不同箱體形式混凝土密肋空心樓蓋受力性能試驗

吳方伯　張航　李鈞　歐陽靖　周緒紅

摘要：為研究箱體形式對混凝土密肋空心樓蓋受力性能的影響，設(shè)計制作了1塊全現(xiàn)澆空心樓蓋板帶試件、1塊明箱空心樓蓋板帶試件、1塊暗箱空心樓蓋板帶試件，對3個試件進行靜力試驗，得到了各試件的破壞形態(tài)、荷載鋼筋應(yīng)變曲線、荷載混凝土應(yīng)變曲線、荷載跨中位移曲線，并對各試件開裂彎矩、極限彎矩進行對比分析。結(jié)果表明：預(yù)制混凝土箱體與現(xiàn)澆肋梁協(xié)同受力性能良好，全現(xiàn)澆板帶試件與裝配整體式板帶試件剛度基本一致；由于現(xiàn)澆肋梁與預(yù)制混凝土箱體新舊混凝土結(jié)合面相對薄弱，以及板底鋼筋不連續(xù)，明箱、暗箱空心樓蓋板帶的開裂彎矩和極限彎矩均低于全現(xiàn)澆空心樓蓋板帶；各試件開裂彎矩和極限彎矩的計算值與試驗值吻合較好。

關(guān)鍵詞：混凝土；密肋空心樓蓋；靜力試驗；裝配整體式；受力性能

中圖分類號：TU375.2文獻標(biāo)志碼：A

Abstract： Three specimens with different boxes， a castinplace slab， a visiblebox slab and an invisiblebox slab， were designed to study the influence of box on mechanical behavior of concrete hollowribbed floor. The failure patterns， loadstrain curves of rebar and concrete as well as loaddeflection curves at midspan， were obtained by static experiment. The cracking moment and ultimate moment of specimens were analyzed comparatively. The results show that the precast concrete box works well with castinplace ribs， stiffness of castinplace slab and assembled monolithic slab are about the same. The cracking moment and ultimate moment of visiblebox slab and invisiblebox slab are lower than those of castinplace slab， on account of feeble interface between castinplace ribs and precast concrete box， as well as discrete rebars at the bottom of slab. The calculated values of cracking moment and ultimate moment are in good agreement with the test values.

Key words： concrete； hollowribbed floor； static experiment； assembled monolithic； mechanical behavior

0引言

裝配整體式混凝土密肋空心樓蓋是一種新型樓蓋體系，由預(yù)制混凝土箱體和現(xiàn)澆密肋梁組成[1]，具有自重輕、厚度小、整體性好、保溫隔熱性能好、適用跨度大等優(yōu)點，同時相比傳統(tǒng)空心樓蓋，舍棄了制作運輸難、造價高且存在施工抗浮問題的內(nèi)模，在中國部分地區(qū)得到推廣應(yīng)用。樓蓋采用預(yù)制底板，施工時只需現(xiàn)澆密肋梁，更加簡便快速，同時減小樓板混凝土收縮量，解決了現(xiàn)澆樓板易開裂問題[2]。目前混凝土密肋空心樓蓋中的箱體主要采用明箱和暗箱2種形式，箱體通過頂板、底板中錨入肋梁的外伸鋼筋與現(xiàn)澆肋梁連接，形成整體共同工作。為考察預(yù)制混凝土箱體與現(xiàn)澆肋梁協(xié)同受力性能、不同箱體形式對混凝土密肋空心樓蓋受力性能的影響，本文試驗設(shè)計制作了1塊全現(xiàn)澆混凝土空心樓蓋板帶、1塊明箱混凝土空心樓蓋板帶、1塊暗箱混凝土空心樓蓋板帶3個試件，進行靜力試驗研究，以期為工程設(shè)計提供參考和依據(jù)。

1試驗概況

1.1試件設(shè)計及制作

本文試驗設(shè)計制作了3塊不同箱體形式的板帶試件，其中1塊全現(xiàn)澆板帶試件XJB1，1塊明箱板帶試件MKXB1，1塊暗箱板帶試件AKXB1，試件尺寸及配筋布置如圖1～3所示。各板帶試件現(xiàn)澆部分及預(yù)制混凝土箱體部分（預(yù)制頂板、預(yù)制底板、預(yù)制側(cè)壁）的設(shè)計混凝土強度等級均為C35，水泥、砂、石、水的配合比為1∶1.11∶2.72∶0.43。預(yù)制頂板、底板內(nèi)鋼筋，以及現(xiàn)澆板面鋼筋、板底鋼筋、架立筋、箍筋均采用HPB300級鋼筋，密肋梁底部采用HRB400級鋼筋作為受力主筋。全現(xiàn)澆板帶試件XJB1空心箱體的頂板、底板、側(cè)壁采用10 mm厚杉木板制作[3]。

1.2材料力學(xué)性能

每塊試件澆筑時現(xiàn)場制作3個標(biāo)準(zhǔn)混凝土立方體試塊，試件與試塊均在室外自然條件下養(yǎng)護。試驗開始前，對混凝土立方體標(biāo)準(zhǔn)試塊、鋼筋進行材性試驗，試驗結(jié)果如表1，2所示。

1.3試驗裝置及加載方案

試驗裝置由大剛度反力門架、力傳感器、300 kN油壓千斤頂、分配梁、支座、臺座組成，試件簡支于臺座上。試驗時由千斤頂產(chǎn)生荷載作用在分配梁上，分配梁再將荷載傳遞給二級支座，于試件跨中形成純彎段[4]，如圖4，5所示。

靜力試驗分為預(yù)加載和正式加載2個階段。預(yù)加載分3級加載和3級卸載，每級增量取計算開裂荷載的10%。正式加載時，開裂前每級增量取計算開裂荷載的20%；試件開裂后，每級增量取計算極限荷載的10%；到達計算極限荷載的80%后，采用位移法加載至試件出現(xiàn)典型的破壞標(biāo)志為止。每級加載完畢后停留10 min。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50152—2012）[5]，當(dāng)試件出現(xiàn)以下幾種標(biāo)志之一時，認(rèn)為試件達到承載能力極限狀態(tài)：試件彎曲撓度達到跨度的1/50；受拉主筋處裂縫寬度達到1.50 mm或鋼筋應(yīng)變達到0.01；受拉主筋斷裂；受壓區(qū)混凝土受壓開裂、破碎。

1.4測點布置

在試件支座處、加載點及跨中位置安裝百分表，測量試件各測點撓度，撓度測點布置如圖6所示；在試件跨中混凝土頂面、側(cè)面及底面粘貼混凝土應(yīng)變片，測量加載各階段混凝土應(yīng)變，混凝土應(yīng)變片布置如圖6所示，其中，P為荷載；在試件加載點及跨中位置處鋼筋表面粘貼鋼筋應(yīng)變片，測量加載各階段鋼筋應(yīng)變，鋼筋應(yīng)變片布置如圖7所示；采用裂縫測寬儀測量加載各階段試件裂縫寬度。2試驗結(jié)果與分析

2.1試驗過程及破壞形態(tài)

2.1.1全現(xiàn)澆板帶試件XJB1

正式加載前，首先進行預(yù)加載，使設(shè)備、試件、支座等各部件緊密接觸，確保各種儀器及加載設(shè)備正常工作。正式加載時，開裂前試件撓度變化較小，荷載穩(wěn)定增長。加載至第6級，外加荷載達32 kN，右加載點內(nèi)側(cè)底板處出現(xiàn)2條裂縫貫通短邊方向，同時沿2個側(cè)面向上分別延伸約5，13 cm，裂縫寬度為0.05 mm。第7級至第10級加載時，伴隨明顯的混凝土開裂吱吱聲，純彎段新增多條裂縫，原有裂縫繼續(xù)延伸，第10級外加荷載達55 kN，跨中位移為4.97 mm。第11級至第17級加載時，加載點外側(cè)彎剪區(qū)段新增部分斜向裂縫，純彎段主要表現(xiàn)為裂縫延伸與寬度增大，新增裂縫數(shù)量較少，第17級外加荷載達94 kN，跨中位移為15.02 mm，裂縫寬度達0.65 mm。此后荷載難再提高，跨中位移迅速增加，改由位移控制加載。加載至位移為19.43 mm，

2.1.2明箱板帶試件MKXB1

同XJB1，先進行預(yù)加載，確保儀器設(shè)備正常后開始正式加載。加載至第7級，外加荷載為26 kN，試件跨中底面現(xiàn)澆肋梁與預(yù)制混凝土箱體交界處出現(xiàn)第1條裂縫，同時沿試件側(cè)面向上延伸10 cm，裂縫寬度為0.02 mm，跨中位移緩慢增加。隨后幾級加載過程中，伴隨著持續(xù)的混凝土開裂吱吱聲，不斷有新增裂縫出現(xiàn)，試件兩側(cè)面裂縫位置基本對稱，原有裂縫繼續(xù)向板頂延伸，寬度增大。加載至第11級，荷載達43 kN，加載點外側(cè)彎剪段開始出現(xiàn)裂縫，跨中位移為4.06 mm，位移增速加快，最大裂縫寬度為0.14 mm。加載至第19級，荷載達83 kN，已不再增加，跨中位移為12.58 mm，最大裂縫寬度為0.6 mm，此后改由位移控制加載。加載至第20級，跨中現(xiàn)澆肋梁與預(yù)制混凝土箱體交界處裂縫迅速擴展，最大裂縫寬度達2.0 mm，跨中位移為17.70 mm，此后繼續(xù)加載的結(jié)果主要表現(xiàn)為該裂縫的擴寬。加載至第22級，跨中位移為33.19 mm，跨中現(xiàn)澆肋梁與預(yù)制混凝土箱體底板、側(cè)壁呈脫開趨勢，裂縫寬度達3.0 mm。加載至第25級，跨中板底混凝土開始剝落，主裂縫沿板側(cè)面向上繼續(xù)延伸，并分岔往橫向開展，板頂混凝土破碎、隆起，此時跨中位移為60.12 mm，無鋼筋斷裂現(xiàn)象，加載停止。板底、板側(cè)最終裂縫形態(tài)如圖9所示，裂縫間距均勻，主要集中在純彎段，最終破壞表現(xiàn)為跨中現(xiàn)澆肋梁與預(yù)制混凝土箱體交界處形成主裂縫而脫開，板頂混凝土壓碎。試件破壞征兆明顯，延性較好。

2.1.3暗箱板帶試件AKXB1

同XJB1，先進行預(yù)加載，確保儀器設(shè)備正常后開始正式加載。加載至第7級，外加荷載為23 kN，試件跨中底面現(xiàn)澆肋梁與預(yù)制混凝土箱體交界處出現(xiàn)第1條裂縫，貫通底面且沿試件兩側(cè)面向上延伸2 cm，裂縫寬度為0.04 mm，跨中位移緩慢增加。加載至第8級，跨中現(xiàn)澆肋梁另一側(cè)與預(yù)制混凝土箱體交界處出現(xiàn)貫通裂縫，最大裂縫寬度為0.06 mm。隨后幾級加載過程中，伴隨著持續(xù)的混凝土開裂吱吱聲，不斷有新增裂縫出現(xiàn)，試件兩側(cè)面裂縫位置基本對稱，原有裂縫繼續(xù)向板頂延伸，寬度增大。加載至第10級，荷載為39 kN，新增多條裂縫，最大裂縫寬度為0.2 mm，板跨內(nèi)另外2條現(xiàn)澆肋梁與預(yù)制混凝土箱體交界處相繼出現(xiàn)貫通裂縫，跨中位移為3.13 mm。加載至第11級，加載點外側(cè)彎剪段出現(xiàn)多條裂縫，位移增速加快。加載至第19級，荷載達75 kN，已不再增加，板側(cè)面裂縫向上延伸并分岔橫向發(fā)展，跨中位移為12.49 mm，最大裂縫寬度為1.0 mm，此后改為位移控制加載。加載至第20級，跨中位移為15.45 mm，最大裂縫寬度達1.8 mm，此后繼續(xù)加載的結(jié)果主要表現(xiàn)為跨中肋梁與兩側(cè)預(yù)制混凝土箱體交界處的2條平行主裂縫的擴寬。加載至第24級，跨中板側(cè)面裂縫上部和下部皆分岔橫向開展，2條主裂縫寬度迅速增大，板底有混凝土剝落，此時跨中位移達47.87 mm，主裂縫寬度超過5 mm。加載至第26級，板頂混凝土破碎、隆起，此時跨中位移為68.63 mm，無鋼筋斷裂現(xiàn)象，加載停止。板底、板側(cè)最終裂縫形態(tài)如圖10所示，裂縫間距均勻，主要集中在純彎段，最終破壞表現(xiàn)為跨中肋梁與兩側(cè)預(yù)制混凝土箱體交界處形成2條平行主裂縫而脫開，板頂混凝土壓碎。試件破壞征兆明顯，延性較好。

對比3個試件的裂縫分布圖可以發(fā)現(xiàn)：3個試件裂縫開展數(shù)量相差不多，但XJB1純彎段多條裂縫共同發(fā)展，裂縫寬度擴展更加均勻，極限承載力也大于另外2個試件。MKXB1的破壞表現(xiàn)為跨中肋梁左側(cè)與預(yù)制混凝土箱體交界處的裂縫開展為主，最終導(dǎo)致肋梁與預(yù)制混凝土箱體脫開，而其他位置裂縫僅逐步向板頂延伸，寬度沒有明顯增加。AKXB1二級支座傳遞的荷載更加對稱，破壞表現(xiàn)為跨中肋梁與兩側(cè)預(yù)制混凝土箱體交界處的2條平行裂縫開展為主，最終導(dǎo)致肋梁與預(yù)制混凝土箱體脫開，其他位置裂縫同MKXB1，僅逐步向板頂延伸，寬度沒有明顯增加。由此可見，預(yù)制混凝土箱體與現(xiàn)澆肋梁之間的新舊混凝土交界面為裝配整體式板帶試件薄弱位置。

2.2荷載板底鋼筋應(yīng)變關(guān)系

（1）試件開裂前，荷載較小，板底受拉鋼筋處于線彈性變形階段，荷載板底鋼筋應(yīng)變曲線呈直線上升。

（2）混凝土開裂后試件應(yīng)力重分布，鋼筋應(yīng)變增長速度加快，隨著荷載增大，曲線向應(yīng)變軸偏移。MKXB1鋼筋應(yīng)變增長緩慢，并在最后幾級加載中停止增加，鋼筋最大拉應(yīng)變?yōu)? 417×10-6，這可能是鋼筋應(yīng)變片未處于開裂截面而剛好處在2條裂縫之間所致。XJB1與AKXB1的鋼筋應(yīng)變增長趨勢相近，試件屈服前兩者的鋼筋最大拉應(yīng)變分別為2 948×10-6，2 143×10-6。

（3）試件屈服后，曲線迅速偏向應(yīng)變軸，板底鋼筋拉應(yīng)變增長速度遠遠大于荷載增長速度。MKXB1由于鋼筋應(yīng)變片位置問題，未達到這一階段。XJB1板底鋼筋最終拉應(yīng)變超過0.01，與試件跨中撓度同時達到破壞標(biāo)志。AKXB1板底鋼筋最終拉應(yīng)變?yōu)? 043×10-6。

由于現(xiàn)澆肋梁與空心箱體交界處的鋼筋表面未粘貼鋼筋應(yīng)變片，有些應(yīng)變片剛好處于裂縫位置處，產(chǎn)生較大的應(yīng)變，有些應(yīng)變片則處于2條裂縫之間的位置，應(yīng)變較小。整個加載過程，未出現(xiàn)鋼筋斷裂現(xiàn)象。

2.3荷載板頂混凝土應(yīng)變關(guān)系

各試件荷載板頂混凝土應(yīng)變（Pεc）曲線如圖12所示，每條曲線均可分為3個階段：

（1）試件開裂前，荷載較小，板頂受壓混凝土處于線彈性變形階段，荷載混凝土壓應(yīng)變曲線呈直線上升，且3個試件基本重合。開裂前試件XJB1，MKXB1，AKXB1的板頂混凝土最大壓應(yīng)變分別為65×10-6，64×10-6，41×10-6。

（2）板底混凝土開裂后曲線斜率減小，隨著荷載增大，曲線向應(yīng)變軸偏移，板頂混凝土壓應(yīng)變增長速度加快。圖12荷載板頂混凝土應(yīng)變曲線

Fig.12Loadstrain Curves of Concrete at Top of Slab與XJB1相比，MKXB1和AKXB1混凝土壓應(yīng)變增長速度加快更明顯。試件XJB1，MKXB1，AKXB1屈服前板頂混凝土最大壓應(yīng)變分別為412×10-6，554×10-6，458×10-6。

（3）曲線迅速偏向應(yīng)變軸，板頂混凝土壓應(yīng)變增長速度遠遠大于荷載增長速度。試件XJB1，MKXB1，AKXB1的板頂混凝土最終壓應(yīng)變分別為1 846×10-6，2 311×10-6，2 694×10-6，超過混凝土峰值應(yīng)變。

各試件跨中混凝土應(yīng)變沿截面高度h近似呈直線分布，符合平截面假定，如圖13所示。

（1）試件開裂前，荷載較小，試件處于線彈性變形階段，荷載跨中位移曲線呈直線上升，且3個試件剛度大致相等。開裂前試件XJB1，MKXB1，AKXB1的跨中最大位移分別為1.08，0.69，0.44 mm，約為跨度的1/3 009，1/4 710，1/7 386。

（2）板底混凝土開裂后曲線斜率減小，試件剛度減小，隨著荷載增大，曲線向位移軸偏移，位移增長速度加快。曲線基本保持重合，3個試件剛度降低幅度大致相同。試件XJB1，MKXB1，AKXB1屈服前的跨中最大位移分別為15.02，12.58，12.49 mm，約為跨度的1/216，1/258，1/260。

（3）曲線迅速向位移軸偏移，跨中位移增長速度遠遠大于荷載增長速度。加載到最后一級，試件未出現(xiàn)脆斷現(xiàn)象，試件XJB1，MKXB1，AKXB1的最終跨中位移分別為69.78，60.12，68.63 mm，約為跨度的1/47，1/54，1/47。

可見，裝配整體式板帶試件與全現(xiàn)澆板帶試件各階段變形特征一致，彎曲剛度基本相同，預(yù)制混凝土箱體與現(xiàn)澆肋梁協(xié)同受力性能良好[7]。3抗彎承載力分析

各試件的開裂彎矩Mcr、極限彎矩Mu對比見表3。由試驗結(jié)果可見，3個試件極限彎矩與開裂彎矩比值較大，破壞征兆明顯，具有足夠的安全儲備。XJB1相比MKXB1，AKXB1展現(xiàn)出稍高的開裂彎矩以及極限彎矩。一般現(xiàn)澆肋梁與預(yù)制混凝土箱體新舊混凝土交界處加載時首先開裂，是裝配整體式板帶試件的薄弱位置，也是其開裂荷載較全現(xiàn)澆板帶試件低的原因。裝配整體式板帶試件的底板鋼筋不連續(xù)，導(dǎo)致其極限彎矩低于全現(xiàn)澆板帶試件。

4結(jié)語

（1）試件XJB1，MKXB1，AKXB1均最先開裂于跨中肋梁與箱體交界處，主要裂縫均勻分布于純彎段內(nèi)，破壞征兆明顯，無鋼筋斷裂現(xiàn)象，延性較好。MKXB1和AKXB1跨中肋梁與預(yù)制混凝土箱體交界處形成主裂縫而破壞，而XJB1多條裂縫共同發(fā)展，裂縫寬度擴展更加均勻。

（2）3個試件均由最大裂縫寬度首先達到承載力極限狀態(tài)標(biāo)志，最后跨中位移超限，受壓區(qū)混凝土壓碎，兩者幾乎同時達到破壞標(biāo)志。

（3）各試件荷載混凝土應(yīng)變曲線與荷載跨中位移曲線均可分為3個階段，準(zhǔn)確反映了試件開裂前線彈性階段、開裂后發(fā)展階段、屈服階段的變化過程。3個試件彎曲剛度基本相同，預(yù)制混凝土箱體與現(xiàn)澆肋梁協(xié)同受力性能良好，計算裝配整體式混凝土密肋空心樓蓋內(nèi)力及變形時應(yīng)充分考慮預(yù)制混凝土箱體對其剛度的貢獻。

（4）試件極限彎矩與開裂彎矩比值較大，破壞征兆明顯，具有足夠的安全儲備。由于現(xiàn)澆肋梁與預(yù)制混凝土箱體新舊混凝土的結(jié)合面相對薄弱，而且裝配整體式板帶試件的底板鋼筋不連續(xù)，導(dǎo)致MKXB1和AKXB1的開裂彎矩、極限彎矩低于XJB1。計算得到的開裂彎矩和極限彎矩與試驗值吻合較好，可供工程設(shè)計參考。

參考文獻：

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