钢筋桁架楼承板的设计与施工探讨
通过某大型工程实例,主要介绍钢筋桁架混凝土现浇板在钢结构建筑中应用的设计要点和施工技术,对同类工程具有一定的参考作用。
1 工程概况
广东省博物馆新馆是我省标志性文化工程之一,地下1层, 地上5层, 总建筑面积66927m2,建筑高度44.75m,其视觉效果犹如一个漂浮于起伏小丘上的宝盒,如图1 所示。主体结构采用内置钢管钢筋混凝土剪力墙- 钢桁架外挑悬挂结构。
由于本工程采用大跨度悬挂结构体系, 清华大学土木工程系的楼层减振体系研究结果表明,若采用压型钢板与轻质混凝土组合楼板,为减少人行荷载引起的楼板振动, 就需布置大量的阻尼器,技术难度较大。此外, 3 层以上各层模板安装作业面高度均在5m以上,最大达23m,属于超高空作业,因此3层以上楼
板采用能双向受力、刚度较好的自带钢筋桁架式压型钢板与普通混凝土组合楼板。
2 钢筋桁架楼承板的构造及特性
2.1 结构构造
钢筋桁架楼承板是将混凝土板中的钢筋与施工模板组合为一体,组成一个在施工阶段能承受湿混凝土自重及施工荷载的承重构件,并作为钢梁的侧向支撑;在使用阶段钢筋桁架与混凝土共同工作,承受使用荷载。 2.2 使用材料
⑴ 钢筋:上下弦采用成盘供应的热轧钢筋HPB235、HRB400或冷轧带肋钢筋550级; 腹杆采用成盘供应的冷轧光圆钢筋550级或650级; 桁架支座钢筋用热轧钢筋HPB235或HRB335。
⑵ 镀锌钢板:底模采用0.5mm厚的镀锌钢板,双面镀锌量为120~180g mm2。
⑶ 栓钉
为了使混凝土与钢梁能有效地连接成整体,在钢梁上设置了栓钉,采用专用栓钉机进行施工。
钢筋桁架楼承板横断面如图2 所示。
图2 钢筋桁架楼承板横断面示意图
2.3 施工特性
与以往的施工方法不同,在施工现场可直接将钢筋桁架楼承板铺设在钢梁上,然后进行简单的钢筋工程,便可浇筑混凝土。使用该模板不需架设木模及脚手架,底部镀锌压型钢板仅作为模板使用,不替代受力钢筋,故不需考虑防火喷涂及防腐维护等问题,因而施工快捷,可减少现场钢筋绑扎工作量约70%,缩短工期并节省成本。此外,钢筋排列均匀,上下两层钢筋间距及混凝土保护层厚度能充分得到保证,为提高楼板施工质量创造了有利条件。
3 钢筋桁架楼承板的受力特点
3.1 楼板的挠度
普通的现浇钢筋混凝土楼板,施工阶段因下部支模故基本不产生挠度,待混凝土达到一定强度后拆模,在自重作用下楼板下挠,板底混凝土产生拉力甚至出现裂缝。钢筋桁架混凝土楼板则根据临时支撑的设置情况分别如下:
⑴ 设置临时支撑: 与普通现浇钢筋混凝土楼板基本相同;
⑵ 不设临时支撑: 混凝土凝固前, 模板自重、混凝土重量及施工荷载全部由钢筋桁架承受, 混凝土凝固在钢筋桁架楼承板变形下进行,楼板自重不会使板底混凝土产生拉力。 3.2 楼板的承载力
在使用阶段,钢筋桁架上下弦钢筋与混凝土共同工作,此楼板与钢筋混凝土叠合式楼板具有相同的受力性能, 虽然受拉钢筋应力超前,但其承载力与普通钢筋混凝土楼板相同。
4 设计要点
混凝土从浇筑到达到设计强度的过程中,楼板受力明显不同,故应进行使用及施工两阶段的计算。 4.1 使用阶段
包括楼板的正截面承载力计算、楼板下部钢筋应力控制验算、支座裂缝控制验算以及挠度验算等。楼板正截面承载力按GB 50010- 2002《混凝土结构设计规范》及JGJ95-2003《冷轧带肋钢筋混凝土结构技术规程》的有关规定进行计算。 4.2 施工阶段
采用桁架模型,包括上下弦杆强度验算、受压弦杆和腹杆稳定性验算以及桁架挠度验算等。
⑴ 当施工阶段设有可靠的临时支撑时,设计时不需进行施工阶段验算。
⑵ 当施工阶段不设临时支撑时, 钢筋桁架楼承板中桁架杆件内力及模板挠度采用桁架模型计算。此阶段荷载包括钢筋桁架楼承板自重、湿混凝土重量以及施工荷载。施工荷载采用均布荷载1.5kN/m2和跨中集中荷载沿板宽为2.5kN/m中较不利者,不考虑二者同时作用。 a. 上下弦杆强度 σ=N/A≤0.9fy
式中: s 为上下弦杆应力;N 为杆件轴心拉力或压力。 b. 受压弦杆及腹杆稳定性
N/(AS·φ ) ≤ fy′
式中: φ 为轴心受压构件的稳定系数,按GB50017-2003《钢结构设计规范》附录C采用, 其中受压弦杆的计算长度取其节点间距的0.9倍,腹杆的计算长度取其节点间距的0.7倍。
c. 桁架挠度
施工阶段钢筋桁架楼承板的最大挠度应按荷载的标准组合进行计算,挠度与跨度的比值应不大于1/180,且挠度最大值应不大于20mm。 4.3 计算实例
以本工程3 层夹层板为例, 钢筋桁架楼承板计
算结果见表1。
表1 钢筋桁架楼承板计算结果
5 钢筋桁架楼承板施工技术
5.1 工艺流程
弹线→清板→吊运→布板→切割→压合→侧焊、端焊→留洞→封堵→验收→栓钉→砌块施工→布筋→埋件→混凝土浇筑及养护。 5.2 型材连接方法
⑴ 钢筋桁架楼承板铺设与钢梁连接,板端头与钢梁熔透点焊,中间采用栓钉与钢梁穿透熔焊; 钢筋桁架楼承板间用专用夹紧钳咬合压孔连接; 端头用专用镀锌边模钢板与钢筋桁架楼承板或钢梁点焊;典型连接方法如图3。
图3支座连接图
⑵ 在钢筋桁架楼承板与混凝土墙连接时,应加设角钢,并用膨胀螺栓固定在混凝土墙上, 如图4。
图4楼板与混凝土墙（柱）连接
5.3 楼层标高的调整方法
⑴ 当楼面层结构标高变化不一时,采取加焊Z型支架及附加钢筋措施,使水平结构呈台阶过渡, 如图5a;
⑵ 降低标高时,在工字梁腹板加焊Z型支架和附加钢筋,如图5b。
图5楼板高差处节点图
5.4 楼面留洞处理
混凝土楼面板预留孔洞,开洞直径或宽度小于100mm时可不设加强筋,混凝土浇注完毕并达到设计强度后切割洞口;开洞直径或宽度为100～1000mm时加设加强筋。 5.5 钢桁架临时支撑施工
部分钢桁架模板中间需设置临时支撑,可根据楼层高度采用多种不同高度的门式架搭设而成, 门式架间距18m,上铺100×100木枋,如图6。
图6钢筋桁架临时支撑示意图
5.6 轻质加气砌块的放置
根据结构特点,为减少混凝土楼板的自重,板厚h≥140mm的板中需放置轻质加气混凝土砌块, 其容重大于8kN/m3,强度等级不低于MU5,施工时每块砌块下均需加设支撑钢筋2φ6, 如图7 所示。
图7加气砖铺设平、立面图
5.7 施工注意事项
⑴ 浇筑混凝土时布料不宜太集中,采用平板振捣器及时分摊振捣。
⑵ 混凝土浇筑时, 在泵送开关处增设控制压力流量表进行控制,防止较大的冲击力和过量的混凝土对钢楼承板结构造成影响;施工人员及设备应集中布置在主次梁部位,避免直接堆放在钢板上和拖动而造成钢筋桁架楼承板扭曲变形。
⑶ 施工时应控制混凝土坍落度为12~15cm,且因钢筋桁架楼承板渗水性和透气性较差, 混凝土凝结过程中板面水气蒸发较快,浇筑后混凝土板表面的收缩变形大于板底,故加强浇水养护能防止和减少板面收缩裂缝和保证混凝土实体强度。
⑷ 焊接采用熔透点焊连接,施焊前应准备边角料引弧试焊,调整施焊电流。
⑸ 钢筋桁架楼承板吊运时采用专用软吊索,每次吊装时应检查其是否有撕裂、割断现象; 钢筋桁架楼承板搁置在钢梁上时应防止探头;铺料时操作人员应系好安全带。
6 结语
钢筋桁架楼承板具有受力模式合理、施工便捷、安全可靠、耐火、防腐性能良好、综合造价优势明显等特点,具有良好的发展应用前景。