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宗德林:預應力空心樓板應用技術研究
 
 

預應力空心樓板?空心樓板不安全,當年在唐山地震時都成了棺材板。這種中國禁用的建材,美國怎麽仍在使用呢?美國大概沒有地震。如果有也沒有中國的地震厲害。也可能美國有錢,震倒了再蓋。”這樣的對話,在中國有不下百次的經驗,且而不僅是一般百姓,連工程界也有相同的誤解。預應力空心樓板在美國發展了60多年,成為除了雙T板以外唯一廣泛使用的預製樓板,是有其原因的,筆者認為有從曆史及技術的角度來說明的必要。

預應力空心樓板和中國傳統的空心樓板除了都有孔,在材料及生產工藝上是完全不同的。而孔並不是造成當初認為樓板不安全的原因。

1 美國的地震

美國的地震分布和中國非常相似,有低到高地震帶(如圖1所示)。以中國為標準,美國八級(.2g)地震以上的人口約占全美總人口的20%;而九級(.4g)地震的總人口大約與中國九級總人口相似。美國西海岸的重要城市,例如舊金山、落杉磯都在.4g範圍內,所以美國對地震設計要求也極嚴格。預應力空心樓板在美國高地震帶的西海岸也普遍使用了超過半世紀,與中國最大的不同是允許預應力空心樓板在沒有迭合層的情況下傳送包括地震力在內的水平力。

圖1 美國地震帶分布圖

2 對空心樓板在地震下的誤解

2.1 唐山地震

1976年7月28日北京時間淩晨3時42分在唐山市發生了裏氏7.8級強烈地震。當時唐山對地震是沒有設防的城市,而所有的房子都沒有經過抗震設計以致釀成大災。人民大量死亡不是因為空心樓板的使用,而是因為當地對地震危險估計不足。當時的磚混結構也沒有圈粱-構造柱的要求,而在有限的照片中看到了很多空心樓板的建築生存下來(如圖2所示)。在唐山市的震央區不論是何種建築,幾乎無一幸免(如圖3所示),而有許多現澆結構倒塌後更加大救援的困難(如圖4所示)。


圖2 唐山地震後的空心樓板建築


 圖3 唐山市震央區               圖4 唐山地震中倒塌的

                                             現澆結構建築

圖5是唐山市文化路笫21中學教學樓,空心樓板屋麵,有圈梁,牆體大部份倒塌,屋麵板塌落,挑簷靠一段牆體及鑄鐵管支撐而未落,這證明了圈梁對空心樓板整體性的重要性。圖6是北京老式磚混建築外加了圈梁-構造柱後的照片這種做法成了北京這類建築的特色。

2.2 汶川地震

2008年5月12日下午2時28分在四川汶川縣發生規模8.0地震。地震中大量磚混結構房屋倒塌,輿論對於空心樓板多有指責。但從一般專家的報道看到了較公正的一麵,主要從施工質量、規範使用及建築物的整體性上來探討。從圖7中能夠很明顯地看到,用於錨固的鋼筋剛出板端即被向上彎折而貼近板邊,完全沒有達到錨固連接的作用。而從圖8中則可以觀察到正常施工下樓板錨固的情形,雖然牆體已倒塌,板仍由於錨固而懸掛在牆上。圖8(c)是一張建築物中間牆倒塌,而板仍錨固在兩端的照片,充份的顯示出建築物整體性的重要性。因此,不能一味指責空心樓板。


圖5 震後的唐山市文化路第21中學教學樓 

圖6 北京老式磚混建築外加圈梁-構造柱


圖7 沒有正常錨固的空心樓板震後掉落



圖8 正常施工下空心樓板震後情形

中國建築西南設計研究院有限公司在2010年9月的《建築結構》上發表了《104所農村小學砌體結構校舍抗震設計思絡及震害分析》,文章中提到,成都市農村中小學標準建設工程共設計校舍104所,所有校舍在汶川地震前己投入使用,其中65所校舍位於汶川地震的極重災區,但無一倒塌(如圖9所示)。校舍多為3~4層單麵走廊砌體結構樓,屋蓋采用預製預應力空心樓板,抗震設防烈度均為7度(.1g)。文章最後有一段結論,“在結構布置合理,砌體結構中采用預製預應力空心樓蓋仍可具備較好的抗震性能及抗倒塌能力。


圖9 成都市農村中小學標準建設工程校舍在汶川地震中狀況良好

中國建築科學研究院徐有鄰研究員也發表了《由地震引發對預製預應力圓孔板的思考》一文,提出“汶川地震塌垮的樓蓋基本上沒有吸取唐山震害的教訓,都仍在采用傳統拚接方法,未能形成整體受力,整體牢固性很差,地震時難免解體、倒塌。而近年根據規範及標準圖設計施工的預製板裝配整體式樓蓋房屋,即使在強震區也‘大震不倒‘’這說明關鍵不在是否采用預製板,而在於構造措施缺失。匆忙取消預製板,尚存用預製板建成的既有房屋是否屬於危房?是否必須拆除或加固改造?簡單化的倉促處理,可能會引起民眾不安,影響社會安定。發達國家(包括多地震的日本)隨著建築產業化進程的發展,預製構件應用的比例是逐年增加的。

”汶川地震證明,近年建成的遵照現有標準、規範和標準圖作了技術改進的裝配整體式樓蓋大多均未解體或墜落傷人。如果隻是將房屋倒塌單一的歸結於空心樓板,對於建築產業化以及裝配式結構的前途都將造成極大的阻力,因為使用預應力空心樓板增大樓蓋的跨度是中國走向建築產業化的必然之路。

3 預應力空心樓板在日本及美國的發展及使用

1953年,預應力空心樓板在北美洲開始使用,經過60多年的發展,在歐美、日本、新西蘭己成為預製樓板的主流。因國內對地震的重視,本文僅對日本及美國對預應力空心樓的發展及使用進行簡單介紹。



圖10 日本預應力空心樓板產品及應用

3.1 日本

日本在1963年引進預應力空心樓板,經過半個多世紀的發展(如圖10所示),已成了一個非常成熟的產品。

為了設計人員的需要,1976年日本出版了預應力空心樓板的設計手冊,1987年又改編出版了第二版。

1987年,日本建設部正式核準的預應力複合樓板中,很明確的規定“這類複合樓板應承受垂直力,同時在地震時一起承受水平力”,在規範中給出完善的計算公式,隻要在允許範圍內,沒有對層高、結構形式、地震強度進行限製。如果問題是“預應力空心樓板在日本允許蓋多高”,答案是“結構體能多高,空心樓板就可用多高”。根據目前資料,最高的預應力空心樓板建築是54層(如圖11所示),而高層住宅使用框架結構和長跨度預應力空心樓板也已形成了一個有競爭力的體係(如圖12所示)。


圖11 日本預應力空心樓板建築統計


圖12 日本使用框架結構和長跨度預應力空心樓板的高層住宅

表1 阪神地震後不同用途空心板建築破壞程度統計


1995年阪神地震後,日本建築師協會對當地的建築物做了一係列的調查(見表1),在119棟使用預應力空心樓板的建築中有117棟被認為沒有任何壞,這再一次證明預應力空心樓板有良好的耐震能力。

3.2 美國

1953年美國開始生產預應力空心樓板(如圖13~圖15所示),使用幹性混凝土不用模具以機器長線生產的樓板在60年後仍是最有競爭力的預製樓板。


圖13 美國預應力空心樓板的生產


圖14 張拉機              圖15 載重實驗

長跨度每個單元沒有內承重牆的多單元的住宅體係也很快形成(如圖16所示)。


圖16 美國長跨度多單元住宅體係

因為這是一種全新的產品,對結構工程師而言是一個很大的挑戰,有很多設計原則無法從現有的規範中得到。所以在20世紀60~70年代有非常多的實驗來幫助工程師充分的了解及利用這種新產品:

1)UL防火實驗(1959年)

2)剪力強度實驗

3)迭合板剪力強度實驗

4)空心樓板抗壓實驗

5)由開孔及鋼托粱產生不均勻載重實驗(如圖17所示)

6)集中荷載實驗(如圖18所示)

7)幹性混凝土彈性模數實驗

8)缺口板剪力實驗

9)孔內灌漿剪力增強實驗

10)連續性實驗

11)無迭告層樓板做隔板抗水平力實驗

12)不均勻載重分布實驗(雙齒邊板縫垂直載重傳遞)(如圖19所示)

13)開孔對彎矩的影向(樓板無迭合層的整體性)

14)側懸臂實驗(如圖20所示)

15)預埋件承載實驗

16)偏心力對預埋件影響實驗

17)鋼筋線初期過量回縮對樓板承載力影響實驗

18)懸臂板對集中荷載受力分布報告

19)板縫水平剪力實驗

20)尾端承載麵脫落實驗(如圖21所示)


圖17 由開孔及鋼托梁產生不均勻載重實驗

圖18 集中荷載實驗   圖19 不均勻載重分布實驗


圖20側懸臂實驗


圖21 尾端承載麵脫落實驗

經過了多年的發展,承重剪力牆與預應力空心樓板的體係已被證明了是多住戶住宅最有效的體係。但設計中除了對垂直力及水平力(風力、地震力)的要求,對結構整體性並沒有一個明確及完整的要求。美國波特蘭水泥協會(PCA)在美國聯邦房屋及城市發展部(HUD)的支持下於20世紀70年代初對此類建築的整體性做了一個詳細的研究,1975年~1979年發布了6份報告及3份附加報告,建立了現在各種規範中整體性的設計要求(如圖22所示)。在整體實驗中比較重要的是應防止失去局部承重牆而造成連續倒塌(如圖23所示)及樓板與牆節點的抗震實驗(如圖24所示)。


圖22 PCA報告中對預應力空心樓板整體性的設計要求


圖23 整體實驗應防止失去局部承重牆造成連續倒塌


圖24 樓板與牆節點抗震實驗

經過長期的努力,美國PCI協會在1985年發行了第一版的《預應力空心樓板設計手冊》,1998年發行了第二版。在中國已將其中的精華翻成中文,以《SP預應力空心板技術手冊》(99ZG408(附冊一))的名義由中國建築標準設計院出版。

在近代,加州的幾次主要地震又再次證明了預應力空心樓板的良好耐震性能。

不論是現澆承重牆(如圖25所示)、預製承重牆(如圖26所示)、梁柱結構(如圖27所示)、鋼結構(如圖28所示)還是混凝土砌塊結構(如圖29所示),預應力空心樓板都充分表現了它優越的安全性及經濟性。


圖25 現澆承重牆            圖26 預製承重牆


 圖27 梁柱結構                     圖28 鋼結構


圖29 混凝土砌塊結構

4 預應力空心樓板的優點

1)承載能力強;

2)使用性能良好;

3)雙齒板邊在灌漿後能保證樓麵的一致性,整體性;

4)延性好不脆斷;

5)恢複性能強;

6)節省材料,減重,地震作用小;

7)生產效率高,質量穩定;

8)跨度能夠達到18米;

9)跨高比可達50∶1;

10)是世界各地認可的綠色及被動式房屋材料。

結語

如果能在中國推廣在世界各地完全成熟的預應力空心樓板,以預應力取代非預應力,發展出一些更有效益的預製體係,就會真正體現出建築產業化的優點,並替中國現有的傳統橫牆承重、短板受力的建築找到一個出路,從而能從結構上率先完成百年住宅的期望。

 

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