新型疊合板力學性能試驗

吳方伯，秦 浩，文 俊，李 博，周緒紅,2

(1. 湖南大學土木工程學院，湖南長沙 410082； 2. 重慶大學土木工程學院，重慶 400045)

0 引 言

疊合板剛度大，整體性能好，施工便利，在中國部分地區得到了應用[1-3]。國內外對新形式的板帶、新材料改良疊合板性能和新有限元方法做了相應研究[4-10]。從疊合板的制作方法來看，現階段疊合板絕大多數是將預制板制作為板帶，然后再到施工現場進行拼裝。由于現場的不確定因素較多，如板的拼縫質量問題，橫向鋼筋的放置也增加了現場工作量，這些問題又進一步限制了疊合板在現實工程中的應用[11-15]。隨著對疊合板研究的深入，吳方伯等[16]提出了一種蛇形鋼筋處理拼縫，并進行了1組對照試驗。試驗表明在配筋率降低24%時蛇形鋼筋依舊可以抑制裂縫延伸。丁克偉等[17]提出了一種帶有新型拼縫的疊合板，并采用試驗、ANSYS模擬對該種疊合板的性能進行了研究，試驗表明該種帶新型拼縫的疊合板性能良好。

本文的新型疊合板采用了由整板加可拆桁架的形式，有效解決了拼縫問題。同時下部使用螺栓將型鋼與預埋件連接成整體節點使得型鋼可以拆裝，預制板在工廠制作完成。在實際使用時疊合板與一種由U形混凝土模塊制作的疊合梁[18-19]組合進行使用，該梁的U形模塊在工廠預制，運輸至施工現場后使用該模塊作為模板澆筑疊合梁。

施工時桁架在預制板下方增加預制板的剛度，施工完成后澆層強度達標并與預制板形成整體，下部的型鋼與螺栓可以拆下回收再利用，在解決疊合板拼縫問題的同時為疊合板的形式開辟了新的思路，本次試驗為桁架拆除后疊合板使用階段的整板靜載性能試驗，可為該類疊合板的實際使用提供參考。

1 試驗方案

1.1 試件尺寸和試驗材料參數

型鋼與預埋件的連接方式如圖1所示，預制板在工廠制作完成后的底面形式如圖2所示。

圖1 預埋件與型鋼的連接Fig.1 Connection Between Embedded Parts and Section Steel

圖2 預制混凝土底板Fig.2 Prefabricated Concrete Floor

試驗研究了1塊新型疊合板與1塊現澆板在簡支條件下的使用性能，預埋件尺寸與成品見圖3。

圖3 預埋件尺寸與成品(單位：mm)Fig.3 Sizes and Finished Product of Embedded Parts (Unit:mm)

施工階段底部受拉型鋼使用50 mm×50 mm×5 mm角鋼。2塊板采用C30混凝土，用直徑8 mm的HRB335螺紋鋼進行雙向配筋，預制板上部混凝土部分的尺寸為2 300 mm×2 300 mm×35 mm，后澆層澆筑完成后的尺寸為2 300 mm×2 300 mm×100 mm，澆筑過程如圖4所示。

圖4 疊合板澆筑Fig.4 Pouring of Laminated Slab

按《混凝土結構試驗規范》[20]進行混凝土強度測試，結果見表1。由于使用階段的桁架已經拆除，不與預埋件組合受力，本次試驗僅觀察預埋件與混凝土之間的黏結情況。

在試驗室中使用計算機控制萬能試驗機來進行鋼材試驗，得到鋼筋的屈服強度fy=361 MPa。

1.2 加載與測量方案

本次試驗的加載制度包括3級預加載與后續的正式加載，預加載一級荷載折合成均布荷載的大小為1.5 kPa，在預加載結束后卸載，準備進行正式加載。

表1 混凝土抗壓強度Tab.1 Compressive Strength of Concrete

正式加載分為2個階段，第1個階段取開裂荷載的1/10(折合均布荷載大小為1.01 kPa)進行加載，在開裂之后的第2階段采用極限荷載的1/10(折合均布荷載大小為3.95 kPa)進行加載直到最后一級荷載，加載制度如圖5所示。

圖5 加載制度Fig.5 Loading System

加載支座由200 mm寬的H型鋼與4個由型鋼制作的短柱焊接制作而成，支座高1 m，在板與混凝土板之間使用油氈加細沙墊平，細沙與油氈減少了板與支座的摩擦力，現場布置如圖6所示。

圖6 加載裝置Fig.6 Loading Setup

測量方案如圖7所示(G表示鋼筋應變測點，W表示撓度測點，HT表示混凝土應變測點)。本次試驗要對比疊合板與現澆板在使用階段的撓度，在四點加載的加載制度下2塊板的最大撓度在跨中位置，所以該處即為位移計布置點；在對比鋼筋應力時對1/4跨的鋼筋進行了應變片的張貼，應變片布置呈爪子形狀的目的在于測量加載點四周與塑性絞線出現位置鋼筋的應變；由于本次試驗使用的板雙向同性，疊合板在2個方向上的剛度一致，所以監測混凝土底部裂縫的應變片布置在樓板底部1/4處。

圖7 測量方案(單位:mm)Fig.7 Measuring Scheme (Unit:mm)

2 試驗結果

在試驗開始預加載階段各儀器采集數值顯現出線性關系，在預加載卸載后所有的數據基本上恢復到初始讀數。正式加載前期的數據讀數變化都較小，未發生鋼筋應變有異常的變大現象，在加載到12級荷載(17.08 kPa)時板底出現斜向裂縫與平行于板邊的平行裂縫，斜裂縫的方向大致是從四點指向板的4個角，2種裂縫相交于4個加載點下。14級荷載開始斜向裂縫向混凝土的角延伸，同時離混凝土4角較近的邊上也出現裂縫，在后續的加載過程中板底的斜裂縫逐漸變多；最開始的斜裂縫發展成了主要的裂縫，其寬度明顯大于其他裂縫，4個角所出現的裂縫開展方向也指向加載點，隨著板底裂縫延伸板的側面也出現了豎向裂縫，如圖8所示。在加載到16級荷載時板的側面出現了豎直方向的裂縫，下方主裂縫寬度達到1.5 mm，板的4個角發生了明顯的翹起，如圖9所示。在荷載加載到46.3 kPa時，考慮到支座高度較矮影響試驗人員進入板底的安全，故停止了對該板的加載。

圖8 板底裂縫Fig.8 Cracks at Bottom of Slab

圖9 角部翹起Fig.9 Rise of Corner

2.1 荷載與鋼筋應變

疊合板和現澆板鋼筋應力-應變曲線如圖10所示(XJB表示現澆板，DHB表示疊合板)。2塊板的鋼筋應變有著明顯的規律，通過疊合板與現澆板的對比可以發現2塊板的鋼筋荷載-應變曲線存在著一些相似的特征。疊合板鋼筋的荷載-應變曲線在前期加載的過程中表現出了線性特征，曲線斜率很大。荷載達到17.08 kPa時鋼筋的應變突然增大，這與試驗現象中出現裂縫的級數相吻合，從圖10可以看出曲線的斜率明顯減小，標志著鋼筋進入了塑性階段。由于G12號測點處于主裂縫周圍并且距離加載點最近，因此可以發現該點測得的鋼筋應變明顯大于其他位置。平行于板邊的混凝土沒有出現較大的裂縫，所以平行于板邊的鋼筋受力較小，部分測點并未達到屈服。在最后一級加載完成后，還有較多的鋼筋未屈服，且板上表面混凝土并未壓碎，故疊合板還有一定的承載能力。

2.2 荷載與撓度

疊合板與現澆板跨中撓度對比如圖11所示，疊合板荷載-撓度曲線如圖12所示。疊合板撓度在加載初期與位移保持著線性關系，在載荷達到17.08 kPa后撓度變化明顯加大，說明此時結構的剛度降低。從加載開始到最后一級加載完成疊合板跨中撓度達到了23.8 mm，疊合板中間可以看到明顯凹陷，延性良好。

為了找到同一時間同一截面測點的撓度關系，取測點W8，W4，W1，W2，W6得到撓度曲線(圖13)。由圖13可知：疊合板在開裂前同一截面的測點撓度分布比較均勻，曲線形狀接近于等腰三角形，說明板在開裂前整個變形處于線性狀態。開裂后，由于疊合板發生了塑性變形，各測點的連線不再為等邊三角形，但是折線關于中線大致對稱，疊合板表現出了良好的雙向受力性能。

圖10 鋼筋應力-應變曲線Fig.10 Stress-strain Curves of Steel Bars

圖11 測點W1荷載-撓度曲線Fig.11 Load-deflection Curves of Measuring Point W1

3 樓板的極限承載力

mx=Asxfsxγsxh0x

(1)

my=Asyfsyγsyh0y

(2)

圖14 疊合板的破壞機制Fig.14 Failure Mechanism of Laminated Slab

式中：Asx，Asy分別為板跨內截面沿lx，ly方向單位板寬內的縱向受力鋼筋截面面積；γsx，γsy分別為板跨內截面沿lx，ly方向單位板寬內的內力偶臂系數；h0x，h0y分別為板跨內截面沿lx，ly方向單位板寬內的有效高度；fsx，fsy為單位條帶內鋼筋的屈服強度。

設α為2個方向上極限內力矩的比值，則

(3)

虛功原理的等式兩邊為內外力所做的功，沒有其他外力的情況下等效均布荷載q所做的虛功即為外力所做的功Wa，則

(4)

式中：ω(x,y)為疊合板變形的曲線方程；dAn為面積元素。

內力所作的虛功Wb為

∑Wb=∑miliγi

(5)

∑Wa=∑Wb

(6)

式中：mi為沿塑性絞線上單位板寬內的極限彎矩；li，γi分別為沿塑性絞線上單位板寬截面上發生轉動邊的長度及轉動角度。

可以解得

(7)

由以上公式可以得出該板的極限荷載大小為57.24 kPa，實際加載達到46.3 kPa時停止加載。

4 疊合板的優化與使用建議

由于疊合板使用到實際工程中還有一段很長的路要走，故結合本次試驗對疊合板的桁架優化、質量檢查、運輸擺放等提出建議。

在桁架的優化上，桁架的預埋部分可以采用圓形管狀的預埋件桁架形式，將型鋼改為與預埋件配套的帶圓管鋼條，圓形結構優勢也較為明確，拆裝簡單方便，桁架較為美觀。圓形預埋件可以有效減少預埋件四周混凝土的應力集中現象，桁架可以使用強度較高的鋼材進一步保證其剛度，圓形預埋件大致設計如圖15所示。

圖15 圓形預埋件桁架簡圖Fig.15 Truss Diagram of Round Embedded Parts

疊合板要承受荷載，需要經過預制板的運輸、堆放、后澆層澆筑等步驟，所以應該在澆筑后澆層之前對預制板的質量進行檢驗，其中包括外觀檢測與性能檢測。外觀質量的檢驗采用表面觀察和測量等方式，檢查內容主要為板的厚度，桁架是否定位準確和是否存在偏差，混凝土是否存在蜂窩等振搗不均勻的情況，疊合面是否粗糙，是否存在裂縫等問題。同時在使用本次試驗的預埋件時要保證預埋件周圍的混凝土振搗充分。

預制板的堆放需要保證地面的平整度，以防止地面不均勻導致預制板在運輸與放置過程中斷裂，在堆放預制板時應該對地面進行清理，保證地面的基本平整，然后在預制板下部墊上矩形木方，木方最佳高度為桁架露出預制板的高度，使用木方與桁架一同受力保證預制板的安全，如圖16所示。除此之外當堆積多塊預制板時應將各預制板在豎直方向上保持在同一平面內，避免2塊板的桁架相距過遠，而板的懸挑端過長導致空間浪費與預制板斷裂。

圖16 運輸堆放示意Fig.16 Diagram of Transportation and Stacking

5 結語

(1)對新型疊合板進行了試驗研究，結果表明該板整體性能良好，承載能力較高，剛度大，適用于裝配式樓蓋體系。

(2)在加載過程中疊合板對角線方向與加載點之間形成了主要裂縫。在加載后期構件的側面上發現了若干豎向裂縫，停止加載時未發現橫向裂縫，說明表面刮毛可以滿足疊合面的抗剪要求。停止加載時疊合板跨中撓度達到了2.38 cm，撓度與現澆板相近，板的延性良好。

(3)由于桁架形式、預制板質量、預制板運輸等問題都會影響疊合板制作的質量，基于試驗提出了圓形預埋件形式、預制板質量檢查方法、預制板運輸方法，可進一步保證疊合板的質量。