带接缝的混凝土叠合楼板足尺试验研究*(建筑)

带接缝的混凝土叠合楼板足尺试验研究*(建筑)

             颜  锋¹，  高  杰¹，  田春雨¹，  郝  玮¹，  谭宇昂²

    （1建研科技股份有限公司，北京100013；2万科企业股份有限公司，深圳518083）

{摘要]对预制板带接缝的混凝土叠合楼板进行了足尺试验，研究了叠合板的受力性能，包括破坏机理、承载力、刚度、裂缝分布、叠合面抗剪性能等。并对比研究了钢筋桁架对叠合板的作用、拼接缝对叠合板的影响。通过与理论分析进行对比，提出了计算假定和计算方法，为带接缝的装配式叠合楼板的设计提供参考。

[关键词]装配式混凝土结构；叠合楼板；足尺试验；钢筋桁架

中图分类号：TU398  文章编号：1002-848X(2016)10-0056-05

0  引言

    建筑产业现代化是目前我国建筑业发展的方向。装配式混凝土结构是建筑产业现代化进程中推广的主体结构形式之一，也是工业化建筑的主要结构形式之一。混凝土结构中，楼盖是最易于实现预制装配化的部分。叠合楼盖由于既具有装配式混凝土结构标准化、工厂化、装配化的优点，又具有较好的整体性，在目前国内推广的装配式混凝土结构中得到广泛应用。

    对于整块单向或者双向受力的混凝土叠合板，其受力性能和计算理论研究都比较充分，规范中也有相关规定。对于预制底板分缝、后浇层为一整体的叠合板，目前国内外已有一些研究成果，但还没有形成统一的计算方法和计算假定。本文对预制板带接缝的双向叠合楼板进行足尺试验，研究其受力性能，包括破坏机理、承载力、刚度、叠合面抗剪性能等。并重点研究钢筋桁架对叠合板的作用以及拼接缝对叠合板性能的影响。通过与理论分析结果的对比分析提出了叠合楼板的计算假定和计算方法，为带接缝的装配式叠合楼板的设计提供依据。

1  试验概况

1.1试件设计

    试件为6m x6m的双向板，四边支承于混凝土边梁上。共制作了3个试件，其中试件A为全现浇双向板，用于对比；试件B为钢筋桁架叠合板；试件C为无钢筋桁架叠合板。试件B和试件C中，预制底板由3块6m×1.9m的预制板拼接而成，拼缝无连接。支撑边梁截面为350mm×600mm。现浇板板厚为160mm，叠合板的预制板板厚为80mm，后浇层层厚为80mm。现浇板为双层双向配筋，下筋为10@200；上筋跨中为12@ 200，支座处为12@100。叠合板配筋与现浇板一致，在预制板的拼缝位置紧贴预制板顶配置附加钢筋10@ 75。试件尺寸和构造如图1所示。

 

    试件B，C施工过程中，在预制板下设置临时支撑，后浇层混凝土达到强度后拆除支撑。叠合板为一次受力。板钢筋为HRB400，混凝土强度等级为C30。混凝土抗压强度标准值实测值为21. 3MPa，钢筋屈服强度实测值为463MPa。

1.2加载方案

    由于足尺试件尺度较大，承载力较高，采用现场板面堆载的加载形式。在试件上表面放置木条，木条上堆载小型混凝土构件。试件受力可简化为线荷载加载，板块上木条位置即线荷载位置如图2所示。试件A，B的加载方式相同，每级荷载增加50kN，对应线荷载为5 k N/m。受到现场客观条件的限制，试件C更换了加载所用混凝土块，每级荷载增加120kN，对应线荷载为10kN/m。荷载单调增加，直到楼板丧失承载力或者堆载过高无法进行，各试件加载制度见表1，加载示意见图3。

 

1.3测量方案

    试验过程中测量板跨中的竖向位移、跨中及拼缝处混凝土的应变、跨中及拼缝处的钢筋应变以及板叠合面的滑移，并在试验中随时观察试件的开裂和破坏现象。其中X向为平行拼缝方向，Y向为垂直拼缝方向，测点布置如图4所示。

 

2  试验过程与破坏形态

    试件A在加载至第4级荷载( 200kN)时，板底部开始出现裂缝。板底裂缝从中心向四周发散，明显呈现出双向板特性，包含水平向、竖直向与45⁰斜角三个方向，斜向裂缝从接近中心的位置延伸至角柱处，如图5所示。由于加载块已经很高，考虑人员的安全，加载在第6级后( 300kN)停止，构件未完全破坏。

    试件B在加载至第2级荷载( 100kN)时，板底部开始出现大量横向裂缝，且集中在中间板块的跨中范围内，呈现出单向板特性，如图6所示。考虑人员的安全，加载在第6级( 300kN)后停止，构件未破坏。    

试件C在加载至第1级荷载( 120kN)时，板底部开始出现横向裂缝，且集中在中间板块的跨中范围内，呈现出单向板特性；加载至第2级荷载( 240kN)时，两侧板的板底出现横向裂缝，如图7所示。加载至第5级荷载( 600kN)时，中间板块丧失承载能力，中间板块向下的挠度明显大于旁边两块的挠度。

 

3  位移和拼缝滑移发展

3.1位移发展

    试件的竖向荷载．位移曲线如图8所示。

    (1)试件A在堆载达到200kN前，位移随承载力基本呈线性增长。荷载达到200kN时，曲线斜率降低，结合试验现象可知，原因为该荷载下楼板下表面混凝土开裂导致楼板刚度下降。荷载达到250kN后，位移增长迅速。

 

    (2)试件B在堆载达到100kN时，曲线斜率降低，结合试验现象可知，原因为楼板下表面混凝土开裂导致楼板刚度下降。荷载达到250kN后，位移增长迅速。带钢筋桁架叠合板的荷载，位移曲线与现浇板较为接近。

    (3)试件C在堆载达到120kN时，曲线斜率略有降低，结合试验现象可知，原因为楼板下表面混凝土开裂导致楼板刚度下降。荷载达到600kN后，位移增长迅速。由于试件C与前两个试件的加载方式不同，不适于直接比较。

 

3.2水平拼接缝的滑动变形

    在整个试验过程中，试件B上下层水平拼缝间未见明显相对错动；试件C的上下层水平拼缝间在前4级荷载均无明显相对错动，试件C在第5级荷载丧失承载力，此时水平拼缝有较明显的突发相对变形，靠近板端区域相对错动为12~18 mm，板跨中区域相对错动为3～5mm。

4  应变发展

4.1钢筋应变

    各试件板跨中X，y向底部钢筋应变发展如图9所示。试件A跨中位置X向与Y向应变大致相等，呈明显的双向板特性；试件B和试件C跨中位置X向应变明显大于Y向，呈现出单向板特性。

4.2混凝土应变

    各试件板跨中底部混凝土应变发展如图10所示，其规律和钢筋应变基本一致。试件A跨中位置X向与y向应变大致相等，呈明显双向板特性；试件B和试件C跨中位置X向应变明显大于y向，呈现出单向板特性。

5  理论分析对比

5.1正截面承载力与开裂荷载计算

    (1)试件跨中屈服荷载理论值按照《混凝土结构设计规范》( GB 50010-2010)中式(6.2.14)计算，材料强度均采用实测值。

    (2)开裂荷载理论值计算时假定下底面混凝土应变正好达到混凝土开裂应变，按照平截面假定关系计算出各钢筋以及上表面混凝土对应的应变，再进一步计算此时弯矩，计算时材料强度均采用实测值。

    (3)板混凝土水平叠合面滑动时的承载力按《预制装配整体式钢筋混凝土结构技术规范》(SJG18 -2009)计算，水平叠合面剪应力计算公式为：

 

5.2有限元计算

    为了进一步研究叠合板的受力机理，采用有限元软件SAP2000进行模拟计算。板四边的梁柱采用梁单元建模，板采用壳单元建模并进行细分。分析中采用了四种模型，对应图11所示四种计算假定。图中假定1为双向板假设，即模型为整块双向板；假定2为单向板假设，即按照预制底板拼缝位置将整块板划分为3块独立的板，拼缝处不连接；假定3为板缝变厚度的双向板假设，即模型中将整块双向板拼缝位置（取100mm宽）的板厚度修改为后浇层厚度80mm；假定4为拼缝可传递剪力但不传递弯矩，即按照预制底板拼缝位置将整块板划分为3块独立的板，但相邻两块板的对应节点在竖向自由度耦合。

 

    有限元分析的荷载布置与试验一致，均采用试验中的倒数第二步荷载等级，即试件A和试件B为第5级( 250kN)，试件C为第4级(480kN)。有限元计算结果与试验结果对比如表3所示，其中楼板实测弯矩通过实测的钢筋与混凝土应变推算即可得到。

    从计算结果可以看出：1）对试件B和试件C采用假定1计算得到的双向弯矩在同一水平，与试验结果不一致，说明双向板假定不适用于此种预制叠合板；2）试件B和试件C采用假定2计算得到的中间板跨中弯矩和位移均明显过大，与试验值不符，说明边板对中间板的贡献不应忽略；3）试件B和试件C采用假定3计算得到的跨中X向弯矩比试验值偏大，说明仅改变拼缝厚度未能完全模拟实际情况；4)试件B和试件C采用假定4计算得到的结果与试验值相对较为接近，说明拼缝处可传递剪力，但传递弯矩较小。

 

    综上，带接缝的双向叠合楼板受力表现更接近于单向板特性，但边板对中间板的贡献不应忽略，其拼缝处可传递剪力。

6  结论

    (1)预制底板带分离式接缝的双向叠合楼板在竖向荷载下的受力特性表现为明显的单向板特性，板底以横向裂缝为主，板底钢筋应变和底部混凝土应变以平行拼接缝方向为主。但边板对中间板的贡献不应忽略。拼缝处可传递剪力，但传递的弯矩较小。

    (2)无论是否设置钢筋桁架，预制底板带分离式接缝的叠合板实际出现裂缝时的荷载均低于整体现浇板；叠合板水平叠合面出现滑动的荷载均高于理论计算值。

    (3)无钢筋桁架的叠合板，在最后一级荷载时水平叠合面发生滑移，突然丧失承载力，属于脆性破坏，应采取有效措施如钢筋桁架、界面抗剪钢筋等防止叠合板水平叠合面发生剪切破坏。