叠合式结构的应用及效益分析
王守剑
（河南省建筑职工大学 河南省建筑工程学校,河南 郑州 450007）
摘要：作为一种新型的半装配式结构形式，预应力混凝土叠合式结构具有良好的经济效益。本文对比分析了在框架结构中采用应力混凝土叠合式结构的良好效益，并阐述了其在建筑工程设计、施工中的应用方法。
关键词：预应力混凝土；叠合梁；叠合板；设计；施工；经济效益
中图分类号：TU378 文献标识码：A
The Appliance and the Benefit Analyses of the Folding Structure
Wang Shoujian
（Henan Architectural Adult University，Henan Architectural Engineering School，Zhengzhou 450007,China）
Abstract: As a new type half-assembling structure, the prestressed concrete structure is of good economic benefit. In this paper, the author contrasts and analyses the good benefit of the structure applied in frame construction; as well as the appliance method in architectural design and construction.
Key words：prestressed concrete; folding pile; folding board; design; construction; economic benefit
一、概述
预应力混凝土叠合式结构是在预制的预应力混凝土构件上现浇一层钢筋混凝土而形成的半装配式结构形式，有预应力混凝土叠合板和预应力混凝土叠合梁两种形式。在预制的预应力混凝土薄板上现浇钢筋混凝土叠合层组合成的楼板结构，即为预应力混凝土叠合板，其跨中钢筋即为设置在预制预应力薄板中的高强度钢丝，支座负力矩钢筋则设置在现浇混凝土叠合层内。施工时预应力薄板作为永久性模板，在其上面现浇混凝土叠合层，即形成整体连续的楼板。
近些年来，预应力混凝土叠合式结构由于其较高的性价比而受到设计师们的重视，世界各地已有不少采用这种预应力混凝土叠合式结构的成功实例，如美国华盛顿100广场的Minneapolis大厦，沙特阿拉伯金融中心大楼，我国大连希望大厦等。大连希望大厦为面积8.9万m２的43层办公大楼，按地震烈度8度设计，楼盖结构原设计为现浇方案，改用预应力混凝土叠合板方案后，混凝土与钢材用量大大减少，施工速度加快，楼面结构施工进度提高为每3天1层。
二、经济效益分析
采用预应力混凝土叠合式结构可比常规现浇混凝土结构节约大量材料。以跨度为8m，活荷载为3.91kN/m２的楼板设计为例：采用现浇混凝土楼板设计，楼板厚度需250mm，每m２楼板需用混凝土0.25m３，普通钢筋18.30kg；若改用预制预应力混凝土叠合板设计，则需预制预应力薄板90mm厚，现浇钢筋混凝土叠合层90mm厚，叠合板总厚度180mm厚,每m２叠合式楼板仅需用混凝土0.18m,普通钢筋6.20kg，预应力钢绞线3.85kg。
对于各种截面形式的预制预应力混凝土叠合梁，也可实现用较少的材料获得更大的强度，取得更高的经济效益。以跨度为12m，中距为4m，活荷载为3.91kN/m２的钢筋混凝土梁设计为例：采用现浇钢筋混凝土矩形梁设计，如图1(a)，梁的设计截面尺寸为高850mm，宽400mm，每m梁长材料需要量为：混凝土0.288m３/m，普通钢筋42kg/m；若采用在预制预应力矩形截面梁上现浇混凝土叠合层设计，如图1(b)，则预制预应力矩形截面梁设计所需截面尺寸为600mm×300mm，上面现浇130mm厚混凝土叠合层，该叠合梁的每m梁长材料需要量为：混凝土0.18m３/m，普通钢筋6.0kg/m，预应力钢绞线8.47kg/m。
图1 预制预应力叠合梁设计与现浇混凝土梁设计对比
叠合板与现浇楼板相比，可减少现场浇筑混凝土量及支撑工作量的85%，现场配筋工作量减少80%，全部现场工作量减少45%-55%。 叠合楼板与全预制装配式结构相比，其预应力预制薄板的厚度薄，重量轻，可用轻型起重机吊装，运输和吊装重量减少60%。
除此之外，预制预应力混凝土叠合板结构还可以大大节约模板，此处预制板既是构成叠合板的组成部分,又可起到模板的作用.
三、叠合式结构设计计算
（一）承载力计算
预应力预制板与预制梁一般都采用与后浇混凝土面层相叠合的做法，以取得要求的抗弯与抗剪强度。对一般跨度与荷载条件下的梁，由竖向腹板中伸到现浇板中的箍筋面积是按梁的抗竖向剪力设计的。这一钢筋面积一般都能满足预制梁板与现浇混凝土板之间叠合面的水平剪力要求。叠合面受剪承载力计算公式为：
（1） 叠合梁：V≤0.12ftbh０＋0.85fyv
h０
式中ft——取叠合层和预制构件中混凝土抗拉强度设计值的较低值。
（2） 叠合板（不配箍筋）：
≤0.4(N/mm２)
（二）裂缝宽度验算
叠合构件和在使用阶段允许出现裂缝的预应力混凝土构件，应验算裂缝宽度。考虑到裂缝宽度分布的不均匀性和荷载长期效应组合的影响，其最大裂缝宽度应按下式计算：
wmax=2.2
(1.9c+0.8
)
Ψ=1.1-
（三）变形验算
预应力混凝土叠合构件应进行正常使用极限状态下的挠度验算，在使用阶段预应力反拱值w１２按下式计算：
w１２=1.75
式中：Ec1I01——预制构件的刚度。计算时，预应力钢筋的应力应扣除全部预应力损失。
（四）弯矩重分布
从生产的经济性出发，预制混凝土梁和板的设计应尽可能考虑构件的一致性和重复性,以适应跨度和荷载在一定范围内的变化.
这样生产的预制构件将具有相同的正弯矩配筋，而结构总弯矩要求的其余部分，则可根据需要负弯矩筋面积来调整，如图2。
四、叠合式结构施工工艺
图2 弯矩重分布
（一）预制预应力混凝土叠合板的施工工艺
将预制预应力薄板安装在墙（或梁）上，并加少量的可靠支撑，如图3。预制薄板作为永久性模板承受施工荷载。现浇混凝土按结构的要求铺设钢筋，其厚度也因跨度大小而不同，但至少应与预应力板厚度相等。为了保证薄板与现浇混凝土层很好地结合，一般在预制薄板内设置结合筋，并把表面处理成凸凹不平。
（二）叠合构件的连接方法
图3? 预应力叠合板施工工艺
用预制构件连接成框架结构最方便实用的方法是将预制构件中的钢筋伸入到现浇钢筋混凝土接头中，常见形式如图4。
图4 预制预应力叠合构件接头连接方法
此种方法可大大减少预制构件尺寸误差和拼接精度的不利影响，使框架结构的所有接头都能起到安全、连续和整体的作用，并且可通过附加负弯矩钢筋，以发挥构件体系的连续性和叠合整体作用，还对支撑点处预制梁或预制板的端面产生高压应力。这种压应力有助于发挥摩擦剪应力，亦即增加接头的竖向抗剪能力，从而也就降低了预制梁或板对大梁或承重墙支承面积的依赖性。
预制构件的钢筋或预应力筋也可伸出端面以发挥附加摩擦抗剪能力。在地震区，预制构件底部伸出的水平钢筋应搭接或焊接牢固，以抵抗所需的正弯矩。当遇地震时，整座房屋结构能安全地抵抗强大的水平和竖向的地面加速度。
五、结束语
预应力叠合构件具有良好的整体性能、足够的强度、刚度和延性，以及良好的抗震性能，是强震地区很适宜的一种结构形式。可比常规现浇构件节大量材料，同时，由于采用了预制混凝土构件，可进行工业化大批量生产，生产效率大大提高，构件质量也易于保证，缩短了施工工期。
参考文献：
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［2］ ACI Committee 318.Building code requirements for structural concrete(ACI318-99).
［3］ American Concrete Institute, Farmington Hills,Michigan,1999.
［4］ Yee A A. Structural and Economical Benefits of Precast/Prestressed Concrete Construc_tion. PCI Journal,2001,4.
［5］ 陶学康.《后张预应力混凝土设计手册》.中国建筑工业出版社，1998.
［6］ 杜拱辰.《现代预应力混凝土结构》.中国建筑工业出版社，1988.
［7］《建筑结构设计综合手册》.河南科学技术出版社，1990.
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收稿日期： 2006-09-29
作者简介：王守剑（1969-），男，河南滑县人，工程师，主要从事土木工程教学及其研究工作。
（责任编辑 张智勇）