帶格構(gòu)鋼筋的側(cè)面拼接疊合樓板試驗(yàn)研究

  1、引言

  半裝配式鋼筋混凝土疊合樓板作為一種適合我國(guó)住宅產(chǎn)業(yè)化的結(jié)構(gòu)體系，已得到國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的青睞并逐漸投入工程使用。疊合結(jié)構(gòu)結(jié)合了現(xiàn)澆及預(yù)制結(jié)構(gòu)的兩者的優(yōu)點(diǎn)，早期的疊合樓蓋為單向受力（板之間縫隙采用灌漿），并且樓蓋的跨度不大，為了加大樓板跨度，擴(kuò)大疊合樓蓋的應(yīng)用范圍和節(jié)約鋼筋，需要將原來(lái)的疊合板單向受力設(shè)計(jì)改變?yōu)殡p向受力設(shè)計(jì)，以此來(lái)增強(qiáng)樓蓋的整體性、剛度、承載力和節(jié)約鋼筋等[^1-4]。工程使用中將預(yù)制底板進(jìn)行拼接，拼縫處采用一定的構(gòu)造措施，再澆注上層澆混凝土而構(gòu)成完整的樓板。疊合樓板中的拼縫傳力情況及新舊混凝土之間疊合面的抗剪問(wèn)題是疊合樓板中的關(guān)鍵問(wèn)題，已有的研究表明疊合面經(jīng)過(guò)一定的簡(jiǎn)單處理即可保證新舊混土之間的共同工作^[5]，因此如何實(shí)現(xiàn)預(yù)制板側(cè)沿拼縫的傳力是實(shí)現(xiàn)疊合板雙向受力的核心。為研究疊合板拼縫處工作性能，課題組前期的試驗(yàn)研究了端拼接形式下拼縫構(gòu)造措施^[2]，本文則主要研究側(cè)面拼形式時(shí)不同拼縫構(gòu)造措施下疊合板的受力情況，且拼接板采用板面附加鋼筋式拼縫^[6]，通過(guò)兩點(diǎn)集中荷載下靜力加載試驗(yàn)研究其受彎性能。

  2、試驗(yàn)方案

  2.1 試件設(shè)計(jì)方案

  設(shè)計(jì)制作6塊拼接疊合板試件，其中4塊同尺寸（3880mm×880mm×180mm）的試件為：試件SSL1d，未設(shè)置格構(gòu)鋼筋；試件SSL2、SSL3、SSL4，設(shè)置有格構(gòu)鋼筋，三塊構(gòu)件主要區(qū)別在于板面連接鋼筋長(zhǎng)度范圍內(nèi)格構(gòu)鋼筋的間距布置，另外兩塊構(gòu)件SSL2a、SSL2b板厚分別為150mm和120mm，兩者格構(gòu)鋼筋設(shè)置與構(gòu)件SSL2相同，SSL2b板面連接筋采用6 16。試件的配筋及形式見(jiàn)圖1。試件制作時(shí)先澆注預(yù)制部分兩塊底板，50mm厚，待預(yù)制部分混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后，再將兩塊預(yù)制底板端部對(duì)接拼放整齊，綁扎上部鋼筋，并澆注上部混凝土。

  a—試驗(yàn)板平面，b—試驗(yàn)板剖面

  注：括號(hào)內(nèi)數(shù)值依次為SSL2a、SSL2b配筋及截面尺寸

  圖1 試驗(yàn)試件圖

  2.2 試件材料特性

  疊合板試件現(xiàn)澆、預(yù)制兩部分采用的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為同一等級(jí)，由于現(xiàn)場(chǎng)條件的限制，疊合板的預(yù)制和現(xiàn)澆部分分為多個(gè)批次澆筑，每批混凝土預(yù)留兩塊混凝土立方體試塊，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28天后測(cè)定混凝土抗壓強(qiáng)度，其力學(xué)性能見(jiàn)表1。板內(nèi)受力鋼筋均為HRB400鋼筋，其力學(xué)性能見(jiàn)表2。

  表1 混凝土材料力學(xué)性能

  表2 鋼筋材料力學(xué)性能

  2.3 加載及量測(cè)方案

  在試件三分點(diǎn)進(jìn)行兩點(diǎn)集中加載，采用千斤頂-分配梁系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)單調(diào)靜力加載，荷載傳感器控制加載值。位移測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示，在試件的跨中和加載點(diǎn)位置布置位移計(jì)，考慮到支座可能產(chǎn)生的位移，在支座處也各布置了位移計(jì)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集，并對(duì)荷載-撓度曲線進(jìn)行全過(guò)程監(jiān)控，試驗(yàn)中同時(shí)測(cè)量裂縫寬度。試驗(yàn)前先進(jìn)行預(yù)加載^[7]，正式加載時(shí)，按五級(jí)加載，每級(jí)為20%Mk（Mk為設(shè)計(jì)承載力標(biāo)準(zhǔn)值），在加至開(kāi)裂荷載前采用5%Mk荷載。在達(dá)到荷載標(biāo)準(zhǔn)值后繼續(xù)加載，直至試件的混凝土壓碎或達(dá)到儀器最大量程。

  1—試驗(yàn)板；2—分配梁；3—力傳感器；4—千斤頂；5—反力架；6—位移計(jì)

  圖2 試驗(yàn)加載及量測(cè)布置

  3、試驗(yàn)概況

  3.1 試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞形態(tài)

  本試驗(yàn)構(gòu)件均為板側(cè)拼接，跨中拼接處存在天然拼縫，施加完第一級(jí)荷載約為0~0.2Mu（Mu為跨中極限彎矩值），跨中拼縫處立刻出現(xiàn)第一條彎曲裂縫，此時(shí)裂縫還未延伸至水平疊合面；繼續(xù)加載，大約0.2Mu~0.3Mu時(shí)第一條裂縫延伸至疊合面，此后裂縫沿著水平疊合面有局部的延伸且同時(shí)豎直向上延伸，寬度慢慢增大，跨中疊合面以上裂縫寬度較?。浑S試驗(yàn)荷載的繼續(xù)加大，疊合面水平裂縫長(zhǎng)度增加、寬度變大且衍生出多條斜裂縫向上發(fā)展，同時(shí)新的裂縫依次出現(xiàn)在純彎段內(nèi)及剪彎段內(nèi)，裂縫分布比較均勻?qū)ΨQ。待各構(gòu)件的預(yù)制板面連接鋼筋屈服后，跨中裂縫寬度增長(zhǎng)轉(zhuǎn)塊，裂縫繼續(xù)向上延伸，延伸速度較慢并出現(xiàn)分叉現(xiàn)象，但沒(méi)有新的彎曲裂縫出現(xiàn)。SSL3由于千斤頂量程有限未壓至混凝土破碎便結(jié)束試驗(yàn)如圖3（c）所示，其它試件最終破壞時(shí)均在跨中板頂形成一條被壓碎的混凝土長(zhǎng)帶，SSL2及SSL3破壞時(shí)豎直裂縫均勻分布在跨中兩側(cè)，而SSL4豎直裂縫主要集中在拼縫處并且呈樹(shù)枝狀，三塊板沿疊合面水平裂縫長(zhǎng)度不大，主要水平裂縫延伸至距拼縫最近的格構(gòu)鋼筋位置，如圖3（b）所示；而未配置格構(gòu)鋼筋的SSL1d鋼筋達(dá)到屈服后，沿水平面裂縫急劇發(fā)展并出現(xiàn)響聲，構(gòu)件立即發(fā)生了脆性破壞，水平裂縫直至板面連接鋼筋端部，如圖3（a）所示；試件SSL2a、SSL2b破壞過(guò)程與SSL2大體相似，不再贅述，構(gòu)件破壞形態(tài)如圖3（c）所示。

  （a）SSL1d現(xiàn)場(chǎng)破壞形態(tài)

  (b) SSL4現(xiàn)場(chǎng)破壞形態(tài)

  （c)

  圖3 試件破壞形態(tài)

  4、試驗(yàn)結(jié)果分析

  4.1 承載力

  各構(gòu)件實(shí)測(cè)極限抗彎承載力見(jiàn)表3，取跨中拼接截面為計(jì)算對(duì)象，該截面按純現(xiàn)澆截面，受力筋為6根板面連接鋼筋；根據(jù)構(gòu)件的實(shí)際尺寸，按照，《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010-2010)^[8]公式（見(jiàn)式1）對(duì)截面極限承載力進(jìn)行計(jì)算，極限荷載理論值與試驗(yàn)值對(duì)比結(jié)果見(jiàn)如表3所示，除未設(shè)置格構(gòu)鋼筋SSL1d試件外，理論計(jì)算值與實(shí)際值誤差均在10%以內(nèi)，疊合板的承載力主要取決于跨中拼接截面的承載力。構(gòu)件中SSL4極限荷載高于其它構(gòu)件很多，主要是試件實(shí)際尺寸、試驗(yàn)誤差等造成的。

  注：其中f=0.76fcu

  表3 試驗(yàn)試件極限抗彎承載力

  4.2 荷載-位移關(guān)系

  各試件的跨中荷載-位移曲線如圖4所示，除未配置格構(gòu)鋼筋的試件SSL1d發(fā)生脆性破壞外，其他試件表現(xiàn)為典型的塑性破壞，曲線大致分為彈性階段、彈塑性階段和塑性階段3個(gè)階段。第1階段為彈性階段，疊合面以上截面未開(kāi)裂，試驗(yàn)荷載約為0~0.2Mu，截面處于彈性狀態(tài)，抗彎剛度基本不變；第2階段為彈塑性階段，荷載約為0.2Mu~0.3Mu，此時(shí)跨中疊合面以上截面開(kāi)裂，表現(xiàn)在荷載-位移曲線上是第一個(gè)拐點(diǎn)，裂縫的開(kāi)展導(dǎo)致截面剛度退化，剛度約為第一階段的30%~40%；第3階段為塑性階段，荷載約為0.8Mu~1.0Mu，此時(shí)板面連接鋼筋進(jìn)入了屈服階段，表現(xiàn)在荷載-位移曲線上是第二個(gè)拐點(diǎn)，此階段試件純彎段內(nèi)裂縫數(shù)目越來(lái)越多，且底部裂縫寬度越來(lái)越大，試件承受的荷載幾乎不再增長(zhǎng)而試件撓度卻在迅速增加，剛度逐漸退化為0。從圖4中可以看出，同尺寸的構(gòu)件SSL1d、SSL2、SSL3、SSL4在彈性及彈塑性階段曲線大致相近；SSL2與SSL3的曲線幾乎一致，說(shuō)明兩者受力性能相似。未配置格構(gòu)鋼筋的SSL1d在鋼筋屈服后立即產(chǎn)生了脆性破壞，破壞時(shí)沿疊合面水平裂縫直至板面連接鋼筋端部，而其他構(gòu)件均產(chǎn)生塑性破壞，破壞時(shí)沿疊合面水平裂縫大約發(fā)展至距拼縫最近的格夠鋼筋處，說(shuō)明格構(gòu)筋能夠抑制水平裂縫的開(kāi)展，格構(gòu)筋增加了疊合面的抗剪能力，提高了板的延性。

  圖4 疊合板跨中荷載—位移曲線

  4.3 撓曲形狀的比較

  在試件1/3跨度及跨中處布置了位移計(jì)，監(jiān)測(cè)了各級(jí)荷載下的撓度分布曲線。為了表達(dá)出撓曲線的形狀，計(jì)算試件在設(shè)計(jì)使用荷載（按照附加恒載1.5kN/㎡，活載2kN/㎡計(jì)算樓板跨中彎矩，板厚180mm：21.08kN.m，150mm厚：19.22kN.m；板厚120mm：17.36kN.m）和破壞前的三分點(diǎn)撓度a′與跨中撓度a的比值（a′/a）見(jiàn)表4。

  表4 試件撓曲線形狀（撓度比a′/a）

  當(dāng)a′/a數(shù)值較大時(shí)撓度曲線豐滿，當(dāng)數(shù)值為0.667時(shí)撓曲線退化成近似二折線形態(tài)。由表4可知，在使用荷載狀態(tài)下各個(gè)構(gòu)件撓度曲線比較豐滿，拼縫對(duì)撓曲形狀影響不大；除SSL1d和SSL2b，其它試件在破壞前撓度曲線近似退化成二折線形態(tài)，說(shuō)明構(gòu)件變形主要集中在跨中拼接部位，這是由于拼接板沿跨度方向上鋼筋分布不均勻，且拼縫處剛度最小，造成了應(yīng)力集中，最終跨中出現(xiàn)了類似塑性鉸及二折線形撓度曲線的破壞形式；構(gòu)件SSL1d由于是脆性破壞，拼縫處并沒(méi)有產(chǎn)生明顯的塑性鉸；構(gòu)件SSL2b在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中均表現(xiàn)豐滿的撓度曲線形態(tài)，說(shuō)明了合理設(shè)置拼縫處板面連接筋可以使得構(gòu)件拼縫處在破壞前仍具有較高的剛度。

  5、結(jié)論

  （1）拼縫附近配置的格構(gòu)鋼筋能夠抑制沿疊合面水平裂縫的開(kāi)展，增加疊合面的抗剪能力，提高樓板的延性。

  （2）帶格構(gòu)鋼筋的疊合板拼縫處抗彎承載力試驗(yàn)值與按照現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)并采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010-2010)公式計(jì)算值吻合良好，表明設(shè)計(jì)時(shí)可以按照其公式進(jìn)行計(jì)算。

  （3）拼縫對(duì)樓板在使用狀態(tài)下的撓曲形態(tài)影響不明顯，而對(duì)構(gòu)件破壞時(shí)撓曲線形態(tài)具有明顯的影響，當(dāng)板面連接鋼筋面積較少時(shí)，構(gòu)件破壞時(shí)撓度曲線退化為近似二折線形式，隨著板面連接鋼筋面積的增大，撓度曲線形態(tài)退化減弱。因此，加強(qiáng)板面連接鋼筋，拼接板的破壞形態(tài)將得到有效的改善。

  參考文獻(xiàn)

  [1] 徐天爽, 徐有鄰. 雙向疊合板拼縫傳力性能的試驗(yàn)研究[J]. 建筑科學(xué), 2004, 19(6): 11-14.

  [2] 葉獻(xiàn)國(guó), 華和貴, 徐天爽, 等. 疊合板拼接構(gòu)造的試驗(yàn)研究[J]. 工業(yè)建筑, 2010, 40(1): 59-63.

  [3] 徐有鄰, 李曉明. 關(guān)于我國(guó)住宅樓蓋結(jié)構(gòu)形式的討論[J]. 建筑結(jié)構(gòu), 2001, 31(4): 48-50.

  [4] 徐學(xué)洪, 劉紀(jì)先. 雙向疊合樓蓋拼縫連接試驗(yàn)與分析[J]. 廣西土木建筑, 2002, 27(3): 194-196.

  [5] 聶建國(guó), 陳必磊, 陳戈, 等. 鋼筋混凝土疊合板的試驗(yàn)研究[J]. 工業(yè)建筑, 2004, 33(12): 43-46.

  [6] DB34/T 810-2008. 疊合板混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S]. 安徽省地方標(biāo)準(zhǔn), 2008、

  [7] GB/T 50152—2012. 混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S]. 北京 中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2012

  [8] GB 50010—2010. 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2010

  作者：王婭蓉1，邢偉2，王浩3，蔣慶1*

  （1. 合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院, 安徽 合肥 230009; 2. 西偉德混凝土預(yù)制件（合肥）有限公司, 安徽 合肥 230000；3中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽，馬鞍山，243000）