小間距鋼梁混凝土空心樓蓋空心混凝土板變形分析

胡望HU Wang

（湖南城建職業技術學院，湘潭 411101）

0 引言

自中國特色社會主義建設發展以來，建筑業飛速發展，其中高層、大跨度的建筑數量也跟隨經濟的發展和技術的成熟越來越多，同時也處在向上增長階段[1]。六七十年代開始，我國就已經有對空間結構開展了研究，空間網格結構由三部分組成，分別是桿單元、梁柱單元及板殼單元，由三者組合成了一個3D 空間體系。但因為以前經濟發展較慢，技術也不成熟，鋼材的產量有限、施工設備限制等原因，導致了空間結構的研究和施工運用發展很落后。到了八九十年代的時候，經濟得到發展，技術水平也有提高，同時建筑、材料、機械等各行各業都發展快速，空間結構也得到迅猛發展，在社會、行業、政府等的建設中需求量也有很大提升。網架結構、網殼結構、索網結構、組合網架結構、組合網殼結構等一類得到快速拓展和發展[2]。

空間結構的類型越來越多，但不同的類型有不同的適用情況。以前的傳統的空間網格結構，如板式空間網格結構，理論研究與實際運用都比較多而且相關技術比較成熟。在這些前輩們辛勤付出的研究以及工程實際運用的基礎之上，運用這些已經得到工程實踐運用的理論基礎，我們又提出了一種區別于以往的新的鋼筋砼結構類型，這類新型的鋼筋砼的最顯著的優點主要是更“輕”，在原有的基礎上減小了本結構的自重。這幾種新型的鋼筋砼空間網格結構的類型主要包括四種，分別是：空腹夾層板結構，現澆混凝土空心樓蓋結構，中空雙層網格結構，板式空腹網架結構[3]。

小間距鋼梁混凝土空心樓蓋跟前述介紹的空間網格結構非常相似，是在鋼筋混凝土空間網格結構的基礎上，發揮主觀能動性，進行了創新。將空間網格結構中的混凝土量用H 型鋼的鋼梁代替，在這個結構中梁之間的距離為2m，鋼梁我們用的是H 型鋼梁，使其具備了鋼-混組合樓蓋和“盒式鋼結構”優異的抗震效果的特點[4]。

1 試驗概況

1.1 試驗模型

小間距鋼梁混凝土空心樓蓋[5]，它既有鋼結構樓蓋的特征，同時又有現澆混凝土空心樓蓋的特征，集合了兩種結構的特點，是一種有創新的空間網格結構類型[6]。本文中的試驗模型對小間距鋼梁混凝土空心樓蓋空心混凝土板的變形情況進行了研究和分析[5]。

小間距鋼梁混凝土空心樓蓋的試驗模型高度為0.8m，該試驗模型跟原結構有所區別。一是試驗模型結構中考慮到試驗條件有限，將試驗模型結構中的柱替換成了素混凝土墩子，其中，素混凝土墩的橫向（主梁方向）間距的數值為4m，素混凝土墩的縱向（次梁）方向間距的數值為1.0m，素混凝土墩的截面尺寸為0.25m×0.25m×0.8m，混凝土的強度為C20。試驗模型結構中的主次梁都是采用的鋼梁，鋼梁都為采用手工電弧焊焊接而成的H 型鋼，柱梁、次梁等鋼梁之間的間距數值都為1.0m，H 型鋼梁的截面尺寸為主梁為120×100×5×5 次梁為120×80×5×5，鋼材的材質采用的是Q235。小間距鋼梁混凝土空心樓蓋如圖1 所示的（a）、（b）、（c）三個組成部分，其中鋼梁的主、次梁之間采用螺栓連接，螺栓用的是等級為4.8 級的M14 螺栓。

圖1 試驗模型圖（單位：mm）

小間距鋼梁混凝土空心樓蓋試驗模型結構由10 根H型鋼的鋼梁和16 塊鋼筋混凝土結構的空心板組成。板尺寸為：0.12m×1.0m×1.0m，內插入PVC 管，使其混凝土空心板。采用的PVC 管長度為0.9m，外直徑為75mm，布置方向為：沿著橫向（主梁）方向布置，混凝土空心板是分塊嵌入鋼梁中，PVC 管在每塊空心板中的PVC 管的相互間距為30mm，距離混凝土空心板的上板面和下板面的距離均是22.5mm，8 根。施工時要保證各PVC 管之間的間距均勻一致，PVC 管的布置情況圖如圖2 所示，現澆混凝土空心板的澆筑過程中模板工程采用吊模施工[5]。

圖2 空心管模板布置圖

小間距鋼梁混凝土空心樓蓋試驗模型結構的施工制作步驟分別為：第一步：進行小間距鋼梁混凝土空心樓蓋試驗模型結構的生產成型。第二步：材料的采購，包括普通硅酸鹽水泥、河砂（采用中砂）、鵝卵石、直徑8mm 的螺紋鋼筋、PVC 管以及試驗用的應變片、環氧樹脂、砂紙等。第三步：素混凝土墩（支座）的施工。開始先根據圖紙要求進行模板的制作加工，然后根據設計文件中混凝土強度要求（C20 的強度）進行混凝土的下料、攪拌、出料、場內運輸、入倉澆筑、平倉和振搗，最后進行標準時間養護。第四步：素混凝土墩按要求養護成型，強度達到要求后，將小間距鋼梁混凝土空心樓蓋試驗模型結構的構件進行安裝。第五步：校核完鋼梁組成的鋼構件安裝偏差確認符合要求后，便是進行鋼筋混凝土空心板的施工，施工包括三個內容，分別是：①支低模模板（吊模施工），模板的安裝施工要保證有足夠的剛度輕度穩定性，并防止變形漏漿。②空心板底板8mm 直徑鋼筋的鋼筋綁扎，如圖3 所示。③空心板PVC 的安裝，安裝時要按照設計圖紙要求，嚴格控制好管間距。④空心板頂板8mm 直徑鋼筋的鋼筋綁扎，如圖3 所示。⑤檢查模板的安裝，具備澆筑要求就進行混凝土空心板的砼澆筑，并養護。

圖3 有板鋼混樓蓋混凝土空心板配筋圖

1.2 混凝土應變測試點布置及加載試驗概況

小間距鋼梁混凝土空心樓蓋試驗模型結構養護完成后，在試驗模型結構空心板按照試驗設計要求的位置在空心板的上板面和下板面分別布置粘貼好應變片，布置粘貼時要保證粘貼界面干凈、干燥和平整，應變片不能出現褶皺。基于試驗模型結構的對稱性，按照對稱性取以試驗構件中心的1/4 主次梁跨徑范圍內的混凝土空心板進行應變點的設置[5]，具體設置位置如圖4。

圖4 空心混凝土板應變片上（下）的應變片布置位置及試驗現場圖

在應變箱的連接和加載裝置的安裝完成后，在各項試驗準備工作做好的基礎上，我們對小間距鋼梁混凝土空心樓蓋試驗模型結構進行加載工作，用以測量出混凝土空心板在試驗結構模型中的變形。我們采用的加載方法是力+位移的混合加載的模式[5]。先用力控制加載即通過控制加載荷載的大小，以2kN/每級進行豎向方向的加載，等豎向荷載的大小達到16kN 時停止使用力控制的加載方式，改用位移控制的卸載方式來進行卸載，以1mm/每級進行卸載，直至為零，這是考慮自重作用下的變形。另根據使用階段的范圍以位移控制法進行最大主跨中心變形為20mm的加載試驗[7]。

2 試驗結果與分析

混凝土空心板的應變片是對稱的在空心板的上板面和下板面進行布置進行混凝土應變的測量。根據本文圖5可以知道，空心板上板面的截面1-1，同時空心板相應位置測點的“C 上1-1”、“C 上2-1”、“C 上3-1”位置的應變數值都為負數，負數即說明是壓應變；空心板下板面的“C下1-1”、“C 下2-1”、“C 下3-1”位置的應變數值都為正數，說明是拉應變，且明顯一一相對于Y 軸接近對稱，將近直線的應力應變曲線。表明了混凝土空心板的上下板面和截面測點設置的點位基本達到對稱，而且應變情況比較接近。截面2-2 的空心板混凝土荷載-應變圖如圖5，都差不多趨于直線，“C 上1-2”、“C 上2-2”、“C 上3-2”一一分別與“C 下1-2”、“C 下2-2”、“C 下3-2”相對Y 軸對稱，表明了空心板上下板面與截面的測點點位基本對稱，與此同時，截面1-1 的應變數值比截面2-2 整體要大。

圖5 樓蓋跨中、三分點位置截面空心混凝土板上（下）測點應變

本試驗模型結構進行了以位移法的加載方式進行了最大主跨中心變形為20mm 的加載試驗，并將實驗數據進行對比分析。由試驗數據分析可知，試驗模型處于彈性階段，隨豎向荷載增加位移增大，兩條曲線分離趨勢增大。說明混凝土空心板不同截面位置變形差別大，離截面中心越遠位置混凝土變形減弱，且在一定范圍隨荷載增大差異變化越明顯[8]

3 結語

混凝土的組成材料特性比較復雜，混凝土在豎向荷載作用將發生相應的變形。同時實驗模型結構混凝土澆搗養護完成后，混凝土的內部因為材料的特點和環境的影響已經存在少量微裂縫，內部有不可避免的初始氣孔和縫隙，混凝土在承受應力作用或環境條件改變時都將發生相應的變形[8]。混凝土在結構中扮演者重要的角色，我們要熟悉混凝土的材料特性特點，有助于我們深入掌握和運用混凝土的各種力學性能和結構構件的力學反應，同時，對現場施工也有很大的幫助。因此本文重點關注小間距鋼梁混凝土樓蓋結構空心混凝土板的變形情況。

經過對小間距鋼梁混凝土樓蓋結構空心混凝土板的變形性能試驗和數據分析可知[5]，在結構設計的使用階段，混凝土空心板不同截面位置變形差別大，離截面中心越遠位置混凝土變形減弱，且在一定范圍隨荷載增大差異變化越明顯。根據試驗結果和分析，由于沒有考慮結構可靠度，本次試驗結果僅限于樓蓋彈性階段的空心混凝土板的變形性能研究。