預(yù)制混凝土保溫空心樓板抗彎力學(xué)性能試驗研究

肖凌云 ，張炳順 ，沈萬玉 ，田朋飛

（安徽富煌鋼構(gòu)股份有限公司，安徽 合肥 230088）

建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化，特別是裝配式建筑是實現(xiàn)我國住宅體系趨于高效、節(jié)能、環(huán)保的必然選擇，而裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系是實現(xiàn)我國住宅產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化的一種新型結(jié)構(gòu)體系[1-3]。其中預(yù)制混凝土保溫空心樓板（以下簡稱“空心樓板”）與傳統(tǒng)的預(yù)制樓板相比，結(jié)構(gòu)自重輕，施工方便，節(jié)省鋼筋、混凝土、模板用量和施工，制作工業(yè)化、施工裝配化等優(yōu)勢[4-5]，因此混凝土保溫空心樓板的研究已成為目前建筑領(lǐng)域中熱點問題。目前，對于現(xiàn)澆空心板的研究較多[6-8]，針對預(yù)制空心樓板整體式拼縫連接的受彎性能試驗研究前人也做了大量的工作[9]，但是對于預(yù)制混凝土保溫空心樓板抗彎性能實驗研究較少。本文以實際工程項目為背景，針對預(yù)制混凝土保溫空心樓板抗彎性能開展研究，通過對上述預(yù)制混凝土保溫空心樓板理論分析及試驗研究，來評估此種預(yù)制混凝土空心板在荷載作用下能否滿足持久設(shè)計狀況下的承載力、變形、裂縫控制要求，泡沫下層混凝土的厚度對板的力學(xué)性能影響如何。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計

試件采用高強(qiáng)鋼滾軸來模擬與梁線支撐，在保證預(yù)制板厚度及空心率不變的情況下根據(jù)泡沫板下部的混凝土板厚變化情況設(shè)計了S1～S3三個試件，各試件具體參數(shù)見表1

試件具體參數(shù) 表1

試件S1、S2、S3配筋完全相同，圖1為試件S3具體尺寸和配筋。

圖1 S1尺寸及配筋圖（單位：mm）

1.2 材料力學(xué)性能

試件混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度均值為fcu=31.26 MPa，直徑為6 mm的鋼筋屈服強(qiáng)度均值fy1=452.50 MPa，極限強(qiáng)度均值為fu1=600.00 MPa。直徑為10 mm的加強(qiáng)筋屈服強(qiáng)度為fy2=455.00 MPa，極限強(qiáng)度均值為fu2=617.50 MPa。

1.3 試驗裝置與測量方案

試件S1、S2、S3采用均布荷載塊（沙袋）堆載法，荷重塊（沙袋）應(yīng)按區(qū)格成垛堆放，垛與垛之間間隙取100mm（不應(yīng)低于50mm，以免形成拱作用），塊堆取6個。采用滾軸模擬簡支，試件加載采用重物（沙袋）直接加載來模擬荷載（不包括樓板自重）。其中取墻體自重4.34kN/m2作為第一級荷載，其他每級荷載增加1kN/m2。試件制作時在鋼筋表面預(yù)埋已矯正后的應(yīng)變片，用來測量實驗過程中鋼筋的應(yīng)變，應(yīng)變片布置如圖2所示。試驗在板的寬度兩側(cè)均布置位移計，每側(cè)在加載位置和跨中各布置3個位移計，同時在兩端支座處各布置1個位移計（如圖3所示）。試驗過程中測量外墻板在平面外荷載作用下的撓度、鋼筋應(yīng)變、開裂荷載、屈服荷載等，觀測裂縫的開展情況，并量測裂縫寬度。

圖2 堆載區(qū)域示意圖（單位mm）

圖3 鋼筋應(yīng)變片布置圖（單位mm）

圖4 位移計布置示意圖

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 板底跨中荷載-撓度曲線

在試驗過程中發(fā)現(xiàn)試件板底跨中點處撓度最大(如圖5所示)，繪制此點荷載-撓度曲線。

圖5 S1、S2、S3板底跨中荷載-撓度曲線

2.2 板底跨中荷載-鋼筋應(yīng)變曲線

在試驗過程中通過預(yù)埋的鋼筋應(yīng)變片測量實驗過程中各個荷載階段荷載對應(yīng)的應(yīng)變，并繪制如下圖形。

圖6 S1、S2板底跨中荷載-撓度曲線

圖7 S3板底跨中荷載-撓度曲線

對比分析試驗結(jié)果荷載撓度實測曲線及荷載鋼筋應(yīng)變曲線圖5可知，空心樓板在破壞之前的受力過程可分為3個階段，應(yīng)變曲線如圖6、圖7標(biāo)記所示：

0-a段：試驗加載初期，試件荷載-撓度曲線呈線性增長，空心樓板底未開裂，試件抗彎剛度不變，試件受力處于彈性階段。對比S1和S的荷載-撓度曲線可知，試驗開始時S1較S2和S3斜率較大，即S1表現(xiàn)出更高的抗彎剛度和更好的延性。

a-b段：隨著荷載的增加，試件板底受拉區(qū)混凝土開裂，受拉區(qū)混凝土退出工作，試件抗彎剛度降低，如試件荷載-撓度曲線出現(xiàn)第一個拐點a，曲線斜率開始下降。S1、S2和 S3荷載-撓度曲線分別在13kN/m2、11.5kN/m2和11kN/m2出現(xiàn)拐點，可知在樓板在厚度與空心率不變的情況下，泡沫板下部的混凝土板厚越大，其抗彎剛度越小，開裂荷載越小。

b-c段：繼續(xù)增加荷載，部分鋼筋受力達(dá)到屈服，試件抗彎剛度下降顯著，其荷載-撓度曲線出現(xiàn)第二個拐點b，試件受力進(jìn)入彈塑性階段。如圖7所示，可知在樓板在厚度與空心率不變的情況下，泡沫板下部的混凝土板厚越大，屈服荷載越小。

2.3 裂縫開展

試件S1在荷載達(dá)到13kN/m2時，板底跨中處同時觀察到兩條明顯裂縫①、②，①號裂縫寬度為0.12mm，沿短跨方向開展長度約1.1m，②號裂縫寬度為0.08mm，沿短跨方向開展長度約0.75m，此時墻板中部A點（見圖9）撓度為2.71mm；當(dāng)荷載達(dá)到13kN/m2時，①號裂縫貫穿到樓板側(cè)面，裂縫寬度為0.16mm，跨中兩側(cè)出現(xiàn)④、⑤號裂縫；當(dāng)荷載達(dá)到17kN/m2時，5條裂縫都貫穿到側(cè)面，側(cè)面裂縫最大寬度為0.11mm，板底最大裂縫寬度達(dá)到0.18mm；當(dāng)荷載達(dá)到30kN/m2時，鋼筋屈服，板底已經(jīng)出現(xiàn)很多裂縫，最大裂縫寬度為0.31mm。

圖8 S1裂縫發(fā)展圖

試件S2在第一級荷載（即試件自重）作用下，當(dāng)荷載達(dá)到13kN/m2時，①號裂縫延伸到1.1mm，又出現(xiàn)2條新裂縫②、③，裂縫寬度為0.08mm；當(dāng)荷載達(dá)到14kN/m2時，跨中兩側(cè)出現(xiàn)④、⑤號裂縫，最大裂縫寬度為0.10mm；當(dāng)荷載達(dá)到28.5kN/m2時，鋼筋屈服，板底出現(xiàn)很多裂縫，最大裂縫寬度為0.30mm；當(dāng)荷載達(dá)到34kN/m2時，板底最大裂縫寬度達(dá)到0.39mm，為確保試驗人員安全，試驗結(jié)束。

圖9 S2裂縫發(fā)展圖

S3試驗荷載達(dá)到11kN/m2時，板底跨中處出現(xiàn)2條明顯裂縫①、②，①號裂縫寬度為0.04mm，沿短跨方向開展長度約0.05m，②號裂縫寬度為0.03mm，沿短跨方向開展長度約0.045m，此時墻板中部A點（見圖19）撓度為4.03mm；當(dāng)荷載達(dá)到13.5kN/m2時，①號裂縫貫穿到側(cè)面，又出現(xiàn)2條新裂縫③、④，最大裂縫寬度為0.08mm；當(dāng)荷載達(dá)到17kN/m2時，最大裂縫寬度為0.12mm，5條裂縫都貫穿到側(cè)面，當(dāng)荷載達(dá)到35kN/m2時，鋼筋屈服，板底出現(xiàn)多條裂縫，最大裂縫寬度為0.54mm；當(dāng)荷載達(dá)到43kN/m2時，板底最大裂縫寬度達(dá)到1.56mm，標(biāo)志試驗板已經(jīng)達(dá)到條件破壞，試驗結(jié)束。

圖10 S3裂縫發(fā)展圖

3 結(jié)論

①在試驗過程中，4個試件均未觀測到明顯的脆性破壞現(xiàn)象，抗彎性能良好，預(yù)制混凝土保溫空心樓板在整個試驗過程中的變形有明顯的屈服特性，且裂縫的開展情況也表明空心樓板破壞形態(tài)類似于現(xiàn)澆樓板。

②在試驗過程中通過對預(yù)制混凝土保溫空心樓板的跨中撓度及鋼筋應(yīng)變的檢測結(jié)果來看，在預(yù)制混凝土空心樓板厚度與空心率不變的情況下，泡沫板下部的混凝土板厚越大，其抗彎剛度越小，開裂荷載越小，屈服荷載越小。

③預(yù)制混凝土保溫空心樓板在試驗過程中的受力特點、裂縫發(fā)展趨勢及最大寬度、最大撓度以及屈服荷載均符合設(shè)計要求。

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