预制混凝土结构是指将工厂制作的预制构件在施工现场通过可靠连接方式装配而成的混凝土结构。与现浇结构相比, 预制混凝土结构具有现场湿作业少、构件质量好、节省模板、节能减排等优点, 是一种符合绿色建筑发展方向的工业化结构。

为推广预制混凝土结构, 我国大部分地区对新建建筑的预制指标提出了具体要求。从施工现场操作的难易程度和吊装效率综合分析, 在预制率有一定要求的情况下, 一般优先选择水平构件如梁、楼板等进行预制。水平构件中的叠合板是在预制板顶部后浇混凝土之后形成的共同受力的整体构件, 因其具有整体性好、刚度大、节省模板等优点, 是目前预制混凝土结构中最常用的楼板形式。考虑到构件运输过程中存在尺寸限制, 目前采用的预制板宽度一般≤3.0m。因此, 同一开间的楼板多由2~3块预制板拼装而成, 预制板之间需设置拼缝, 拼缝处钢筋构造复杂且存在开裂隐患。徐天爽等对叠合板各种拼缝构造的传力性能进行了试验研究, 并提出了一种整体式拼缝构造形式, 采用该构造提高了板底拼缝的抗裂能力, 但需在叠合板侧设置凹凸槽和弯起钢筋, 构造较为复杂。丁克伟等提出了一种采用多功能限位器的新型拼缝形式, 并通过试验和有限元分析证明了该拼缝形式的受力性能基本等同于现浇, 然而该拼缝结构含钢量较大, 构造复杂。国家标准图集《桁架钢筋混凝土叠合板》中分别给出了单、双向叠合板目前常用的板缝构造形式, 各类板缝均需设置附加钢筋, 施工质量不易保证。

为解决上述问题, 本文提出可采用大尺寸预制板, 即将一个开间的楼板作为整体进行预制。同时通过采用游牧式建造方式, 在施工现场建立预制构件生产线生产构件, 有效解决了大尺寸预制板的运输超限问题。结合上海某18层预制剪力墙住宅楼对大尺寸叠合板游牧式建造技术进行了示范应用, 应用效果表明该技术可有效提高构件吊装效率、节省钢筋用量, 整体效果良好。

根据结构平面图完成大尺寸预制板的深化设计, 包括尺寸、配筋、连接节点以及吊装方案设计等。

大尺寸预制板在施工现场进行加工, 不存在运输限制, 考虑其最大尺寸时, 仅需控制脱模、吊装工况下板底混凝土拉应力不超过开裂限制即可。大尺寸预制板一般采用八点起吊, 孙丽思等基于预制板在吊装工况下正负弯矩相等的原则, 给出吊点合理布置位置如图1所示。对于工程中最常用的混凝土强度等级C30且板厚为60mm的预制板, 当采用八点吊装时, 预制板平面尺寸最大可做到7.0m×4.2m。

大尺寸预制板的配筋设计与现浇板完全一致, 不需要考虑附加钢筋和板缝节点构造。值得注意的是, 当预制板四边均有预留钢筋伸出时, 预制板钢筋与墙、梁钢筋间易出现碰撞问题。可借助BIM软件对预制板的钢筋定位进行检查, 避免后期施工时产生安装困难。

吊装方案设计时, 吊点位置、数量应根据计算分析确定, 吊点位置处设置附加补强钢筋, 必要时应制定专项脱模、起吊方案。

根据构件深化设计图制定生产所需资源配置计划, 根据施工进度要求制定生产计划, 完成预制构件生产用钢模台及各项资源配置准备工作。

选用构件模板时, 应综合考虑构件型号、数量、表观质量要求等。构件种类少、数量多、表观质量要求高或异形时, 优先采用定型化模具;构件种类多、数量少时, 应优先选用装配式模具, 降低摊销成本。预制板构件一般采用装配式模具。为提高模具周转使用次数, 设计了一种适用于施工现场的组合式钢模具。组合式钢模具的边模分为标准段与非标准段, 各段采用螺栓连接, 可通过不同的拼装方式实现模板尺寸的调整, 从而进行多种规格叠合板的生产。

与工厂生产相比, 现场加工大尺寸预制板应特别注意板面平整度与构件养护2个问题。

在生产过程中, 大尺寸预制板容易出现板面混凝土深浅不一的问题, 采用振捣棒与平板振动器结合的方式对混凝土进行振捣可保证预制板板面平整度。振捣时应避免振捣设备直接振动预埋件。

冬季加工预制板时, 应根据气温情况和现场能源条件选择合适的构件养护方法, 也可在配置混凝土时掺入引气剂, 提高混凝土自身抗冻能力, 避免混凝土在凝结过程中水泥水化作用受阻, 严重影响构件强度。

预制板混凝土强度达到标准抗压强度的75%时方可脱模, 脱模时应先拆除四周边模, 并采用八点脱模方式进行脱模起吊。与普通叠合板相比, 大尺寸预制板平面外刚度较小、吊点间距较大, 对平面外荷载更加敏感, 因此吊装时应采用专用吊具如平衡梁等 (见图2) , 确保各吊点受力均匀, 避免个别吊点因受力过大而导致构件变形开裂。

构件堆放场地需保证坚实稳固、排水良好。构件堆放时按吊装顺序、形状和大小进行分类, 叠放层数宜≤6层。上、下层构件间设置木方进行铺垫, 铺垫位置与吊点位置一致, 各层之间垫平、垫实。为防止预制板局部剪切破坏, 各层之间木方垫块位置应保持一致。

预制板板底支撑可选用独立支撑 (见图3) 或板带式支撑, 具体支撑方案应进行安全性验算。其中, 叠合板独立支撑由支撑杆、三脚架、托架、横梁组成, 支撑杆通过三脚架提供侧向支撑, 站稳后根据叠合板板底标高调节高度, 并在托架上安装横梁以便支撑叠合板。

支撑一般沿叠合板长边布置。两侧支撑作为叠合板的端支座, 设置在距叠合板端500mm处;当叠合板跨度≤4.8m时在跨内设置1道支撑即可, 叠合板跨度>4.8m, <6m时则应设置2道支撑。独立支撑多层设置时各层支撑应设置在同一竖直线上。

预制板吊装前, 应将支撑顶面及楼板底面清理干净, 预制板和墙、梁上弹出安装控制线。

预制板吊装过程中, 在作业层上空300mm处需略作停顿, 根据预制板位置调整预制板方向进行定位。吊装过程中注意避免预制板上预留钢筋与墙、梁竖向钢筋间的碰撞, 预制板停稳慢放, 以免吊装放置时冲击力过大导致板面损坏。

预制板吊装就位后, 对其位置进行测量与微调, 确保预制板搁置平整且板底达到设计标高。检查支撑和预制板底的接触情况, 避免预制板在浇筑叠合层时由于个别支撑失效而产生较大变形或开裂。预制板就位校正时, 采用楔形小木块嵌入调整, 不得直接使用撬棍调整, 以免出现板边损坏。

按照施工图安装叠合板部位的机电线盒和管线。施工过程中各方做好成品保护工作。机电管线铺设完毕清理干净后进行钢筋绑扎。楼板上层钢筋设置在桁架筋上弦钢筋上并与其绑扎固定, 以防偏移和混凝土浇筑时上浮。禁止在底模上行走或踩踏, 禁止随意扳动、切断桁架钢筋。

管线埋置与钢筋绑扎完成后进行叠合层混凝土浇筑。浇筑前在预制板与墙、梁间设置可靠的防漏浆措施, 如PE棒封堵、设置止浆带等, 并在板上洒水, 保证预制板表面充分湿润且无积水。为保证叠合板及支撑受力均匀, 混凝土浇筑采取从中间向两边浇筑, 连续施工, 一次完成。混凝土振捣时防止钢筋发生位移。

大尺寸叠合板施工质量控制应遵守GB50666—2011《混凝土结构工程施工规范》、JGJ1—2014《装配式混凝土结构技术规程》等相关规定。同时还应注意以下事项。

1) 大尺寸预制板设计时注意检查各板甩出钢筋与墙、梁钢筋的碰撞情况。一般采取预制板甩出钢筋避让梁、墙钢筋的方式来避免碰撞。

2) 加强对大尺寸预制板的验收检查, 根据设计图纸对板上预留孔洞、预埋件尺寸及位置等进行核对, 板上不得出现裂缝。

3) 将支撑顶部标高均调整至预制板设计标高后方可进行吊装。吊装时采用专用吊具并严格按照设计给定的吊装方案进行操作。吊装就位后重点检查板底支撑和预制板之间的接触情况。

4) 施工人员完成管线铺设及现浇层钢筋绑扎后, 由质检人员对楼板各部位施工质量进行全面检查, 合格后方能进行混凝土浇筑。

大尺寸叠合板游牧式建造技术在上海某栋18层预制剪力墙住宅楼中进行了示范应用。

普通叠合板和大尺寸叠合板板底效果分别如图4所示。普通叠合板板底存在明显拼缝, 拼缝在楼板施工或使用过程中均有开裂可能, 影响建筑美观及使用功能;而大尺寸叠合板由于是整间预制, 整体性好, 不存在开裂隐患。

普通预制板和大尺寸预制板安装效果分别如图5所示。采用普通预制板时, 同一开间的楼板一般由多块预制板拼装而成, 吊装作业量大, 并且需要在拼缝处设置附加钢筋, 构造较复杂。采用大尺寸预制板可减少吊装作业, 简化现场施工, 大大提高施工效率。

总体而言, 采用该技术减少了构件的起吊量、取消了叠合板间拼缝、简化了施工、节省了钢筋用量, 既满足了建筑设计要求, 又达到了施工预期效果。

结合示范工程项目, 对游牧式建造技术进行了效益分析。在施工现场制作大尺寸预制板, 节省了构件运输费用;吊装施工时, 采用大尺寸预制板大大减少了吊装作业量, 同时取消了板间拼缝的处理, 节省施工量30%, 节省钢筋10%。

以工程中一2.8m×5.5m开间为例计算钢筋节约量。原深化设计方案中, 该开间楼板被拆分为3块2.82m×1.7m的普通叠合板, 板缝宽度0.2m, 板缝构造如图6所示。采用游牧式建造方式则可直接采用2.82m×5.52m的大尺寸叠合板, 实现整间预制。已知设计时板底、板顶沿长短边两方向的配筋均为8@150。经计算, 不考虑桁架筋时, 普通叠合板平均钢筋含量为12.90kg/m², 大尺寸叠合板平均钢筋含量为11.51kg/m², 节省了钢筋用量约10.78%。

1) 采用大尺寸叠合板游牧式建造技术可有效解决大尺寸预制板的运输超限问题, 同时减少吊装作业量, 消除预制板间拼缝, 杜绝板间拼缝的开裂隐患。

2) 重点解决了大尺寸预制板游牧式生产、施工过程中的关键问题, 如设计了组合式钢模具以适应多规格叠合板的生产, 采用振捣棒与平板振动器结合的振捣方式保证构件平整度, 冬季施工时在混凝土中掺入引气剂提高其抗冻能力等。

3) 结合上海某栋18层预制剪力墙住宅楼对大尺寸叠合板游牧式建造技术进行了示范应用和效益分析, 应用证明采用该技术可节省施工量30%, 节省钢筋10%, 经济效益显著。