装配式混凝土叠合板浅述

李金龙，吴欣禹，吴金国，董松员，李娜

（1.沈阳建筑大学 土木工程学院，辽宁 沈阳 110168；2.辽宁省建设科学研究院有限责任公司；3.中国人民解放军空军研究院工程设计研究所沈阳工程设计室）

预制混凝土结构因工业生产容易，环境和劳动力等施工因素影响小而受到工程师的青睐。在实际的工程应用中，装配式建筑体系主要使用各种预制或半预制混凝土结构构件。其中，作为水平受力部件的楼板是预制装配式建筑的主要研究对象之一。

叠合式楼板是由预制和现浇两部分相结合的一种构件。预制部分安装在底部，其上浇筑一层混凝土，而后两部分混凝土形成整体受力的状态。叠合式楼板兼具现浇和预制的特点，在装配式建筑中发展前景良好[1]。钢筋混凝土叠合式楼板的底板可以在工厂预制，机械化程度高，专业技术熟练，因此构件的质量高且具有良好的稳定性。此外，叠合式楼板的底板在施工现场安装完毕后可作为现浇混凝土层的模板，即使跨度较大，也可以灵活安装支撑，与现浇混凝土结构相比，节省了工时和材料，有效提高了施工速度，施工周期也可以最大程度缩短[2]。

1 叠合板在国内外的发展现状

1.1 叠合板在国外的发展现状

在国外的叠合结构的应用始于20世纪初。1920年最初适用于混凝土桥[5]。从1940年开始被用于住宅建设，但是在建筑用途上叠合结构的进一步开发是在1950年以后。初期的混凝土叠合结构分别被用于钢梁和现场混凝土板的组合、木梁和现浇混凝土板的组合，中期逐渐发展成预制件和现浇混凝土层组合并以此为基础采用了预压应力技术。国外在50年代用的较多的是一种预应力棒，并在其上浇筑较低强度的混凝土称其为综合结构，如图1所示。

图1 国外综合结构的截面形式

在国外，大型建筑构件，如模板柱、屋顶梁和基础，都是使用这种预应力杆和薄板制造的。这种结构重量轻、灵活、运输方便，曾被波兰人称作“万能构件”。20世纪50～60年代期间，这种结构形式被广泛使用。另外，波兰人还使用了被称作DMSZ型叠合结构的楼面，这是一种采用预应力小梁作为承重构件，预制装配的粘土空心块被配置在上面。最后，在上部现浇混凝土使三者联合为一体，经济效果较好。在英国的学校、医院、住宅中大多采用一种被称作“什塔尔唐”系统的复合楼面，与施加了预压应力的粘土空心砌块组成承载构件，在其上放混凝土空心块，最后再在其上浇筑混凝土。英国混凝土公司研制了一种“比藏”型预应力板，该板在施工阶段可被用作模板。其主要由一种“燕尾”型的凹槽来减小新旧混凝土层之间产生的相对滑动[5]，如图2所示。

图2 “比藏”型的叠合楼盖

20世纪60年代初，前苏联主要以预应力薄板作为复合楼盖，仅依靠薄板上的人工粗糙表面而不使用凹槽来获得附着力和摩擦力。试验认证新旧混凝土层可协同工作，该结构已广泛应用于前苏联南部的抗震结构中[3-4]。

德国和法国也大量利用该预应力板来制作组合式混凝土楼板，并在叠合面上添加了抗剪筋，提出了具体设计规程[5]。日本熊谷组公司研发出了一种名为PC叠合板及半预制结构的新体系，都实现了优秀的工程应用和经济成果。

近年来的开发动向是钢-混凝土复合结构。这是在工字型钢梁上设置剪切铆钉，将铆钉连接到波形轮廓钢板上，在钢板上浇筑混凝土而形成的钢-混凝土复合结构[5-8]。其形式如图3、图4所示。

图3 钢-混凝土组合楼板图 图4 钢-混凝土叠合楼板剖面图

叠合板最初应用于桥梁，不断更新和改进，目前叠合板广泛应用于各种建筑结构形式。在其发展过程中，叠合板本身经历了一系列的技术变革。第一，在建筑形式上，叠合板由木梁、钢梁和混凝土板组成，然后演变为钢筋混凝土预制构件、组合钢板和预应力混凝土板。第二，在材料的使用方面，预制底板已从非预应力发展到预应力，被动钢筋已从传统的冷加工钢筋发展到高强度、低松弛的拉丝钢筋。第三，在受力形式上，很多房屋的建筑楼盖都是双向受力形式，而按单向受力形式设计的楼盖，一个方向的钢筋总是过多，另一个方向的承载力不足，因此，楼盖已从单向负荷形式转变为双向负荷形式。这必将是一个大的发展趋势。第四，在适用范围上，叠合板由工业建筑向民用建筑转变，由多层建筑向高层建筑转变[2]。

综上所述，目前国外的叠合楼板的类型主要有木梁或型钢梁加预制混凝土底板的叠合楼板、压型钢板和混凝土叠合楼板、预应力混凝土叠合楼板及其他形式的永久模板做底板的叠合楼板。日本的PC板被广泛应用于工业厂房、公用建筑和多层及高层建筑。

1.2 叠合板在国内的发展现状

近些年来，在国内大力倡导“绿色低碳”的背景下，装配式建筑因其节省能源资源、降低施工污染、提高生产效率等优势成为工程人员和科研学者重点研究对象。在建筑结构中，楼板作为水平方向的支撑及联系构件而成为保证结构整体性和稳定性不可或缺的部分。当前，结合了现浇式和预制式特点的叠合式楼板备受工程师的青睐，它的出现促进了建筑产业及建造方式的转型升级。随着国内学者的不懈努力，叠合板应用技术日趋成熟。叠合板按其组成形式及底板类型可分为：预应力夹心叠合板、预应力带反肋叠合板、预应力空心叠合板、自承式钢桁架叠合板[9]。

首先，对于预应力夹心叠合板，其主要分为两种：一种是以带有倒T型肋的预制板为底板，其上放泡沫条作为夹心，最后现浇一层混凝土保证构件整体稳定性，如图5。这种带夹心的叠合板构件与现浇板相比，在保证了整体刚度的前提下，更节省了混凝土用量。另一种则是由带翼缘和横肋槽的空心条形板为底板，内部填充轻质块，当多个底板拼装后，翼缘与横肋形成双向密肋，最后与其上浇筑的混凝土形成叠合楼盖，如图6。该板可以实现双向受力。朱茂存等[10]以带有四根泡沫条的夹心叠合板试件为例，对其承载力进行了计算研究。周友香等[11]考虑了混凝土密肋楼盖的线弹性计算，对双向密肋夹心叠合板的计算进行了方法分析，并比较了其经济效益。

图5 带倒T型肋夹芯板 图6 双向密肋夹心板

其次，对于预应力带肋叠合板，底板可分为倒T形板和带肋薄板两种形式。前者是在多个倒 T形底板拼接后形成的凹槽中浇筑混凝土，以此形成矩形肋，如图7。后者是以带预制矩形或T形肋薄板为底板，肋上预留有可穿越横向钢筋的孔，多个底板拼接后，在拼缝位置处附加蛇形抗裂钢筋，如图8。对于带肋叠合板，肋的存在不仅可以提高底板的抗弯刚度使其在运输时不易损坏，而且还可以增强底板与现浇层之间的粘结力，使整体性更好。岳建伟等[12]对施加预应力的带肋叠合板开展试验研究，并结合工程应用表明：带肋预应力底板刚度大，抗裂性能好，且在工程应用中能达到免支撑。吴方伯等[13]分别对带T形肋和矩形肋的薄板进行静载试验，结合理论分析，建立了均布荷载作用下两端简支预制薄板的等效刚度公式。

图7 倒T形底板 图8 带肋薄板底板

再次，对于预应力混凝土空心叠合板，主要分为三种，第一种是简单地在施加了预压应力的空心预制底板上现浇混凝土，但两者结合不良好，其截面形式如图9。第二种是以预应力带肋板为底板，上部浇筑混凝土而在肋间形成空腹部分，其截面为带空腹状如图10。第三种是由以配置了预应力筋的WFB空心预制板为底板，其板两侧带有凹陷，多块底板拼接后只需在凹槽中浇筑混凝土形成肋，有效减少混凝土用量（图11）。

图9 空心底板截面 图10 空腹叠合板截面

图11 WFB预应力空心预制板

对于空心叠合板，刘成才等[14-15]对预应力混凝土空心底板及现浇50mm厚混凝土的叠合板进行试验，对两者抗裂性能、破坏性质、极限承载力进行对比分析。并给出工程建议：当跨度小于 4. 2m 时，此类叠合板跨中可免支撑。

而对于空腹叠合板，赵成文等[16]研制了该类叠合板，并通过对跨度为7170mm的足尺空腹叠合板进行试验，分析荷载挠度曲线，得出将叠合接触面面积达到板面积的27%以上，可不致出现叠合面滑移现象。

WFB预应力空心叠合板被研发于2008年，由吴方伯[17]等其进行了试验，通过分析裂缝形态、极限承载力、挠度等发现该种叠合板抗裂性能及承载力良好。

最后，对于自承式钢筋桁架混凝土叠合板，其最大特点是位于现浇层和预制底板之间配置了钢筋桁架。钢桁架将上下层钢筋连接起来，既加强了预制底板的抗弯刚度，又增强了叠合面的抗剪性能，从而加强整个叠合板的整体协作能力。

2006年，刘轶等[18-19]对自承式简支单向钢桁架叠合板在施工阶段与使用阶段的受力性能与同阶段的现浇板做比较，最后提出了该种类叠合板在各阶段的设计及施工建议。赵磊[20]在现有叠合式构件刚度计算的基础上，建立了预制构件短期刚度及叠合构件其他方面的计算方法，结合ANSYS模拟和设计算例来提出工程建议。

图12 自承式钢筋桁架混凝土预制底板截面

2 结语

综上所述，目前对于叠合板的研究主要着重于底板类型，以及节省材料方面。而叠合板在大跨度双向传力及侧向拼接还需进一步研究。因此，目前国内应该将理论研究与实际工程应用相结合，对各类型叠合板进一步完善。