都市农村中小学标准建设工程共设计校舍104所，所有校舍在汶川地震前己投入使用，其中65所校舍位于汶川地震的极重灾区，但无一倒塌（如图9所示）。校舍多为3～4层单面走廊砌体结构楼，屋盖采用预制预应力空心楼板，抗震设防烈度均为7度（.1g）。文章最后有一段结论，“在结构布置合理，砌体结构中采用预制预应力空心楼盖仍可具备较好的抗震性能及抗倒塌能力。






中国建筑科学研究院徐有邻研究员也发表了《由地震引发对预制预应力圆孔板的思考》一文，提出“汶川地震塌垮的楼盖基本上没有吸取唐山震害的教训，都仍在采用传统拼接方法，未能形成整体受力，整体牢固性很差，地震时难免解体、倒塌。而近年根据规范及标准图设计施工的预制板装配整体式楼盖房屋，即使在强震区也‘大震不倒‘’这说明关键不在是否采用预制板，而在于构造措施缺失。匆忙取消预制板，尚存用预制板建成的既有房屋是否属于危房?是否必须拆除或加固改造?简单化的仓促处理，可能会引起民众不安，影响社会安定。发达国家(包括多地震的日本)随着建筑产业化进程的发展，预制构件应用的比例是逐年增加的。”


汶川地震证明，近年建成的遵照现有标准、规范和标准图作了技术改进的装配整体式楼盖大多均未解体或坠落伤人。如果只是将房屋倒塌单一的归结于空心楼板，对于建筑产业化以及装配式结构的前途都将造成极大的阻力，因为使用预应力空心楼板增大楼盖的跨度是中国走向建筑产业化的必然之路。


三、预应力空心楼板在日本及美国的发展及使用
1953年，预应力空心楼板在北美洲开始使用，经过60多年的发展，在欧美、日本、新西兰已成为预制楼板的主流。因国内对地震的重视，本文仅对日本及美国对预应力空心楼的发展及使用进行简单介绍。






1、日本
日本在1963年引进预应力空心楼板，经过半个多世纪的发展（如图10所示），已成了一个非常成熟的产品。


为了设计人员的需要，1976年日本出版了预应力空心楼板的设计手册，1987年又改编出版了第二版。


1987年，日本建设部正式核准的预应力复合楼板中，很明确的规定“这类复合楼板应承受垂直力，同时在地震时一起承受水平力”，在规范中给出完善的计算公式，只要在允许范围内，没有对层高、结构形式、地震强度进行限制。如果问题是“预应力空心楼板在日本允许盖多高”，答案是“结构体能多高，空心楼板就可用多高”。根据目前资料，最高的预应力空心楼板建筑是54层（如图11所示），而高层住宅使用框架结构和长跨度预应力空心楼板也已形成了一个有竞争力的体系（如图12所示）。











1995年阪神地震后，日本建筑师协会对当地的建筑物做了一系列的调查（见表1），在119栋使用预应力空心楼板的建筑中有117栋被认为没有任何坏，这再一次证明预应力空心楼板有良好的耐震能力。


2、美国
1953年美国开始生产预应力空心楼板（如图13~图15所示），使用干性混凝土不用模具以机器长线生产的楼板在60年后仍是最有竞争力的预制楼板。














因为这是一种全新的产品，对结构工程师而言是一个很大的挑战，有很多设计原则无法从现有的规范中得到。所以在20世纪60~70年代有非常多的实验来帮助工程师充分的了解及利用这种新产品：


UL防火实验（1959年）
剪力强度实验
迭合板剪力强度实验
空心楼板抗压实验
由开孔及钢托粱产生不均匀载重实验（如图17所示）
集中荷载实验（如图18所示）
干性混凝土弹性模数实验
缺口板剪力实验
孔内灌浆剪力增强实验
连续性实验
无迭告层楼板做隔板抗水平力实验
不均匀载重分布实验（双齿边板缝垂直载重传递）（如图19所示）
开孔对弯矩的影向（楼板无迭合层的整体性）
侧悬臂实验（如图20所示）
预埋件承载实验
偏心力对预埋件影响实验
钢筋线初期过量回缩对楼板承载力影响实验
悬臂板对集中荷载受力分布报告
板缝水平剪力实验
尾端承载面脱落实验（如图21所示）















经过了多年的发展，承重剪力墙与预应力空心楼板的体系已被证明了是多住户住宅最有效的体系。但设计中除了对垂直力及水平力（风力、地震力）的要求，对结构整体性并没有一个明确及完整的要求。美国波特兰水泥协会（PCA）在美国联邦房屋及城市发展部（HUD）的支持下于20世纪70年代初对此类建筑的整体性做了一个详细的研究，1975年~1979年发布了6份报告及3份附加报告，建立了现在各种规范中整体性的设计要求（如图22所示）。在整体实验中比较重要的是应防止失去局部承重墙而造成连续倒塌（如图23所示）及楼板与墙节点的抗震实验（如图24所示）。











经过长期的努力，美国PCI协会在1985年发行了第一版的《预应力空心楼板设计手册》，1998年发行了第二版。在中国已将其中的精华翻成中文，以《SP预应力空心板技术手册》（99ZG408（附册一））的名义由中国建筑标准设计院出版。


在近代，加州的几次主要地震又再次证明了预应力空心楼板的良好耐震性能。


不论是现浇承重墙（如图25所示）、预制承重墙（如图26所示）、梁柱结构（如图27所示）、钢结构（如图28所示）还是混凝土砌块结构（如图29所示），预应力空心楼板都充分表现了它优越的安全性及经济性。











四、预应力空心楼板的优点


1、承载能力强；
2、使用性能良好；
3、双齿板边在灌浆后能保证楼面的一致性，整体性；
4、延性好不脆断；
5、恢复性能强；
6、节省材料，减重，地震作用小；
7、生产效率高，质量稳定；
8、跨度能够达到18米；
9、跨高比可达50∶1；
10、是世界各地认可的绿色及被动式房屋材料。

结语
如果能在中国推广在世界各地完全成熟的预应力空心楼板，以预应力取代非预应力，发展出一些更有效益的预制体系，就会真正体现出建筑产业化的优点，并替中国现有的传统横墙承重、短板受力的建筑找到一个出路，从而能从结构上率先完成百年住宅的期望。