一種裝配式建筑板材結構性能檢測加載系統的設計與應用方案

王凱翀 林鵬 李學文 林建輝

（廣東省建筑材料研究院有限公司）

0 引言

隨著《國務院辦公廳關于大力發展裝配式建筑的指導意見》[1]等一批文件的出臺，近年我國裝配式建筑進入快速發展階段。裝配式建筑是指由預制部品部件在工地裝配而成的建筑。裝配率是評價裝配式建筑應用效果的重要指標。裝配率指單位建筑室外地坪以上的主體結構、維護墻和內隔墻、裝修和設備管線等采用預制部品部件的綜合比例[2]。

裝配式建筑板材廣泛用于裝配式建筑圍護結構和樓板等主體結構，一般由工廠根據工程對板材尺寸和結構性能設計指標進行定制化生產。其中，結構性能是裝配式建筑板材生產、建筑設計和建筑施工各階段重要的應用指導依據，包括板材初裂、破壞時的承載力和撓度等指標。通過力學加載進行檢測是判斷建筑板材結構性能指標是否達標的重要方法。

1 技術背景

1.1 建筑板材結構性能檢測方法

常見的檢測方法有均布荷載法和集中力四分點法等，具體實施方法如圖1 和圖2 所示。均布荷載法一般通過累疊砝碼重物，產生近似均布荷載來實現。集中力四分點法通過分荷梁把集中力轉換為分布力實現加荷。常見的的產品標準與檢測方法標準如GB/T 40399-2021[3]和GB/T 15762-2020[4]等。

圖1 均布荷載法示意圖

圖2 集中力四分點法示意圖

GB/T 40399-2021《裝配式混凝土建筑用預制部品通用技術條件》對裝配式部件的結構性能檢測方法按GB 50204-2015[5]《混凝土結構工程施工質量驗收規范》附錄B 進行。加載方式可為累疊砝碼的均布荷載加荷或千斤頂集中力加荷。采用分級加載，每級荷載按標準荷載或荷載設計值一定的百分比計算得出。每級加載完成后，荷載應維持一定的時間。同時需測量部件的跨中撓度和裂縫寬度。

GB/T 15762-2020《蒸壓加氣混凝土板》對板材結構性能的檢測方法與舊版GB/T 15762-2008 相比，取消了以累疊砝碼加載的均布荷載試驗法，統一采用了集中力四分點法進行加荷。同樣，試驗過程中需要測量板材的承載力、撓度和裂縫寬度。

1.2 現有技術的問題與局限性

隨著裝配式建筑板材生產技術不斷發展和建筑設計應用要求的不斷提高，行業上板材的生產長度已從原來的3m 以內，發展到長度可達6m 或以上的水平。基于行業發展現狀，現有的累疊砝碼和常規加載設備等加荷手段對于裝配式建筑板材結構性能的檢測存在缺陷和局限性。其主要體現在：①累疊砝碼重物模擬均布荷載的方法人為影響因素大，累疊過程繁瑣且不連續，荷載成階梯式增長。②采用常規加載設備產生荷載，儀器一般形式為反力架基座臺結構，儀器承壓基座大小限制了受測板材的尺寸。由于基座臺的存在，對地面起重工具的使用造成不便，對一些大型板材的試驗安裝就位通常需要使用大型吊裝機械，造成了檢測成本的增加。

2 加載系統的設計

2.1 加載系統的設計要求

針對現有檢測技術的問題與局限性，并考慮裝配式建筑板材結構性能檢測所需的條件，本文提出一種適用于裝配式建筑板材結構性能檢測的加載系統方案。

本加載系統滿足以下設計要求：①滿足裝配式板材結構性能檢測中對加載過程的控制、承載力的測量、撓度的測量和裂縫觀測的要求。②設計同時考慮加載系統的使用效率、適用性和經濟性。加載系統應便于各種檢測場地和輔助工具的使用。③設計應方便加載系統的日常維護。

2.2 加載系統的組成

加載系統的組成設計如圖3 所示。該加載系統由上橫梁、立柱、地面平臺預埋件、加載油缸、力傳感器、位移傳感器、液壓系統、電氣控制系統、計算機數據處理系統、加載板和支撐座組成。

圖3 加載系統剖面圖

2.3 設計關鍵點

本加載系統設計的關鍵點為：

⑴由上橫梁、立柱、地面平臺預埋件、加載油缸組成地面雙柱式加載框架。地面平臺預埋件和上橫梁用立柱相聯，形成門式自平衡式反力架結構。地面平臺預埋件是預先挖地基后，先放入工字鋼焊接的預埋件，然后澆筑混凝土硬化而成。此做法能保證立柱的垂直度及龍門架的強度，適應裝配式建筑板材對檢測空間的要求，加載框架空間效果如圖4 所示。

圖4 加載系統空間效果圖

⑵根據建筑板材結構性能檢測對測量板材中部變形撓度的要求，加載系統中部下方位移傳感器采用下沉式設計，保證地面平臺的平整，預留板材變形空間。使用金屬框架支撐，保護傳感器不受板材破壞時的撞擊造成損壞。

⑶板材試樣安放在支撐座上進行試驗，支撐座的設計使其具有一定的高度，以方便檢測人員觀測板材試樣的裂縫。

2.4 設計優點

本加載系統設計方案有以下優點：

⑴采用電氣控制集中力加荷系統，可通過分荷梁多級分配荷載，避免人為因素對測試產生影響。

⑵加載油缸采用與加載框架一體化連接設計，無需人工搬動加載油缸，且加載油缸重量不會施加到板材上。

⑶地面平臺使用預埋件混凝土基礎一體化連接，此設計可利用場地地面的長度，解決常規加載設備因所檢測的板材長度過長，無法放在其基座臺上的問題，可檢測的板材長度從現有儀器基座臺長度擴展到場地的長度，可對各種長度的板材進行檢測。

⑷常規加載設備的占地面積為儀器基座臺面積，基座臺面積需要大于受檢樣品的投影面積；本加載系統占地面積實際只有雙柱式加載框架部分需要占地面積，加載系統的其余占地的地面與實驗室原有的地面高度相同，大大減少場地使用的壓力。

⑸常規加載設備因為存在基座臺，阻礙了起重工具的使用，樣品往往只能通過大型機械吊裝；本加載系統由于用地面預埋件混凝土基礎代替現有儀器的基座臺，并采用下沉式位移傳感器設計，地面平坦使得如叉車等地面起重工具的使用變得容易，大大提高了樣品安裝就位的效率，同時也降低了樣品安裝就位成本。

⑹本加載系統設計采用可移動快接式液壓油站系統，油站與油缸升降系統采用專用快接接頭，使用時能快速連接，不使用時可以快速拆卸，并移動到其他位置放置，進一步提高了實驗場地的使用率和靈活性。由于采用了可移動快接設計，油站及其電控系統不使用時可拆卸安放以方便日常維護。

3 檢測應用實施方法

下面以本加載系統在蒸壓加氣混凝土樓板結構性能檢測中的應用為例，進一步說明加載系統各組成之間的聯動工作原理。

檢測實施工作步驟為：

⑴用鋼卷尺測量并記錄板的規格，包括長度、寬度、厚度；用電子秤測量并記錄板的自重；用電子秤測量并記錄加載板的重量；在計算機數據處理系統中輸入板的規格與自重、加載板的重量和承載力檢驗系數。

⑵將板材試樣放到支撐座上。在計算機數據處理系統的測控軟件中對位移傳感器與力傳感器發出“讀數歸零”指令。

⑶把加載板擱置在板材試樣上。

⑷在計算機數據處理系統輸入“加載”指令，使電氣控制系統控制液壓系統推動加載油缸向下運動；加載油缸驅動力傳感器的壓板壓在加載板上面，板材試樣開始受到荷載。

⑸位移傳感器反饋數據給電氣控制系統，控制加載油缸以板材試樣跨中彎曲變形達到0.05mm/s 的等位移速率加載。

⑹加載到板材試樣出現第一條裂縫時，在計算機數據處理系統輸入“初裂標記”指令；計算機數據處理系統記錄板材試樣的初裂時集中力荷載實測值；此時加載油缸繼續保持等位移速率加載。

⑺用刻度放大鏡觀察裂縫寬度變化和板其他破壞情況；裂縫寬度達到1.5mm 或出現其他破壞標志時，在計算機數據處理系統輸入“結束”指令；位移傳感器和力傳感器通過電氣控制系統反饋數據給計算機數據處理系統，得出板材試樣的短期撓度實測值和破壞時集中力荷載實測值。

⑻在計算機數據處理系統輸入“復位”指令使電氣控制系統控制液壓系統收回加載油缸壓板。

⑼在計算機數據處理系統輸入樓板的荷載標準值、荷載設計值、結構安全重要性系數；計算機數據處理系統自動計算板材的初裂與破壞荷載檢驗值、初裂荷載實測值、短期撓度允許值、破壞荷載實測值；當初裂荷載實測值≥初裂荷載檢驗值，破壞荷載實測值≥破壞荷載檢驗值，并且短期撓度實測值≥短期撓度允許值時，計算機數據處理系統自動給出合格結論；檢測結束。

4 結語

本加載系統具體加載量程、外形尺寸可根據實際使用情況進行定制化設計，能滿足多種裝配式建筑板材結構性能的檢測要求。通過對計算機測控軟件的試驗控制程序編寫，可以實現多種加載控制效果。在實際應用中，本加載系統具有空間適應性強、使用維護方便靈活、檢測樣品就位便捷等優點，適合裝配式建筑前期設計、材料生產、后期驗收測試等各環節相關機構使用，能很好地配套裝配式建筑行業的發展。