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    預制疊合KT板設計合理性之探討

    廣東裝配式建筑分會     2018-12-18     1464


    樓板是結構中最普通的構件,在預制混凝土裝配整體式建筑中,預制疊合KT樓板也是最普通的預制構件,在結構體系中,樓板作為樓面豎向荷載傳力構件,力學模型簡單,或為單跨簡支板,或為多跨連續板。在支座位置,板的面筋或按溫度作用效應配置,若為連續板,則按負彎矩效應作面筋配置,支座處底筋按經驗構造配筋,對于整體現澆板,底筋伸入支座,沒有任何質疑。


    但無論是在預制KT疊合板發明使用之初,還是目前美國、日本、臺灣等國家或地區的實際案例、設計規范中,從施工便利快捷考慮,均沒有要求KT板底筋伸入支座,而當前國家規范引入預制KT板設計時,特別強調KT板底筋伸入支座,這一限定對裝配設計,施工是否合理,本文將就案例中問題與相關規范條文進行分析討論!希望預制KT疊合板預制設計與施工可朝合理化趨勢發展。


    01


    國內正大力推行裝配整體式建筑設計施工技術,全國近20個省及直轄市宣布在2025年實現30%新建建筑面積采用裝配工藝,預制率是裝配建筑認定的一個重要指標,裝配建筑預制率要求逐年提高,而裝配工藝能否跨上正常發展與應用軌道,最終仍是由成本決策。為達到規定的預制率及裝配率,且以最小的增量成本去完成裝配式工程,裝配建筑最常采用的是預制與現澆疊合板。疊合板中的預制KT板,所占面積最大,反應出來的預制率也是最可觀,按一般規模的單棟建筑量體來看,預制KT板所占預制率基本可達14%左右,因此KT板是設計者優先考慮選用的預制構件。預制KT板的結構設計按其板片尺寸會有單向板與雙向板兩種,而本文最為關注的是預制KT板出筋、支撐設計及其板厚問題,以下將從施工端看問題,再回到規范內容,并討論世界各地慣用的做法,與工程師們共同研討。


    02


    預制KT板出筋之設計不合理問題


    KT板出筋,施工效率不佳,按照JGJ1[1]樓蓋設計規定,預制板按接縫構造、支座構造、及長寬比分為單向板與雙向板。且預制KT板受力筋宜伸入支座,即板端出筋,這就是國內KT板習慣于恪守出筋設計要求。然而,KT板之出筋很明顯對施工產生三大傷害:


    其一,KT板四面出筋,對于安裝工藝需求較高,圖2.1(a)板四邊接合梁箍筋位置需十分精準;其二,出筋易造成梁箍筋被不當破壞;伸出KT板外之鋼筋與梁箍筋發生沖突時,由于板的出筋較短且不利現場彎折,施工者便會直接對梁箍筋徑行彎折,嚴重破壞梁箍筋的力學行為,圖2.1(b),設計者實應正視此問題,到底KT板出筋重要,還是梁箍筋的完整性更重要,或者兩者皆重要;其三,出筋將造成支承梁的上層鋼筋排列不易,伸入梁內的板筋將疊合梁現澆層空間進一步分割成上下兩個極小空間,使梁上層鋼筋正確就位制造了很大的困難,即使KT板出筋已事先向下彎折一微小角度,如圖2.1(c)所示,照片顯示梁上層鋼筋定位之困難度仍很高,施工質量與效率大打折扣。


    KT 板出筋在制造上并不會造成太大的影響,后續所衍生施工上的問題,將間接對預制工藝、以及對施工單位、生產單位之間的協調與整合產生隔閡與嫌隙,不利于工期與質量的控制,這樣的結果并非設計者所愿意見到的,也是設計者應該正視的問題。


    (a) 雙向出筋傾斜安裝 (b) 出筋與梁箍筋沖突,梁箍筋被不當彎折(c) 梁上層筋不易定位

    圖 2.1 KT 板出筋面臨施工性問題


    03


    預制KT板滿堂施工架,有違裝配式精神


    傳統現澆混凝土樓板澆筑時,模板基本是采用6mm厚度的夾合木板拼接而成,由于該夾合板面外剛度很低,施工時所澆置混凝土自重與施工活載作用下,夾合木板必須借助縱橫平面鋪設兩向肋骨材,并在交叉點處設置垂直支撐,模板面上荷載通過骨材及支撐傳遞至下層樓板,同時為防止樓板變形、失穩等不利情況發生。當整體結構混凝土全部現場澆置的情況下,框架柱或剪力墻之混凝土豎向構件將與樓板混凝土一同澆置,施工過程的安全性,豎向承載及側向穩定性全部依靠模板支撐系統,采取滿堂架施工是情有可原且必要。


    然而,裝配式建筑的施工條件則不同,在水平預制構件吊裝之前,豎向構件已達到一定的豎向及側向強度,且水平疊合樓板構件本身因其預制樓板的厚度至少60mm;若預制樓板設有K支架,預制樓板剛度進一步提高;若為預應力疊合板,其先張拉預力所產生的負彎矩強度,恰可平衡部份施工過程中的垂直荷載作用。通過簡支梁的模擬分析預制板之中間及兩端支承所需的強度,反推支撐架配置型式與數量,可大幅度減少施工支撐架數量。當預制疊合板兩端擱置于預制豎向構件時,于兩端處將不必設置支撐架,更進一步減少施工支撐架數量。


    (a) 滿堂架施工                  (b) 單排架施工

    圖3.1 KT 板支撐架之差異比較


    過度支撐(圖3.1a)增加裝配建筑的建造成本,增加施工現場安全衛生管理工作量,給現場施工動線增加不少障礙。但有些施工企業在KT板等水平構件安裝時,常常有2種錯誤的作法,第一不做支撐設計,直接采用現澆施工架設計,也就是滿堂架。一味固守傳統施工思路,沒有按新條件進行施工支撐,實非專業工程人員之基本工作態度,工程除了安全,還需講求經濟性,即標準化、合理化等,有違此原則,應視為工程人員之恥辱,當知「支撐為裝配之恥」;第二、未取得施工架的極限破壞荷載,直接經驗支撐,結果導致支撐失??;支撐布置需要合理規劃(圖3.2b),并考慮相應的安全系數是施工架配置的關鍵因素。在支撐架設計時,應先取得施工架的極限破壞荷載,再除以2~3倍安全系數,即取得保證安全支撐的設計值[2],也避免走向滿堂架施工的極端(圖3.2)。


    (a)支撐失敗案例  (b)支撐試驗架設(屈服381 kN)[2] (c)立桿試驗(挫屈60~130 kN)[8]

      圖3.2 支撐架的失敗案例與試驗架設


    04


    關于樓板設計相關規程規定


    4.1 疊合樓板最小厚度規定


    混凝土規范GB 50010 [4]第9.1.2條針對現澆鋼筋混凝土板的屋面板及樓板最小板厚的設計規定是60mm。裝配結構的行業標準JGJ 1第6.6.2節第1款規定,疊合板預制層板厚度不宜小于60mm,后澆混凝土疊合層厚度不應小于60mm,若不計預制板的結構隔板作用,后澆疊合層設計規定與GB50010規定一致。GBT51231[5]第5.5.1條規定疊合板設計應符合GB50010之有關規定,但在第5.5.2節的第2款卻追加規定,屋面層和平面受力復雜樓層宜采用現澆樓蓋,當采用疊合樓蓋時,樓板的后澆混凝土疊合層厚度不應小于100mm;此規定按條文解釋是為了增強頂層樓板的整體性,需提高后澆混凝土疊合層的厚度,看似合理,實則不然。相對混凝土規范及行業標準JGJ1提出了更嚴的要求,只為了“整體性要求”。假設這三本規范對”整體性要求”做出相同的定義,其規定在邏輯上明顯不通,或在否定GB 50010現澆的混凝土結構沒有滿足“整體性要求”,或意在限制預制疊合板應用。


    美國ACI 318-11[3]第21.11.6節針對傳遞地震力的橫隔板-全現澆混凝土板或疊合混凝土板[W1] ,其最小板厚規定為50mm(2 in),而預制與現澆接合面干凈無浮漿,有粗超度、配置鋼筋時,組合截面可視為結構隔板。即使是不考慮預制樓板與后澆置混凝土組合截面共同傳遞地震力作用時,即非組合樓板或屋頂板,其現澆層最小厚度為63.5mm(2-1/2 in),該規定較全現澆樓板的厚度大,主要是從工程經驗上考慮了預制板厚度控制容許預留誤差值,或部分預力預制樓板的預拱量不同,為確?,F澆樓板內布置的鋼筋以及水電配管之保護層厚度滿足相關要求。在JGJ 1第6.6.2節之條文說明有指出這一說明,其厚度規定與ACI規定接近。另外,英國愛爾蘭預制混凝土學會的預制混凝土設計規范第5.5節亦規定疊合樓板的最小厚度為50mm。


    GB 50010與JGJ 1對于預制疊合板之現澆層厚度規定,與美國、英國愛爾蘭相同,且符合施工合理性。而GBT 51231第5.5.2條第2款規定解釋卻不能與現澆樓蓋規定銜接,如當視預制疊合樓板為免拆模板時,其上后澆混凝土完全視為現澆樓蓋的最小厚度為60mm,滿足規范最小厚度規定,顯然不需要以最小100mm厚來滿足整體性要求。規范中對板厚要求提高,其增加預制工藝應用限制,不利于工業建筑工藝技術發展。


    4.2疊合樓板配筋之規定


    關于樓板板端鋼筋伸入支座的規定,在樓板的分離式配筋方式有提出要求,在GB 50010第9.1.4條中規定現澆樓板中央正彎矩鋼筋“宜”全部伸入支座,且規定該縱向受力鋼筋伸入支座的錨固長度不應小于5d;


    關于溫度鋼筋規定,第9.1.8條中,溫度收縮鋼筋可利用原有鋼筋貫通布置,也可另行設置構造鋼筋,并與原有鋼筋按受拉鋼筋的要求搭接或在外圍構件中錨固。


    關于疊合板接合面規定,第9.5.2條規定疊合板的預制板表面凹凸不小于4mm,且在重荷載作用環境下,應設置伸入疊合層的構造鋼筋,如K支架。


    ACI 318-11[3]第16.5條關于結構整體性要求的板端配筋規定是,預制樓蓋或屋蓋與其支撐梁或墻之間必須相連接,其連接抗拉承載力必須大于每米4.4kN(300lb/ft)。


    ACI 318-11[3]關于預制構件設計R16.4中解釋了溫度鋼筋規定,對于寬小于3.66m(12ft)單向疊合板,短向可不配置收縮及溫度鋼筋。預制疊合板大部分的溫度收縮發生在現澆面層澆置施工之前,加上樓版經分割為多片組合時,溫度及收縮應力被分散到各預制單元,說明組合樓板對溫度及收縮效應小于整體現澆板。


    以60mm現澆板層,上層鋼筋配筋間距滿足不大于450mm(18 in)要求,即可符合疊合板與邊梁的連接整體性及相應的溫度及收縮配筋要求。[W2] 


    按GB50010第11章的抗震設計構件規定中,板并非抗震設計構件;KT 板僅為向梁或剪力墻體傳遞垂直荷載重之構件,完成建筑使用功能為主。而板端的結構設計者應可判定單向板端部支座的下緣并無拉力的作用。


    在傳遞豎向荷載時,從單向板端的受力模式,受梁約束時,板端存在豎向剪力及負彎矩,按單層鋼筋進行受彎承載力配置,板端上層鋼筋抗彎受拉,板端下層由混凝土受壓,受壓區可不考慮受壓鋼筋作用,且在板跨4~6m簡支支撐時,60mm厚的混凝土樓板斜截面承載力完全大于樓面活載作用的剪力設計值[9],為什么仍有那么多設計者仍認為它是應配置受力鋼筋呢?個人認為都是受到現澆思維的影響,在現澆模式之下,考慮采用施工便利性的分離式配筋時,結構設計者直接將受力鋼筋「延伸」過支座并代替溫度收縮鋼筋,一方面藉此減少受力鋼筋與溫度收縮鋼筋之搭接用量,另一方面亦可減少現場鋼筋配置的復雜程度。樓板端部支承處的下層鋼筋不需配置鋼筋,并不是新觀念,早期的彎折配筋法,就已經施行多年且能完整體現力學行為的一種最節省材料之施工方式,只是,現代已逐漸擺脫彎折配筋的費工做法,而以分離式配筋法取代之。


    分清問題癥結后,再來看看JGJ 1第6.6.4節規定”板端支座處,預制板內的縱向受力鋼筋宜從板端伸出并錨入支承梁端或墻的后澆混凝土中,錨固長度不應小于5d,且宜伸過支座中心線”。同時,該條文之說明,特別強調是為保證樓板的整體性及傳遞水平力的要求,規定預制板受力筋宜伸入支座,并符合現澆樓板下部縱向鋼筋的構造要求。其編制該條文的背后基本想法仍是按GB50010相關規定。


    筆者認為,就構件措施及整體設計概念要求,現澆層有配置面筋,預制板端可不需要出筋,為推廣預制疊合板工藝,應當回歸真實力學行為,回歸彎折配筋方法,考慮溫度及收縮效應,重新審視預制迭合樓蓋或屋蓋板端出筋的問題。


    4.3 預制KT板端鋼筋非接觸搭接


    按極限理論配置板的鋼筋,混凝土板本身極其容易滿足板端豎向承載力抗剪強度設計要求,但作為樓蓋板對溫度作用非常敏感,為控制裂縫,板端需設抗裂溫度筋。在ACI中規定溫度筋的配置可采用非接觸搭接連接,為控制無配筋距離不宜過大,搭接鋼筋間之間距dt(如圖4.1)需小于150mm(6in)或1/5搭接長度。在預制疊合板設計中,預制板面設置了搭接鋼筋,如下圖4.1,預制KT板的面搭接鋼筋與KT板內縱向受力筋形成非接觸搭接連接。


    雖在國標中沒有明確非接觸搭接連接構造,從R.帕克[8]的板破壞分析可以得知,板端裂縫多出現在負彎矩區,抵抗開裂的作法是,在負彎矩配置適當的抗裂鋼筋。

     

    圖4.1 梁板連接節點


    4.4 疊合板試驗


    根據清華大學錢稼茹教授于2016年第六屆中國(國際)預制混凝土技術論壇的報告「鋼筋機械連接裝配式剪力墻結構研究新進展」顯示(圖4.2),由錢教授主導之3層剪力墻構架中,第一、三層樓板之受力鋼筋伸出板外,第二層樓板之受力鋼筋則采用構造鋼筋方式(不符合規程規定),經試驗之結果顯示,一、二層樓板負筋在9度大震時發生屈服,二層樓板上表面垂直加載方向發生通長裂紋,但主要破壞為與加載方向平行連梁的剪力破壞,以及一層剪力墻墻肢的大型X型裂縫。依其結論,「疊合樓板受力端支座“預制板不出筋”可行,可加快預制板之安裝進度、提高工程施工質量」。


    (a)3層剪力墻構架模型        (b)預制樓板端支座鋼筋布置條件

    圖4.2 清華大學錢稼茹教授3層剪力墻構架試驗[6]


    05


    疊合板施工需求之合理化建議


    5.1 KT 板厚的合理化設計


    疊合板常按現澆層與預制層組合截面設計,按規范要求預制KT 板的表面應制作成凹凸4mm的粗糙面,接合面由預嵌K支架以傳遞二次澆置混凝土與已凝固混凝土間之剪力值。各層厚度設計需考慮多方面的因素。


    考慮到各施工階段的強度與變形量、機電配管空間、KT板出筋與預制疊合梁上層筋之排布順序、預制梁箍筋的型式、以及制造與施工誤差等因素。各施工階段的強度驗算,可依照混凝土的發展強度進行試算與檢核。制造與施工誤差則與施工單位的經驗與質量管控能力有關,但無論如何,仍需預留1mm~3mm的可能誤差。該預留誤差量值,在檢討K支架上端筋之下緣與預制板上緣之間隙更形重要,理論計算值之外須再外加3mm作為施工性判定基準。據此原則,若疊合板總厚度取120mm,預制層板厚取60mm,現澆混凝土層板厚將為60mm。一般電力管線的直徑為25.4mm,要能配管的最小凈空間應該有28mm才足夠。如圖5.1所示,疊合板60mm厚現澆層在現場施工時,并無足夠之機電配管空間。


    圖5.1 疊合板總厚120mm,KT 板厚60mm之機電管線施工性檢討


    如果,將疊合板總厚增加10mm成為130mm,預制層板厚取65mm時,僅圖5.2(b)顯示凈空間為30mm,判定有足夠機電施工空間;只是KT 板的上層橫向鋼筋必須穿越K支架上端筋的下方而過,施工上略為不方便。當然,預制疊合板厚度若降為60mm時,圖5.2(c)所示之機電施工凈空間將為30mm,雖屬足夠,但須注意60mm厚的疊合板脫模時可能存在開裂風險,按筆者以往經驗,預制層并不建議設為60mm厚。


    圖5.2 疊合板總厚130mm,KT 板厚65mm之機電管線施工性檢討


    如果,將疊合板總厚再增加10mm成為140mm時,預制板厚65mm的條件下,圖5.3(a)與(b)皆有足夠的機電施工空間,疊合板的上層橫向鋼筋可直接置于K支架上端筋的上方,施工非常方便。


    圖5.3 疊合板總厚140mm,KT 板厚65mm之機電管線施工性檢討


    由此可見,當KT 板的總厚度為140mm以上時,KT 板內的鋼筋與機電管路配置就容易許多。因此,從機電穿管需求的角度出發,130mm是最低要求,而140mm的施工性最佳。


    但是,以上的檢討并未考慮到KT 板出筋與主、次梁上層筋之關系,以及機電配管通過預制梁頂后澆層混凝土之沖突狀況,這將在下一節中討論。


    機電配管在穿管時,也必須遵循一個重要原則,即「垂直K支架方向的管路先排布,平行K支架管路后排布」,以避免管路浮突接近樓板表面,造成混凝土超打情況,具體做法如圖5.4所示。機電配管時機,必須在預制梁上層鋼筋定位完成后,否則,配管作業將與預制梁上層鋼筋發生沖突情況。


    圖5.4機電配管原則


    5.2 KT 板出筋的合理化設計


    KT板出筋的合理化檢討,不能單看KT板本身,必須把主、次梁的上層鋼筋排列一起檢討,才能判斷其施工是否合理。我們先依圖5.2(b)疊合板厚為130mm之型式進行檢討,并假設KT板的受力鋼筋平行Y軸時,發現:1-機電配管必須在梁上層鋼筋定位后施做;2- 平行X軸向梁之上層鋼筋在內側時,KT板不得出筋,否則梁上層鋼筋若配置雙層筋時將互相抵觸無法施做。且位于KT 板出筋側的預制梁上層筋只能單排筋,如圖5.5所示;倘若KT板不出筋則無此限制。同樣地,疊合板厚為140mm時,其結論仍相同。由此可見,設計上應該不要著重次要構件的出筋問題,而應著重主要抗震構件縱向鋼筋排列之合理性,非接觸搭接是目前較合理的解決方案。


    圖5.5預制梁上層筋深化設計檢討


    06


    根據本文分析顯示,疊合樓蓋總厚度至少須為130mm,若能做到140mm則更佳。而預制板的厚度至少須為65mm,以避免脫模時板底發生開裂影響疊合板之耐久性。預制板可以不用出筋,但須配置構造鋼筋并進行溫度收縮鋼筋與樓板傳剪力檢核,所需之鋼筋用量直接配置在后澆疊合層混凝土內,與預制疊合板內之鋼筋采取非接觸搭接連接構造。深化設計人員除應考慮鋼筋配置問題外,亦應將機電配管列入設計檢討內容中,以維護整體之施工性。


    鋼筋混凝土構造的結構行為,系依靠混凝土與鋼筋間之充分握裹所致,只要任何一個受到不當破壞,都是降低質量的不良結果。規程條文規定偏向保守側時,設計者當深入了解其背后之原理,在不違背該原理前題下,發揮專業精神做最合理的設計才是位合格的設計者。雖說施工單位應確實按設計圖施做,若深化設計圖未充份考慮到施工誤差時,任由施工者隨意彎折或破壞鋼筋原有之狀態,實非眾人之所愿。我們更期待規范編審之學者與專家們,應將施工性列入后續修訂之重要議題,以維護應有之結構質量與鋼筋混凝土力學之本質。本文之提出,能獲得多數人之共鳴,朝合理化預制設計與施工,方為我等心之所盼。

     

    作者:吳子良、唐雪梅、尹衍樑


    參考文獻


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    6. 錢簆茹鋼筋機械連接裝配式剪力墻結構研究新進展,第六屆中國(國際)預制混凝土技術論壇,2016。

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    9. 張家竣、鄭毅敏、趙勇,混凝土疊合板的板端受剪承載力分析, 混 凝 土 與 水 泥 制 品,2015 No.12

    來源:潤鑄建筑工程訂閱號


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