石膏空腔模填充混凝土空心楼盖研制及应用.pdf

1 8 4 四川建筑科学研究 Si c h u a n Bu i l d i n g S c i e nc e 第 3 7卷第 1期 2 0 1 1 年 2月 石膏空腔模填充混凝土空心楼盖研制及应用 肖良锦 ， 曹磊芳 ， 高朋朋 ( 1 贵州大学 土木建筑工程学院 ， 贵州 贵 阳5 5 0 0 0 3 ； 2 乳山市建设局， 山东 乳山2 5 00) 摘要： 提出了一种新型现浇混凝土空心楼盖， 从加工、 研制、 施工、 结构、 经济、 运用等方面介绍了这种新型楼盖的特性。研究 与运用结果表明， 该楼盖体系具有经济、 实用、 易施工、 结构性能好等诸多优点， 是值得推广的环保节能型空心楼盖体系。 关键词 ： 石膏空腔模 ； 空心楼盖 ； 有限元 分析 ； 刚度贡 献系数 ； 新型填充材料 中图分 类号 ： T U 5 2 8 7 9 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 8 1 9 3 3 ( 2 0 1 1 ) 0 1 1 8 4 0 4 De s i g n a n d a p p l i c a t i o n o n t h e g y p s u m e mb e d d e d fil l e r c a s t - i n- s i t u c o nc r e t e h o l l o w fl o o r X I A O L i a n g j i n ， C A O L e i f a n g ， G A O P e n g p e n g ( 1 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n d A r c h i t e c t u r e ， G u i z h o u U n i v e r s i t y ， G u i y a n g 5 5 0 0 0 3 ， C h i n a ； 2 R u s h a n C o n s t r u c t i o n B u r e a u ， R u s h a n 2 5 00 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： A N e W t y p e o f c a s t i n s i t u c o n c r e t e h o l l o w fl oo r i s p u t f o r w a r d T h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h i s fl o o r a r e i n t r o d u c e d f r o m t h e a s p e c t s o f p r o c e s s i n g ， d e s i g n i n g， c o n s t r u c t i o n， s t ruc t u r a l ， e c o n o mi c ， a p p l i c a t i o n a n d s o o n T h e r e s u l t s s h o w tha t t h e r e fl l ma n y a d v an t a g e s s u c h a s e c o n o mi c a l ， p r a c t i c a l ， e a s y c o n s t r u c t i o n e t c a b o u t t h i s s y s t e m S o t h i s e n v i r o n me n t al p r o t e c t i o n a n d e n e r g y h o U o w fl o o r s y s t e m i s w o r t h us i n g wi l d l y Ke y wo r d s： g y p s mn e mb e d d e d fi l l e r ； h o l l o w fl o o r ； fi n i t e e l e me n t a n aly s i s ； s t i ff n e s s c o n t r i b u t i o n c o e ff i c i e n t ； n e w t y p e o ffi l l e r ma t e r i a l 0 前言 在土木工程领域， 钢筋混凝土 由于成本低、 坚固 耐用 ， 因而被大量运用。对于楼盖体系， 通常是由梁 和板共同组成 ， 梁 的高度 比板厚大得多 ， 板底要显 梁 ， 就使得建筑净空减小。当柱网跨度较大时， 为满 足刚度要求 ， 梁高更大。为克服这一缺陷， 出现了密 肋楼盖体系 。在相 同跨度下 ， 密肋梁高较小， 刚 度好 ， 受力比较好 。但是 ， 密肋楼盖的缺陷是施工复 杂， 因为密肋粱间距较小 ， 支模比较复杂 ， 费时、 费工 又耗模板。为简化施工工序， 出现了玻璃钢模壳、 聚 丙烯塑料模壳等。但这种专用模壳对于大量中小工 程还是不便推广， 同时， 报废的模壳也会对环境造成 污染 。 近些年来 ， 填充材料取代模壳而形成的现浇空 心楼盖的研制与运用有 了较大发展。比如 ， B D F薄 收稿 日期 ： 2 0 0 9 - 0 6 - 1 6 作者简介： 肖良锦( 1 9 5 2一) ， 男 ， 贵州贵阳人， 副教授 ， 主要从 事建 筑 结构、 水工结构工程教学与研究。 基金项 目：贵州 省科技 型中小企 业技 术创新基金 ； 贵州 省科技厅 科 技创新基金资助项 目( 黔科合计字 2 0 0 8 5 0 2 0号 ) ； 贵阳市科技局 企业科技创新基金( 2 0 0 8 筑科技合同字第 1 9号) Ema i l ： x i a o l i a n g j i n x i a n g 1 6 3 c o n 壁筒芯空心楼盖、 WF B密肋空心楼盖、 圆筒管或薄 壁箱体随混凝土一起浇筑于楼盖 中， 形成楼盖 自重 降低、 节省混凝土的无梁楼盖 引。本文提出了一种 采用新型填充材料 的空心楼盖 ， 即用石膏模壳填充 于空心楼盖中， 设计 的模壳体型合理， 便 于使用， 总 结介绍如下。 1 石 膏空腔 组合模研制 脱硫石膏是火力发电厂的废弃物 ， 磷石膏是磷 肥厂的废弃物 ， 过去都被大量堆置， 对环境造成不利 影响。但是， 石膏容重低， 强度高， 是理想的建筑材 料。以脱硫石膏或磷石膏为主要原料制作模壳填充 于现浇空心楼盖 中， 楼盖重 量轻 ， 对结构的受力 有 利。模壳体型经专门研制 ， 如图 1 所示。 I B I I L _ J 图 1 石膏空腔模盒 Fi g 1 Pl a s t e r mo l d bo x c av i t y 肖良锦， 等： 石膏空腔模填充混凝土空心楼盖研制及应用 l 8 5 外形似一个开 口的盒子 ， 4个立面的外侧是铅 垂面， 立面下部 的两侧各被挖去一个角。底部 的外 侧是平面， 内侧是弧面 ， 使用中将两个模盒的空腔相 对 ， 外表面为六面体 ， 如图 2所示 ， 如此制作 的模盒 填充于空心楼盖中。 盅 三 8 厚 l 混 凝土 楼 面 图 2 石膏空腔模组合 Fi g 2 Co mb i n a tio n p l a s t e r m o l d c a v i t y 1 1 制作特 性 制作模盒采用专门模具 ， 石膏的初凝时间较短 ， 加工比较方便 。模壳底部内侧成弧面 ， 便于脱模 ， 外 型尺寸不能过大 ， 便于预制与搬运 。预制模壳可在 工厂加工 ， 也可在现场预制 ， 可避免二次搬运造成损 坏。由于石膏龄期短 ， 强度提高快 ， 现场加工堆放场 地比较小 ， 也能满足施工工期要求。楼盖 由于空腔 的存在 ， 使 自重大为减小 ， 并且 隔音、 隔热性能 比一 般楼盖好。若定义模盒空心率为 o t ， 则 =V V o ( 1 ) 式中 一 石膏模盒空腔体积 ； 石膏模盒总体积( 含空腔部分 ) 。 本文研制的石膏空腔模盒空心率 =0 6 2 ， 空 腔部分体积 占模盒总体积的 6 2 ， 这使得模盒 自重 大为降低 ， 对结构受力有利 。 1 2施工特 性 采用石 膏空腔模填充现浇空心楼盖， 使生产工 艺大为简化。楼盖施工顺序是 ： 铺设水平模板一弹 墨线确定肋梁 位置一绑扎肋梁 钢筋铺 设预制模 盒一模盒顶绑扎板钢筋一浇筑楼盖混凝土。传统梁 板结构楼盖 ， 梁与板的外形尺寸都要 由模 板实现。 而在新型楼盖体系 中， 模盒的一个功能是作 为肋梁 模板。铺设模盒时 ， 两个尺寸相 同的模盒空腔部分 相对叠合 ， 模盒之间的间隙恰好是工字形截 面的肋 梁， 肋梁虽然体形复杂 ， 但是 ， 模板是由模盒形成的， 施工工艺大为简化。根 据施工部 门现场操作 的结 果 ， 4 d即可完成一层楼盖主体的施工。 模盒 内侧底部呈弧形， 是利用 了拱效应的原理 ， 使之受力 比较好。模盒虽然薄， 但能够承受施工 中 在其上搬运 、 绑扎 钢筋、 浇筑振 捣混凝土 的施工荷 载 ， 不会损坏。 1 3结构 特性 石膏模盒不拆除， 又是永久荷载的一部分 ， 与混 凝土梁 、 板一起共 同承受荷载 ， 使楼盖的刚度比不用 石膏模盒填充时得 到提高。对这一问题 ， 采用有限 元 A N S Y S软件进行分析。在相同的柱网跨度、 肋梁 布置与楼面荷载情况下 ， 用两个模 型进行分析。模 型一石膏模盒是结构的一部分 ， 与梁、 板共同受力 ， 称为混凝土石膏空腔模楼盖。模型二按通常设计方 法 ， 不考虑模 盒的作用 ， 将模 盒作为荷载施加 于梁 上 ， 称为交叉梁 系楼盖。按不 同级别荷载分别施加 于两个模型 ， 得到不同挠度 ， 见表 1 。 表 1 两种有 限元模型计算荷载及挠度对 比 Tab l e 1 Fi n i t e e l e men t m o de l o f t wo l o ad a nd de fle c t i on c o mpa r i s on 荷载编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 石膏空腔模楼盖楼面荷载 k P a 6 0 6 5 7 0 7 5 8 0 8 5 9 0 9 5 1 0 0 模型一 计算挠度 m m 2 9 6 2 3 0 9 6 3 2 3 0 3 3 6 4 3 4 9 8 3 6 3 2 3 7 6 6 3 9 0 0 4 0 3 4 交叉梁系楼盖 楼面荷载 k P a 6 9 7 4 7 9 8 4 8 9 9 4 9 9 1 0 4 1 0 9 模型二 计算挠度 m m 3 4 4 3 3 6 0 2 3 7 6 1 3 9 2 0 4 0 7 9 4 2 3 8 4 3 9 7 4 5 5 6 4 7 1 5 刚度贡献系数 口 1 6 2 1 6 3 1 6 4 1 6 5 1 6 6 1 6 7 1 6 8 1 6 8 1 6 9 从表 1中看 出， 在各级荷载下 ， 交叉梁系楼盖荷 载均大 0 9 k P a ， 这是石膏模盒的重量。在相 同的楼 面荷载下 ， 模型一的挠度 比模型二的挠度小 ， 这是因 为模型一选择将模盒作为结 构的一部分 ， 与混凝土 共同受力， 从而使得 刚度 变大、 挠度减小 。一般来 说 ， 结构刚度与最大挠度 厂 m 可 以认 为成反 比关 系。 即若结构挠度小 ， 则 刚度大， 若结构挠度大 ， 则刚度 小。定义 JB为刚度贡献系数： = ( 2 ) 蠡 一 鲽 稍 州椴 一 旧 堪骧 直 口口口口口口 口口口口口口 口口口口口口 口口口口口口 口口口口口口 口口口口口口 1 8 6 四川建筑科学研究 第3 7卷 式中 i 交叉梁系楼盖在 i 级荷载下 的最大挠 度； ， 2 i 石膏空腔模楼盖在 i 级荷载下的最大 挠度。 从表 1中看出， 3 值在 1 6 2 1 6 9 之间， 说 明石膏模盒与混凝土共同受力可使空心楼盖结构刚 度增加约 1 6 ， 并且 ， 当荷载增大时， 刚度提高的程 度更为 明显 ， 这种有利因素往往在常规设计 中被忽 略， 因为常规设计只能将石膏模盒作为荷载施加于 结构之上。 从钢筋混凝土角度看 ， 图 2所示楼盖是密肋梁 体系， 肋梁纵横交错 ， 平面框架双向受力， 受力 比较 均匀。肋梁 由于模盒形状 限制， 使之成为工字形截 面。它的上、 下翼缘 比较宽， 受压区位于上翼缘 内， 增加了梁混凝土的承压面积， 提高了抗压能力 。下 翼缘加宽， 能满足布置钢筋净距的要求 ， 便于施工。 中部腹板位于中性层附近， 比较薄， 可节省混凝土。 1 4经济特性 一 项新技术是否能够得到推广运用 ， 经济性显 得尤为重要。为此 ， 本文作了经济对 比分析 ， 采用两 个方案对比。方案一为石膏空腔模楼盖 ， 方案二为 普通梁板楼盖。计算条件两个方案相 同。结构层高 4 0 m， 柱网间距 9 m9 m， 跨度为 3 I l l 3 m的两 层框架 。1层楼面恒载为 1 4 k N m ( 不包括结构 自重) ， 活载 3 0 k N r n ； 2层屋面恒载为 4 0 k N m ( 不包括结构 自重) ， 活载为 2 0 k N m 。框架梁截 面 3 0 0 m m 8 0 0 m m。方案一楼盖厚 3 5 0 m m， 现浇 板厚 5 0 mr l l ， 为使板底平整 ， 内部框架梁采用宽扁 梁 ， 梁高 3 5 0 m m。方案二 主梁截 面 3 0 0 m m8 0 0 m m， 次粱截面2 0 0 m i l l x 7 0 0 m m， 现浇板厚 1 2 0 m m， 表 2 工程量对比 Tabl e 2 Comp ar a t i ve t a bl e o f qua n t i t i e s 两个方案的布置如 图 3 4所示， 由于结构对称， 只 表示了 1 4平面。 图3 石膏空腔模楼盖结构平面布置 Fi g 3 Gyp s u m mo l d c a v i t y flo or pl a n flo o r s t r uc t ur e 45 0 0 4 5 0 0 4 5 00 一 J I 。 景 寸 8 45 0 0 4 5 0 0 4 5 00 1 3 5 0 0 图4普通梁板楼盖结构平面布置 Fi g 4 S l a b flo or s t ru c t u r e of or d i n ar y floo r pl a n 计算采用通用软件 P K P M， 按计算结果 ， 统计 出 两个方案的混凝土及钢筋用量 ， 具体见表 2 。 、工程量 钢筋用量 百分 比 混凝 土用量 百分 比 梁最大挠 百分 比 方案 k g m 度伯 I m m 方 案 一 1层霎 12496 。萋z 2818 l0 55 石 膏 空 腔 模 楼 盖 z层 1 0 9 。 8 。 6 1 0 7 z s s z层z 4 t s s 方案二 委 2，1 8 66 100 薹 ； ： too ： ： 普通梁板楼盖 注 ： 只 比较 楼 盖 ， 柱工 程 量 未 计 入 。 从表 2可以看出， 在相 同柱 网间距 与荷载条件 下， 若普通楼盖的钢筋与混凝土用量分别 以 1 0 0 计， 则石膏空腔模楼盖的用量只相 当于其 5 7 3 ， 7 7 3 。经济效益是 明显的， 从两个方案 的计算 挠 度对 比， 石膏空腔模楼盖的 1 ， 2层挠度， 只相当于普 通梁板楼盖的 5 5 ， 5 6 8 。这说 明， 结构的刚度 很好 ， 变形小。 以上仅是直接工程耗用主材工程量的对比， 像 模板工序的简化所降低的成本等未计入。当然 ， 若 用石膏空腔模 ， 要增加购置模盒的费用。但是 ， 经总 I_ L ， L 一 一 0 0 2 0 1 1 N o 1 肖良锦 ， 等 ： 石膏空腔模填充混 凝土空心楼 盖研制及应用 l 8 7 体测算 ， 总费用 比普通梁板结构低 。因此 ， 可以得 出 结论， 使用现浇新型混凝土空心楼盖体系是经济的。 2 检测 与运用 石膏空腔组合模 的研制 申请了国家实用新型发 明专利 ， 专利号 Z L 2 0 0 6 2 0 1 3 3 7 5 5 X 。石膏空 腔模 试块经贵州省建筑材料行业产 品质量监督站检测 ， 抗折荷载为 1 5 5 k N， 石膏块抗压强度 为 4 7 MP a 。 试块的放射性指标符合 G B 6 5 6 6 -2 0 0 1 A( 建筑材料 放射性核素 限量 类装饰材料 的技术要求， 是绿 色 环保的建筑材料 。批量生产的外观质量 、 尺寸偏差 、 表观密度、 承压面破坏荷载等 ， 都满足有关技术标准 要求。经推广 ， 在多个实际工程 中得到运用 。 此种新型楼盖材料 的板底平整、 不显梁 ， 形成 “ 无梁楼盖” ， 可节省由于板底不平整而增加的吊顶 费用。模 内空腔部位可敷设 电力 、 电信管线 ， 使之成 为暗线。楼面隔墙可灵活布置， 以满足不 同建筑功 能的要求。若运用于住宅建筑 ， 则 卧室、 餐厅 、 客厅 的面积大小 ， 可按业主要求 自由分割 ， 避免装饰阶段 大量破坏墙体 。 由于模内空腔的作用， 使楼盖的隔声、 隔热性能 较普通混凝土楼盖好 ， 因此是 一种节能型 的楼 盖。 楼盖的厚度只相 当于框架梁高度的 6 0 左右 ， 采用 新型空心楼盖 ， 可使建筑净空增加 ， 或者在满足建筑 净空要求的前提下 ， 可减少层高。 3 结 语 由于研制的石膏空腔模型体 比较合理 ， 并将其 巧妙地填充于空心楼盖中， 使得楼盖刚度增加 ， 变形 小， 受力性能 比较好。施工 中， 模盒又作为模板 ， 弥 补了密肋梁施工难、 耗费模板的缺陷。使用中， 板底 光滑平整 ， 使楼层净空增加 ， 楼盖的隔音、 隔热性能 比较好 。经济上 ， 新型楼盖的土建成本较普通楼盖 低 ， 为空心楼盖的推广运用奠定 了基础。楼盖 的主 要填充材料石膏取 自工业废弃物， 石膏空腔模 的开 发符合国家环保与产业政策导向走循环 经济、 可持续发展 之路。该建材 产品 的研制得到 了环保 局、 建设局等政府有关部 门的大力支持。石膏空腔 模生产应用获贵州省建设厅颁发的“ 贵州省建设新 技术推广项 目证书” ， 编号 2 0 0 91 2 。 目前 ， 模盒的研制已取得了突破性进展， 取得了 较好的效果。有多项实际工程在应用这一新技术。 作者打算进一步对楼盖的抗震性 、 强度 、 隔音、 隔热 性进行更深入的检测与分析计算， 为大量推广运用 提供理论依据。 参 考 文 献 ： 1 李培林 ， 吴学敏 混凝土密肋及井式楼盖设计 手册 M 北京 ： 中国建 筑工业 出版社 ， 1 9 9 4 2 王本 B D F薄壁筒芯在现 浇空 心楼盖 中的应用 C 全 国 现 浇混凝 土空心楼盖结构技术交流会 论文集 上海 ： 2 0 0 4 3 吴方伯， 王显都， 汪幼林 WF B密肋空心楼盖简介 c 全国 现浇混凝 土空心楼盖结构技术交流会 论文集 上海 ： 2 0 0 4 4 沈浦生 楼盖结构设计原理 M 北京 ： 科学 出版社 ， 2 0 0 3 5 C E C S 1 7 5 ： 2 0 0 4现浇混凝土空心楼盖结构技术规程 s 北京： 中国计划工业 出版社 ， 1 9 9 9