一種新型拼縫疊合樓板的足尺試驗研究

萬 歷

浙江省建工集團(tuán)有限責(zé)任公司 浙江 杭州 310012

疊合樓板由預(yù)制混凝土底板與上部后澆混凝土兩部分組成，具有可標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)、施工便捷迅速、整體性較好、便于運(yùn)輸?shù)跹b等優(yōu)點[1-2]。目前國內(nèi)外學(xué)者對于疊合樓板的研究主要集中在引入新型材料、新工藝改善疊合樓板的整體性能，以及建立疊合樓板的數(shù)值分析模型等方面。谷倩等[3]采用頁巖陶粒輕質(zhì)混凝土代替普通混凝土作為疊合層，通過靜載堆積試驗分析了此種疊合樓板的受力性能和撓度變形特點，并根據(jù)試驗結(jié)果和彈性力學(xué)薄板理論推導(dǎo)出了頁巖陶粒輕質(zhì)混凝土雙向疊合樓板的撓度計算公式。李靜斌等[4]對鋼筋桁架混凝土疊合樓板的剛度進(jìn)行了驗算，推導(dǎo)出了短期剛度的計算公式，給出了使用階段內(nèi)力和極限承載力的計算公式，并通過有限元軟件進(jìn)行了模擬分析，對其加以驗證。XU等[5]建立了一種可有效預(yù)測混凝土疊合樓板開裂的模型，并進(jìn)一步確定了相關(guān)理論參數(shù)。

大多數(shù)帶拼縫的疊合樓板為了在拼接使用后具有更好的整體性，會在板間留有一定的距離，并在拼接邊上預(yù)留一定長度的彎起鋼筋，沿邊長均勻分布[6]，然而這些彎起鋼筋容易與其他預(yù)制構(gòu)件預(yù)留的鋼筋產(chǎn)生碰撞沖突，給后續(xù)施工帶來不便。

目前，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的施工順序是先吊裝預(yù)制梁（內(nèi)含箍筋）或者先綁扎現(xiàn)澆梁箍筋，后吊裝疊合樓板，疊合樓板的支座出筋會與梁箍筋碰撞，錨入梁內(nèi)施工困難；對于梁高在500 mm及以下的小梁，梁鋼筋在疊合樓板吊裝完之后安裝，由于疊合樓板的支座出筋，梁鋼筋綁扎效率非常低，十分影響工期且難以保證施工成品質(zhì)量?；诖?，現(xiàn)設(shè)計出一種新型拼縫形式的疊合樓板，將彎起鋼筋較為集中地分布在疊合樓板拼接邊的中部，減少鋼筋間的接觸與碰撞，其預(yù)制底板如圖1所示。本文將3塊此種預(yù)制底板拼接，并澆筑疊合層混凝土，形成疊合樓板，進(jìn)行加載試驗，研究其承載能力、變形特點以及拼縫處鋼筋的受力性能，為此種疊合樓板在實際施工中的應(yīng)用提供依據(jù)與參考。

圖1 預(yù)制底板配筋

1 試驗概況

1.1 試驗構(gòu)件

疊合樓板的平面尺寸為3 380 mm×3 080 mm，板厚150 mm，其中預(yù)制底板厚60 mm，后澆層混凝土厚70 mm，預(yù)制底板間的間距為150 mm。為增強(qiáng)樓板的整體性，在拼縫1處布置間距為200 mm的防裂鋼筋網(wǎng)片（圖2中編號②、④），在拼縫2處預(yù)制底板表面鋪設(shè)間距為97 mm的附加鋼筋網(wǎng)片（圖2中編號①、③），預(yù)制底板綁扎的鋼筋桁架采用A90規(guī)格，具體如圖2所示。

圖2 試件尺寸及構(gòu)造

1.2 應(yīng)變片布置位置

對于預(yù)制底板，混凝土應(yīng)變片應(yīng)該按照試驗構(gòu)件雙向板的受力情況來布置，在雙向板塑性鉸線位置的混凝土下表面粘貼混凝土應(yīng)變片，在拼縫位置的混凝土下表面布置混凝土應(yīng)變片。鋼筋應(yīng)變片布置如圖3（a）所示。

對于后澆層混凝土，在疊合樓板拼縫處的防裂鋼筋網(wǎng)片上布置應(yīng)變片，具體位置如圖3（b）所示。

圖3 鋼筋應(yīng)變片布置示意

1.3 加載裝置與加載制度

試驗采用9個千斤頂進(jìn)行加載，如圖4所示，為將集中荷載轉(zhuǎn)變?yōu)榫己奢d，千斤頂下設(shè)置9塊300 mm×300 mm×30 mm的鋼板，在疊合樓板上均勻分布，鋼板間預(yù)留約50 mm空隙，以防試件變形而使鋼板發(fā)生碰撞。在正式加載前，為檢測儀器示數(shù)是否正常，對構(gòu)件進(jìn)行預(yù)加載。預(yù)加載分為2、4、6 kN/m2三級進(jìn)行，待檢查無誤后，對試件三級卸載并重新調(diào)零儀表儀器。正式加載時采取分級加載，在1～10級，每級荷載取開裂荷載計算值的10%，即1.3 kN/m2；在11～15級，每級荷載改為極限荷載計算值的10%，即5.2 kN/m2；在16級之后，每級荷載取為極限荷載計算值的4%，即2 kN/m2，直至試件被破壞。

圖4 試驗加載裝置

2 試驗現(xiàn)象

在加載至13 kN/m2前，試件基本處于彈性狀態(tài)，試件幾乎無任何變化，荷載位移基本呈線性增長；當(dāng)樓面荷載分別為1.5、2.0、2.5以及5.0 kN/m2時[7]，對應(yīng)的樓面中心點處的豎向撓度分別為0.577、0.769、0.962和1.920 mm。當(dāng)樓面荷載達(dá)到18.2 kN/m2時，樓板底部在現(xiàn)澆帶位置出現(xiàn)裂縫，隨著荷載的增大，樓板的對角線方向也逐漸出現(xiàn)裂縫，樓板受力進(jìn)入彈塑性階段；當(dāng)樓板中心點撓度達(dá)到65 mm，此時跨中位移已經(jīng)超過較長邊跨度的1/50，可認(rèn)為疊合樓板已達(dá)到極限承載力狀態(tài)，此時樓板試件仍保持較高的承載力；當(dāng)疊合樓板承載力達(dá)39 kN/m2時，此時樓板底部已經(jīng)出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的開裂，可認(rèn)為樓板已經(jīng)破壞。疊合樓板的裂縫發(fā)展可總結(jié)為：初始裂縫出現(xiàn)于拼縫處的新舊混凝土交界面處，此后隨著樓面均布荷載的增加，板的中心處出現(xiàn)開裂，最后板沿對角線方向出現(xiàn)裂縫。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 均布荷載-豎向撓度曲線

試驗中，除在疊合樓板中心位置外，還在其1/4跨和靠近角部的1/4跨位置布置豎向撓度測點，得到了不同位置的樓面均布荷載-豎向撓度曲線，如圖5所示。在相同荷載作用下，對角線位置的撓度小于長跨方向1/4跨位置的撓度，且長跨方向1/4跨位置的豎向撓度約為跨中位置的1/2。在達(dá)到極限荷載后，繼續(xù)加載，樓板仍具有較大的剛度，承載力未出現(xiàn)明顯下降，說明該疊合樓板有較高的安全儲備。

圖5 樓面均布荷載-豎向撓度曲線

3.2 預(yù)制底板鋼筋均布荷載-豎向應(yīng)變曲線分析

疊合樓板拼縫處的連接鋼筋是預(yù)制底板間的主要連接傳力鋼筋，故首先對其在試驗過程中的應(yīng)變情況進(jìn)行分析。通過在試驗結(jié)束后將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到連接鋼筋的均布荷載-豎向應(yīng)變曲線，如圖6所示。

圖6 預(yù)制底板鋼筋均布荷載-豎向應(yīng)變曲線

在試驗加載過程中，連接鋼筋是預(yù)制板在拼縫處的主要傳力機(jī)構(gòu)，且在相同樓面均布荷載下，越靠近板中心區(qū)域的連接鋼筋拉應(yīng)變越大。當(dāng)樓面均布荷載達(dá)28.6 kN/m2時，連接鋼筋縱向微應(yīng)變超過2 000 με，可認(rèn)為此時鋼筋已經(jīng)達(dá)到屈服。此時由圖5也可看出，在受拉鋼筋發(fā)生屈服后，樓板的均布荷載-豎向撓度曲線斜率也發(fā)生變化，樓板的剛度發(fā)生退化。當(dāng)樓面均布荷載達(dá)39 kN/m2時，連接鋼筋的拉應(yīng)變出現(xiàn)了較大幅度的增加，同樣樓板的豎向撓度也出現(xiàn)較為明顯的增大，由此可見，此時樓板已達(dá)到了極限承載力。除預(yù)制底板拼縫處連接鋼筋外，本次試驗還對預(yù)制板桁架鋼筋底部應(yīng)變進(jìn)行了監(jiān)測，如圖7所示。由圖7可看出，預(yù)制底板下緣的桁架鋼筋雖相對于連接鋼筋應(yīng)變較小，但當(dāng)樓面均布荷載達(dá)33.8 kN/m2時，樓板的塑性區(qū)域會不斷擴(kuò)大，此時靠近板中心的桁架鋼筋也將達(dá)到屈服。

圖7 桁架鋼筋底部均布荷載-豎向應(yīng)變曲線

3.3 疊合層混凝土鋼筋荷載-應(yīng)變曲線分析

對于本文研究的疊合樓板，現(xiàn)澆拼縫處通過預(yù)制底板預(yù)留的連接鋼筋作為主要的連接和傳力構(gòu)件，此外還設(shè)置了鋼筋網(wǎng)片進(jìn)行防裂和輔助傳力。試驗中對拼縫1與拼縫2處的鋼筋應(yīng)變也進(jìn)行了測量（詳見圖2、圖3），在試驗結(jié)束后對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到疊合樓板的均布荷載-鋼筋應(yīng)變曲線。圖8中1-4為連接拼縫2內(nèi)的鋼筋應(yīng)變測點，1-7為連接拼縫1處的鋼筋應(yīng)變測點。由圖8可以看出，在同一樓面荷載下，1-4測點的應(yīng)變值更大；此外，應(yīng)變值由板中心向支座處逐漸減小。當(dāng)樓面均布荷載達(dá)到13 kN/m2時，1-4測點的鋼筋拉應(yīng)變?yōu)? 065 με，1-7測點的鋼筋拉應(yīng)變?yōu)?25 με；當(dāng)樓面均布荷載達(dá)到28.6 kN/m2時，1-4測點的鋼筋拉應(yīng)變?yōu)? 438 με，已發(fā)生屈服，此時1-7測點的鋼筋拉應(yīng)變?yōu)? 634 με，說明拼縫處鋪設(shè)的防裂鋼筋已形成了阻裂機(jī)制，可以有效減緩板底裂縫的發(fā)展，且越靠近板中心，防裂鋼筋所受到的拉應(yīng)變越大。

圖8 拼縫處鋼筋荷載-應(yīng)變曲線

4 結(jié)語

本文通過對新型拼縫疊合樓板的足尺試件進(jìn)行加載試驗，從整個加載過程對疊合樓板的受力機(jī)理進(jìn)行探究，得到以下結(jié)論：

1）此種新型疊合樓板在樓面荷載為2 kN/m2時，豎向撓度為0.769 mm；當(dāng)荷載為5 kN/m2時，豎向撓度為1.920 mm，且處于彈性受力狀態(tài)，說明能夠滿足設(shè)計荷載的要求。

2）在達(dá)到極限荷載后，疊合樓板的承載力仍未出現(xiàn)明顯下降，具有一定的安全儲備。

3）預(yù)制底板的連接鋼筋是拼縫處的主要受力構(gòu)件，且在相同樓面均布荷載下，越靠近板中心區(qū)域的連接鋼筋拉應(yīng)變越大。

4）拼縫處防裂鋼筋可以有效抑制混凝土底板裂縫的發(fā)展，且越靠近樓板中心，鋼筋的拉應(yīng)變越大。

5）結(jié)合足尺試驗數(shù)據(jù)，后續(xù)將采用有限元數(shù)值仿真和理論計算相結(jié)合的研究方法，對新型拼縫形式的疊合樓板進(jìn)行極限承載力研究，為本新型拼縫疊合樓板在工程中的應(yīng)用夯實理論基礎(chǔ)。