疊合樓板預(yù)制部分的結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)研究

趙國(guó)輝，孟祥春，張 崢

(中國(guó)十七冶集團(tuán)有限公司，安徽馬鞍山243000)

1 疊合樓板的特點(diǎn)

1.1 疊合樓板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

疊合樓板是預(yù)制和現(xiàn)澆混凝土相結(jié)合的一種較好結(jié)構(gòu)形式，其中預(yù)制部分配有格構(gòu)鋼筋和非格構(gòu)鋼筋，即格構(gòu)鋼筋為桁架筋，非格構(gòu)鋼筋為縱橫向板底筋[1]。上部現(xiàn)澆層混凝土配有負(fù)彎矩鋼筋和構(gòu)造鋼筋，預(yù)制部分和現(xiàn)澆層通過(guò)不小于6 mm的凹凸粗糙面連接，增加其抗剪性能，保證兩者能形成整體，協(xié)同工作[2]。預(yù)制部分可作為現(xiàn)澆層的底模，不必為現(xiàn)澆層支撐模板，節(jié)省了成本。同時(shí)，預(yù)制板底光滑平整，板縫經(jīng)過(guò)處理，頂棚可以不用抹灰。這種疊合樓板具有現(xiàn)澆樓板的整體性、剛度大、不增加鋼筋消耗、節(jié)約模板等優(yōu)點(diǎn)。由于現(xiàn)澆樓板不需支模，還有大塊預(yù)制混凝土隔墻板可在結(jié)構(gòu)施工階段同時(shí)吊裝，從而可提前插入裝修工程，縮短整個(gè)工程的工期[3]。

1.2 疊合樓板的受力特點(diǎn)

疊合面的抗剪能力是決定預(yù)制部分和現(xiàn)澆層能整體協(xié)同工作的關(guān)鍵，因此疊合面要做成凸凹不平的粗糙面、拉毛或預(yù)留結(jié)合洞，增加其抗剪性能，同時(shí)，格構(gòu)鋼筋(桁架筋)增加了疊合板的剛度，減少了施工板底支撐[4]。另外，按其受力性能劃分，疊合結(jié)構(gòu)可以分為“一次受力疊合結(jié)構(gòu)”和“二次受力疊合結(jié)構(gòu)”兩類[5-6]：(1)一次受力疊合結(jié)構(gòu)：在施工階段預(yù)制構(gòu)件吊裝就位后，在其下設(shè)置可靠的支撐，施工階段的荷載將全部由支撐承受，預(yù)制梁板只起到疊合層現(xiàn)澆混凝土模板的作用；(2)二次受力疊合結(jié)構(gòu)：在施工階段，預(yù)制梁板就位后，直接以預(yù)制部分的鋼筋混凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土梁、板作為現(xiàn)澆層混凝土的模板并承受施工期荷載，待其上現(xiàn)澆層混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后，再由預(yù)制部分和現(xiàn)澆部分形成的疊合截面承受使用荷載。

2 疊合樓板結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)

2.1 疊合樓板概況

本試驗(yàn)以馬鞍山市銀塘組團(tuán)公租房74棟樓為基礎(chǔ)，任選其中一塊疊合樓板為試驗(yàn)對(duì)象，進(jìn)行預(yù)制部分結(jié)構(gòu)性能靜載荷試驗(yàn)研究。其中疊合樓板規(guī)格為3 330 mm×1 830 mm,板內(nèi)鋼筋均采用φ8@180，預(yù)制部分厚50 mm，混凝土等級(jí)為C30，鋼筋保護(hù)層厚度為15 mm。預(yù)制部分鋼筋由非格構(gòu)鋼筋和格構(gòu)鋼筋組成，板面處理成粗糙面，凹凸不小于6 mm，以加強(qiáng)新舊混凝土之間的協(xié)同工作，短跨鋼筋不出板，長(zhǎng)跨出板110 mm,其具體尺寸見(jiàn)圖1。

(a)疊合樓板結(jié)構(gòu)

(b)桁架鋼筋節(jié)點(diǎn)圖1 疊合樓板

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

用砂袋模擬板面所承受的均布荷載，為了充分研究疊合樓板的受力性能，預(yù)制部分的承載力，本次試驗(yàn)樓板兩端視為簡(jiǎn)支(單向板)，擱置在具有足夠剛度的支架上，兩擱置點(diǎn)距離縱向板端均為17.0 cm,而且兩支架頂面經(jīng)水準(zhǔn)儀校核，并處在同一水平面上(圖2)。在板的背側(cè)面跨中安裝2#位移表，右側(cè)靠近板端也安裝1#位移表，其位移表均為北京天銳達(dá)二貿(mào)有限公司生產(chǎn)的MFX-50數(shù)顯百分表。在正側(cè)面板底棱線處設(shè)置平行細(xì)鐵絲，鐵絲兩端系重物，紙條上端用膠水粘在板側(cè)面上，并在細(xì)鐵絲處做標(biāo)記，待板撓曲后，在紙上畫(huà)細(xì)線，測(cè)量起始線與終點(diǎn)線之間的距離極為3#讀數(shù)。板面加載采用分級(jí)加載，每包砂袋25 kg，且經(jīng)過(guò)嚴(yán)格稱量,并要對(duì)稱均勻緩慢加載，防止沖擊荷載破壞樓板，每次加載間隔10 min讀數(shù)。

試驗(yàn)設(shè)備:試驗(yàn)支座、10 mm及30 mm百分表、裂縫寬度尺。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

每次加載，都要記錄板底裂縫開(kāi)展情況，并要讀表，詳細(xì)內(nèi)容見(jiàn)表1。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 裂縫發(fā)展情況分析

將1 t重物加到疊合樓板表面時(shí)，桁架下弦筋和板底縱向非格構(gòu)鋼筋承擔(dān)主要的拉力。由于疊合樓板預(yù)制部分混凝土厚僅有50 mm，板底保護(hù)層厚15 mm，且素混凝土抗拉性能極差，因此在第一級(jí)加載時(shí)，板底就出現(xiàn)裂縫，但早期裂縫寬度比較細(xì)微，而且數(shù)量少。隨著荷載逐步增大，裂縫開(kāi)始變寬，但裂縫發(fā)展受到板底鋼筋的限制，裂縫發(fā)展緩慢，當(dāng)板底縱向受力鋼筋屈服后，板屈曲變形加大，板跨中產(chǎn)生明顯的撓度，同時(shí)裂縫開(kāi)始向上發(fā)展。隨著荷載繼續(xù)加大，撓度變形增大，裂縫發(fā)展迅速，板底出現(xiàn)大量裂縫，縫較寬且長(zhǎng)，貫穿樓板的上下面，標(biāo)志著樓板已產(chǎn)生貫穿裂縫。為了更形象地表達(dá)裂縫的發(fā)展情況，在板底裂縫開(kāi)展處用不用的色彩涂描，經(jīng)過(guò)12級(jí)加載，樓板的最終裂縫見(jiàn)圖3。

(a)疊合樓板結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)

(b)板跨中安裝10 mm百分表圖2 疊合樓板試驗(yàn)設(shè)計(jì)

加載級(jí)數(shù)砂袋數(shù)量重量/kg1#表讀數(shù)/mm2#表讀數(shù)/mm3# 讀數(shù)/mm裂縫情況/mm15125-0.251.952.0產(chǎn)生4條裂縫,最大縫寬0.1525125-0.443.634.035125-0.576.106.54375-0.678.859.9裂縫數(shù)量達(dá)到6條,最大縫寬0.205250-0.7010.2711.56375-0.7712.5014.27375-0.7914.2116.9共8條裂縫,最大寬0.258375-0.8216.8918.6共8條裂縫,最大寬0.289375-0.8519.4322.0共8條裂縫,最大寬0.310375-0.9121.7724.0發(fā)展到10條裂縫,縫寬0.3211250-0.9423.4727.012375-0.9825.7032.0

(a)板跨中裂縫貫穿上下面

(b)板底裂縫圖3 疊合樓板加載板底裂縫開(kāi)展?fàn)顩r

1～3級(jí)加載，荷載共3.675 kN(不含板自重)，出現(xiàn)4條裂縫，并全部出現(xiàn)在板底跨中位置處，分布規(guī)律，縫間距大致均勻，最大縫寬為0.15 mm，這主要是由于早期荷載主要對(duì)稱布置在靠近板兩端支座處，類似于簡(jiǎn)支板承受一對(duì)對(duì)稱集中力作用，其跨中呈現(xiàn)純彎曲受力性能，此時(shí)的裂縫主要以板底保護(hù)層開(kāi)裂為主，板底鋼筋未屈服；4～6級(jí)加載，荷載達(dá)到5.635 kN(不含板自重)，裂縫達(dá)到6條，跨中裂縫寬度增大，并開(kāi)始向板頂面發(fā)展，最大裂縫寬為0.2 mm，分布靠近跨中,其主要原因是荷載已經(jīng)布置在跨中，跨中彎矩增大，板底鋼筋開(kāi)始屈服所致；7級(jí)加載力增大到6.37 kN(不含板自重)，裂縫變?yōu)?條，跨中裂縫最寬達(dá)到0.25 mm，跨中及靠近跨中的裂縫迅速向板頂面發(fā)展，縫較寬，這主要是因砂袋沿板面布置較均勻，疊合板近似視為受均布荷載作用；經(jīng)過(guò)8級(jí)和9級(jí)加載，荷載達(dá)到7.84 kN(不含板自重)，裂縫也由0.28 mm增大到0.3 mm，此時(shí)裂縫都已向板頂發(fā)展，但跨中裂縫已發(fā)展到板頂面，只是板頂裂縫比較細(xì)微；經(jīng)過(guò)10～12級(jí)加載，荷載增大到9.8 kN(不含板自重),跨中附近裂縫發(fā)展到板頂，而跨中板頂裂縫變寬，其板底裂縫最寬為0.32 mm，板底裂縫分布規(guī)律，這與對(duì)稱加載及板面砂袋均勻分布有關(guān)。

3.2 位移值分析

1#表是靠近板右側(cè)支座處讀數(shù)，2#表是板背面跨中棱線讀數(shù)，3#測(cè)量值是正面跨中棱線位移值。其中3#讀數(shù)只起校核對(duì)比作用，因?yàn)槭謩?dòng)測(cè)量誤差較大，仍以儀器值為主。經(jīng)過(guò)12級(jí)加載，1#表讀數(shù)為-0.98 mm,表現(xiàn)為向上的位移，說(shuō)明加載過(guò)程中產(chǎn)生支座負(fù)彎矩；2#表讀數(shù)為25.70 mm，此時(shí)均布荷載已經(jīng)達(dá)到2.9 kN/m2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)要求(≤2.3 kN/m2)，但撓度值不是很大，仍能繼續(xù)承受荷載作用，這說(shuō)明疊合樓板在加入格構(gòu)鋼筋(桁架筋)后，樓板抗彎剛度明顯增加。樓板變形圖如圖4所示，加載力與板跨中撓度曲線如圖5所示。

圖4 樓板變形

圖5 荷載-撓度曲線

3.3 試驗(yàn)值與設(shè)計(jì)性能對(duì)比

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，3 330 mm×1 830 mm×50 mm的疊合樓板預(yù)制部分承受板面均布荷載，不得超過(guò)2.3 kN/m2(含自重),裂縫寬度控制不超過(guò)0.2 mm，撓度不超過(guò)15 mm。本次試驗(yàn)在第7級(jí)就已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，7級(jí)荷載重6.37 kN加上板自重7.62 kN,為13.99 kN(近似為2.3 kN/m2)，滿足荷載設(shè)計(jì)要求(≤2.3 kN/m2)；7級(jí)裂縫寬度最大為0.25 mm,稍大于設(shè)計(jì)要求的(0.2 mm)，基本滿足；7級(jí)加載的位移值為14.21 mm，滿足設(shè)計(jì)要求(≤15 mm)。

由此可見(jiàn)，本試驗(yàn)所用的疊合樓板性能參數(shù)基本滿足設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)受力良好。至于出現(xiàn)裂縫寬度稍大于設(shè)計(jì)要求的情況，原因可能有幾種：(1)在早期生產(chǎn)疊合樓板時(shí)，在沒(méi)有達(dá)到脫模強(qiáng)度要求下，強(qiáng)行脫模，過(guò)早起吊施荷，造成板內(nèi)部混凝土損傷，發(fā)生細(xì)微裂縫；(2)生產(chǎn)疊合樓板時(shí)，由于各種誤差，導(dǎo)致板底鋼筋保護(hù)層厚度增大，超過(guò)設(shè)計(jì)要求的15 mm；(3)疊合樓板進(jìn)入成品養(yǎng)護(hù)期后，由于養(yǎng)護(hù)不到位或存放時(shí)板底支撐點(diǎn)設(shè)置不合理，因而導(dǎo)致溫度應(yīng)力或受力不均衡，致使板底或板內(nèi)混凝土產(chǎn)生細(xì)裂縫；(4)加載過(guò)程中，產(chǎn)生沖擊荷載，導(dǎo)致板底混凝土裂縫加大或突然開(kāi)裂。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果可靠度分析

根據(jù)我國(guó)相關(guān)規(guī)范，用概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法表示，結(jié)構(gòu)構(gòu)件完成預(yù)定功能的工作狀態(tài)用作用效應(yīng)S表示，結(jié)構(gòu)抗力用R表示，結(jié)構(gòu)功能函數(shù)用Z表示，即Z=R-S,且Z>0。本實(shí)驗(yàn)疊合樓板滿足這一要求。

結(jié)構(gòu)可靠度用概率來(lái)衡量，服從正態(tài)分布，PS表示可靠概率，Pf表示失效概率，PS=1.0-Pf>0，即結(jié)構(gòu)滿足正常使用安全要求。

4 結(jié)論

(1)疊合樓板加入格構(gòu)鋼筋后，其抗彎承載力大大提高。

(2)疊合樓板受彎進(jìn)入彈塑性階段后，裂縫發(fā)展迅速，表現(xiàn)為裂縫增多、增寬。

(3)疊合樓板達(dá)到了甚至超過(guò)設(shè)計(jì)要求的標(biāo)準(zhǔn)，仍能表現(xiàn)出良好的受力性能，同時(shí)結(jié)構(gòu)可靠性滿足工程要求。

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