帶格構(gòu)鋼筋的側(cè)面拼接疊合樓板試驗研究

  1、引言

  半裝配式鋼筋混凝土疊合樓板作為一種適合我國住宅產(chǎn)業(yè)化的結(jié)構(gòu)體系，已得到國內(nèi)市場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，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，擴大疊合樓蓋的應(yīng)用范圍和節(jié)約鋼筋，需要將原來的疊合板單向受力設(shè)計改變?yōu)殡p向受力設(shè)計，以此來增強樓蓋的整體性、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題是疊合樓板中的關(guān)鍵問題，已有的研究表明疊合面經(jīng)過一定的簡單處理即可保證新舊混土之間的共同工作^[5]，因此如何實現(xiàn)預(yù)制板側(cè)沿拼縫的傳力是實現(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]，通過兩點集中荷載下靜力加載試驗研究其受彎性能。

  2、試驗方案

  2.1 試件設(shè)計方案

  設(shè)計制作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圖1。試件制作時先澆注預(yù)制部分兩塊底板，50mm厚，待預(yù)制部分混凝土達到一定強度后，再將兩塊預(yù)制底板端部對接拼放整齊，綁扎上部鋼筋，并澆注上部混凝土。

  a—試驗板平面，b—試驗板剖面

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

  圖1 試驗試件圖

  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度等級為同一等級，由于現(xiàn)場條件的限制，疊合板的預(yù)制和現(xiàn)澆部分分為多個批次澆筑，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28天后測定混凝土抗壓強度，其力學(xué)性能見表1。板內(nèi)受力鋼筋均為HRB400鋼筋，其力學(xué)性能見表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 加載及量測方案

  在試件三分點進行兩點集中加載，采用千斤頂-分配梁系統(tǒng)實現(xiàn)單調(diào)靜力加載，荷載傳感器控制加載值。位移測點布置如圖2所示，在試件的跨中和加載點位置布置位移計，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。試驗數(shù)據(jù)由計算機自動采集，并對荷載-撓度曲線進行全過程監(jiān)控，試驗中同時測量裂縫寬度。試驗前先進行預(yù)加載^[7]，正式加載時，按五級加載，每級為20%Mk（Mk為設(shè)計承載力標(biāo)準(zhǔn)值），在加至開裂荷載前采用5%Mk荷載。在達到荷載標(biāo)準(zhǔn)值后繼續(xù)加載，直至試件的混凝土壓碎或達到儀器最大量程。

  1—試驗板；2—分配梁；3—力傳感器；4—千斤頂；5—反力架；6—位移計

  圖2 試驗加載及量測布置

  3、試驗概況

  3.1 試驗現(xiàn)象及破壞形態(tài)

  本試驗構(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，此時裂縫還未延伸至水平疊合面；繼續(xù)加載，大約0.2Mu~0.3Mu時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豎直向上延伸，寬度慢慢增大，跨中疊合面以上裂縫寬度較??；隨試驗荷載的繼續(xù)加大，疊合面水平裂縫長度增加、寬度變大且衍生出多條斜裂縫向上發(fā)展，同時新的裂縫依次出現(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)束試驗如圖3（c）所示，其它試件最終破壞時均在跨中板頂形成一條被壓碎的混凝土長帶，SSL2及SSL3破壞時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枝狀，三塊板沿疊合面水平裂縫長度不大，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)場破壞形態(tài)

  (b) SSL4現(xiàn)場破壞形態(tài)

  （c)

  圖3 試件破壞形態(tài)

  4、試驗結(jié)果分析

  4.1 承載力

  各構(gòu)件實測極限抗彎承載力見表3，取跨中拼接截面為計算對象，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)件的實際尺寸，按照，《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50010-2010)^[8]公式（見式1）對截面極限承載力進行計算，極限荷載理論值與試驗值對比結(jié)果見如表3所示，除未設(shè)置格構(gòu)鋼筋SSL1d試件外，理論計算值與實際值誤差均在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，主要是試件實際尺寸、試驗誤差等造成的。

  注：其中f=0.76fcu

  表3 試驗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個階段。第1階段為彈性階段，疊合面以上截面未開裂，試驗荷載約為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，此時跨中疊合面以上截面開裂，表現(xiàn)在荷載-位移曲線上是第一個拐點，裂縫的開展導(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，此時板面連接鋼筋進入了屈服階段，表現(xiàn)在荷載-位移曲線上是第二個拐點，此階段試件純彎段內(nèi)裂縫數(shù)目越來越多，且底部裂縫寬度越來越大，試件承受的荷載幾乎不再增長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，說明格構(gòu)筋能夠抑制水平裂縫的開展，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，監(jiān)測了各級荷載下的撓度分布曲線。為了表達出撓曲線的形狀，計算試件在設(shè)計使用荷載（按照附加恒載1.5kN/㎡，活載2kN/㎡計算樓板跨中彎矩，板厚180mm：21.08kN.m，150mm厚：19.22kN.m；板厚120mm：17.36kN.m）和破壞前的三分點撓度a′與跨中撓度a的比值（a′/a）見表4。

  表4 試件撓曲線形狀（撓度比a′/a）

  當(dāng)a′/a數(shù)值較大時撓度曲線豐滿，當(dāng)數(shù)值為0.667時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)下各個構(gòu)件撓度曲線比較豐滿，拼縫對撓曲形狀影響不大；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，拼縫處并沒有產(chǎn)生明顯的塑性鉸；構(gòu)件SSL2b在整個試驗過程中均表現(xiàn)豐滿的撓度曲線形態(tài)，說明了合理設(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值與按照現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)并采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50010-2010)公式計算值吻合良好，表明設(shè)計時可以按照其公式進行計算。

  （3）拼縫對樓板在使用狀態(tài)下的撓曲形態(tài)影響不明顯，而對構(gòu)件破壞時撓曲線形態(tài)具有明顯的影響，當(dāng)板面連接鋼筋面積較少時，構(gòu)件破壞時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，加強板面連接鋼筋，拼接板的破壞形態(tài)將得到有效的改善。

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  [8] GB 50010—2010. 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S]. 中國建筑工業(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中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽，馬鞍山，243000）