拼裝式混凝土雙向疊合樓板承載性能試驗研究＊

王元清，袁 霞，張延年，祝 磊，劉 明，管乃彥

（1．清華大學 土木工程系 土木工程安全與耐久教育部重點實驗室，北京 100084；2．沈陽建筑大學 土木工程學院，遼寧 沈陽 110168；3．中色科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；4．北京建筑大學 土木與交通工程學院，北京 100044；5．天津大學 建筑工程學院，天津 300192）

建筑產業化是指利用標準化設計、工業化生產、裝配式施工等手段來建造建筑，用信息化等方式來管理建筑的一種建筑模式，和傳統建筑模式相比具有施工速度快、受天氣影響小、經濟和環保等眾多優點［1－2］．借鑒國內外發展經驗，建筑產業化是我國盡快保質保量解決保障性住房問題的必由之路［3］．在發達國家，建筑產業化的比例已經達到60%以上［4－6］，而我國才剛剛起步，產業化率很低，在實際工程中的應用更少．究其原因，主要是相關政策及法規稀缺［7－8］．為促進建筑產業化的發展，應加強相關研究并推廣應用于實際工程中，而關鍵部品研究是建筑產業化技術發展的核心［9－10］，本文主要對裝配式樓板進行研究．針對目前存在的整體鋼筋桁架雙向疊合板尺寸過大時，預制層吊裝及運輸困難的問題［11］，吳方伯［12］等人提出一種單向預應力雙向配筋混凝土疊合樓板，試驗證明其疊合層和預制底板具有良好的協同受力性能．本文提出一種拼裝式鋼筋桁架雙向疊合板，它是將由工廠預制的單塊板吊裝運輸到施工現場，再通過單塊板上的預留孔洞插入穿插鋼筋把各板拼裝成一體形成預制層，此穿插鋼筋同時起到受力筋的作用，拼裝后的預制板作為施工模板，再在其上澆筑混凝土．它具有單向板易吊裝運輸的優勢，對于其是否具有雙向板的良好受力性能，本文將進行試驗研究．

1 試驗概況

1．1 試件設計與加工

在設計時，穿插橫筋作為受力筋和整體共同承擔荷載，所以預留孔洞位置必須垂直于單塊預制板縱向鋼筋且恰好位于其上，從而使疊合板具有雙向受力的性能．

本試驗構件預制層及后澆層均在沈陽宇輝構件廠進行加工，達到設計強度后運輸到沈陽建筑大學結構實驗室進行試驗，養護條件為室內常溫．預制層構件為6塊板，編號從A1～A6，A1號板澆注疊合層現澆混凝土后為B1板，做單向板抗彎試驗；A2～A6號板拼裝完澆注疊合層現澆混凝土后為B2板，做雙向板抗彎試驗（見表1）．

表1 構件總表Tab．1 Table of specimens

單塊預制板截面尺寸為3 000mm×600mm×70mm，其中A2～A6預制板截面構造形式及配筋如圖1所示，A1號板與其他板的區別在于不開槽，預留鋼筋孔洞位置為橫向配筋，其他截面尺寸和A2～A6號板相同．鋼筋保護層厚度為20mm，鋼筋強度采用HRB335，受力筋直徑為8mm，桁架腹桿鋼筋直徑為4mm．疊合面采用人工制作的抓耙形式，試驗時B1板兩端及B2板四周邊界條件均為簡支約束．疊合后B1板的尺寸為3 000mm×600mm×140mm，其中凈跨平面尺寸為2 800 mm×600 mm；疊合后B2 板組合后的尺寸為3 000 mm×3 060mm×140 mm，其中凈跨平面尺寸為2 800 mm×2 860mm，板與板之間的拼縫寬度為15mm．澆筑疊合層混凝土前必須把預制構件表面的浮漿、塵土等雜物清除干凈，然后澆水充分潤濕，且不留積水，這是保證疊合面施工質量的關鍵，必須嚴格執行．澆注混凝土時，要確保灌縫密實，發現跑模、漏漿應及時處理．為保證拼縫處的連接強度，在拼縫處采用網狀抗剪鋼筋（圖2），網狀抗剪鋼筋沿板縫通長布置，并位于橫向穿孔受力鋼筋之上，與橫向穿孔受力鋼筋綁扎在一起．橫向穿孔鋼筋通過PVC管預留孔洞穿插在混凝土預制板中，鋼筋與預制板混凝土之間無黏結作用，若只靠拼縫處15mm 寬度處橫向穿孔鋼筋與后澆疊合層混凝土間的黏結力，無法有效發揮橫向穿孔鋼筋的受力性能，所以在預制板上PVC管兩端位置開槽來增加橫向穿孔鋼筋與后澆疊合層混凝土間的接觸面積．為進一步增加橫向穿孔鋼筋與后澆疊合層混凝土間的黏結力，防止受力過程中橫向穿孔鋼筋和混凝土過早發生滑移對受力造成影響，對此采取一些限位措施，在板－板間拼縫處穿插橫筋上點焊U 型筋（圖3），在穿孔橫筋兩端點焊一字型筋（圖4）．

圖1 單塊預制板截面形式及配筋圖Fig．1 Details of the prefabricated slab

圖2 拼縫處網狀抗剪筋構造Fig．2 The structure of network shear reinforcement in seam

圖3 拼縫處U 型點焊筋構造Fig．3 The structure of U shape rebar in seam

圖4 穿插橫筋端部一字型點焊筋構造Fig．4 The structure of transverse rebar’s head

預制層和現澆層混凝土均取工廠配制好的C30強度的混凝土，混凝土坍落度試驗所測值為13cm，在澆注混凝土預制層和后疊合層時分別同時預留相應的材性試驗所需標準件，標準件和所對應的構件放在同樣的環境下進行養護．A1號板鋼筋構造及模板支護如圖5所示，A2～A6號板鋼筋構造及模板支護如圖6所示，橫向設置白色PVC管來預留鋼筋孔洞，PVC 管兩端泡沫板的作用是對預制板開槽．為防止澆注過程中鋼筋應變片導線被掩埋，必須對其采取保護措施．

圖5 A1板構造Fig．5 The structure of A1slab

圖6 A2～A6板構造Fig．6 The structure of A2～A6slab

為增加各預制板疊合面的疊合強度，澆注完預制層混凝土后，在預制板上表面做抓耙形式疊合面，如圖7所示．待預制板混凝土強度達到設計值的75%以上時，即可對其進行吊裝并澆注疊合層混凝土．對A1板重新支模澆注疊合層混凝土后形成B1板；通過吊裝對A2～A6板進行定位，通過預留孔洞穿插橫向鋼筋把各預制板拼裝在一起，在橫向鋼筋端部及拼縫部位設置限位筋，然后在各板拼縫處鋪設網狀抗剪鋼筋及綁扎疊合層構造筋，如圖8所示，圖中白色套管的作用是保護鋼筋應變片導線，防止澆注過程中導線被損壞或者被掩埋，在所有拼裝工作完成后澆注疊合層混凝土形成B2板．澆筑疊合層混凝土前必須把預制構件表面的浮漿、塵土等雜物清除干凈，然后澆水充分潤濕，且不留積水，這是保證疊合面施工質量的關鍵，必須嚴格執行．澆注混凝土時，要確保灌縫密實，發現跑模、漏漿應及時處理．

圖7 疊合面構造Fig．7 The structure of composite surface

圖8 拼裝形式Fig．8 Assembled form

1．2 材料性能

對實際加工的試驗試件進行材料性能試驗［13］，鋼筋的彈性模量Es＝2．0×105MPa，平均屈服強度fy＝424 MPa．

根據混凝土結構試驗方法標準［13］規定的方法，每組立方體試塊的抗壓強度測試值應去掉最大值和最小值后再求平均值，由平均值按照相應的公式，推算出混凝土的軸心抗壓強度、軸心抗拉強度及彈性模量，具體結果見表2．

表2 混凝土試塊的材料力學性能Tab．2 The material mechanical properties of concret N／mm2

1．3 加載方案

本文對板B1 做破壞性對比試驗，加載方式僅采用集中加載，加載點下設置條型鋼墊板，支座約束方式為板跨兩端簡支，加載裝置如圖9所示．

圖9 B1板集中加載Fig．9 Concentrated loading schemes of B1slab

對板B2做2 次加載試驗，第一次試驗加均布荷載，每級荷載為24kN，支座約束為四邊簡支，板變形控制在彈性范圍內，卸載后板變形恢復并無其他殘余值，不影響第二次加載試驗．為避免加載過程中砂袋堆積高度過高引起倒塌，根據力豎向45°角傳遞分配原則，在砂袋堆積高度達到1．5～2．0 m時，可加集中荷載擴散分配后繼續模擬均布荷載，加載裝置如圖10所示；第二次試驗加集中荷載，邊界條件不變，加載直到破壞，加載裝置如圖11所示．

圖10 B2板均布加載Fig．10 Uniform loading schemes of B2slab

圖11 B2板集中加載Fig．11 Concentrated loading schemes of B2slab

1．4 測點布置

1．4．1 撓度測點

B1板撓度測點布置如圖12所示，B2板撓度測點布置如圖13所示，B2板1＃～9＃測點布置在板上部，10＃測點布置在板底部中心．

圖12 B1板撓度測點Fig．12 Deflection test point lay－out of B1slab

圖13 B2板撓度測點Fig．13 Deflection test point lay－out of B2slab

1．4．2 鋼筋應變測點

鋼筋應變片選用B×120－5AA 型，B1板底部受拉鋼筋應變片布置如圖14所示，B2板板底受拉鋼筋布置如圖15所示．

圖14 B1板鋼筋應變測點布置示意圖Fig．14 Reinforcement strain test point lay－out of B1slab

圖15 B2板鋼筋應變測點布置示意圖Fig．15 Reinforcement strain test point lay－out of B2slab

1．4．3 混凝土應變測點

混凝土應變片選用B×120－80AA 型，B1 板混凝土應變片布置如圖16所示，B2板混凝土應變片布置如圖17所示，B2板混凝土應變片只布置在板上表面．

圖16 B1板混凝土應變測點布置示意圖Fig．16 Concrete strain test point lay－out of B1slab

圖17 B2板混凝土應變測點布置示意圖Fig．17 Concrete strain test point lay－out of B2slab

2 試驗現象與結果分析

2．1 試驗現象

1）均布荷載試驗：B2板均布荷載試驗過程中，當加載高度為1．4m 時，荷載加到96kN，跨中撓度值為0．36mm，為計算跨度的1／7 777；當荷載加到275kN 時，跨中撓度值為1．08mm，為計算跨度的1／2 593，此時等效均布荷載大小已達到35kN／m2，荷載－撓度曲線幾乎呈線性增長，說明板還處于彈性范圍內，板四周及板底均未出現任何裂縫．由于繼續加載過程相對困難，為防止意外事故發生，終止加載，數據穩定后卸載．

2）集中荷載試驗：B1板集中荷載試驗過程中，當荷載加載到11kN 時聽到劈裂聲音，板底首先出現裂縫，此時跨中撓度值為4．33 mm，為計算跨度的1／650，隨后沿跨度方向板側面也逐漸出現可見裂縫；當加載到17．7kN 時，跨中撓度達到14mm，即L0／200，板此時達到規定使用狀態極限荷載，使用狀態極限荷載大小取17．7kN；當加載到28．1 kN 時，跨中撓度達到56mm，即L0／50，板此時達到規定承載力極限狀態，承載力極限荷載取28．1kN；繼續加載到29．2kN 時，聽到明顯的“啪啪”聲，荷載無法繼續施加，而撓度急劇增加，板破壞標志為跨中受壓區混凝土壓碎．B1板集中加載破壞后形態如圖18所示．

圖18 B1板集中荷載下破壞形態Fig．18 Failure mode for B1slab with concentrated loading

B2板集中荷載試驗過程中，加載到119kN 時，跨中撓度達到14mm，即L0／200，板此時達到規定使用狀態極限荷載，使用狀態極限荷載大小取119 kN；加載到139kN，板四周側面開始出現可見裂縫，板底裂縫由于四邊支撐情況，不方便觀察；當加載到179kN 時，跨中撓度達到56mm，即L0／50，板此時達到規定承載力極限狀態，承載力極限荷載取179kN；繼續加載到181kN 時，聽到“砰”的一聲，板中心發生混凝土局部壓碎，荷載無法繼續施加，構件破壞形態如圖19所示．

圖19 B2板集中荷載下破壞形態Fig．19 Failure mode for B2slab with concentrated loading

2．2 結果分析

對B2板均布荷載試驗結果進行分析，加載結束時板仍處于彈性階段，此時等效均布荷載大小已達到35kN／m2，說明此拼裝式疊合雙向板具有良好的承載能力．

對B1和B2板集中荷載下破壞性試驗進行對比分析，選取比較有代表性的數據．

1）撓度：B1 板荷載－撓度測點曲線如圖20 所示，B2板荷載－撓度測點曲線如圖21所示．

圖20 B1板荷載－撓度曲線圖Fig．20 Load－displacement curve of B1slab

圖21 B2板荷載－撓度曲線圖Fig．21 Load－displacement curve of B2slab

對圖20和圖21對比分析可得B1和B2 板各測點荷載－撓度曲線變化規律大體一致，但B2板峰值點荷載值遠大于B1板，即B2板的承載能力遠大于B1板．

僅對圖21分析，參考圖13測點布置位置，測點5和測點10在構件破壞前的荷載撓度曲線幾乎重合，說明跨中上、下2個測點值都比較可靠，而測點10的最大位移大于測點5，且二者在最大荷載卸載后的走向不同，是因為測點10位于板下邊，發生局部破壞時位移比較大，測點5位于板上部，卸載后彈性變形恢復，測點10未恢復．測點2，4，6，8所得到的荷載位移曲線其形狀和走勢基本相似，特別是測點2和測點4的曲線幾乎完全重合，這2個測點分別位于雙向板通過中心點的且相互垂直的不同跨度方向上，即一點位于拼裝方向，另一點位于對應的非拼裝方向，由此可以間接說明此拼裝式B2板具有明顯的雙向受力性能．

2）鋼筋應變：B1板鋼筋應變測點曲線如圖22所示，B2板鋼筋應變測點曲線如圖23所示．

圖22 B1板鋼筋荷載－應變曲線Fig．22 Reinforcement load－strain curve of B1slab

圖23 B2板鋼筋荷載－應變曲線Fig．23 Reinforcement load－strain curve of B2slab

對圖22和圖23對比分析可得B1和B2 板各測點鋼筋荷載－應變曲線上升段走勢大體一致，B2板曲線峰值點荷載值比較大，也間接說明了B2 板的承載力高于B1板．

僅對圖23分析，從曲線上升段可以看出其形狀和走勢與其荷載－撓度曲線相似，初始鋼筋應變的增長均呈線性．參考圖15測點布置位置，測點H－5上升段曲線略低于測點8，是因為在同一跨度上，測點H－5比測點8離中心的距離稍近，所以承載的力較大；測點11上升段曲線略低于測點12，測點12 上升段曲線略低于測點H－5，也是因為測點11比測點12離中心的距離近，而測點12又比測點H－5離板中心近的緣故．綜合分析這5個測點的鋼筋荷載－應變曲線，可以看出2個方向荷載傳遞比較均勻，再次得出B2板具有明顯的雙向受力性能．

3）混凝土應變：B1板混凝土應變測點曲線如圖24所示，B2板混凝土應變測點曲線如圖25所示．

圖24 B1板混凝土荷載－應變曲線Fig．24 Concrete load－strain curve of B1slab

圖25 B2板混凝土荷載－應變曲線Fig．25 Concrete load－strain curve of B2slab

對圖24和圖25對比分析可得B1和B2 板各測點混凝土荷載－應變曲線上升段走勢大體一致，B2板曲線峰值點荷載值比較大，也間接說明了B2板的承載力高于B1板．

僅對圖25分析，參考圖17測點布置位置，4個測點位于板上表面相互垂直的2個方向上，荷載－應變曲線走勢一致，說明B2 板混凝土橫向應變和縱向應變具有相似的變化規律，2個方向的應變發展非常協調，荷載近似均勻傳遞，可以證明B2板雙向作用的存在．

4）裂縫：B1的開裂荷載為11kN，隨后裂縫繼續出現并開展，沿跨中往兩側基本呈對稱分布，第一條裂縫位于跨中板底位置，臨近破壞時各裂縫間距為5～10cm．在試驗過程中，B2板由于支座條件限制，不能在試驗過程中觀察到板底裂縫的開展變化，只能觀察記錄板側四周裂縫的開展情況．

均布加載過程中，B2板整體未出現可見裂縫；集中加載過程中，B2 板板側四周開裂情況基本一致．首先出現裂縫的部位是支座外緣上部，這說明樓板在支座處有翹起現象．隨后隨著荷載增大，原有裂縫繼續延伸發展并變寬，且板側不斷有新裂縫產生．到板中心發生局部破壞時，破壞形態見圖19．板上表面除了加載處均未出現任何裂縫，在試件卸載后用吊車吊起，觀測到雙向板板底中心部位嚴重受損，板底四角及拼縫處未出現比較明顯的裂縫．

根據板底裂縫開展及其分布規律，可以看出，此四邊簡支的拼裝式疊合板B2的破壞形態和裂縫開展規律與相同邊界支撐和加載形式的普通混凝土雙向板非常相似，這說明此拼裝式疊合板具有可靠的雙向受力性能且拼縫處抗剪性能良好．

3 結 論

1）均布荷載試驗說明此高跨比為1／20的新型拼裝式混凝土疊合樓板具有較高的承載能力，完全滿足正常使用荷載承載力要求．對于其他高跨比的板型，還有待后續的驗證．

2）集中荷載對比試驗，從荷載－撓度、荷載－應變等情況均能充分證明此新型拼裝式混凝土疊合樓板具有明顯的雙向受力優勢．

3）綜合分析表明，此新型拼裝式混凝土疊合樓板既有疊合雙向板承載力高、可縮短工期等優點，又有拼裝板方便吊裝運輸的優點，有利于建筑產業化的發展，可以促進保障性住房建設的進程，值得推廣應用于實際工程中．

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