关晓彤参加的综艺节目:现浇预应力混凝土空心楼盖技术研究

现浇预应力混凝土空心楼盖技术应用研究

许 曙 东   

1.       绪论

由于现浇混凝土空心楼盖能够较大幅度的减少结构自重，提升结构的综合使用性能，因此这一技术在国内得到了越来越广泛的应用，也是建设部2004年科技推广应用项目之一。2004年中国工程建设标准化协会颁布了《现浇混凝土空心楼盖结构技术规程》（CECS 175:2004），现浇混凝土空心楼盖这一新技术有了指导性文件。

预应力结构技术相对于空心楼盖技术具有更为悠久的历史，已经有了100多年的历史，在我国得到大面积应用也有20年的历史。预应力混凝土结构相对于普通混凝土结构，具有减少混凝土截面尺寸、增大跨高比、减少结构裂缝和变形等技术经济优势，目前已经是建筑桥梁结构上实现大跨度结构最为有效简便的方法，也解决了工程结构中遇到的许多难题，随着新型预应力材料、工艺的不断进步，预应力结构理论和工程实践的完善，其应用也会越来越广泛。

从上述的空心楼盖技术和预应力技术各自的结构受力特点分析可以看出，两种结构原理虽然各不相同，空心楼盖更偏重减轻结构自重，而预应力实质上是通过外力来改善结构内部不同部位的受力状况而达到改善结构受力性能的目的。两种技术既具有相似之处，又有各自不同的特点，两种技术的结合就是一项具有非常重大意义的技术革新和技术进步，不仅可方便的实现建筑结构的更大跨度和跨高比、还可以有效降低层高或者增大有效净空，而且具有大幅度减少混凝土用量、减轻结构自重、降低地震作用和减少基础土方量等优势，在建筑使用功能上也可以加强隔声和隔热效果。所以这两种技术的结合，都大大提升了各自的应用范围，具有良好的技术和经济效益，也得到了越来越多建设单位、设计单位的认可，工程应用越来越多。

2.       技术及经济特点

预应力技术应用在空心楼盖结构中，主要优越性表现在两个方面：其一，技术上改善结构本身的性能，改善其他相关构件的受力性能、拓宽了空心楼盖的使用范围；其二，经济上降低了材料的消耗，节约建造成本，也减少了建筑物的维护费用。

2.1 技术特点分析

2.1.1 改善结构的受力性能

预应力相当于对结构施加一组自平衡外力，两端的对结构施加的轴向压力可以抵消全部或部分拉应力，从而减少可能产生的裂缝宽度。跨中部位与结构受力反向的平衡荷载则可以抵消部分或全部结构自重和其他荷载，从而改善结构正截面的受力性能，降低或消除结构在使用荷载下的挠度变形。

纵向预应力的施加对改善结构受剪性能也有显著的作用，对空心楼盖结构，其混凝土截面大大降低，其抗剪主要依靠空心管或箱体之间的肋梁混凝土和构造配置的箍筋来承担，预应力的施加可以弥补结构剪切的削弱。

预应力混凝土结构相对于普通混凝土结构，在正常使用阶段具有更为明显优势就是预应力构件的变形或裂缝的弹性恢复能力，结构荷载施加上，结构产生裂缝或变形，荷载去除后，结构恢复原状，裂缝部分或完全闭合。这点对大跨度空心楼盖结构就更为有利。

              预应力技术拓宽了空心楼盖的应用范围

当结构跨度较大的时候，无论单向或者双向结构，结构分析表明，一方面自重对其影响越来越大，这点可以通过通过使用空心楼盖减少结构自重，另一方面往往这时候承载能力已经不是结构设计的控制因素，而正常使用阶段设计的变形和裂缝宽度控制成为了制约因素。所以非预应力空心楼盖的跨度就受到了很大的限制，与预应力技术结合后，就可以有效的改善结构正常使用阶段的变形和裂缝，拓宽了空心楼盖的应用范围，提高了应用跨度，对单向结构已经实现的跨度为27m，双向结构实现了24mx24m的结构形式。

2.2 经济特点分析

2.2.1 由于预应力空心楼盖结构可以较大幅度的降低结构的断面尺寸，减轻结构自重，从而也就可以减少结构混凝土的用量和钢筋的用量，从而也可以降低结构的造价成本。尤其对较大跨度空心楼盖结构中，控制因素为变形和裂缝而不是承载能力，此时单纯增加普通钢筋对结构性能改善的效率已经非常低了，而采用预应力技术的经济效果就更为明显，不仅可以实现普通混凝土结构实现不了的跨度，而且可以大大降低普通钢筋的用钢量，经济效益非常明显。

2.2.2 除了采用预应力技术的空心楼盖可以降低一次性建造成本外，对结构的维护成本的降低也较为显著。因为普通混凝土的结构维护最常见的问题就是结构裂缝以及裂缝引起的钢筋锈蚀等，而预应力技术恰恰对混凝土构件的裂缝和变形改善最为明显，所以对延长结构使用寿命、提高结构的耐久性都具有积极作用。

2.2.3 空心楼盖结构具有的隔热保温作用对降低建筑的能耗、减少使用费用也有一定作用，也符合国家建设节约性社会的产业政策。

3.       设计、施工要点

预应力空心楼盖从结构受力形式上分为单向受力和双向受力两种，一般情况下均按照“混凝土结构设计规范”（GB50010-2002）的规定进行划分，两边支承的板按照单向板计算，长边和短边跨度比在2.0以内的按照双向板计算，对按短向受力的单向板计算的构件，在长向均要布置足够数量的构造钢筋。

3.1 单向受力预应力空心楼盖构件的设计和施工要点

3.1.1 设计要点

对于两边支承的空心楼盖结构按照单向板进行设计计算；对于四边支承的结构，当长向与短向比在3.0以上时，也按照单向板进行计算；但对于四边支承长向与短向比在2.0-3.0之间的构件，按照混凝土规范的规定宜按照双向计算，但在实际工程中，考虑到大跨度预应力空心楼盖的楼板厚度比较大，已经不能完全按照简单的弹性板计算，其具有了很多厚板的特性（主要表现在剪切变形），再加上相关理论不完善，故为安全起见，对这类构件，依然按照单向受力构件进行设计计算。

对单向受力预应力空心楼盖，其厚度一般均较周围结构的楼板厚度为大，不能为其提供足够的嵌固条件，所以设计计算时对单跨空心板两边可作为简支条件。

单向预应力空心楼盖内模一般采用圆形截面的筒体，材料可为水泥薄壁管、轻质聚合物材料或者金属波纹管等。这样就可以将筒体按照等面积等惯性模量的方法折算成矩形截面（Hh=0.866D,Bh=0.907D,D为内模直径），从而将单向板简化为工字型截面的预应力简支梁进行极限承载能力和正常使用极限状态计算。

3.1.2 施工要点

预应力单向空心楼盖的施工综合了普通钢筋混凝土施工、预应力施工和内模安装三部分组成，施工前制定详细可行的技术方案尤为显得重要。其施工流程如下：

 支板底模，铺放板底铁，底铁分布钢筋

                       ¯

  铺设空心板肋骨架钢筋      无粘结筋工厂定长下料

¯                      ¯

固定预应力筋的定位筋      固定端挤压锚具组装

¯                         ¯

                   穿预应力筋        运至现场，并垂直运输至铺放部位

                       ¯

 节点安装         铺放空心管

                       ¯

                     支端模

                       ¯

                   隐检验收

                       ¯

                  浇筑混凝土

                       ¯

                  张拉预应力筋

                       ¯

预应力筋端部处理

筒芯内模为全封闭的圆柱体，其自身必须具有一定的强度要求，能经受住施工过程中轻微的碰撞和施工人员的轻踩，在铺放前要根据图纸做好排列图，严格按照图纸施工。预应力布置在空心管之间的肋梁中，其要先于空心管安装前铺放，并严格保证曲线的矢高，误差范围不超过10mm。

筒芯内模的准确定位是预应力现浇空心楼盖施工的一个关键环节，楼板中一般是双层配筋，筒芯就位于中间位置，底层配筋必须固定牢靠，筒芯与底层钢筋可靠接触，然后把筒芯固定在模板或者支撑系统上，解决混凝土浇注过程中筒芯的上浮问题。

由于楼板厚度较大，剪切变形不可忽略，在筒芯距离梁边必须保留一定宽度的实心带，宽度按照规范规定不小于0.2h（h为楼板厚度）。

筒芯的排列要顺直，要保证混凝土肋梁的误差宽度不能大于10mm，筒芯铺放完毕后禁止重物碰撞，施工人员走动要搭设马道。

由于水暖留洞要受到现浇空心楼板钢筋布置的限制，在进行图纸深化时，要充分考虑电气预埋管与筒芯的配套，必要时留出埋设通道。

混凝土浇注时，要认真测试拌合物的各项指标，塌落度不低于160mm为宜。混凝土振捣要逐个肋间连续进行，严禁漏振。

预应力一般采用的都是无粘结预应力，单根张拉，一般为双向布置（短向受力，长向构造配置），铺筋时应保证预应力筋的设计矢高，且避免施工中的混乱。铺设预应力筋前还要特别注意与非预应力筋的铺设走向位置协调配合一致。预应力筋的铺放顺序及位置应与普通钢筋的铺放顺序与位置相协调；为了充分发挥预应力筋的作用，使跨中预应力筋的高度尽量低。

从预应力筋开始铺设直到混凝土浇筑，避免在预应力筋周围使用电焊，以防预应力筋通电造成强度降低。

混凝土达到设计要求张拉强度（100%）后方可进行预应力筋的张拉。张拉前总包单位应提供同条件养护的混凝土试块强度试验报告单，如有后浇带则应在后浇带封带并达到设计要求的张拉强度后才能张拉，在张拉完成之前，板底的支撑不能拆除。

张拉后，应将锚具外露的预应力筋预留不少于20mm长度后将多余部分用机械方法切断，将张拉端清理干净，再用细石膨胀混凝土或环氧砂浆封堵。密封后钢筋不得外露。

3.2 双向受力预应力空心楼盖构件的设计和施工要点

对于四边支承长边和短边跨度比在2.0以内的，除由于特殊原因（比如一方向竖向构件比较薄弱，不能可靠传递荷载）可以按照单向进行计算外，通常情况下应按照双向进行设计计算。对于双向板中如何布置空心管的问题，以往的做法是按一个方向布管，板按单向控制配筋。这样对板是安全的，但却是不经济的，而且对四周的框架梁则会出现梁上荷载分配不均匀，垂直于板孔的梁分配的荷载较平行于板孔的梁较大的情况。但如果采用薄壁箱体，在板底钢筋和板面钢筋中间埋置大规格的薄壁箱体（箱体的中部设置竖向孔洞，以利于箱体下部混凝土的浇捣密实），这个问题就不存在了，双向板依然是双向受力，“现浇混凝土空心楼盖结构技术规程”（CECS175:2004）在3.3条对箱体的规格提出了一些具体要求，在6.1.4条对采用箱体的现浇空心楼板的构造也提出了规定。故双向受力构件，应采用箱体内模，而不能采用筒体。

采用箱体内模的预应力空心楼盖，可以简化为双向工字型截面肋梁交叉组成的双向板进行计算，支撑条件根据实际情况而定，通常情况单块板应作为四边简支考虑，内力和变形系数可以查阅静力手册得到。其余设计计算基本与单向构件一致，不再赘述。

在施工中，箱体内模相对于筒体内模最大的难点在于混凝土的浇注。由于箱体尺寸较大（一般为1米见方），如何保证箱体底部的混凝土浇注质量就显得尤为重要。为此，在箱体的中间部位一般预留有直径不小于10cm 的混凝土浇注孔，可以通过这个孔道进行混凝土浇注和振捣，确保底板混凝土的浇注质量。

现今预应力箱体内模的空心楼盖工程实践不是很多，设计计算和施工工艺还在不断完善之中，由于其双向受力非常明确合理，其应用也必将越来越多。在本文的第4节，将给出一个采用箱体内模的24m x 24m双向空心楼盖的设计和施工实例。

4.       工程实例

某工程建筑用途为村民活动中心，在结构首层顶板设计了一块24m×24m的大板，采用预应力现浇空心楼盖体系，筒芯采用1000×1000×500的水泥管箱体，楼板厚度为660mm，采用无粘结预应力技术，预应力筋的强度标准值fptk=1860 N/mm²，单束面积A­­p­=139mm^­­2，弹性模量Ep=1.95×10⁵N/mm²，无粘结预应力筋摩擦系数k=0.004/m；μ=0.12/rad，在空心板周边的框架梁中采用有粘结预应力筋，有粘结预应力筋摩擦系数k=0.0015/m；μ=0.25/rad，张拉控制应力σcon=0.7× fptk=0.7×1860=1302 N/mm²。混凝土强度等级为C40，轴心抗压强度设计值fc=19.1N/mm²，非预应力钢筋采用HRB400钢筋，fy= fyˊ=360N/mm²   。楼面除楼板自重外考虑2kN/m²的恒载，活载取3.5 kN/m²。

经过极限承载力计算和正常使用极限状态计算，按四边简支的双向板计算，板厚取660mm,箱体高度为500mm,上下混凝土面层厚度均为80mm, 满足“现浇混凝土空心楼盖结构技术规程”（CECS175:2004）中6.1.4条“板顶厚度、板底厚度不小于50mm,且板顶厚度不应小于箱体底面边长的1/15”的规定。根据箱体的规格尺寸，在箱体之间设置宽度为300mm的肋梁，其中布置12束无粘结预应力筋，均为双向布置，预应力筋为单端张拉，双向板承载力和变形均满足规范的要求。空心板箱体预应力筋平面布置及断面见下图所示。

与普通混凝土板相比，现浇预应力空心板施工过程增加了预应力钢筋的铺放和箱体铺放工序，而且各工种如钢筋、模板、管线相互交叉，在预应力空心楼盖施工前进行详细的施工技术交底，要求优先保证预应力钢筋和箱体铺放的准确定位。具体的施工流程是：（1）支板底模，按施工图所示在底模上弹线放样，准确标出肋梁及箱体位置；（2）按施工放样铺放底铁钢筋；（3）铺放空心板肋梁骨架钢筋及构造钢筋；（4）在箱体肋间铺放预应力筋定位钢筋，铺放预应力钢筋并进行节点安装；（5）铺放箱体，同时进行水电线管的施工；（6）铺放箱体限位钢筋，绑扎板上铁钢筋；（7）隐蔽工程验收，浇筑混凝土；（8）混凝土强度达到设计要求的强度后，进行预应力张拉，并对预应力筋端头进行封堵处理；（9）拆除板底支撑和模板。

现浇预应力箱体空心楼盖

由于采用的是正方形的箱体材料，相对于以往的单向筒体空心管材料，对双向受力结构实现了真正意义上的双向受力，实际结构与设计计算模型完全一致，改变了以往筒体空心材料时设计计算模型与结构实际受力不一致的情况。与预应力技术结合后，更实现了大跨度大空间，本工程的成功实现为将来其他双向空心楼盖结构的设计和施工均提供了实践经验，会大大推动这一技术的进一步推广应用。

采用箱体材料，由于箱体本身平面尺寸较大，达1米见方，所以对箱体底部板的混凝土浇注和振捣有很大的影响，规程中也提出了类似的要求。所以在箱体的中部设置了竖向孔洞，以利于混凝土浇注和振捣。本工程板底模拆除后板底混凝土非常平整，没有任何漏振或孔洞，效果很好。

 箱体的固定和抗浮也是施工工艺中很重要的一环，包括抗浮固定和位置固定。本工程采用在板上层钢筋绑扎完毕后，用铅丝穿透模板将箱体和上层钢筋与支模拉结钢筋锚紧的固定方法。

箱体与水电管线盒相交的处理措施，箱体下部混凝土厚度只有80mm，减去双向板筋和保护层，故水电管线盒的布置要尽量顺着肋梁方向横平竖直布置。

5.       结论和建议

5.1 预应力现浇空心楼盖结构，由于其自身具有的技术和经济优势，作为一项新兴的技术，其必然具有更为广阔的发展前景。

5.2 应根据不同的结构形式和受力特点，选用单向筒体或者双向箱体的空心楼盖体系。预应力筋布置在筒体或箱体之间的肋梁中。

5.3 相关内模产品质量必须具有可靠保证，预应力施工企业应具有丰富的空心楼盖设计和施工经验，配合设计单位进行深化设计。

5.4 按单向预应力空心楼盖，另一方向要构造配置一定数量的预应力钢筋和非预应力钢筋。

5.6 预应力空心楼板厚度一般都较大，应按照规范要求进行抗剪计算或者设置混凝土实心带，并配置构造钢筋。

5.6预应力现浇空心楼盖结构设计和施工是紧密联系在一起的，由于是多种技术形式的结合，设计和施工难度都较大，为确保工程质量，参与各方必须各司其职，严格按照图纸和规范要求精心组织施工，确保工程质量。

[参考文献]

1. “现浇混凝土空心楼盖结构技术规程”（CECS175:2004），中国计划出版社，北京，2004

2. 现浇混凝土楼设计中的几个问题，白生翔，全国现浇混凝土空心楼盖结构技术交流会论文集，上海，2005.07

3. 预应力技术在现浇混凝土空心楼盖中应用的特性，徐焱，，全国现浇混凝土空心楼盖结构技术交流会论文集，上海，2005.07