4.4.1 概述
1）概念
图4.53 预应力混凝土空心板
预应力混凝土空心板是一种在横截面处做成若干个孔洞的混凝土板，如图4.53所示。它根据板受力的特点，省去了板中部的混凝土，使得结构截面更为合理；同时利用预应力技术，提高板整体的力学性能，使其满足大荷载大跨度的使用要求。
预应力混凝土空心板的典型代表是SP板。SP板专指美国SPANCRETE公司的生产设备、专利技术和工艺流程生产的大跨度预应力混凝土空心板，在美国的注册商标为SPANCRETE预应力空心板，简称SP板。SP板采用干硬性混凝土冲捣挤压成型生产工艺，这种生产工艺由美国人Henry Nagy发明并获得专利权。
SP叠合板（简称SPD板）是以预应力混凝土空心楼板为预制底板，为达到楼板整体性要求而后浇混凝土形成一种共同受力的楼盖体系。为了达到大跨度重载的功能要求，使实心叠合层改成空心叠合层以达到减轻自重的目的，同时要求SP预制底板与后浇空心叠合层共同受力，从而形成SP空心叠合板（简称SPKD板），此处“空心”指的是叠合层空心。
2）国内外发展
（1）国外发展
预应力混凝土空心板最早是由美国SPANCRETE公司于1953年研发出来的，即SP板。当时最大板厚是0.2 m，经过60多年的发展，现在最大板厚达到0.4 m，最大跨度达到20 m。目前，SP板是美国预制行业的主干，大部分预制工厂都至少有一条生产线。美国PCI也为SP板的应用提供了一套可靠的设计方法，1985年发行了《预应力空心楼板设计手册》，1998年发行了第2版。日本位于地震多发地区，也是SP板在高层建筑应用最广泛的国家。1963年，日本从美国引进空心板，如今已经成为预制楼板的主流。1987年日本建设部正式核准，只要在允许的范围内，空心板的使用没有层高、结构形式、地震强度的限制，即结构体能有多高，空心楼板就可用多高。现如今，在欧美、日本等发达国家，预应力空心板已经广泛应用于学校、办公楼、住宅、厂房等各类建筑，如图4.54和图4.55所示。
图4.54 美国一采用框架结构加预应力混凝土空心板的公寓
图4.55 美国密西根湖畔一采用现浇剪力墙结构加预应力混凝土空心板的公寓
（2）国内发展
图4.56 国内预应力混凝土空心板实际工程应用
我国早期研发生产的预应力混凝土空心板多是以冷拔低碳钢丝或者冷拉钢筋作为预应力筋，该预应力筋强度低、延性差、易脆断，导致空心板的承载力差，而且跨度也较小。特别是经历了1976年的唐山地震，预应力混凝土空心板的性能饱受质疑。而后来的研究证明，楼板倒塌的主要原因是当时预制空心板都是浮隔在砖墙上，没有合理的连接构造措施。1993年我国从美国引进SP板产品及相关技术，1997年出版了国家建筑标准设计《SP预应力空心板》图集，2001年编制了《SP预应力空心板手册》，2005年编制了《SP预应力空心板》05SG408，对空心板的抗震性能给予了充分的验证与规定。随着我国对预应力混凝土空心板的关注度越来越高，各类工程中的应用也越来越频繁，预应力混凝土空心板实际工程应用如图4.56所示。
3）特点
预应力混凝土空心板具有跨度大、承载力强、延性好、自重轻、抗震、耐火耐热、隔音等特点，板长可以根据要求进行切割，不受建筑模数限制，且吊装快捷、施工简单、使用非常灵活，在当前国内建筑业转型的环境下具有非常显著的优势。
（1）力学性能优异
图4.57 预应力混凝土空心板堆载
预应力混凝土空心板采用预应力技术，不仅增加了板的使用跨度，也提高了板的承载能力。国内使用较多的是美国的SP板，根据《SP预应力空心板》（05SG408），该空心板的最大设计荷载可达15 kN/m2，使用跨度在4～18 m。我国从德国EBAWE引进一条PC构件生产线，按德国的设计标准，该空心板的最大设计荷载可达20 kN/m2，使用跨度在3～17 m，预应力混凝土空心板堆载如图4.57所示。
（2）安装施工便捷
图4.58 预应力混凝土空心板施工现场
预应力混凝土空心板的安装可以采用干性连接，也可以采用湿连接，根据不同的结构需求采取不同的连接方式。此外，空心板本身自重轻，结构的抗震性能优异，吊装也更加方便。预应力混凝土空心板承载力高，施工时板底无须增设临时支撑，相比传统现浇的施工现场要简洁很多，也更方便管理，如图4.58所示。
（3）产品质量可控，生产效率高
PC流水生产线是生产混凝土预制件的核心，一个好的流水生产线决定了一个产品的质量和效益。预应力混凝土空心板，依托工厂先进生产线，工厂化、自动化的生产，不仅保证了产品的质量，而且生产效率高。我国从德国EBAWE公司引进的PC生产线，成功试制出一批预应力混凝土空心板。该生产线采用117 m长线台法，配合一体化的混凝土鱼雷罐运输装置、自动化的振动滑模机、模台底部蒸汽养护，不仅使操作方式变得简单，而且极大地提高了生产效率，只需要7个人，日产量就能达到130 m3混凝土方量的空心板，空心板长线台生产线如图4.59所示。
图4.59 预应力混凝土空心板长线台生产线
（4）经济效果显著
①生产方面：预应力混凝土空心板每平米的钢筋用量为4～7 kg，而现浇板和普通预制叠合板每平米的钢筋用量为10～15 kg，每平米的钢筋用量可以节省50%左右。生产预应力混凝土空心板采用干硬性混凝土，相比普通混凝土，减少了水泥的用量，成本更低。
②设计方面：采用大跨度的预应力混凝土空心板作为楼面结构，能省去主次梁的布置，使结构布置更加优化，提高了室内净空间使用高度，更加经济合理。
③施工方面：预应力混凝土空心板的安装过程不需要另外搭设模具和支架，省去了模板和搭设支架的人工费用，而且板的吊装施工方便快捷，能节约部分工期成本。
（5）适用于多种结构体系
预应力混凝土空心板常作为住宅、学校、办公楼、商场、厂房等建筑结构的楼盖体系使用，可以用在多层建筑中，也可以适用高层建筑；既可以用于非地震区，也可用在强地震区。预应力混凝土空心板能与钢结构、现浇剪力墙结构、现浇框架结构、砖混结构、装配式剪力墙结构、装配式框架结构等不同类型的结构体系完美地结合，充分体现其良好的功能性、安全性及经济性。
4）受力原理
预应力混凝土空心楼板是根据计算机模拟板的受力情况，其孔洞采用特殊的椭圆型孔洞代替传统的圆孔。上部受压区孔洞变窄以增大混凝土受压截面积，下部受拉区孔洞变大，且采用钢绞线代替二级钢筋，以降低预应力混凝土空心楼板自身重量及含钢量，提高预应力混凝土空心楼板承载力。预应力混凝土空心楼板侧面所留边框形式采用键槽式，以加强板与板间的自锁性能及剪力传递，有效缓解集中载荷影响，并能够避免板间裂缝产生。试验表明，用3∶1砂灰混合料灌缝后，将载荷置于缝上方和板中心的结果进行对比，并无多大差别，表明预应力混凝土空心楼板拼缝结构合理，传力可靠，其构造如图4.60所示。
图4.60 预应力混凝土空心板端面及板缝键槽