輕鋼龍骨架疊合樓板基本力學(xué)性能研究

王莘晴 杜佳芝 孟錦根 遲亞海

摘要：本文以疊合樓板為研究對(duì)象，采用輕鋼龍骨作配筋受力件，對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行初步探討，根據(jù)構(gòu)件受荷后的撓度變形與承載力變化關(guān)系，將P-S曲線進(jìn)行擬合，確定構(gòu)件極限承載力，并對(duì)影響構(gòu)件承載力的因素進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，得到一種受力情況較為良好的新型疊合樓板配筋方案，旨在為裝配式建筑構(gòu)件輕鋼肋混凝土疊合樓板優(yōu)化設(shè)計(jì)提供科學(xué)借鑒。

關(guān)鍵詞：疊合樓板;極限承載力;撓度變形;輕鋼龍骨

1.研究背景及意義

近年來(lái)，隨著裝配式技術(shù)發(fā)展日趨成熟，我國(guó)裝配式建筑行業(yè)迎來(lái)快速發(fā)展新階段。2014-2018年，我國(guó)新建裝配式建筑面積每年均保持24%以上的增速，到2018年，我國(guó)新建裝配式建筑面積已經(jīng)達(dá)到1.9億平方米。僅裝配式建筑PC構(gòu)件的市場(chǎng)規(guī)模就從2014年的4.2億元增長(zhǎng)到2019年的325.0億元。疊合樓板是裝配式結(jié)構(gòu)中重要的一個(gè)預(yù)制構(gòu)件。相較于傳統(tǒng)現(xiàn)澆構(gòu)件，疊合樓板免模板安裝，施工速度快，樓板上層結(jié)構(gòu)采用混凝土整澆成型，抗震性良好，在裝配式建筑中得到廣泛應(yīng)用。

2.疊合樓板研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外關(guān)于混凝土疊合結(jié)構(gòu)的研究很多，多集中于新舊混凝土疊合面研究，主要專注于疊合面應(yīng)力分布及抗剪問(wèn)題的研究。2004年，周緒紅、吳方伯等研發(fā)了預(yù)制帶肋底板疊合樓板。2010年，由湖南大學(xué)吳方伯教授等以及山東萬(wàn)斯達(dá)集團(tuán)有限公司歷經(jīng)七年時(shí)間研究完成了PK預(yù)應(yīng)力混凝土疊合板（PK板）技術(shù)。2013年，山東大學(xué)侯和濤在PK板基礎(chǔ)上研究了鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土疊合板，2014年吳方伯等人對(duì)一個(gè)四邊簡(jiǎn)支單向預(yù)應(yīng)力雙向配筋混凝土疊合樓板的大比例模型進(jìn)行了試驗(yàn)，并對(duì)其變形特征、裂縫分布、破壞形態(tài)和極限承載力等進(jìn)行了研究。上述研究表明，提高疊合樓板極限承載力的有效構(gòu)造措施是增加地板剛度，即在底板上或下增加加強(qiáng)肋。現(xiàn)在的型式有鋼筋桁架肋、倒T形混凝土帶肋（PK板）、混凝土鋼管桁架肋等。

3.試驗(yàn)研究?jī)?nèi)容及要點(diǎn)

本文擬采用輕鋼龍骨作為加強(qiáng)肋，對(duì)疊合樓板受力性能進(jìn)行研究。

嘗試通過(guò)優(yōu)化調(diào)整龍骨的間距，使得輕鋼與混凝土組合的樓板承載力能大于施工荷載3.5KN/m2，滿足工程實(shí)際需求。對(duì)輕鋼混凝土疊合樓板進(jìn)行抗彎力學(xué)性能試驗(yàn)，驗(yàn)證輕鋼肋混凝土疊合樓板優(yōu)劣。以期為輕鋼肋混凝土疊合樓板設(shè)計(jì)提供科學(xué)參考。

4.輕鋼龍骨骨架試驗(yàn)過(guò)程及數(shù)據(jù)分析

4.1輕鋼龍骨骨架構(gòu)造設(shè)計(jì)

型式一，普通輕鋼龍骨疊合底板，布置縱橫φ8@200底板鋼筋;輕鋼龍骨架采用縱向C100輕鋼龍骨和橫向U50輕鋼龍骨;底板為厚度60mm 強(qiáng)度C40混凝土板。型式二，預(yù)應(yīng)力輕鋼龍骨疊合底板，布置縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋，輕鋼龍骨架采用縱向C100輕鋼龍骨和橫向U50輕鋼龍骨;底板為厚度60mm 強(qiáng)度C40混凝土板。

確定構(gòu)造設(shè)計(jì)后，進(jìn)而對(duì)輕鋼龍骨架試驗(yàn)件設(shè)計(jì)。基于市場(chǎng)調(diào)研結(jié)果，在生產(chǎn)廠家購(gòu)買了C1OO×0.6×3000mm龍骨、C100×0.7×3000mm龍骨、U50×1.0×3000mm龍骨及支撐卡。因此根據(jù)龍骨的實(shí)際尺寸和膠合板尺寸設(shè)計(jì)了長(zhǎng)3000mm寬1200mm以內(nèi)的骨架。

骨架型式一：

輕鋼龍骨骨架3000×1000mm，縱向龍骨布置采用C1OO×0.6×3000mm間距250mm，橫向龍骨采用U50×1.0×3000mm間距250mm，縱向龍骨按照間距250mm在腹部人工開(kāi)孔，橫向龍骨穿孔后用螺栓固定。縱向龍骨開(kāi)口方向在橫向龍骨交接處加了支撐卡。

由于生產(chǎn)廠家對(duì)縱向龍骨只能按最小500mm間距在龍骨腹部開(kāi)孔，所以龍骨腹部間距250mm的孔只能采用人工切割機(jī)切割開(kāi)孔。因開(kāi)孔不規(guī)則，橫向龍骨穿孔后很松動(dòng)，又用螺栓連接固定，但縱橫龍骨交接處仍不緊密。

骨架型式二：

輕鋼龍骨骨架3000×1000mm，縱向龍骨布置采用C1OO×0.6×3000mm間距250mm，橫向龍骨采用U50×1.0×3000mm間距500mm，縱向龍骨生產(chǎn)制作時(shí)按照間距500mm在腹部機(jī)械沖孔。縱向龍骨開(kāi)口方向每間距150加支撐卡。

骨架型式三：

輕鋼龍骨骨架3000×1200mm，縱向龍骨布置采用C1OO×0.7×3000mm間距300mm，橫向龍骨采用U50×1.0×3000mm間距500mm，縱向龍骨生產(chǎn)制作時(shí)按照間距500mm在腹部機(jī)械沖孔。縱向龍骨開(kāi)口方向每間距150加支撐卡。

4.2輕鋼龍骨架承載力試驗(yàn)

本試驗(yàn)?zāi)康氖菫榱顺跆讲煌诤窦伴g距的輕鋼龍骨架的承載能力有何不同，以便選取其中一個(gè)輕鋼龍骨骨架型式與混凝土底板組合成疊合底板。

試驗(yàn)方案：支座采用紅磚擺放三層，上面放置預(yù)制混凝土梁，兩個(gè)支座表面調(diào)平在一個(gè)標(biāo)高，輕鋼龍骨骨架放置在兩支座上，支座凈間距2500mm。

加載方式：輕鋼龍骨骨架上面放置2400×1200mm膠合板，板重25KG。采用膠合板上均勻加載的方式，每次加載25KG，靜置5分鐘，再加載。

數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)：輕鋼龍骨跨中的下面安置千分表測(cè)撓度，每加載25KG靜置5分鐘，進(jìn)行測(cè)量撓度。

骨架型式一試驗(yàn)：

在膠合板上放置荷載，由兩邊對(duì)稱向跨中逐步加載，每次加載25kg，兩邊加載時(shí)變形小，中間加載時(shí)變形大，伴隨著骨架變形擠壓的嘎嘎響聲，加載到450KG時(shí)撓度25mm，加載到475KG時(shí)縱向龍骨在中間位置瞬間發(fā)生彎折而破壞，縱向龍骨彎折處沒(méi)有出現(xiàn)拉裂的現(xiàn)象，彎折處呈現(xiàn)腹部上部側(cè)向及上翼邊擠壓扭曲變形狀態(tài)。

骨架型式二試驗(yàn)：

在膠合板上放置荷載，由兩邊對(duì)稱向跨中逐步加載，每次加載25kg，兩邊加載時(shí)變形小，中間加載時(shí)變形大，伴隨著骨架變形擠壓的嘎嘎響聲，并且跨中的支撐卡逐漸發(fā)生崩掉現(xiàn)象，加載到600KG時(shí)撓度26mm，加載到625KG時(shí)縱向龍骨在中間位置瞬間發(fā)生彎折而破壞，縱向龍骨彎折處沒(méi)有出現(xiàn)拉裂的現(xiàn)象，彎折處呈現(xiàn)腹部上部側(cè)向及上翼邊擠壓扭曲變形狀態(tài)。

骨架型式三試驗(yàn)：

在支座及膠合板上均放置荷載，由兩邊對(duì)稱向跨中逐步加載，每次加載25kg，兩邊加載時(shí)變形小，中間加載時(shí)變形大，伴隨著骨架變形擠壓的嘎嘎響聲，并且跨中的支撐卡發(fā)生松動(dòng)現(xiàn)象，但并未崩掉，加載到1225KG時(shí)撓度26mm。本次試驗(yàn)并未繼續(xù)加載到破壞。

4.3輕鋼龍骨架試驗(yàn)結(jié)果分析

骨架型式一試驗(yàn)分析：①貫穿孔部分是自己人為手工開(kāi)孔，貫穿孔部分縱橫龍骨接觸不好，僅靠螺栓傳力，受力不均勻。②由于機(jī)械螺栓連接不緊密，橫向龍骨處于可松動(dòng)狀態(tài)。③本次試驗(yàn)只在膠合板上加載，支座處沒(méi)有加載。破壞時(shí)加載475KG，加上膠合板自重25KG，破壞荷載為2.04KN/m2。

骨架型式二試驗(yàn)分析：縱向龍骨腹部采用廠家沖壓成孔，橫向龍骨與縱向龍骨貫穿處接觸緊實(shí)，此處安裝支撐卡進(jìn)一步固定。由于廠家技術(shù)所限開(kāi)孔距離最小為500mm，橫向龍骨數(shù)量為5根。破壞時(shí)加載625KG，加上膠合板自重25KG，破壞荷載為2.65KN/m2。本次試驗(yàn)雖然橫向龍骨間距增加一倍、數(shù)量減少一半，但破壞荷載卻增加了30%，說(shuō)明橫向龍骨貫穿縱向龍骨處接觸緊實(shí)，能使橫向龍骨很好地分擔(dān)縱向龍骨的受力，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的整體性，會(huì)大大加強(qiáng)骨架的承載力。上述兩次骨架破壞試驗(yàn)在破壞時(shí)，骨架均沒(méi)有被拉裂，彎折處呈現(xiàn)腹部上部側(cè)向及上翼邊擠壓扭曲變形狀態(tài)，說(shuō)明骨架是縱向龍骨失穩(wěn)破壞。

骨架型式三試驗(yàn)分析：骨架型式三相較于型式一和二，縱向龍骨間距增加了50mm，縱向龍骨的壁厚增加了0.1mm。試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合曲線（P1=0.979 P2=1.025 P3=11.191）如圖1所示，撓度與荷載重量顯著正相關(guān)，但受彎破壞過(guò)程，未見(jiàn)明顯屈服流幅，受荷過(guò)程輕鋼龍骨表現(xiàn)硬鋼特性。撓度為26mm時(shí)，加載1225KG，加上膠合板自重25KG，平均荷載為3.40KN/m2，本次不是破壞試驗(yàn)。即使不算支座處的荷載，只計(jì)算膠合板內(nèi)的荷載，平均荷載3.23KN/m2。骨架型式三試驗(yàn)中最大非破壞荷載比骨架型式一和二試驗(yàn)的破壞荷載分別增加了58%和22%。說(shuō)明縱向龍骨壁厚增加了16.7%（即0.1mm），在間距增大20%情況下（即50mm），單位面積實(shí)際用鋼量減少情況下，荷載增幅較大。壁厚增加使縱向龍骨側(cè)向穩(wěn)定增強(qiáng)，抗失穩(wěn)能力增強(qiáng)，其次支座加載荷載抵抗了支座反向彎矩，使得骨架承載能力加強(qiáng)。

根據(jù)以上三個(gè)試驗(yàn)分析，我們決定后面的輕鋼龍骨疊合樓板承載力試驗(yàn)中，疊合樓板中的輕鋼骨架選擇輕鋼骨架型式三。

5.輕鋼龍骨疊合板承載力試驗(yàn)研究

5.1輕鋼龍骨疊合板試驗(yàn)件設(shè)計(jì)制作

由于試驗(yàn)條件所限，本文試驗(yàn)只進(jìn)行普通輕鋼龍骨疊合樓板試驗(yàn)，并只對(duì)疊合底板進(jìn)行承載力試驗(yàn)。疊合底板型式：輕鋼龍骨骨架3000×1200mm，縱向龍骨布置采用C1OO×0.7×3000mm間距300mm，橫向龍骨采用U50×1.0×3000mm間距500mm，縱向龍骨生產(chǎn)制作時(shí)按照間距500mm在腹部機(jī)械沖孔。縱向龍骨開(kāi)口方向每間距150加支撐卡。底板為厚度60mm 強(qiáng)度C40混凝土板，其中布置縱橫φ8@200底板鋼筋。縱向龍骨腹部靠下翼邊處按照間距200mm鉆直徑10mm圓孔，底板橫向鋼筋橫穿此原孔。

支座采用紅磚擺放三層，上面放置預(yù)制混凝土梁，兩個(gè)支座表面調(diào)平在一個(gè)標(biāo)高，支座凈間距2500mm。支座上鋪放塑料薄膜，兩支座間支設(shè)模板，表面與支座面齊平，放置輕鋼龍骨及底板鋼筋網(wǎng)，保護(hù)層厚度為15mm再支側(cè)模。混凝土配合比為水泥：砂：石為1：1.22：2.48，水泥采用42.5Mpa普通硅酸鹽水泥，聚羧酸減水劑摻量為水泥用量的1%，水灰比0.4，采用人工攪拌，振搗器振搗。澆筑振搗后養(yǎng)護(hù)七天拆模。

5.2輕鋼龍骨疊合板承載力試驗(yàn)

本試驗(yàn)?zāi)康氖菫榱顺跆捷p鋼龍疊合底板的承載能力，以驗(yàn)證輕鋼龍骨作為加強(qiáng)肋的可行性。加載方式：從兩側(cè)支座向跨中依次加載，每次加載50KG，靜置5分鐘，再加載。加載一層后再加載第二層。數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)：輕鋼龍骨跨中的下面安置千分表測(cè)撓度，每加載50KG靜置5分鐘，進(jìn)行測(cè)量撓度。

疊合底板加載試驗(yàn)第一天，加載至28.91KN混凝土底板跨中出現(xiàn)裂紋，跨中饒度是12.75mm。繼續(xù)加載至34.3KN，撓度21.6mm，因條件所限，停止加載。靜置十天后疊合底板饒度穩(wěn)定，繼續(xù)加載至44.59KN（即4.55T）撓度59.1mm，靜置第二天斷裂。斷裂處縱向輕鋼龍骨下翼板及腹部下部已經(jīng)被拉裂，縱向底板鋼筋也被拉斷。底板混凝土除中間斷裂處外出現(xiàn)了12條橫向裂縫。

5.3輕鋼龍骨疊合板試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)試驗(yàn)記錄結(jié)果，將疊合板荷載重量與變形量進(jìn)行擬合，得圖2（P1=1.109 P2=-3.525 P3=-29.368），可見(jiàn)在荷載重量不超過(guò)2000Kg時(shí)，疊合板變形量較小，超過(guò)2000Kg后，變形量急劇增加，尤其在4000Kg時(shí)，疊合板裂縫快速貫通，達(dá)到極限承載力。《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010-2010中第3.3.2條規(guī)定，跨度小于7m的撓度限值不能超過(guò)跨度的1/200。本試驗(yàn)凈跨2500mm，則撓度限值為12.5mm。查荷載與撓度對(duì)應(yīng)曲線，加載是28.42KN時(shí)撓度是11.5mm。那么對(duì)應(yīng)的平均荷載是7.894KN/m2。破壞時(shí)加載為44.59 KN，對(duì)應(yīng)的平均荷載是14.863KN/m2。試驗(yàn)加載過(guò)程中，出現(xiàn)可見(jiàn)裂紋時(shí)荷載是28.91KN，開(kāi)裂荷載達(dá)到了9.64KN/m2，抗裂性能較好。

6.結(jié)論

根據(jù)輕鋼龍骨骨架及輕鋼龍骨疊合樓板承載力試驗(yàn)結(jié)果及分析，可得結(jié)論如下：

1.輕鋼龍骨骨架與鋼筋混凝土結(jié)合的疊合底板承載力達(dá)到了7.894KN/m2，承載力增加了132%。即輕采用輕鋼龍骨作為疊合底板的加強(qiáng)肋可行。

2.根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，輕鋼龍骨骨架與輕鋼疊合板受荷P-S曲線，均可用表達(dá)式y(tǒng)=（p1+p2*sqrt（x））^p3擬合表示，相關(guān)性強(qiáng)。疊合板出現(xiàn)可見(jiàn)裂縫時(shí)對(duì)應(yīng)荷載9.64KN/m2，抗裂性能較好。

3.為提高工程經(jīng)濟(jì)效益，可考慮加大縱向輕鋼龍骨的間距。對(duì)于大跨度的疊合樓板，可增大輕鋼龍骨抗彎截面系數(shù)。

參考文獻(xiàn)：

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[2]孟憲宏沙連凱佟林楊學(xué)會(huì)預(yù)應(yīng)力帶肋板與疊合板抗彎性能試驗(yàn)[J].沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)報(bào)）2017，33（1）：77-85。

基金項(xiàng)目：四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級(jí)科研項(xiàng)目“輕鋼混凝土疊合樓板抗彎性能研究”項(xiàng)目編號(hào)：2019-560-09。

作者簡(jiǎn)介：

王莘晴（1988.9.4-），女，漢族，河南新鄉(xiāng)人，碩士研究生，四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，講師，研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、災(zāi)害治理。

杜佳芝（1989.1.9），女，漢族，成都溫江人，本科，四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，講師，研究方向?yàn)榻ㄖこ碳夹g(shù)。

孟錦根（1970.5.5），男，漢族，四川中江人，本科，四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，副教授，研究方向?yàn)榻ㄖこ碳夹g(shù)。

遲亞海（1989.2.26），男，漢族，遼寧遼陽(yáng)人，本科，四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，講師，研究方向?yàn)闄C(jī)械制造與自動(dòng)化。