隨著我國建筑技術(shù)水平不斷提高，裝配式結(jié)構(gòu)可顯著縮短現(xiàn)場施工時(shí)間，形成標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的施工，對(duì)于加快我國建筑工程的施工進(jìn)度有重要意義。在裝配式建筑體系中，樓面結(jié)構(gòu)是重要的受力構(gòu)件，大致分為預(yù)制板、現(xiàn)澆板和疊合板。

預(yù)制板裝配率高、施工速度快，但抗震性能、樓板整體性能相對(duì)較差。現(xiàn)澆板抗震整體性能好，但現(xiàn)場大面積澆筑增大了施工難度。疊合板是由預(yù)制板和現(xiàn)澆鋼筋混凝土層疊合而成的裝配整體式樓板，結(jié)合了裝配式樓板和現(xiàn)澆樓板的優(yōu)點(diǎn)，近年來得到了廣泛應(yīng)用。

1?各類疊合板的性能比較

現(xiàn)階段，我國建筑結(jié)構(gòu)采用的疊合板主要有預(yù)應(yīng)力混凝土（平板）疊合板、預(yù)應(yīng)力帶肋混凝土疊合板、預(yù)應(yīng)力混凝土鋼筋桁架疊合板，還有近幾年出現(xiàn)的新型預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板。

圖1為預(yù)應(yīng)力混凝土（平板）疊合板，內(nèi)有預(yù)應(yīng)力鋼筋，相比普通樓板，具有更好的承載力和更大的剛度。但板自重較大且陳海等試驗(yàn)得出疊合后預(yù)應(yīng)力混凝土（平板）疊合板在正常使用狀態(tài)下仍存在反拱，施工過程中需設(shè)置的臨時(shí)支撐較多，結(jié)合面抗剪能力較差。

圖1?預(yù)應(yīng)力混凝土（平板）疊合板

圖2為預(yù)應(yīng)力帶肋混凝土疊合板，該板由于設(shè)置矩形或T形肋，提高了剛度和承載力，板肋的增設(shè)增大了新舊混凝土的接觸面積，肋與肋內(nèi)預(yù)留孔洞后澆混凝土形成的“銷栓效應(yīng)”能夠增大機(jī)械咬合力，提高疊合面的抗剪性能，但在生產(chǎn)底板時(shí)上部混凝土肋需要二次澆筑成型，因此生產(chǎn)效率較低。

圖2?預(yù)應(yīng)力帶肋混凝土疊合板

圖3為鋼筋桁架疊合板，其底板上部配置三角形鋼筋桁架，桁架下弦鋼筋同時(shí)充當(dāng)受力鋼筋，桁架上、下弦鋼筋間由連續(xù)的腹桿鋼筋連接。鋼筋桁架能夠提高疊合板在施工階段的剛度，提高了疊合板的受力性能。但鋼筋桁架疊合板在吊裝、運(yùn)輸以及后澆混凝土的過程中，底板混凝土容易開裂，撓度過大。鋼筋桁架疊合板若在底板中施加預(yù)應(yīng)力，形成預(yù)應(yīng)力混凝土鋼筋桁架疊合板。由于預(yù)應(yīng)力的施加，底板厚度較薄。由于預(yù)應(yīng)力施工需要專門的生產(chǎn)線，生產(chǎn)工藝相對(duì)較復(fù)雜，現(xiàn)階段鋼筋桁架疊合板是運(yùn)用最廣泛的疊合板。

圖3?鋼筋桁架疊合板

圖4為預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板，圖5為鋼管桁架，與鋼筋桁架疊合板相似，將桁架中的上弦鋼筋改為鋼管，鋼管內(nèi)灌漿，底板內(nèi)施加預(yù)應(yīng)力。底板施加的預(yù)應(yīng)力以及灌漿鋼管桁架的設(shè)置，極大地提高了底板的剛度和抗裂度，因而底板較薄（約為35~40?mm），方便吊裝運(yùn)輸?shù)龋哂休^好的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。目前已越來越多地應(yīng)用于實(shí)際工程中且具有較好的應(yīng)用前景。

圖4?預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板

圖5?鋼管桁架

現(xiàn)階段疊合構(gòu)件的設(shè)計(jì)原則是在疊合完成后“等同現(xiàn)澆”，因此各疊合板在疊合完成后的受力性能相差不大，而在疊合前的施工階段各疊合板受力性能卻有所不同。為了提高施工效率，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中疊合板施工階段無支撐或有少量支撐，為了方便運(yùn)輸?shù)跹b，底板盡可能薄，因而疊合板在施工階段的性能主要取決于是否具有較大的抗彎剛度。為了對(duì)比各種疊合板在疊合前施工階段的受力性能，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)圖集06?SG?439–1《預(yù)應(yīng)力混凝土疊合板》、14?G?443《預(yù)制帶肋底板混凝土疊合樓板》、15?G?336–1《桁架鋼筋混凝土疊合板》、L18ZG?401《預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板》中同為小跨度3?m板、大跨度6?m板的各種疊合板的底板厚度、施工期間支撐數(shù)量等進(jìn)行比較分析。

1.1?小跨度各類疊合板的性能比較

在底板上部設(shè)置混凝土肋、鋼筋桁架或鋼管桁架施加預(yù)應(yīng)力都能提高疊合板在施工階段的抗彎剛度，在底板中施加預(yù)應(yīng)力還能提高疊合板施工階段的抗裂性。同為3?m跨度板，相對(duì)于同底板厚度的普通鋼筋混凝土樓板，鋼筋桁架疊合板僅有鋼筋桁架對(duì)于抗彎剛度的提高作用，預(yù)應(yīng)力混凝土（平板）疊合板僅有預(yù)應(yīng)力的提高作用，所以這兩種板在施工階段的抗彎剛度提高幅度較小，底板厚度較厚，底板自重大且施工中需要設(shè)置一道支撐。

預(yù)應(yīng)力帶肋混凝土疊合板和預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板既在底板中施加預(yù)應(yīng)力，又有混凝土肋或鋼管桁架的作用，所以這兩種板抗彎剛度提高幅度較大，由于底板都較薄且施工期間無需設(shè)置支撐，較預(yù)應(yīng)力混凝土（平板）疊合板和鋼筋桁架疊合板更具優(yōu)勢。

其中預(yù)應(yīng)力帶肋混凝土疊合板的板厚僅為鋼筋桁架疊合板的1/2，底板自重較輕，但預(yù)應(yīng)力帶肋混凝土疊合板需二次澆筑，制作較復(fù)雜，降低了生產(chǎn)效率。總體而言，在小跨度四種疊合板的應(yīng)用中，預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板更具優(yōu)勢。

1.2?大跨度各類疊合板的性能比較

6?m大跨度的各類疊合板，為了吊裝運(yùn)輸方便，底板厚度取值與3?m跨度板相差不大，通過在施工階段增加支撐數(shù)量滿足施工階段變形的要求。預(yù)應(yīng)力混凝土（平板）疊合板需設(shè)三道支撐，另外疊合板需要設(shè)置兩道支撐。

同樣1.2?m寬的板，預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板底板的重量僅為預(yù)應(yīng)力帶肋混凝土疊合板底板的68?%，為預(yù)應(yīng)力混凝土（平板）疊合板的59?%，在運(yùn)輸、施工起吊方面更具優(yōu)勢。通過與大跨度疊合板的對(duì)比，預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板支撐數(shù)量少、底板薄、重量輕，因此更適用于大跨度疊合板的應(yīng)用。

經(jīng)比較可知，無論在大跨度還是小跨度疊合板的應(yīng)用中，預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板具有自重輕、底板薄、支撐數(shù)量少、工藝簡單、抗裂性能好的優(yōu)點(diǎn)，故此具有較好的應(yīng)用前景。

2　預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板抗彎剛度

目前國內(nèi)外對(duì)鋼筋桁架疊合板施工階段短期抗彎剛度的計(jì)算，一般不考慮腹桿鋼筋的影響，即采用換算截面的方法將上弦鋼筋、混凝土底板、預(yù)應(yīng)力鋼筋部分均等效為底板混凝土進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)T/CECS?722–2020《鋼管桁架預(yù)應(yīng)力混凝土疊合板技術(shù)規(guī)程》中的規(guī)定，預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板計(jì)算施工階段承載力和變形時(shí)按照等效組合截面進(jìn)行計(jì)算。將灌漿鋼管、預(yù)應(yīng)力混凝土底板、預(yù)應(yīng)力鋼筋等效為底板混凝土進(jìn)行計(jì)算（按底板混凝土強(qiáng)度等級(jí)進(jìn)行等效）。對(duì)于底板混凝土強(qiáng)度相同的疊合板，短期抗彎剛度取決于截面慣性矩。

2.1?計(jì)算算例

計(jì)算寬度B=500?mm的預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板施工階段的抗彎剛度，底板厚度tp=35?mm，C?40混凝土，底板內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋采用45消除應(yīng)力螺旋肋鋼絲，預(yù)應(yīng)力筋距離底板底面20?mm，上弦鋼管采用壁厚1?mm直徑25?mm的Q?195鋼管，上弦鋼管內(nèi)填充的灌漿料強(qiáng)度等級(jí)C?40。

桁架高h(yuǎn)a=95?mm，桁架腹弦鋼筋采用直徑6?mm熱軋光圓鋼筋，腹桿間距200?mm。算例換算截面如圖6所示。

圖6?算例換算截面示意

由于鋼管桁架作用，該疊合板的中性軸位置較底板中心偏上，鋼管及其內(nèi)灌漿料、預(yù)應(yīng)力筋自身慣性矩占總慣性矩的0.37?%，混凝土底板自身慣性矩所占比重為37.00?%，鋼管及其內(nèi)灌漿料相對(duì)于中性軸的面積矩占比62.43?%，因此慣性矩主要取決于鋼管及其內(nèi)灌漿料相對(duì)于中性軸的面積矩及底板自身慣性矩。

為了研究預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板在施工階段的剛度優(yōu)勢，將預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板與預(yù)應(yīng)力混凝土（平板）疊合板、預(yù)應(yīng)力帶肋混凝土疊合板進(jìn)行對(duì)比分析，探討底板厚度、桁架高度對(duì)各種疊合板施工階段的剛度影響。在進(jìn)行對(duì)比分析時(shí)，除探討的參數(shù)外，各種疊合板的其余參數(shù)取值相同。

為探討鋼管內(nèi)灌漿對(duì)其剛度的影響，鋼管分空心鋼管和灌漿鋼管兩種。鋼筋桁架疊合板分為上弦8鋼筋和同鋼管直徑相同的實(shí)心鋼管兩種。鋼筋桁架疊合板的鋼筋桁架高度取值與預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板相同。

2.2?底板厚度影響

計(jì)算底板厚度分別為35?mm、50?mm、70?mm時(shí)各種疊合板在施工階段的中和軸高度y、慣性矩I、慣性矩I相較預(yù)應(yīng)力平板慣性矩I0的倍數(shù)。預(yù)應(yīng)力筋距離板底20?mm，預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板其余參數(shù)同第2.1節(jié)算例。

經(jīng)驗(yàn)算得出：同底板厚度的疊合板抗彎剛度從大到小依次為：預(yù)應(yīng)力混凝土實(shí)心鋼管桁架疊合板、預(yù)應(yīng)力混凝土灌漿鋼管桁架疊合板、預(yù)應(yīng)力混凝土空心鋼管桁架疊合板、鋼筋桁架疊合板、預(yù)應(yīng)力混凝土（平板）疊合板。

當(dāng)?shù)装搴穸葹檩^薄的35?mm時(shí)，鋼筋桁架疊合板較預(yù)應(yīng)力混凝土平板疊合板慣性矩有明顯提升，預(yù)應(yīng)力混凝土空心鋼管桁架疊合板對(duì)比?8鋼筋桁架疊合板剛度有所提高，但提高幅度不大。經(jīng)過灌漿后，疊合板抗彎剛度提高幅度變大， 約為平板的2.94倍，是不灌漿預(yù)應(yīng)力混凝土空心鋼管桁架疊合板的1.38倍。因此，采用預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板在施工階段具有較大的抗彎剛度。

當(dāng)桁架高度不變，底板厚度增加時(shí)，桁架起的作用減弱，各種疊合板相對(duì)于預(yù)應(yīng)力平板的剛度提高幅度減少；而且底板薄，方便安裝與運(yùn)輸，優(yōu)勢較明顯。所以在施工階段，為了不加支撐或少加支撐，增加底板厚度，不能高效地發(fā)揮預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板的作用。當(dāng)跨度較大，在施工期間增加支撐比增加底板厚度更經(jīng)濟(jì)。

2.3?桁架高度影響

桁架最大容許高度取決于疊合板疊合完成后總厚度。板跨度越大，疊合板越厚，桁架高度可以越大。計(jì)算桁架高度分別為80?mm、95?mm、110?mm時(shí)各種疊合板在施工階段的中和軸高度y及慣性矩I，計(jì)算慣性矩I相較桁架高度為65?mm時(shí)的慣性矩I0的倍數(shù)。其余參數(shù)同第2.1節(jié)。

桁架高度不同時(shí)抗彎剛度提升比例如圖7可知，隨著桁架高度的增加，桁架的作用越大，其對(duì)應(yīng)底板的面積矩也隨之增大，各種疊合板抗彎剛度均增大。預(yù)應(yīng)力混凝土實(shí)心鋼管桁架疊合板的抗彎剛度提高的幅度最大，其次為預(yù)應(yīng)力混凝土灌漿鋼管桁架疊合板，預(yù)應(yīng)力混凝土空心鋼管桁架疊合板和鋼筋桁架疊合板的提高幅度最小。

圖7?桁架高度不同時(shí)抗彎剛度提升比例

所以當(dāng)板跨度較大，疊合板疊合后厚度較厚時(shí)，應(yīng)增大桁架高度，有利于充分發(fā)揮鋼筋桁架、鋼管桁架中桁架的作用，使底板部分在施工階段具有較大的抗彎剛度，以發(fā)揮其性能。

雖然和鋼管同直徑的實(shí)心鋼管對(duì)比可知，其他幾種疊合板具有較大的抗彎剛度，但由于鋼筋直徑大、用量多、成本較高且現(xiàn)階段無法實(shí)現(xiàn)18?mm以上上弦鋼筋和腹桿的自動(dòng)機(jī)器焊接，因此現(xiàn)階段預(yù)應(yīng)力混凝土空心鋼管桁架疊合板、預(yù)應(yīng)力混凝土灌漿鋼管桁架疊合板為性能較優(yōu)的疊合板。

3?預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板參數(shù)分析

3.1　鋼管直徑對(duì)鋼管桁架疊合板的受力影響

為了探討鋼管直徑對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板抗彎剛度的影響，計(jì)算鋼管直徑分別為22?mm、25?mm、28?mm、30?mm，壁厚同為1?mm的不同種類疊合板在施工階段的慣性矩I，計(jì)算短期剛度相較直徑為22mm短期剛度Bs0的倍數(shù)，其余參數(shù)同第2.1節(jié)。根據(jù)2015年GB?50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》 ，預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板底板開裂前的短期剛度Bs1=0.85EcI0。

無論何種填充物，鋼管直徑每增加3?mm，疊合板的換算截面慣性矩及短期剛度提升接近1.2倍，直徑大小對(duì)灌漿鋼管的影響較空心鋼管更大，其主要原因是鋼管直徑大，隨之管內(nèi)填充物也會(huì)增加。鋼管直徑越大，疊合板在施工階段短期剛度越大，但灌漿后的長細(xì)比變大，桿件長細(xì)比越大則越趨于細(xì)長，越小則越是短、粗、胖，則不易發(fā)生屈曲和變形，因此灌漿后疊合板的穩(wěn)定性略差些，腹桿間距不能加大。但剛度較預(yù)應(yīng)力混凝土空心鋼管桁架疊合板的剛度略大。

當(dāng)壁厚不變、鋼管直徑增大，空心鋼管和灌漿鋼管的抗彎剛度均增大，但空心鋼管抗彎剛度隨直徑增加提高的幅度不大，鋼管直徑大小對(duì)灌漿鋼管的影響較空心鋼管大一些，其主要原因是直徑大，隨之管內(nèi)混凝土也會(huì)增加，因而抗彎剛度提高的幅度較空心鋼管要大一些。但腹桿間距同為200?mm時(shí)，上弦灌漿鋼管長細(xì)比相對(duì)大、穩(wěn)定性略差，因此腹桿間距應(yīng)比空心鋼管大。

3.2　壁厚對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板受力的影響

為了探討鋼管壁厚對(duì)空心鋼管、灌漿鋼管抗彎剛度的影響，計(jì)算鋼管直徑同為25?mm，壁厚分別為1?mm、2?mm、3?mm、4?mm的不同種類疊合板在施工中的慣性矩I及短期剛度Bs1，計(jì)算短期剛度相較壁厚為1?mm短期剛度Bs0的倍數(shù)。其余參數(shù)同第2.1節(jié)。

預(yù)應(yīng)力混凝土空心鋼管桁架疊合板和預(yù)應(yīng)力混凝土灌漿鋼管桁架疊合板隨著壁厚的增加，剛度提升幅度不同。壁厚為3?mm的鋼管桁架疊合板慣性矩可高達(dá)壁厚為1?mm的疊合板短期剛度的1.83倍，而灌漿鋼管桁架疊合板僅達(dá)1.49倍，其原因主要是，桁架上弦鋼管灌漿對(duì)提高疊合底板的抗彎剛度已有一定提升作用，將1?mm厚混凝土換為鋼筋對(duì)剛度提升效果不明顯且壁厚越大，鋼材用量增加較多，經(jīng)濟(jì)效益不明顯，灌漿鋼管采用厚壁厚鋼管經(jīng)濟(jì)效益不明顯，因此預(yù)應(yīng)力混凝土空心鋼管桁架疊合板受鋼管壁厚度影響較大。

從長細(xì)比計(jì)算方法來看，壁厚對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土灌漿鋼管桁架疊合板的長細(xì)比沒有影響，但均比空心鋼管大，穩(wěn)定性則相對(duì)較差，壁厚對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土空心鋼管桁架疊合板的長細(xì)比有一定影響，壁厚越大則長細(xì)比越大。

預(yù)應(yīng)力混凝土灌漿鋼管桁架疊合板相對(duì)于不灌漿的空心鋼管桁架疊合板，抗彎剛度較大，但要增加灌漿這一道工序，而且其截面回轉(zhuǎn)半徑小，長細(xì)比稍大，穩(wěn)定性相對(duì)較差，因而腹桿間距較小。實(shí)心鋼管雖然對(duì)抗彎剛度提高效果明顯，但其相對(duì)于灌漿鋼管和空心鋼管用鋼量明顯增加很多，經(jīng)濟(jì)效益不明顯且無法實(shí)現(xiàn)18?mm以上上弦鋼筋和腹桿的自動(dòng)機(jī)器焊接。所以預(yù)應(yīng)力混凝土灌漿鋼管桁架疊合板與預(yù)應(yīng)力混凝土空心鋼管桁架疊合板，在實(shí)際工程中具有較大剛度、穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢。

當(dāng)鋼管直徑相同時(shí)，隨著壁厚增加，空心鋼管和灌漿鋼管的抗彎剛度均增大且提高的幅度較大，空心鋼管提高的幅度較灌漿鋼管大。灌漿鋼管內(nèi)混凝土對(duì)抗彎剛度有提高作用，增加鋼管壁厚實(shí)際上是將原鋼管內(nèi)同厚度的混凝土換為鋼材，所以抗彎剛度提高幅度相對(duì)較小。所以灌漿鋼管采用厚壁鋼管，雖然抗彎剛度較大，但鋼材用量也隨之增加，故此灌漿鋼管經(jīng)濟(jì)效益不明顯。

4?結(jié)論

（1）預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板的底板厚度薄、抗裂性能好、自重輕、運(yùn)輸成本低、所需支撐數(shù)量少，在大跨度與小跨度疊合板的應(yīng)用中均有優(yōu)勢。

（2）鋼桁架可有效地提高預(yù)應(yīng)力混凝土疊合底板在施工階段的短期剛度，施加預(yù)應(yīng)力能夠提高疊合板在施工階段的抗裂性，因此同樣使用桁架的預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板的剛度比鋼筋桁架疊合板大。

（3）預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板底板厚度越薄，在施工階段桁架起的作用越大。所以當(dāng)疊合板跨度較大時(shí)，在施工階段通過增加支撐數(shù)量滿足剛度要求，比增加底板厚度更能發(fā)揮鋼管桁架的作用，更具經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢；相同底板厚度時(shí)，鋼桁架高度越大，桁架起的作用越大，所以應(yīng)根據(jù)疊合板總厚度選定最大的桁架高度。

（4）預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板的鋼管直徑越大，疊合底板在施工階段短期剛度越大；鋼管壁厚的大小對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土空心鋼管桁架疊合板的影響作用更大，對(duì)灌漿鋼管影響不顯著。

（5）實(shí)心鋼筋預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板的慣性矩與抗裂度提高幅度較大，但用鋼量大、成本太高，不推薦使用。

綜上，在實(shí)際工程中，若對(duì)疊合板剛度要求不太大，可優(yōu)先選用預(yù)應(yīng)力混凝土空心鋼管桁架疊合板，少一道灌漿工序，鋼管桁架對(duì)剛度的提升作用明顯，選用薄壁鋼管用鋼量小且長細(xì)比小，鋼管的穩(wěn)定性更好，腹桿間距可以加大，在工程應(yīng)用中性價(jià)比更高，若對(duì)疊合板剛度要求大，則優(yōu)先選用預(yù)應(yīng)力混凝土灌漿鋼管桁架疊合板，雖多一道灌漿工序，但其剛度較預(yù)應(yīng)力混凝土空心鋼管桁架疊合板大。

摘自《建筑技術(shù)》2023年6月，張玉明，陳麗潔，鄧馨雨，程 意