拼裝式混凝土雙向疊合樓板承載性能試驗研究

王元清 袁霞 張延年 祝磊 劉明 管乃彥

摘要：針對目前疊合雙向板預制層構件尺寸過大時吊裝及運輸過程較困難的問題，提出一種新型拼裝式混凝土雙向疊合樓板.為研究此拼裝式疊合板的承載性能，首先對其進行彈性范圍內的均布堆載試驗，然后再對此板和一單向疊合板進行集中荷載下的破壞性對比試驗.主要分析內容為撓度、鋼筋應變、混凝土應變隨荷載變化的規(guī)律及裂縫開展情況.均布荷載試驗表明，此拼裝式疊合板具有較高的承載能力；集中荷載破壞性對比試驗結果表明，此拼裝式鋼筋混凝土疊合板具有明顯的雙向受力性能優(yōu)勢.說明此類拼裝式疊合板具有良好的承載性能，又方便吊裝運輸，是一種值得推廣的新型樓板.

關鍵詞：建筑產業(yè)化；拼裝式；混凝土；疊合樓板；承載性能； 雙向

中圖分類號：TU375.2 文獻標識碼：A

建筑產業(yè)化是指利用標準化設計、工業(yè)化生產、裝配式施工等手段來建造建筑，用信息化等方式來管理建筑的一種建筑模式，和傳統(tǒng)建筑模式相比具有施工速度快、受天氣影響小、經(jīng)濟和環(huán)保等眾多優(yōu)點.借鑒國內外發(fā)展經(jīng)驗，建筑產業(yè)化是我國盡快保質保量解決保障性住房問題的必由之路.在發(fā)達國家，建筑產業(yè)化的比例已經(jīng)達到60%以上[4-6]，而我國才剛剛起步，產業(yè)化率很低，在實際工程中的應用更少.究其原因，主要是相關政策及法規(guī)稀缺.為促進建筑產業(yè)化的發(fā)展，應加強相關研究并推廣應用于實際工程中，而關鍵部品研究是建筑產業(yè)化技術發(fā)展的核心，本文主要對裝配式樓板進行研究.

針對目前存在的整體鋼筋桁架雙向疊合板尺寸過大時，預制層吊裝及運輸困難的問題[11]，吳方伯[12]等人提出一種單向預應力雙向配筋混凝土疊合樓板，試驗證明其疊合層和預制底板具有良好的協(xié)同受力性能.本文提出一種拼裝式鋼筋桁架雙向疊合板，它是將由工廠預制的單塊板吊裝運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場，再通過單塊板上的預留孔洞插入穿插鋼筋把各板拼裝成一體形成預制層，此穿插鋼筋同時起到受力筋的作用，拼裝后的預制板作為施工模板，再在其上澆筑混凝土.它具有單向板易吊裝運輸?shù)膬?yōu)勢，對于其是否具有雙向板的良好受力性能，本文將進行試驗研究.

1試驗概況

1.1試件設計與加工

在設計時，穿插橫筋作為受力筋和整體共同承擔荷載，所以預留孔洞位置必須垂直于單塊預制板縱向鋼筋且恰好位于其上，從而使疊合板具有雙向受力的性能.

本試驗構件預制層及后澆層均在沈陽宇輝構件廠進行加工，達到設計強度后運輸?shù)缴蜿柦ㄖ髮W結構實驗室進行試驗，養(yǎng)護條件為室內常溫.預制層構件為6塊板，編號從A1～A6，A1號板澆注疊合層現(xiàn)澆混凝土后為B1板，做單向板抗彎試驗；A2～A6號板拼裝完澆注疊合層現(xiàn)澆混凝土后為B2板，做雙向板抗彎試驗（見表1）.

單塊預制板截面尺寸為3 000 mm×600 mm×70 mm，其中A2～A6預制板截面構造形式及配筋如圖1所示，A1號板與其他板的區(qū)別在于不開槽，預留鋼筋孔洞位置為橫向配筋，其他截面尺寸和A2～A6號板相同.鋼筋保護層厚度為20 mm，鋼筋強度采用HRB335，受力筋直徑為8 mm，桁架腹桿鋼筋直徑為4 mm.疊合面采用人工制作的抓耙形式，試驗時B1板兩端及B2板四周邊界條件均為簡支約束.疊合后B1板的尺寸為3 000 mm×600 mm×140 mm，其中凈跨平面尺寸為2 800 mm×600 mm；疊合后B2板組合后的尺寸為3 000 mm×3 060 mm×140 mm，其中凈跨平面尺寸為2 800 mm×2 860 mm，板與板之間的拼縫寬度為15 mm.澆筑疊合層混凝土前必須把預制構件表面的浮漿、塵土等雜物清除干凈，然后澆水充分潤濕，且不留積水，這是保證疊合面施工質量的關鍵，必須嚴格執(zhí)行.澆注混凝土時，要確保灌縫密實，發(fā)現(xiàn)跑模、漏漿應及時處理.為保證拼縫處的連接強度，在拼縫處采用網(wǎng)狀抗剪鋼筋（圖2），網(wǎng)狀抗剪鋼筋沿板縫通長布置，并位于橫向穿孔受力鋼筋之上，與橫向穿孔受力鋼筋綁扎在一起.橫向穿孔鋼筋通過PVC管預留孔洞穿插在混凝土預制板中，鋼筋與預制板混凝土之間無黏結作用，若只靠拼縫處15 mm寬度處橫向穿孔鋼筋與后澆疊合層混凝土間的黏結力，無法有效發(fā)揮橫向穿孔鋼筋的受力性能，所以在預制板上PVC管兩端位置開槽來增加橫向穿孔鋼筋與后澆疊合層混凝土間的接觸面積.為進一步增加橫向穿孔鋼筋與后澆疊合層混凝土間的黏結力，防止受力過程中橫向穿孔鋼筋和混凝土過早發(fā)生滑移對受力造成影響，對此采取一些限位措施，在板板間拼縫處穿插橫筋上點焊U型筋（圖3），在穿孔橫筋兩端點焊一字型筋（圖4）.

預制層和現(xiàn)澆層混凝土均取工廠配制好的C30強度的混凝土，混凝土坍落度試驗所測值為13 cm，在澆注混凝土預制層和后疊合層時分別同時預留相應的材性試驗所需標準件，標準件和所對應的構件放在同樣的環(huán)境下進行養(yǎng)護. A1號板鋼筋構造及模板支護如圖5所示，A2～A6號板鋼筋構造及模板支護如圖6所示，橫向設置白色PVC管來預留鋼筋孔洞，PVC管兩端泡沫板的作用是對預制板開槽.為防止?jié)沧⑦^程中鋼筋應變片導線被掩埋，必須對其采取保護措施.

為增加各預制板疊合面的疊合強度，澆注完預制層混凝土后，在預制板上表面做抓耙形式疊合面，如圖7所示.待預制板混凝土強度達到設計值的75%以上時，即可對其進行吊裝并澆注疊合層混凝土.對A1板重新支模澆注疊合層混凝土后形成B1板；通過吊裝對A2～A6板進行定位，通過預留孔洞穿插橫向鋼筋把各預制板拼裝在一起，在橫向鋼筋端部及拼縫部位設置限位筋，然后在各板拼縫處鋪設網(wǎng)狀抗剪鋼筋及綁扎疊合層構造筋，如圖8所示，圖中白色套管的作用是保護鋼筋應變片導線，防止?jié)沧⑦^程中導線被損壞或者被掩埋，在所有拼裝工作完成后澆注疊合層混凝土形成B2板.澆筑疊合層混凝土前必須把預制構件表面的浮漿、塵土等雜物清除干凈，然后澆水充分潤濕，且不留積水，這是保證疊合面施工質量的關鍵，必須嚴格執(zhí)行.澆注混凝土時，要確保灌縫密實，發(fā)現(xiàn)跑模、漏漿應及時處理.

1.2材料性能

對實際加工的試驗試件進行材料性能試驗[13]，鋼筋的彈性模量Es=2.0×105 MPa，平均屈服強度fy=424 MPa.

根據(jù)混凝土結構試驗方法標準[13]規(guī)定的方法，每組立方體試塊的抗壓強度測試值應去掉最大值和最小值后再求平均值，由平均值按照相應的公式，推算出混凝土的軸心抗壓強度、軸心抗拉強度及彈性模量，具體結果見表2.

1.3加載方案

本文對板B1做破壞性對比試驗，加載方式僅采用集中加載，加載點下設置條型鋼墊板，支座約束方式為板跨兩端簡支，加載裝置如圖9所示.

對板B2做2次加載試驗，第一次試驗加均布荷載，每級荷載為24 kN，支座約束為四邊簡支，板變形控制在彈性范圍內，卸載后板變形恢復并無其他殘余值，不影響第二次加載試驗.為避免加載過程中砂袋堆積高度過高引起倒塌，根據(jù)力豎向45°角傳遞分配原則，在砂袋堆積高度達到1.5～2.0 m時，可加集中荷載擴散分配后繼續(xù)模擬均布荷載，加載裝置如圖10所示；第二次試驗加集中荷載，邊界條件不變，加載直到破壞，加載裝置如圖11所示.

1.4測點布置

1.4.1撓度測點

B1板撓度測點布置如圖12所示，B2板撓度測點布置如圖13所示，B2板1#～9#測點布置在板上部，10#測點布置在板底部中心.

1.4.2鋼筋應變測點

鋼筋應變片選用B×1205AA型，B1板底部受拉鋼筋應變片布置如圖14所示，B2板板底受拉鋼筋布置如圖15所示.

1.4.3混凝土應變測點

混凝土應變片選用B×12080AA型，B1板混凝土應變片布置如圖16所示，B2板混凝土應變片布置如圖17所示，B2板混凝土應變片只布置在板上表面.

2試驗現(xiàn)象與結果分析

2.1試驗現(xiàn)象

1）均布荷載試驗：B2板均布荷載試驗過程中，當加載高度為1.4 m時，荷載加到96 kN，跨中撓度值為0.36 mm，為計算跨度的1/7 777；當荷載加到275 kN時，跨中撓度值為1.08 mm，為計算跨度的1/2 593，此時等效均布荷載大小已達到35 kN/m2，荷載撓度曲線幾乎呈線性增長，說明板還處于彈性范圍內，板四周及板底均未出現(xiàn)任何裂縫.由于繼續(xù)加載過程相對困難，為防止意外事故發(fā)生，終止加載，數(shù)據(jù)穩(wěn)定后卸載.

2）集中荷載試驗：B1板集中荷載試驗過程中，當荷載加載到11 kN時聽到劈裂聲音，板底首先出現(xiàn)裂縫，此時跨中撓度值為4.33 mm，為計算跨度的1/650，隨后沿跨度方向板側面也逐漸出現(xiàn)可見裂縫；當加載到17.7 kN時，跨中撓度達到14 mm，即L0/200，板此時達到規(guī)定使用狀態(tài)極限荷載，使用狀態(tài)極限荷載大小取17.7 kN；當加載到28.1 kN時，跨中撓度達到56 mm，即L0/50，板此時達到規(guī)定承載力極限狀態(tài)，承載力極限荷載取28.1 kN；繼續(xù)加載到29.2 kN時，聽到明顯的“啪啪”聲，荷載無法繼續(xù)施加，而撓度急劇增加，板破壞標志為跨中受壓區(qū)混凝土壓碎. B1板集中加載破壞后形態(tài)如圖18所示.

B2板集中荷載試驗過程中，加載到119 kN時，跨中撓度達到14 mm，即L0/200，板此時達到規(guī)定使用狀態(tài)極限荷載，使用狀態(tài)極限荷載大小取119 kN；加載到139 kN，板四周側面開始出現(xiàn)可見裂縫，板底裂縫由于四邊支撐情況，不方便觀察；當加載到179 kN時，跨中撓度達到56 mm，即L0/50，板此時達到規(guī)定承載力極限狀態(tài)，承載力極限荷載取179 kN；繼續(xù)加載到181 kN時，聽到“砰”的一聲，板中心發(fā)生混凝土局部壓碎，荷載無法繼續(xù)施加，構件破壞形態(tài)如圖19所示.

2.2結果分析

對B2板均布荷載試驗結果進行分析，加載結束時板仍處于彈性階段，此時等效均布荷載大小已達到35 kN/m2，說明此拼裝式疊合雙向板具有良好的承載能力.

對B1和B2板集中荷載下破壞性試驗進行對比分析，選取比較有代表性的數(shù)據(jù).

1）撓度：B1板荷載撓度測點曲線如圖20所示，B2板荷載撓度測點曲線如圖21所示.

撓度/mm

對圖20和圖21對比分析可得B1和B2板各測點荷載撓度曲線變化規(guī)律大體一致，但B2板峰值點荷載值遠大于B1板，即B2板的承載能力遠大于B1板.

僅對圖21分析，參考圖13測點布置位置，測點5和測點10在構件破壞前的荷載撓度曲線幾乎重合，說明跨中上、下2個測點值都比較可靠，而測點10的最大位移大于測點5，且二者在最大荷載卸載后的走向不同，是因為測點10位于板下邊，發(fā)生局部破壞時位移比較大，測點5位于板上部，卸載后彈性變形恢復，測點10未恢復. 測點2，4，6，8所得到的荷載位移曲線其形狀和走勢基本相似，特別是測點2和測點4的曲線幾乎完全重合，這2個測點分別位于雙向板通過中心點的且相互垂直的不同跨度方向上，即一點位于拼裝方向，另一點位于對應的非拼裝方向，由此可以間接說明此拼裝式B2板具有明顯的雙向受力性能.

2）鋼筋應變：B1板鋼筋應變測點曲線如圖22所示，B2板鋼筋應變測點曲線如圖23所示.

應變/10-6

對圖22和圖23對比分析可得B1和B2板各測點鋼筋荷載應變曲線上升段走勢大體一致，B2板曲線峰值點荷載值比較大，也間接說明了B2板的承載力高于B1板.

僅對圖23分析，從曲線上升段可以看出其形狀和走勢與其荷載撓度曲線相似，初始鋼筋應變的增長均呈線性.參考圖15測點布置位置，測點H5上升段曲線略低于測點8，是因為在同一跨度上，測點H5比測點8離中心的距離稍近，所以承載的力較大；測點11上升段曲線略低于測點12，測點12上升段曲線略低于測點H5，也是因為測點11比測點12離中心的距離近，而測點12又比測點H5離板中心近的緣故.綜合分析這5個測點的鋼筋荷載應變曲線，可以看出2個方向荷載傳遞比較均勻，再次得出B2板具有明顯的雙向受力性能.

3）混凝土應變：B1板混凝土應變測點曲線如圖24所示，B2板混凝土應變測點曲線如圖25所示.

對圖24和圖25對比分析可得B1和B2板各測點混凝土荷載應變曲線上升段走勢大體一致，B2板曲線峰值點荷載值比較大，也間接說明了B2板的承載力高于B1板.

僅對圖25分析，參考圖17測點布置位置，4個測點位于板上表面相互垂直的2個方向上，荷載應變曲線走勢一致，說明B2板混凝土橫向應變和縱向應變具有相似的變化規(guī)律，2個方向的應變發(fā)展非常協(xié)調，荷載近似均勻傳遞，可以證明B2板雙向作用的存在.

4）裂縫：B1的開裂荷載為11 kN，隨后裂縫繼續(xù)出現(xiàn)并開展，沿跨中往兩側基本呈對稱分布，第一條裂縫位于跨中板底位置，臨近破壞時各裂縫間距為5～10 cm.在試驗過程中，B2板由于支座條件限制，不能在試驗過程中觀察到板底裂縫的開展變化，只能觀察記錄板側四周裂縫的開展情況.

均布加載過程中，B2板整體未出現(xiàn)可見裂縫；集中加載過程中，B2板板側四周開裂情況基本一致. 首先出現(xiàn)裂縫的部位是支座外緣上部，這說明樓板在支座處有翹起現(xiàn)象. 隨后隨著荷載增大，原有裂縫繼續(xù)延伸發(fā)展并變寬，且板側不斷有新裂縫產生. 到板中心發(fā)生局部破壞時，破壞形態(tài)見圖19. 板上表面除了加載處均未出現(xiàn)任何裂縫，在試件卸載后用吊車吊起，觀測到雙向板板底中心部位嚴重受損，板底四角及拼縫處未出現(xiàn)比較明顯的裂縫.

根據(jù)板底裂縫開展及其分布規(guī)律，可以看出，此四邊簡支的拼裝式疊合板B2的破壞形態(tài)和裂縫開展規(guī)律與相同邊界支撐和加載形式的普通混凝土雙向板非常相似，這說明此拼裝式疊合板具有可靠的雙向受力性能且拼縫處抗剪性能良好.

3結論

1）均布荷載試驗說明此高跨比為1/20的新型拼裝式混凝土疊合樓板具有較高的承載能力，完全滿足正常使用荷載承載力要求.對于其他高跨比的板型，還有待后續(xù)的驗證.

2）集中荷載對比試驗，從荷載撓度、荷載應變等情況均能充分證明此新型拼裝式混凝土疊合樓板具有明顯的雙向受力優(yōu)勢.

3）綜合分析表明，此新型拼裝式混凝土疊合樓板既有疊合雙向板承載力高、可縮短工期等優(yōu)點，又有拼裝板方便吊裝運輸?shù)膬?yōu)點，有利于建筑產業(yè)化的發(fā)展，可以促進保障性住房建設的進程，值得推廣應用于實際工程中.

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