預(yù)制帶肋薄板混凝土疊合板件受力性能試驗(yàn)研究

吳方伯,黃海林,3,陳 偉,周緒紅,2

(1.湖南大學(xué)土木工程學(xué)院,長(zhǎng)沙410082;2.蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院,蘭州 730000;3.湖南高嶺建設(shè)集團(tuán)股份有限公司,長(zhǎng)沙410153)

預(yù)應(yīng)力混凝土實(shí)心平板為不帶肋預(yù)制板件,在運(yùn)輸及施工中易折斷,預(yù)應(yīng)力反拱度難以控制,施工過(guò)程中需設(shè)置支撐、施工工藝復(fù)雜?，F(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《疊合板用預(yù)應(yīng)力混凝土底板》GB/T 16727-2007、國(guó)家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集《預(yù)應(yīng)力混凝土疊合板》06SG439中疊合板的預(yù)制部分均為平板,施工時(shí)需設(shè)置支撐,不宜雙向配筋,自重大,降低了這種結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)效果,影響了其推廣使用。為此,近年來(lái)中國(guó)學(xué)者在預(yù)制實(shí)心平板的基礎(chǔ)上,針對(duì)預(yù)制板件的結(jié)構(gòu)形式作了大量的創(chuàng)新研究,主要有：預(yù)制鍵槽形混凝土芯板[1]、預(yù)制單矩形肋部分疊合混凝土底板[2]、預(yù)制雙矩形肋混凝土底板[3]、預(yù)制單T形肋混凝土底板[4]、預(yù)制雙T肋混凝土底板[5]、預(yù)制夾心混凝土底板[6]、預(yù)制空腹混凝土底板[7]、自承式鋼筋桁架混凝土底板[8]、預(yù)制波形底板[9]。同時(shí)期國(guó)外的研究主要集中于新型材料在疊合板中的應(yīng)用及不同材料的組合,如：纖維增強(qiáng)復(fù)合材料混凝土疊合板[10]、纖維增強(qiáng)水泥混凝土疊合板[11]、活性粉末混凝土疊合板[12]、復(fù)合砂漿鋼絲網(wǎng)混凝土疊合板[13]、鋼纖維混凝土疊合板[14]、輕骨料混凝土疊合板[15]、壓型鋼板-混凝土疊合板[16]、橡膠集料混凝土疊合板[17]、木-混凝土疊合板[18]及竹-混凝土疊合板[19]。

中國(guó)學(xué)者將預(yù)制混凝土實(shí)心平板改進(jìn)為帶肋的薄板,提高了薄板的剛度和承載力,增加了薄板與疊合層的粘結(jié)力,且可將底板變得更薄,減輕自重。但由于只能單向配筋,垂直于底板板長(zhǎng)方向的抗裂性仍然不好,且荷載采用單向板傳力模式,計(jì)算模型仍不合理。為此,文獻(xiàn)[20]提出以預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土矩形肋薄板(以下簡(jiǎn)稱預(yù)制薄板)為永久模板(圖1),在板肋預(yù)留矩形孔洞中布設(shè)橫向穿孔鋼筋及在底板拼縫處布置折線形抗裂鋼筋,再澆注混凝土疊合層形成預(yù)制帶肋薄板混凝土疊合板(圖2)。為了解這種新型樓板的受力性能,對(duì)預(yù)制薄板進(jìn)行規(guī)格設(shè)計(jì),從中選取典型跨度進(jìn)行疊合板件及其連續(xù)疊合板件的試驗(yàn)研究。

圖1 預(yù)制薄板

圖2 預(yù)制帶肋薄板混凝土疊合板

1 預(yù)制薄板規(guī)格設(shè)計(jì)

為便于工業(yè)化生產(chǎn)和現(xiàn)場(chǎng)拼裝,將預(yù)制薄板作為產(chǎn)業(yè)化的產(chǎn)品,進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、定型化,采用1種截面、2種標(biāo)志寬度、13種標(biāo)志跨度。截面形式如圖3所示,2種標(biāo)志寬度為400 mm與500mm,預(yù)制薄板幾何參數(shù)如表1和表2所示。預(yù)制薄板混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度不宜小于C50,底板高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絲受拉截面中心距板底 17.5 mm,預(yù)應(yīng)力張拉控制系數(shù)可取0.5、0.55、0.60及0.63,矩形肋內(nèi)普通鋼筋截面重心距上邊緣20mm,鋼筋配置情況及力學(xué)性能見(jiàn)表3。預(yù)制薄板底板厚度為30 mm,肋端缺口長(zhǎng)度為40 mm。

圖3 截面形式

表1 400 mm寬預(yù)制薄板幾何參數(shù) /mm

表2 500 mm寬預(yù)制薄板幾何參數(shù) /mm

表3 鋼筋配置情況及力學(xué)性能

2 預(yù)制薄板試驗(yàn)

2.1 板件制作及加載方案

圖4 2 800 mm板件設(shè)計(jì)圖

圖5 3 800 mm板件設(shè)計(jì)圖

表4 板件實(shí)際幾何參數(shù)及主要材料基本參數(shù)

2)加載方案：板件兩端簡(jiǎn)支,采用粘土磚實(shí)行均布加載,加載裝置如圖6所示。首先模擬施工荷載進(jìn)行加載,以了解預(yù)制薄板在施工階段荷載作用下的受力特征,再繼續(xù)加載至預(yù)制薄板破壞。預(yù)制薄板施工階段所受荷載如表5所示,預(yù)制薄板自重后澆層混凝土重G k2,施工荷載G k3,正常使用狀態(tài)荷載Qs=Gk1+Gk2+Gk3,承載力狀態(tài)荷載取Qd=較大值 。

圖6 加載裝置

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)測(cè)得的荷載-撓度曲線如圖7所示。加載前期,荷載與撓度呈線性關(guān)系,在正常使用狀態(tài)荷載Q s作用下實(shí)測(cè)撓度不超過(guò)跨度的 1/300,YZB-1、YZB-2均未開(kāi)裂,YZB-3、YZB-4剛好開(kāi)裂。YZB-1、YZB-2開(kāi)裂荷載Qcr=6.12 kN/m2,為正常使用狀態(tài)荷載Qs的1.63倍,承載力狀態(tài)荷載Qd的1.3倍。YZB-3、YZB-4開(kāi)裂荷載 Q cr=5.14 kN/m2,為正常使用狀態(tài)荷載Q s的1.26倍,承載力狀態(tài)荷載Q d的1.02倍。

圖7 預(yù)制薄板荷載-撓度曲線

1)承載力分析：加載后期,2種跨度板的破壞形態(tài)相同,首先是跨中及附近出現(xiàn)裂縫,繼續(xù)加載,則板底裂縫增多(圖8),撓度變形加快,破壞時(shí),跨中撓度達(dá)到跨度的1/50以上,均呈現(xiàn)明顯的延性特征,鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)錨固性能良好。其實(shí)測(cè)承載力檢驗(yàn)系數(shù)γ0u大于《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》要求的1.35,因此,預(yù)制薄板能滿足施工階段承載力要求。

圖8 典型板底裂縫分布

2)抗裂分析：測(cè)得預(yù)制薄板的抗裂檢驗(yàn)系數(shù)均比《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》規(guī)定的抗裂檢驗(yàn)系數(shù)大,開(kāi)裂荷載均能達(dá)到施工設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)值,滿足施工時(shí)預(yù)制構(gòu)件下不設(shè)支撐的要求。

3)剛度分析：開(kāi)裂之前,荷載-撓度曲線近似為直線,說(shuō)明剛度幾乎不變。撓度實(shí)測(cè)值比按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》公式Bs=0.85EcI0計(jì)算的結(jié)果小很多,構(gòu)件實(shí)際剛度大于0.85E c I0接近于E c I0。

3 疊合板件試驗(yàn)

3.1 疊合板件制作及加載方案

1)為了研究疊合板件的整體受力性能、疊合面的抗剪性能以及連續(xù)疊合板件在支座處的彎矩調(diào)幅值,對(duì)2塊單跨疊合板件和1塊兩跨連續(xù)疊合板件進(jìn)行靜載試驗(yàn)研究,板件設(shè)計(jì)分別如圖9、圖10所示。預(yù)制薄板受力主筋采用6φb5,fu=704 MPa,混凝土采用C50混凝土,后澆混凝土采用C20,連續(xù)疊合板件支座配筋3φ8。板件實(shí)際幾何參數(shù)及材料基本參數(shù)見(jiàn)表6。板件兩端簡(jiǎn)支,采用粘土磚進(jìn)行均布加載,單跨疊合板件以及兩跨連續(xù)疊合板件撓度、應(yīng)變測(cè)點(diǎn)分別如圖11、圖12所示。

圖9 單跨疊合板件設(shè)計(jì)圖

圖10 兩跨連續(xù)疊合板件設(shè)計(jì)圖

圖11 單跨疊合板件撓度、應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置

圖12 兩跨連續(xù)疊合板件撓度、應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置

表6 板件實(shí)際幾何參數(shù)及材料基本參數(shù)

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

1)剛度與承載力分析：試驗(yàn)測(cè)得的荷載-撓度曲線如圖13所示,加載前期為彈性變形,撓度呈線性增長(zhǎng),DHB-1與DHB-2荷載-撓度曲線差別不大,DHB-3左跨與右跨荷載-撓度曲線基本重合。根據(jù)荷載-應(yīng)變曲線(圖14),連續(xù)疊合板件在荷載為12.6 kN/m2時(shí)開(kāi)裂,而單跨疊合板件在荷載為9.1 kN/m2時(shí)就開(kāi)裂了,開(kāi)裂前撓度均小于3mm。2塊單跨疊合板件均在15級(jí)荷載,即10.5 kN/m2時(shí)出現(xiàn)可見(jiàn)裂縫,裂縫位于跨中截面附近,從預(yù)制部分向疊合面延伸。單跨疊合板件直到破壞,未出現(xiàn)沿疊合面的水平裂縫,表明疊合面粘結(jié)完好,自然粗糙疊合面完全滿足抗剪要求,極限承載力為16.8 kN/m2。兩跨連續(xù)疊合板件在荷載為14.0 kN/m2時(shí)出現(xiàn)可見(jiàn)裂縫,極限荷載為20.3 kN/m2,板加載至破壞,未出現(xiàn)沿疊合面的剪切破壞,表明自然粗糙疊合面具有足夠的抗剪能力,能保證疊合板兩部分混凝土共同工作。單跨疊合板件的荷載-撓度曲線同預(yù)應(yīng)力構(gòu)件類(lèi)似,較好的反映了疊合板件剛度大和延性好的特點(diǎn)。對(duì)于連續(xù)疊合板件,支座截面開(kāi)裂對(duì)跨中撓度的影響很小,跨中截面開(kāi)裂后,撓曲線出現(xiàn)一個(gè)并不明顯的轉(zhuǎn)折,隨著荷載繼續(xù)加大,支座裂縫寬度逐漸增大,撓度曲線才有所偏轉(zhuǎn)。

圖13 疊合板荷載-撓度曲線

圖14 各截面荷載-應(yīng)變曲線

2)截面應(yīng)變分析：跨中截面的應(yīng)變基本滿足平截面假定,但是中性軸在一定的范圍變動(dòng),在開(kāi)裂前的低應(yīng)力狀態(tài),拉區(qū)、壓區(qū)的應(yīng)變較小,基本對(duì)稱而壓應(yīng)變稍大,這是由于拉區(qū)受到預(yù)應(yīng)力鋼絲的約束作用。根據(jù)圖14,在13.87 kN/m2荷載作用下,單跨疊合板件DHB-1、DHB-2跨中截面上邊緣測(cè)點(diǎn)壓應(yīng)變分別在1 100με、1 500με左右,受壓區(qū)混凝土沒(méi)有被壓壞,跨中截面下邊緣測(cè)點(diǎn)拉應(yīng)變較小,分別在300με、200με左右。在 15.33 kN/m2荷載作用下,連續(xù)疊合板件DHB-3左跨、DHB-3右跨跨中截面上邊緣測(cè)點(diǎn)壓應(yīng)變?cè)?1 800με、1 300με左右,受壓區(qū)混凝土沒(méi)有被壓壞,跨中截面下邊緣測(cè)點(diǎn)拉應(yīng)變較小,分別在 700με、1 200με左右?？梢?jiàn),連續(xù)疊合板件跨中截面上、下邊緣荷載-應(yīng)變變化情況與單跨疊合板件相似。

3)抗裂分析：受拉區(qū)預(yù)壓應(yīng)力使疊合板件的抗裂性能大大提高。由圖13可知,單跨疊合板件開(kāi)裂荷載接近承載力設(shè)計(jì)值,可以認(rèn)為疊合板在標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下是不開(kāi)裂的。試驗(yàn)中連續(xù)疊合板件在外荷載作用下,裂縫首先在支座處產(chǎn)生,說(shuō)明控制支座裂縫是連續(xù)疊合板件抗裂的關(guān)鍵,故應(yīng)該控制支座的調(diào)幅值,建議支座調(diào)幅值取25%,其目的是為了更好的控制支座裂縫寬度。疊合板件跨中開(kāi)裂后,裂縫即向后澆層延伸,整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中,疊合面未出現(xiàn)水平裂縫,說(shuō)明預(yù)制薄板疊合面的粘結(jié)和咬合力大。

4)塑性內(nèi)力重分布規(guī)律：當(dāng)支座與跨中均未出現(xiàn)裂縫時(shí),連續(xù)疊合板件處于按彈性工作狀態(tài)。當(dāng)支座出現(xiàn)裂縫而跨中尚未出現(xiàn)裂縫時(shí),支座因開(kāi)裂而剛度下降,因而使支座彎矩增速減慢,跨中彎矩增速加快;但當(dāng)跨中出現(xiàn)裂縫,而支座鋼筋未達(dá)到屈服時(shí),跨中剛度下降,彎矩增速減慢,使支座彎矩增速又加快;當(dāng)支座鋼筋達(dá)到屈服形成塑性鉸時(shí),支座彎矩基本穩(wěn)定,彎矩向跨中轉(zhuǎn)移,使跨中彎矩增速加快,直至跨中鋼筋達(dá)到流限。試驗(yàn)表明連續(xù)疊合板件塑性內(nèi)力重分布規(guī)律和現(xiàn)澆連續(xù)板類(lèi)似,都是有裂縫產(chǎn)生而引起的,板隨裂縫發(fā)展及塑性鉸的產(chǎn)生不斷調(diào)整各部位的內(nèi)力。

4 疊合板件截面應(yīng)變分析

疊合板件為2階段受力,第1階段是澆注疊合層混凝土的施工階段,荷載由預(yù)制薄板承擔(dān);第2階段是疊合層混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值之后,荷載由疊合板件承擔(dān)。預(yù)制薄板在第1階段荷載作用下和疊合板件在第2階段荷載作用下的正截面平均應(yīng)變均符合平截面假定,正截面受力也存在“預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力超前”和“受壓混凝土應(yīng)變滯后”現(xiàn)象。但與一般疊合板件不同的是,預(yù)制薄板采取倒“T”形截面形式,疊合板件上表面僅比預(yù)制薄板矩形肋高出25 mm,在預(yù)制薄板制造完畢后由于預(yù)應(yīng)力大小的不同,矩形肋上部存在拉應(yīng)力,在第1階段彎矩M1作用下預(yù)制薄板會(huì)出現(xiàn)全截面受壓或底板受拉兩種情況,分別見(jiàn)圖15、圖16,在第2階段彎矩 M2作用于全截面時(shí)矩形肋大部分或全部會(huì)位于截面的受壓區(qū),由于M1和M2各自作用的截面高度不同,導(dǎo)致M1產(chǎn)生的部分受壓區(qū)與M2產(chǎn)生的部分受拉區(qū)重疊,重疊區(qū)的拉壓應(yīng)變及相應(yīng)的拉壓應(yīng)力相互抵消,在第1階段重疊部分的壓應(yīng)力即為荷載預(yù)壓力,這一過(guò)程稱為疊合截面的內(nèi)力轉(zhuǎn)移,圖15和圖16反映了2種情況下疊合板件2階段受力截面應(yīng)變變化的整個(gè)過(guò)程。

圖15 截面應(yīng)變分布(Ⅰ)

圖16 截面應(yīng)變分布(Ⅱ)

對(duì)于采用預(yù)制實(shí)心平板的二次疊合式受彎板件,二次受力的影響與h1/h2(預(yù)制實(shí)心平板與疊合后高度之比)、M1/[M1]([M1]為預(yù)制實(shí)心平板的計(jì)算破壞荷載除以強(qiáng)度設(shè)計(jì)安全因素K)有關(guān),在M1/[M 1]一定的情況下,疊合截面高度之比h1/h2越小,內(nèi)力轉(zhuǎn)移系數(shù)β越大。與普通預(yù)應(yīng)力混凝土疊合板不同的是,由于預(yù)制薄板帶肋,板肋部分伸入后澆層混凝土,疊合面不是水平面,疊合截面的高度僅高出矩形肋25mm,矩形肋的截面寬度僅為預(yù)制薄板底板寬度500mm或400 mm的1/4～1/3,疊合前計(jì)算高度值h1應(yīng)介于30 mm或預(yù)制薄板截面總高度兩者之間,因此二次受力對(duì)這種疊合板受力的影響較厚度相等的實(shí)心平板疊合板要弱。該文建議取底板厚度30 mm作為考慮二次受力影響的預(yù)制薄板計(jì)算高度h1,但預(yù)制薄板的施工階段承載力驗(yàn)算仍按實(shí)際截面高度進(jìn)行。

5 結(jié)語(yǔ)

1)采用高強(qiáng)混凝土及施加預(yù)應(yīng)力,預(yù)制薄板能滿足施工階段承載力要求,可作為無(wú)支撐體系模板;疊合板有較好的剛度、裂縫控制能力和承載力。

2)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,可按整澆板的計(jì)算方法進(jìn)行疊合板的承載力計(jì)算;連續(xù)疊合板件整體受力性能與現(xiàn)澆板相似,建議按25%進(jìn)行支座彎矩調(diào)幅,以及在支座處配筋考慮連續(xù)板受力,以減小撓度,提高板件的抗裂能力和承載力。

3)預(yù)制薄板帶肋,增加了預(yù)制薄板與疊合層的粘結(jié)力;肋內(nèi)設(shè)矩形孔洞,提高了預(yù)制薄板與疊合層的咬合力;試驗(yàn)中沒(méi)有出現(xiàn)沿疊合面的裂縫和滑移現(xiàn)象,表明采取自然粗糙面的疊合面具有足夠的抗剪能力,能保證疊合板兩部分混凝土共同工作。

4)2次受力對(duì)這種新型疊合板受力的影響較厚度相等的實(shí)心平板疊合板要弱,建議取底板厚度作為預(yù)制薄板考慮2次受力影響的計(jì)算高度,預(yù)制薄板施工階段承載力驗(yàn)算按實(shí)際截面高度進(jìn)行。

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