中美预制预应力混凝土双T板构件对比
引言
预制预应力混凝土双T板（下文简称“双T板”）是一种先张法预应力混凝土构件，由受压翼缘和两排腹板组成，因其横截面呈两个“T”形而得名，如图4所示。双T板一般采用高强预应力筋和高强混凝土，其横截面受力合理，自重轻，承载力大，可以广泛应用于大跨度、重荷载的结构中。双T板是美国人HarryEdwards于1952年设计成型的，当时的双T板翼缘宽为2.4m，跨度大约15m。经过近60多年的发展，如今的双T板翼缘宽度可达4.5m，跨度可达40m。
美国是双T板应用最为广泛的国家，特别是在装配式车库中采用双T板楼盖已成为流行，而且双T板还被用作外墙板。我国双T板的研究与应用起步于上世纪60年代，主要用于小跨度工业厂房的屋（楼）盖中。从上世纪90年代，黑龙江大庆地区率先将双T板推广应用到大跨度工业厂房屋盖中，并开发了双坡形双T板产品。目前，双T板在我国东北三省、山东省以及江苏省等有较多的应用，但总体上相对于美国的应用水平仍有一定差距。本文通过对中、美两国的双T板构件在外形及尺寸、预应力筋和普通钢筋的配置、产品型号与选型等方面进行对比，可为完善我国双T板的设计提供参考。
1 相关技术标准
1.1现行技术标准
目前，中国还没有专门的双T板产品标准，工程应用中主要参考国家建筑标准设计图集《预应力混凝土双T板》（下文简称为“双T板图集”）SG432-1~3进行产品的生产与选用。部分省市还编制有相关标准图集，例如山东省的《钢绞线预应力混凝土双T板》鲁L06GT08，辽宁省的《预应力混凝土双T板》辽2013G403。另外，对于特殊情况，设计人员可根据《混凝土结构设计规范》GB50010的有关规定进行双T板设计。
美国双T板生产与选用主要参考美国预制/预应力混凝土协会编写的《PCI设计手册》（下文简称“PCI手册”），但PCI手册[8]仅给出截面尺寸、配筋量、适用跨度及荷载，并未给出具体的预应力筋配筋数量、形式和非预应力筋数量，这些参数需由各构件生产商根据美国混凝土结构协会编制的设计规范ACI318进行深化设计，例如美国混凝土技术公司CTC即编制有一套企业产品标准。
1.2技术要点
设计双T板时，除应考虑持久设计状况下的正常使用极限状态和承载能力极限状态的设计外，尚应进行短暂设计状况下施工阶段的验算，包括脱模起吊、运输、堆放及安装等。从构件设计的技术指标上看，中、美两国规范有明显的区别，特别是正截面抗裂、脱模起吊以及端部承载力等方面。
（1）对于双T板抗裂验算，中国设计规范GB50010要求按二级裂缝控制等级进行设计，即在荷载效应标准组合下，受拉边缘的拉应力σct不大于混凝土的抗拉强度标准值ftk，美国设计规范ACI318和PCI手册也是按不允许出现裂缝的U类构件进行设计，但其要求为：σct≤1.5ftk。相对而言，中国规范对双T板裂缝控制更严格，由此会加大预应力筋配筋量，并可能带来反拱过大、端部容易开裂等问题。
（2）脱模起吊时，模板会对构件产生较大的吸附力，一般通过自重乘以脱模吸附系数加以考虑。中国的标准图集SG432[2-4]没有考虑脱模附加力的作用，仅考虑了1.5的动力系数。中国《混凝土结构工程施工规范》GB50666统一取脱模吸附系数为1.5，而美国PCI手册取的脱模吸附系数为1.7。因此，相对而言，中国规范考虑的脱模吸附力偏小。
（3）对于先张法预应力构件端部的设计，美国有较充分的研究，PCI手册有完整的规定，特别是对端部的裂缝控制和承载力计算，但中国规范缺少具体的规定，而标准图集SG432[2-4]则主要根据经验确定。
2构件形状对比
2.1整体外形
我国多将双T板用于工业建筑的屋面，常采用双坡板；而美国多用于车库，常采用平板。在预应力筋放张时，板的两端和跨中易出现开裂，且在双T坡板中尤为严重。为解决这一问题，我国技术人员根据经验，提出了在双T板两端及跨中设置横肋的方案，如图1所示，并将加肋方案沿用到了双T平板中。值得注意的是，美国的双T平板并无横肋，这是中、美双T板应用的一个区别。因此，对我国双T平板是否可以取消横肋值得进一步研究。
2.2构件横截面
双T板横截面控制参数主要有：截面高度h，截面宽度b，中间翼缘厚度tf，悬挑翼缘根部厚度tf1，悬挑翼缘端部厚度tf2，腹板根部厚度tw1，腹板端部厚度tw2，以及翼缘端部倾斜角θ，如图2所示。另外，根据翼缘上部有无叠合层，美国PCI手册分为无后浇、后浇以及预先浇筑混凝土三种情况。中国图集SG432对叠合层未有统一规定，仅在2m宽双T平板要求叠合层厚度不小于50mm并给出了配筋要求，而且在进行双T板设计时，图集并未考虑叠合层混凝土对构件承载力的贡献，仅作为附加荷载。
以跨度15m、承受活荷载在2.5kN/m2左右的设计条件为例，中、美双T板横截面尺寸对比如表1所示。可见，中、美双T板的宽度、高度、中间翼缘厚度接近，且腹板均为上大下小的倒梯形；中国双T板采用变截面的悬挑翼缘，翼缘根部较端部厚，而美国双T板采用等厚度的悬挑翼缘；中国双T板翼缘边缘为内倾的斜角，便于双T板间接缝的后浇混凝土捣实，但要求脱模前边缘模板需打开，而美国双T板连接多预埋钢件，因此其翼缘边缘大多无斜角。尽管采用变截面的悬挑翼缘可节省材料，但如果悬挑端过薄，在脱模起吊、运输及安装过程中易于磕碰而损坏，而且当有受局部重载（如叉车轮压）时，也会由于承载力偏低产生局部冲切破坏。
图1 中国双T平板整体外形示意
2.3构件端部
中国双T板端部一般为平口式，而美国双T板常采用缺口式（也称“刀把式”）端部。平口端部的双T板一般搁置在支承构件的顶部，而缺口端部双T板往往与倒T形或L形梁配合使用，如图3所示，可以有效降低层高，且便于采用叠合式刚性楼盖。双T板的缺口式端部受力较为复杂，特别是需要考虑缺口根部的直剪承载力计算，而我国规范GB50010并未提供相应的计算方法，使得设计缺少依据。PCI手册中对缺口式端部的设计提出了详细的计算方法和构造措施，可为相关设计参考。
3 构件配筋对比
3.1预应力筋
中国双T板采用螺旋肋钢丝和钢绞线作为预应力筋，其中的螺旋肋钢丝的公称直径为7mm，强度为1570MPa，钢绞线的公称直径为12.7mm和15.2mm，强度为1860MPa。美国双T板的预应力筋大多采用公称直径为12.7mm、强度为1860MPa的钢绞线。
图2 双T板横截面控制参数
预应力筋线形上，中国双T板采用的是直线形，而美国双T板除直线形外，当跨度较大时，还采用单折点或双折点的折线形预应力筋。与直线形相比，折线形预应力筋线形与构件的实际弯矩图更为接近，可以减小构件产生的反拱值，有利于长期变形的控制，同时，预应力筋在端部弯起，有利于减少端部裂缝，并提高端部的抗剪承载力，但是先张法折线形预应力双T板的施工比较复杂，需要特殊的装置。
美国双T板端部的预应力筋还常采用局部预应力释放技术（debonding）。大量实践表明，该技术可以使构件端部的预应力分布更为合理，从而有效控制构件端部劈裂、剥裂以及斜向裂缝的出现。对于先张法构件，其端部预应力的发挥需要有一定的传递长度，而预应力筋应力的提高也需要有一定的锚固长度，加上部分预应力的释放，使得端部的受力变得非常复杂，如何准确分析各种设计状况下构件端部的抗裂性能及受弯承载力、受剪承载力需要进一步研究。
表1 中、美双T板横截面对比（mm）
3.2普通钢筋
中、美双T板的翼缘配筋方式基本相同，即无叠合层的翼缘采用一片焊接钢筋网片，有叠合层的翼缘在预制部分和现浇叠合层分别放置一片焊接钢筋网片。
中国双T板腹板配筋主要采用CRB550级冷轧带肋钢筋（屈服强度标准值为500MPa）制作的焊接钢筋网片，网片两端的竖向钢筋间距较中间的密，且纵向水平钢筋沿腹板高度均匀布置，如图4（a）所示。美国双T板腹板配筋也是采用焊接钢筋网片（屈服强度标准值为450MPa），钢筋有带肋的或光圆的，且网片竖向钢筋间距均匀，纵向水平钢筋只在腹板上、下端集中布置，有时还会根据需要在构件跨中加配受拉钢筋。对腹板中部是否需要配置纵向钢筋值得商榷。根据规范GB-50010的有关规定，当梁腹板高度大于450mm时，需要在腹板上布置纵向钢筋，且钢筋间距不小于200mm。按该规定所配置的腹板钢筋主要是为了控制混凝土收缩及徐变、环境温度变化等引起的裂缝，但对于按二级抗裂控制的预应力构件，如果设计时能把温度作用、混凝土收缩徐变效应考虑清楚，应该也可参照美国的方式进行配筋。
4 产品型号与选型对比
4.1产品型号
中国标准图集SG432[2-4]包含平板（YTP）和坡板（YTS）两个类型，其中平板的编号如图5（a）所示。图中，预应力筋类型包括螺旋肋钢丝（a）和钢绞线（b）两类；板的标志长度范围为9m~24m；平板的标志宽度有2m、2.4m、3m三种，坡板的标志宽度有2.4m、3m两种；环境类别为一类，二a类，混凝土强度等级为C40、C45；当环境类别为二b类时，双T平板混凝土强度等级均为C50。
美国PCI手册的双T板都是平板，其编号如图5（b）所示。其中，截面宽度范围为2.4m~3.6m；DT代表双T板；截面高度范围为610mm~864mm；+2代表含有两in的后浇叠合层。混凝土强度换算到立方体抗压强度与C40相当。
4.2选型对比
中、美部分双T板的型号及相应的截面尺寸、预应力筋配筋情况以及适用的跨度和荷载如表2、表3所示。中国双T板一种型号对应一种跨度、截面尺寸和预应力筋，且各种类型对应的活荷载限值比较接近，为2.52~2.75kN/m2。美国双T板一种型号对应一种截面尺寸，但可对应多种预应力筋配筋、跨度及荷载。例如，对于8DT24，配置6φs12.7直线形预应力筋时，最大跨度可达到18.3m，对应活荷载限值是0.81kN/m2；最小跨度9.8m，对应活荷载限值是8.43kN/m2。
当活荷载限值取为2.6kN/m2，中、美双T板的高度及跨度的选型对比如图6所示。可见，（1）中国双T板的高度随跨度的增加而增加，而美国双T板的高度在跨度小于21m时均可取同一高度；（2）当跨度大于15m时，中国双T板的高度较美国的大。说明中国的双T板仍有较大的优化空间。通过进一步优化双T板预应力筋及普通钢筋的配筋，可以实现一种截面尺寸适用于多种跨度、多种荷载，从而可以减少模板的种类，方便实现长线生产或工地现场生产，进而降低投资与生产成本。
图4 腹板配筋
图5 双T板编号
表2 中国图集部分双T平板部分型号
图6 跨度与截面高度的关系
表3 美国PCI手册部分双T板部分型号
结论与建议
美国是双T板应用最为成熟的国家，其应用经验值得学习和借鉴。本文从多角度对中美两国的双T板构件进行了对比，根据对比结果，提出以下几方面的建议，为国内双T板设计方法的完善提供参考。
（1）建议对双T板的截面和预应力配筋进一步优化，减小截面尺寸类型，通过预应力筋的配筋调整满足不同的使用要求；
（2）建议采用缺口式端部，但其设计方法有待进一步研究；
（3）建议采用端部局部预应力释放技术，可有效控制端部裂缝的产生。
离“第七届中国(国际)预制混凝土技术论坛”开幕还有4天！
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