谷明旺——对桁架钢筋叠合楼盖技术的再认识

中清科技 2018-02-08

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来源：深圳市现代营造科技有限公司

一、预制桁架钢筋叠合楼板的技术原理

预制桁架钢筋叠合楼板起源于上世纪60年代的德国，采用在预制混凝土叠合底板上预埋三角形钢筋桁架的方法，现场铺设叠合楼板完成后，再在底板上浇筑一定厚度的现浇混凝土，形成整体受力的叠合楼盖，叠合底板能够按照单向受力和双向受力设计，经过数十年研究和的实践，其技术性能与同厚度现浇的楼盖性能基本相当。

由于预制叠合底板可以在预制厂批量生产，不但生产效率高（合理使用自动化流水线可获得更高的效率）、产品质量好，而且现场施工时可以大量节省脚手架和模板，能够减少楼盖施工的人工和作业用具，降低了劳动强度，具有施工速度快、工程造价低的优势，技术已经非常成熟，在自动化流水线普及的欧洲地区非常流行。

本世纪初，万科集团、宝业西韦德等企业在装配式建筑中进行了大量的尝试，这一技术也被纳入《装配式混凝土结构技术规程》JGJ1-2014之中，并制定了配套的国家标准图集，在国内装配式建筑中成为主流的预制构件之一。

与我国传统不带桁架钢筋的预制叠合平板相比，桁架钢筋的引入增大了预制构件的刚度，在吊装和施工阶段，减少了预制叠合底板的变形，并增大了承受施工荷载的能力，支撑间距可以更大，简化了作业工序，降低了工人的劳动强度，具有一定的技术优势。

在技术性能方面，斜向的桁架腹杆增大了两层混凝土之间的结合力，在楼板接缝部位的上表面插入拼缝钢筋时，斜腹杆可以锁住拼缝钢筋，形成垂直于钢筋的法向应力，从而增大了混凝土对拼缝钢筋的握裹力，实现钢筋间接搭接，并能够形成双向受力的叠合楼板。在楼盖承受垂直荷载时，桁架的斜腹杆和斜向受压的混凝土能够承受两层混凝土之间的水平分力，有利于增强叠合楼板的整体性。

预制桁架钢筋叠合楼盖与传统现浇楼盖一样，仍属于普通钢筋混凝土（RC）的范畴，在受力状态下也是带裂缝工作的。众所周知，楼板的承载能力的富余度较大,设计时一般由挠度和裂缝宽度起控制作用，德国曾将叠合楼盖与全现浇楼盖进行对比，对于承载能力和变形性能做了大量的试验研究（详见宝业上海研究院樊骅先生提供的“FILIGRAN 格构钢筋系统.PPT”文件），证明了只要技术设计得合理，即使是密拼板缝的双向受力叠合楼板，与相同厚度的现浇楼板性能基本相当，在相同荷载作用下，楼板的挠度只增大了5%~7%，破坏形式和裂缝宽度基本一致，因此可以按照普通现浇双向板的计算和设计方法。随着国内装配式建筑的发展，使用桁架钢筋叠合楼板的项目日益增多，此类构件技术原理虽然简单，但如果桁架形式和构造方法产生变化，会带来不同的性能和效果，很多建设单位、设计单位、施工单位还是初次接触，对设计、生产、施工的技术和质量要求还处于一知半解的状态，在某些方面仍存在错误的认识，影响了这一技术的正常推广应用。

按照《装配式混凝土结构技术规程》JGJ1-2014条文规定的理解，桁架钢筋叠合楼板的“分离式接缝”（亦即“密拼板缝”）只能用于单向板的次要受力方向接缝，双向板的设计只能采用“整体式接缝”，叠合底板需要四面伸出钢筋，这给装配式建筑的设计、生产、施工带来了很大的麻烦，到底能否像国外一样，在双向板中应用“密拼板缝”的构造方式来简化生产施工？这引起了市场的普遍关心，结合国外对此技术数十年的应用经验和技术研究，可以肯定地说：即使是密拼板缝也可以应用于双向受力楼板的设计，但是在具体工程应用中还应该注意哪些问题呢？

二、国内外预制桁架钢筋叠合

底板应用的技术经济性差异

由于资源条件的不同，即使是同样的技术，在不同的国度具有不同的经济性。众所周知，欧洲地区的人工成本很高，现浇施工需要在室内外大量搭设脚手架，人工和辅助措施消耗很大，预制的桁架钢筋叠合楼板免除了模板工序，经济性优势明显，且施工现场干净整洁，大量的预制叠合底板在工厂制造，基本实现了“工业化”。随着国内装配式建筑越来越多，很多预制构件厂都在生产和销售桁架钢筋叠合楼板，结果发现“装配式建筑的造价普遍高于同类型现浇结构”，难道是桁架钢筋叠合楼板不适合国情，还是大家对桁架钢筋叠合楼板的技术掌握不到位？结合国情进行技术再创新能否找到新的出路？

我国经济仍处于发展的初期阶段，建筑工程造价明显低于发达国家，改革开放后，农村富余的劳动力转移到城市建设工地，人工成本相对较低，且混凝土生产配送和泵送技术发展相对成熟，造就了建筑施工普遍以现浇为主的局面，虽然现场作业人工和辅材消耗量很大，但是总体的造价成本并不高；如果采用桁架钢筋叠合楼板取代现浇楼板时，在“等同现浇”思维的指导之下，楼板施工成本明显高于现浇。仔细研究国内的设计和施工过程，不难看出与国外的应用产生了明显的差异，主要存在以下不同：

1、国内外楼板跨度和厚度的差别造成了技术的差异，国外楼板厚度大，且充分发挥了钢筋强度，因而经济性好，国内楼板多数为构造配筋，经济性差。国外的楼盖设计中，一般楼板的跨度较大，厚度多数为150~200mm，预制底板大量采用50mm厚度，不但解决了现场支模的问题，而且现场浇筑的混凝土厚度在100mm以上，因此楼板的整体刚度较好，即使是需要在桁架钢筋下进行水电管线的预留预埋，也有足够的空间，并且钢筋按照受力计算配置，充分发挥了强度。而国内项目的楼板设计厚度普遍小于国外，在小开间的住宅楼中，一般为100~120mm厚度，钢筋直径较小，很多时候是构造配筋，没有充分发挥钢筋强度，并且在JGJ1-2014和标准图集《桁架钢筋混凝土叠合板(60mm厚底板）》（15G366-1)中，都要求预制底板厚度不宜小于60mm，在楼板较薄的情况下，剩余的现浇层厚度只有40~60mm，远小于国外的现浇厚度，桁架下的剩余空间只有20~40mm，再加上制造误差的影响，难以满足水电管线预埋的需求，给现场施工带来了很大的麻烦，甚至不如现浇楼板施工方便。

为了满足预留预埋的要求，预制叠合楼盖总厚度一般要比现浇的项目加厚20~30mm，这就带来了另一个问题：楼面的恒荷载比同类现浇项目就增加了50~75KG/m2。楼体自重的增加进一步带来了梁、板、墙、柱和基础费用的上升，据测算，以一个使用20万平米预制叠合底板的项目为例，楼体自重会增加10000吨以上，相当于多用了4000立方米钢筋混凝土，按照预制构件价格3000元/m3估算，每平米增加的材料费为60~90元，这是目前国内装配式建筑在“等同现浇”技术路线下，建筑造价“不降反升”的重要原因之一。

2、桁架叠合底板的拼缝形式存在差异，带来了生产施工的困难增加了成本。国外的楼盖设计一般采用大跨度、大空间，并且多数把底板设计成单向受力，桁架钢筋叠合楼板一般不采用“四面出筋”的形式，叠合楼板可以采用密拼板缝，通过构造设计使得拼缝钢筋可以传递水平拉力，简化了构件生产工艺，便于施工安装；而国内设计师错误地把“等同现浇”理解成“等于现浇”，在跨度较小和楼板较薄的情况下，仍要设计成双向板，叠合楼板被设计成“四面出筋”，增加了构件生产时脱模困难，并且施工时需要在现浇拼缝部位支设模板，使得支撑横梁变短，加大了施工难度，不但施工效率低，而且成本大幅度提升，作业用具和人工成本增加了一倍以上。

左左图：大跨度叠合楼板桁架高、刚度大，只在两端伸出钢筋，两侧不出筋，生产安装速度快

右图：某国内项目采用小跨度叠合楼板，四面出筋，生产施工难度大

3、国内的桁架钢筋叠合楼板长度太短，相同面积的情况下，比国外增加了生产和吊装成本。按照装配式建筑的技术经济性规律，同样体积的混凝土构件，划分的构件数量越多，成本越高，构件数量越少，价格越便宜。叠合楼板的运输受到宽度的限制，国内外的桁架钢筋叠合底板宽度都在2.4~3米，由于国外普遍采用大跨度楼板，因此叠合楼板多数在6米以上，构件厂的模台长度在10~14米；而国内住宅的开间普遍在4米以内，叠合楼板的长度只有3~4米，同样面积的楼板，国内的构件数量增加了50%左右，生产和吊装次数的增加导致人工成本提高了一半，同时降低了施工速度会引起间接成本的增加。

清楚了国内外的桁架钢筋叠合楼板技术经济性差别，就需要对这一技术进行再认识，结合国情进行再创新，进一步改善PC建筑的经济性，以下是本人对桁架钢筋叠合楼板的一些思考和研究，与广大工程界的朋友探讨。

三、对预制桁架钢筋叠合楼板

技术的再认识

1、国内的预制桁架钢筋叠合底板厚度到底应该做多厚为宜？

按照国内的规范和标准，普遍要求“预制叠合底板的厚度不宜小于60mm”，这一要求是否合理？很多专家学者担心叠合板太薄容易开裂，本人曾提出“桁架钢筋叠合楼板有别于传统的预制叠合平板，底板的厚度并不是越厚越好”的观点，主要是考虑到以下因素：

（1）桁架钢筋有利于增大叠合板的空间刚度，减少运输和吊装施工期间的挠度变形。

（2）桁架钢筋叠合板与预制叠合平板在起吊和施工期间的受力形式不同，承载能力大于预制叠合平板。加厚底板对于提高承载力的帮助不大，反而会增大荷载，在起吊时更加不利。

（3）叠合底板的防渗漏能力有限，楼盖的防渗漏性能主要取决于现浇叠合层的质量，加厚底板于事无补。叠合底板在温度应力和干缩效应作用下，会产生细小的裂纹，在叠合层浇筑后，会把裂纹缝隙填充密实，自行愈合后不影响楼板的受力和防渗漏性能。

JGJ1-2014的6.6.2条规定“叠合板的预制板厚度不宜小于60mm，后浇混凝土叠合层厚度不应小于60mm”，我本人对此条规定持有保留意见。叠合板的钢筋直径一般为10mm，双向厚度为20mm，按照《混凝土结构设计规范》GB 50010-2010第8.2.2条之第2款规定“采用工厂化生产的预制构件”“当有充分依据并采取下列措施时，可适当减小混凝土保护层的厚度。”上下保护层厚度可以取10mm，最小厚度应该是40mm，考虑到构件的允许制作误差5mm，因此叠合底板的最小厚度应该不小于45mm，比较符合国情，同时需要采取措施保证板缝的接缝质量，以及防止拼缝钢筋锈蚀。

2、密拼板缝和开缝吊模两种构造设计相比，有哪些优缺利弊？

当一个房间的叠合楼板需要多块叠合底板拼接时，JGJ1-2014的6.6.3条对于叠合楼盖的预制底板拼缝给出了“分离式接缝”和“整体式接缝”两种做法，按照对该条文的理解，“分离式接缝”也就是“密拼板缝”只能适用于单向板的侧边接缝，不能应用于双向板设计，不适用于“长宽比不大于3的四边支承楼板”，我认为此条规定值得商榷。特别是图6.6.4和图6.6.5中，叠合板上均未明确桁架钢筋在板边的位置关系，所示意的“附加钢筋4”不能传递应力，起不到任何作用。

在JGJ1-2014的6.6.6条中要求“双向叠合板板侧的整体式接缝宜设置在叠合板的次要受力方向上且宜避开最大弯矩截面。接缝可采用后浇带形式，并应符合下列规定”，在实际工程中，多数房间均由两块板组成，因此接缝位置很难避开次要受力方向上最大弯矩截面处，如果按照此条规定，多数工程都很难设计成双向叠合楼盖，而国内开发商非常关注建筑的成本，一般都会追求做成双向板，这就产生了新的矛盾，甚至不得不把两块叠合板划分为更小的三块，以满足“次要受力方向上且宜避开最大弯矩截面”的要求，标准编制时，对于实际应用中所会遇到的困难明显考虑不足。

上图所示的“整体式接缝构造”做法，施工难度很大

“整体式接缝构造”由于缝隙过大，往往需要支模施工，叠合楼板一般采用顶撑加横梁作为临时的调平措施，叠合板底与横梁上表面紧密贴合，没有空隙，为了满足接缝部位支设模板的需要，只能切断横梁，模板两侧的横梁就难以保证水平，这就给现场施工带来了极大的难度，也无法保证施工质量，本人通过大量的现场调查发现，多数装配式项目受此问题的困扰。

某工程项目在客厅房间内的支撑和模板情况

上面的照片中，一个客厅由3块叠合楼板组成，采用整体式拼缝，每块叠合板下布置了6根支撑，每个拼缝下需要布置3根支撑，总共有24根支撑、9根短节的木方梁，要保证模板和叠合板底平齐还需要大量的工作，这些操作其实都是很困难的；如果采用3块叠合楼板密拼的方式，只需要9根顶撑和3根长的木方梁，并且取消掉拼缝模板，可以节省50%的现场施工用具和工作量，大大降低施工成本。

我时常在想“德国人为什么要发明桁架叠合楼板？难道不是为了提高质量和施工方便而是为了更加麻烦？”，是否我们的技术方法出了问题？采用四面出筋的“整体式接缝构造”拼缝做法，不但构件生产困难、施工困难，而且还难以保证质量，大量工程的拼缝部位由于表面不平整，往往需要二次打磨，操作难度很大，在无形中大大增加了施工成本，到底应该怎样进行改良？

德国规范DIN1045-1:2008-08 中关于叠合楼板拼缝搭接的示意图

其实在国外，桁架钢筋叠合楼板多数是采用“密拼板缝”，也就是规范上的“分离式拼缝”，但是JGJ1-2014规定该方法只能用于单向板，由于国内工程追求双向受力楼板，就不得不抛弃这一施工简便的方法，同时对这方面的研究也就相对较少。本人结合国外密拼板缝做法的研究资料，对国内相对较薄的叠合楼板进行了优化设计，在不增加楼板总厚度的前提下，只要对叠合楼板的设计稍作变动，采用两侧不出筋的密拼板缝型式，同样可以实现双向受力，已经在多个工程进行了应用，取得了良好的施工效果。改进后的方案如下图：

3、预制桁架钢筋叠合底板安装前出现裂纹，能否继续使用？

如果预制桁架叠合楼板出现裂纹，是否就一定需要报废？这是施工现场普遍关心的问题。

预制桁架钢筋叠合楼板只是叠合楼盖的半成品，预制的底板在施工过程中只需要承受自重和施工荷载，并且把荷载作用传递给下部的支撑，现浇完成形成整体的楼盖后，其正常使用状态下的承载能力、变形控制等性能都必须满足规范和设计的要求，因此按照《混凝土结构验收规范》GB50204-2015的规定，叠合楼板是不需要做结构性能检测的，在JGJ1-2014和GB50204-2015都只对叠合楼板提出了外形尺寸偏差的检验要求，对于构件的质量缺陷中，并没有规定挠度变形和裂缝宽度的要求，只对持久状态的裂缝宽度进行验算，这是因为预制叠合构件只是中间半成品，这样规定是比较合理的。

从国内多数施工现场叠合楼板的裂纹情况看，裂纹（注意是“裂纹”而不是“裂缝”）多呈现不规则形状，类似于“龟裂”，这种裂纹的分布特点是多数靠近在钢筋位置（钢筋和混凝土在温差变化下，存在细微的伸缩差，应力和应变集中导致开裂），且板块中间多，四周相对较少，这类裂纹主要是由于混凝土干缩和温度涨缩造成的，一般分布较广且纹路很细，在干燥状态难以辨认，但在淋水状态下会形成渗水，在板底很容易观察到。

以下是本人2010年所做的装配式建筑的试验样板房施工过程照片，楼面和屋面的叠合楼板均采用密拼板缝型式，过程中才发现大部分预制叠合底板存在裂纹，施工后对试验样板进行了长期观察。

左图：淋水前看不见裂纹，拼缝处透光

右图：拼缝已经密实，板底裂纹渗水明显

从以上照片可以看出，10mm的拼缝部位在施工前明显透光，施工过程也会有水泥砂浆渗漏，但是施工完成后拼缝已经基本密实，叠合底板裂纹已经渗水显露。

该部位为屋面板，楼板上表面未作防水处理并自然暴露，经过18个月的观察，未见任何渗漏。经过分析发现：对于叠合楼盖，在现浇层混凝土浇筑施工过程中，湿混凝土的水泥浆可以渗入预制叠合底板的裂纹中，不断地填充裂纹缝隙，直至填满为止，如果施工过程中在板底进行观察，可以发现裂纹的渗水逐渐成浑浊的乳白色，甚至出现水泥的灰色，在混凝土初凝后才基本停止渗漏，此时混凝土浆液开始在裂纹中不断结晶硬化，填补了所有的空隙，使得裂纹自行愈合。在混凝土完全硬化后，楼板下表面裂纹处甚至可以清晰看到浆液的结晶体（一般呈灰白色），混凝土裂缝的出现自愈合的现象，裂缝愈合后的混凝土不影响承载能力，且抗渗性能方面优于全厚度整浇的楼板，从长期使用情况看，后期开裂的风险大大降低，主要是由于预制底板的徐变已经完成，缝隙中的结晶体密度较高，因此这类的裂纹为无害缝隙，不会影响楼板的性能。

如果叠合楼板的板面和板底同时出现可辨识的较长裂缝，往往是由于吊点设计不合理，或者储存、运输、吊装过程的损伤引起，此时应对裂缝情况进行分析评估，采取相应的措施后方可继续施工和使用。比如采取加密板下顶撑缩短支撑间距、并且在裂缝部位增加一层钢筋网片（相当于密拼板缝的拼缝钢筋作用，一般按设计配筋的110%截面，且长度大于2倍锚固长度）的加固方法，以保证叠合后的楼盖在性能上不低于原设计要求。

当叠合板的裂缝出现上下裂通的规则通缝，裂缝宽度大于0.5mm，且桁架筋上弦杆出现明显的压曲变形时，应该进行报废。在施工过程中经过淋水显现的细小裂纹，不会影响工程质量，在涂料粉刷后也不影响正常使用。

4、加厚预制桁架钢筋叠合底板的厚能否起到防止裂纹的作用？

按照国内的规范和标准，普遍要求“预制叠合底板的厚度不宜小于60mm”，这一要求是否合理？在《装配式混凝土结构技术规程》JGJ1-2014的编制过程中，本人曾提出叠合底板的厚度并“不是越厚越好”的观点。

一种观点认为：为了防止叠合楼板在运输、吊装以及承受施工荷载过程中，叠合楼板应该厚一点有利于防裂，因此才出现了“叠合楼板的底板厚度不宜小于60mm”的规定，由于国内建设体制的影响，多数人把“不宜”理解成“不应”而不敢突破，就造成了国内小跨度的叠合楼板厚度都不小于60mm，而欧洲的大跨度叠合楼板大量采用50mm厚度的怪现象。那么，底板加厚否真的有利于叠合楼板防开裂？

在温差作用下，钢筋混凝土会出现热胀冷缩，在相同的温差和伸缩变形下，混凝土中的温度应力基本相同，构件的截面和刚度越大则产生的伸缩力越大，反之则伸缩力越小，伸缩力转换为混凝土和钢筋的拉压力，当拉应力超过混凝土抗拉能力时，混凝土就会开裂。当叠合底板配筋不变时，如果混凝土底板越厚，温差引起的混凝土应力越大，因此更加容易开裂产生裂纹。

叠合楼板在硬化成型后，在储存、运输、吊装过程中，一般是按照简支状态受力，其变形主要由桁架的刚度和构件自重决定，在桁架高度不变的情况下，增加底板混凝土厚度并不能减小挠度和裂缝，反而会加大变形，因此叠合板应该越薄越好（预应力带肋叠合楼板的底板厚度只有35mm左右，由于预应力的存在，底板一般不会开裂）。

在能够保证叠合楼板钢筋保护层厚度的前提下，尽量减薄叠合楼板，增加现浇混凝土厚度，可以降低构件成本、方便现场水电管线安装，有利于提高楼盖质量，节约工程造价，因此，在板底配筋设计不变的前提下，加大底板厚度有害无益。

四、双向板预制叠合楼盖

设计和施工的技术要点

通过前面的讨论，我们认识到采用在叠合楼板上部进行倒角，能够加厚拼缝部位的局部现浇层厚度，在桁架钢筋的约束下，可以使拼缝钢筋与底板受力筋实现间接搭接，并传递轴向拉压应力，实现双向板的密拼板缝，能够减薄板厚、简化生产施工，综合降低造价成本。根据双向楼板的受力特点，在具体的设计、施工过程中还需要掌握以下要点：

1、叠合楼板上下均需要做倒角，侧边可以不伸出钢筋，上倒角不小于20*60，用于增加接缝刚度和防止钢筋锈蚀；下倒角10*10，拼缝宽度10mm用于调节误差。

2、拼缝处现浇混凝土的厚度应该大于楼板总厚度的2/3，楼板在拼缝部位的剩余刚度应不小于总厚度的30%，可以按照双向板受力设计。

3、施工时，应保证拼缝部位左右叠合板底面平齐，误差不大于3mm。

4、拼缝钢筋数量按照不小于板底受力筋截面积的110%，并附加两根∅6的通长分布钢筋。

5、拼缝钢筋穿过桁架钢筋后应满足搭接长度。

五、如何减少预制叠合底板

裂纹的产生？

非预应力的预制桁架钢筋叠合楼板的裂缝主要是由于干缩和温度变化，以及储存、运输、吊装不当引起，因此应该从如下方面治理：

1、加强养护。构件脱模后，无论是否达到设计强度，在堆场应该洒水养护不小于7天，防止混凝土过早失水干缩产生裂纹。

2、适当的遮荫减小温差。有条件应该尽量在室内储放构件，在室外储存码放时，最上层应该采取遮阴措施，防止温差过大产生裂纹。

3、构件按照设计的吊点位置进行码放。构件吊点应该有明显标识，码放的支点应该与设计的吊点位置相对应，且上下各层的支点应该对齐，防止次应力过大开裂损坏。

4、运输时，应该绑扎牢靠，防止颠簸损坏。