出于节能、环保考虑, 国家大力推广装配式建筑^[1]。目前主要采用传统的钢管扣件式脚手架、碗扣式脚手架及木方或者独立钢支柱作为叠合板支撑系统^[2]。这2类支撑系统本质上均为:叠合板自重及其上施工荷载通过钢管等竖向钢构件的竖向导荷作用传递至下层水平结构构件, 竖向钢构件间距需满足受压稳定性要求^[3]。层高较高时, 竖向钢构件布置更加密集, 费时费力, 增加工期及成本。

基于此, 提出一种新型支撑系统作为叠合板支撑系统, 该支撑体系充分发挥施工阶段叠合板混凝土抗压性能, 以及外加受拉钢弦杆的抗拉作用, 通过合理设计, 自身可以满足自重荷载和施工荷载下的挠度要求, 无须另设支撑和模板, 降低造价。同时可以快速安装, 为叠合板下部创造较大的自由空间, 便于施工。

该新型支撑系统由三脚架及花篮螺栓组成。对单榀支撑而言, 三脚架作为腹杆受压;花篮螺栓作为下弦杆受拉;混凝土预制板作为上弦平面, 主要受压。1块混凝土预制板下部可沿跨度方向平行布置若干榀支撑, 支撑与预制板共同形成抗弯刚度远高于预制板自身的自平衡体系。对支撑连接处进行加强, 在每榀支撑所对应的叠合板相应位置均设置1榀钢筋桁架。根据单榀支撑所采用的三脚架数量不同分为单支撑和双支撑, 单支撑布置如图1所示, 双支撑布置如图2所示。支撑系统中的三脚架由槽钢、2根钢管及节点板焊接而成, 如图3所示。单根下弦杆由长度可调的花篮螺栓 (超出花篮螺栓长度限值时以钢丝绳加长连接) 组成。

试验采用了4个试件, 各试件上部混凝土预制板规格均为4 500mm×2 400mm×60mm, 三脚架高度均为600mm, 边榀支撑与平行于跨度方向的板边距离均为300mm。根据下部支撑桁架按照支撑种类和支撑横向间距不同设计不同的试件, 各试件尺寸参数及编号如表1所示。

预制板混凝土强度等级为C30, 采用HRB400钢筋, 跨度方向板底筋8@150, 垂直跨度方向板底筋8@200。钢筋保护层厚15mm。下弦采用1×24-4.54tUU型花篮螺栓 (美标) , 长度为882～1 542mm, 材料为45号钢, 密度7 850kg/m³, 屈服强度为355MPa, 抗拉强度为600MPa, 弹性模量为210GPa, 泊松比为0.269。花篮体横截面积为287.25mm², 连接花篮体的螺杆有效直径为21.62mm。对于单支撑, 由于采用的花篮螺栓长度不足, 不足部分以1×19ϕ^s15圆股钢丝绳加长连接, 公称抗拉强度为1 570MPa。钢丝绳端部采用U形卡扣锁紧以防滑移。三脚架由 [8, 2ϕ32×3钢管及节点板 (板厚t=10mm) 焊接而成, 均采用Q235B钢材, 密度为7 850kg/m³, 屈服强度为235MPa, 弹性模量为210GPa, 泊松比为0.30。

采用烧结实心砖对试件进行竖向荷载加载, 砖块质量为2.2kg/块。

利用门式起重机将预制好的钢筋混凝土板吊装至指定高度, 放置于净距L=4 200mm的水平枕木上, 板在枕木上的搁置长度为150mm, 同时进行新型支撑系统的安装。通过控制下弦杆花篮螺栓拧紧的扭矩对预制板进行起拱, 使预制板中心点在自重作用下的挠度为0。采用实心砖分级加载, 对试件ZB1～ZB4的加载分4级, 卸载分2级。每级加载后的持荷时间为15min^[4]。分级为:①第1级加载 0.65kN/m²;②第2级加载 1.3kN/m²;③第3级加载 1.3kN/m²;④第4级加载 0.65kN/m²;⑤第1级卸载 1.95kN/m²;⑥第2级卸载 1.95kN/m²。

无模板支撑叠合梁板在现浇混凝土叠合层未达到强度设计值前为第1阶段, 恒荷载考虑预制板自重、叠合层自重, 活荷载考虑此阶段施工活荷载^[5]。考虑叠合板总厚度为130mm, 则现浇叠合层厚70mm, 现浇叠合层自重面荷载约为25kN/m³×0.07m=1.75kN/m², 施工活荷载为1.5kN/m², 则外加施工检验荷载共计3.25kN/m²。试验最大加载累计为3.9kN/m²>外加施工检验荷载, 满足要求。

在预制板支座处布置百分表, 对各级荷载下试件ZB1～ZB4的预制板挠度进行检测, 在预制板跨中和1/4跨度处布置位移计。各试件测点布置如图4所示。

各试件预制板中心点竖向位移与加载的对应关系如表2所示。规范^[5]对预制板挠度要求为f=L/200=4 200/200=21mm, 由表2可知, 各试件预制板在各级荷载作用下均满足规范挠度要求, 其中支撑间距为600mm时, 双支撑效果最佳。对于同种类支撑系统, 在相同荷载下预制板挠度大小为:试件ZB1>ZB2, ZB3>ZB4, 说明支撑间距S越小, 试件整体刚度越大, 预制板挠度越小。对于不同支撑系统, 在相同荷载下预制板挠度大小为:试件ZB1>ZB3, ZB2>ZB4, 说明支撑间距相同情况下, 单支撑试件比双支撑试件整体刚度小很多, 预制板挠度更大。且采用双支撑对预制板中心点挠度减小作用比减小支撑间距作用更明显。由于刚度退化, 卸载后, 预制板变形无法恢复至初始值, 当卸掉外部全部荷载后, 预制板残余挠度为受荷最大时挠度的40%左右。

在SAP2000中建立计算模型, 上弦平面混凝土板采用薄壳单元定义, 并按0.1m×0.1m划分壳单元, 板两端支座简支。考虑钢构件两端均为铰接, 以钢框架单元定义下弦杆及腹杆, 同时释放杆端部弯矩^[6]。增加定义荷载标准组合:1.0恒荷载+1.0活荷载。

在各级外加荷载下, 对应试件ZB1～ZB4的有限元模型为CB1～CB4, 在荷载标准组合下的挠度值计算结果如表3所示。

由表3可知, 对于某一试件, 在所给的1～4级外加荷载下, 结构整体处于弹性状态, 板挠度与面荷载 (含自重) 呈正比关系。且在相同荷载作用下, 对于同种类支撑系统, 支撑间距900mm的板挠度比支撑间距600mm的板挠度高20%～25%。在相同荷载作用下, 对于同支撑间距的情况, 单支撑的预制板挠度比双支撑约高出160%～170%。说明双支撑对构件整体刚度的提高作用显著。将预制板挠度值扣除自重荷载作用下的竖向位移值, 可得预制板在外加荷载作用下的竖向位移增量, 如表4所示。对比表2和表4, 在外加荷载作用下, 预制板最大竖向位移增量试验值大于计算值, 且随外加荷载的增加, 试验值与计算值差距增大。说明外加荷载越大, 支撑系统整体刚度减小越明显。试验挠度随荷载增长趋势与计算挠度随荷载增长趋势一致, 但试验值均高于计算值, 为计算值的2.375～5.5倍。分析原因为:①下弦花篮螺栓与预制板连接位置处的平板套筒随荷载增大存在弯剪变形而发生向跨中方向的倾斜, 此变形对预制板挠度起不利作用;②单支撑情况下, 采用了钢丝绳加长花篮螺栓连接, 随荷载增加, 钢丝绳拉力增大, 钢丝绳在各股钢丝之间间隙更加紧闭, 同时钢丝绳在U形卡扣位置处可能发生微小滑移, 导致钢丝绳长度增大;③随荷载增大, 整体结构刚度发生退化。

考虑与施工检验荷载相等的外加荷载情况, 在外加荷载为3.25kN/m²时, 在板中心点沿跨度方向、垂直跨度方向分别做剖面, 预制板在剖切面上的竖向位移曲线如图5所示。

由图5可知, 对于单支撑情况, 沿跨度方向, 从支座向跨中, 板竖向位移逐步增大, 跨中竖向位移趋于平缓, 在单支撑且支撑间距为600mm的情况下, 跨中出现竖向位移减小的现象, 这是由于跨中三脚架两腹杆受压而对预制板有向上支撑作用。垂直于跨度方向, 对于支撑间距900mm的情况, 间距较大, 在中榀支撑与两边榀支撑之间呈2个凹槽状, 对于支撑间距600mm的情况, 间距较小, 因此垂直于跨度方向上板的竖向位移为中间小两边大。由图5可知, 对于双支撑情况, 沿跨度方向, 板在跨中无支撑长度900mm较大, 因此竖向位移最大点均出现在跨中。垂直于跨度方向, 板在支撑间距900mm、边榀支撑距平行于跨度方向的板边沿距离300mm的情况下, 由于支撑数量较少、整体刚度较小且支撑间距较大, 因此垂直于跨度方向上板的竖向位移为中间大两边小, 整块板呈中间凹陷形状。板在支撑间距600mm、边榀支撑距平行于跨度方向的板边沿距离300mm的情况下, 由于支撑数量较多、整体刚度较大且支撑间距较小, 因此垂直于跨度方向上板的竖向位移为中间小两边大, 整块板呈类似马鞍形。

计算表明, 预制板中心点不一定为预制板最大竖向位移点, 试验将板中心点作为预制板挠度的测量点具有一定的近似性。在外加荷载为3.25kN/m²时, 以板中心点作为挠度测点的误差如表5所示。

现以上述双支撑、支撑间距600mm的情况为例, 施工检验外加荷载为3.25kN/m²作用下, 分析各因素对预制板挠度的影响。

三脚架高度H依次取300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1 000mm, 其余条件控制不变。由图6可知, 从300mm开始, 随着三脚架高度的增加, 挠度逐渐减小, 但减小幅度逐渐降低。三脚架高度由300mm增至400mm时, 挠度值减小34.71%;由900mm增至1 000mm时, 挠度值减小9.10%。

下弦水平杆横截面积以100mm²的增量由100mm²逐步增加至1 000mm²。由图7可知, 增大下弦水平杆横截面积对挠度的减小作用逐渐减弱, 由陡降趋于平缓。下弦水平杆横截面积由100mm²增加至200mm²时, 挠度值减小26.74%;当下弦水平杆横截面积>400mm²时, 增大横截面积对挠度减小已无明显作用。而由900mm²增加至 1 000mm²时, 挠度值仅减小1.17%。

下弦斜拉杆横截面积由100mm²开始, 以100mm²的增量逐步增加至1 000mm²。由图8可知, 与增大下弦水平杆横截面积作用类似, 增大下弦斜拉杆横截面积对挠度的减小作用逐渐减弱, 由陡降趋于平缓。下弦斜拉杆横截面积由100mm²增加至200mm²时, 挠度值减小34.28%;当下弦斜拉杆横截面积>400mm²时, 增大横截面积对挠度减小已无明显作用。而由900mm²增加至1 000mm²时, 挠度值仅减小2.80%。

由图9可知, 改变腹杆横截面积对预制板挠度值影响有限, 当腹杆横截面积由100mm²以100mm²的增量逐步增加至1 000mm²时, 挠度减小仅5.95%。

1) 本文设计的带新型支撑系统的各预制板在叠合板第1受力阶段均满足规范挠度要求。

2) 相较于单支撑, 双支撑对支撑系统刚度贡献巨大。通过减小支撑间距可增大支撑系统整体刚度。

3) 新型支撑系统的下弦拉杆应尽量避免采用柔性材料, 钢丝绳自身变形及滑移会增大预制板挠度。

4) 带新型支撑系统的各预制板变形与支撑种类、支撑间距、腹杆位置等有关, 预制板最大竖向位移出现的位置不一定在跨中。

5) 对于同类支撑系统而言, 各因素对减小预制板挠度的效果比较为:增大三脚架高度>增大下弦杆横截面积>增大腹杆横截面积;且腹杆横截面积变化对预制板挠度影响有限。

6) 随着下弦杆横截面积的增加, 预制板挠度逐渐减小, 但减小的幅度逐渐趋于平缓。