預制鋼筋桁架水泥纖維板受力性能試驗研究

魯志雄,曾靜茹,薛國峰,*,梅潔萍

(1.佛山科學技術學院 交通與土木建筑學院,佛山 528225;2.上華建筑科技(廣州)有限公司,廣州 510640)

與傳統建筑相比,預制建筑以低勞動力成本、快速建設和資源節約的優勢在全球得到積極推廣[1-2],是減少建筑業碳排放的有效解決方案。實際工程中裝配式水平預制構件運用較多的是疊合樓板,其具有良好的整體性和連續性[3],且施工時不需要支模[4],有效地節省了人工,減少了建筑材料的消耗。國內外學者已針對多種形式的預制疊合樓板進行了大量的相關研究,吳方伯等[5]對一種預應力帶肋混凝土疊合板的整體受力性能進行研究,結果表明連續疊合樓板與現澆板的整體受力性能相似。武立偉等[6]提出一種新型的預制疊合空心樓板,研究表明現澆層與預制底板的協同作用性能良好。于敬海等[7]分析了預應力混凝土鋼管桁架疊合板“二階段受力”[8]對疊合板整體受力性能的影響及該樓板沿預應力方向的工作性能。張澤超等[9]對不同厚度的植物纖維增強水泥壓力板在水平風荷載作用下的受力及變形情況進行了試驗分析。

目前國內外學者主要集中在澆筑后疊合樓板整體力學性能的研究[10-14],且疊合板在使用過程中一般需要60 mm厚的預制板,使裝配式建筑中樓板厚度往往大于現澆樓板。筆者采用超高韌性混凝土制作的水泥纖維板作為裝配式樓板的固定免拆模板,板厚僅為12 mm,可減小疊合樓板的厚度。對兩塊尺寸相同的鋼筋桁架水泥纖維板開展靜力加載試驗,結合試驗結果,分析其裂縫開展、承載能力、撓度等性能,為該鋼筋桁架水泥纖維板在裝配式項目中的運用提供參考。

1 模型尺寸

試驗選取兩塊預制尺寸相同的水泥纖維板,鋼纖維體積率為2.1%,表觀密度為1460 kg/m3,具體型號為TD3-90,混凝土力學性能見表1。三個鋼筋桁架與水泥纖維板通過螺栓連接件連接(圖1),編號分別為SXB-1、SXB-2,尺寸為2440 mm×610 mm×12 mm(長×寬×板厚)。上弦鋼筋直徑為10 mm,下弦鋼筋直徑為8 mm,腹桿鋼筋直徑為4.5 mm,上弦和下弦鋼筋均采用HRB400,腹桿鋼筋采用冷軋光圓鋼筋。

圖1 鋼筋桁架水泥纖維板實物

表1 28 d混凝土力學性能

2 試驗方案

2.1 測點布置

本試驗試件均采用鋼梁作簡支座,板兩邊的桁架鋼筋伸入支座不應小于25 mm,其端部橫筋焊接在支座上,防止桁架鋼筋與鋼支座之間發生相對滑移。在支座底部布置位移計以測得支座處的沉降,在跨中及1/4跨度處板底布置位移計以測得水泥纖維板豎向撓度,位移測點布置如圖2所示。

圖2 支座沉降及撓度測點布置(單位:mm)

在水泥纖維板下表面跨中粘貼電阻應變片,測量該標距內纖維混凝土沿縱橫向的平均應變,以及混凝土開裂破壞時的極限應變。在縱向鋼筋桁架的跨中和支座處預貼電阻應變片,以得到各弦桿鋼筋的應變。具體測點布置如圖3和圖4所示。

圖3 混凝土測點布置(單位:mm)

圖4 鋼筋桁架測點布置(單位:mm)

2.2 加載方案及步驟

水泥纖維板主要起模板作用,承受自重、120 mm厚的混凝土質量和施工活荷載。本試驗采用堆載法進行靜力試驗,采用沙袋和其他配重物以模擬施工階段的均布荷載。采用兩種不同加載方式:① SXB-1先在板邊圍一圈沙袋(防止碎石掉落),然后在鋼筋桁架間的板上面鋪放一層高于鋼筋桁架的碎石,避免荷載直接作用在鋼筋桁架上,整平后在碎石上分級加載沙袋和其他重物;② SXB-2則先在鋼筋桁架間的板上鋪放一層高于鋼筋桁架的質量塊,使其直接作用在水泥纖維板上,然后在質量塊上分級加載沙袋和其他重物。

加載前將各儀器讀數調零后進行預加載,檢查各測試儀器是否正常工作,后將所有儀器調試至精確后卸載至零,并記錄各儀表的初值。試驗的整個加載過程均由荷載控制,逐級均勻加載,每級加載約67 kg,加載前用天平稱加載物質量并記錄堆積累計荷載。每級加載持荷10 min,觀察裂縫出現、開展的試驗現象,待變形穩定后記錄各測點儀表的讀數以及堆積累計荷載,然后進行下一級加載,直至水泥纖維板開裂破壞,方可停止加載。現場試驗加載如圖5所示。

圖5 現場試件堆載

3 試驗結果與分析

3.1 試驗現象

極限荷載作用下,水泥纖維板均表現為典型的脆性破壞,破壞時只在跨中出現一條主裂縫,如圖6所示。由于對兩塊板采取不同的加載方式,板SXB-1荷載傳遞途徑由荷載傳至鋼筋桁架與板,鋼筋與板共同承擔荷載,上弦鋼筋受壓屈曲,水泥纖維板僅在距跨中80 mm處出現一條主裂縫,裂縫與板邊垂直并向板中間延伸至92 mm長,裂縫寬0.16 mm。由于加載時堆載不夠平整,局部鋼筋屈曲和板底開裂導致大幅晃動,考慮到試驗安全,終止加載。桁架鋼筋變形幅度稍小,連接件完好,板的整體性尚可。板SXB-2荷載傳遞路徑為:荷載→板→節點→鋼筋,在靜力荷載作用下水泥纖維板首先出現裂縫,力通過連接件傳至鋼筋桁架,上弦鋼筋屈曲,撓度瞬間增大,板呈脆性破壞。裂縫出現在距跨中25 mm處的螺栓連接件位置上,沿螺栓孔貫穿整塊板,最大裂縫寬度為0.67 mm,其余連接件完好。桁架鋼筋變形如圖7所示。

圖6 水泥纖維板板底裂縫

圖7 桁架鋼筋變形

3.2 均布荷載-撓度曲線

試件的整體變形反映樓板的變形能力,整體變形通過布置在板底的位移計進行測量,圖8給出了SXB-1和SXB-2在各級均布荷載作用下,水泥纖維板3個位移計測點的撓度變化情況和2個支座位移的變化情況,其中測點WYJ2是水泥纖維板的跨中撓度。由圖8可知,兩塊水泥纖維板均是跨中撓度最大,且發展趨勢大體相近,隨著荷載的增加,撓度呈近線性增大。當荷載加載至8.41 kN/m2時,SXB-1距跨中80 mm處的裂縫開展至9.2 cm,跨中及1/4跨度處的撓度快速增加,跨中最大撓度從5.41 mm增加到7.71 mm;當荷載加載至8.22 kN/m2時,SXB-2板底的主裂縫沿著螺栓孔迅速貫穿整個板寬,跨中最大撓度從5.69 mm突然增加到10.05 mm,鋼筋桁架水泥纖維底板破壞。

根據極限荷載的取值方法:當加載過程中試件破壞,應取前一級荷載值作為結構構件的極限荷載實測值;當在荷載持續時間內試件破壞,應取本級荷載與前一級荷載的平均值作為極限荷載;荷載持續時間后試件破壞,取本級荷載為極限荷載。鋼筋桁架水泥纖維板SXB-1極限荷載為8.41 kN/m2,SXB-2極限荷載為8.00 kN/m2。

3.3 均布荷載-應變曲線

圖9為試件上弦鋼筋和水泥纖維板應變-荷載變化曲線。由圖9可以看出,跨中上弦鋼筋的荷載-應變曲線與荷載-撓度曲線(圖8)有較為相似的規律。水泥纖維板出現裂縫前,鋼筋處于彈性階段,鋼筋和底板單位荷載下應變隨荷載增加均勻增長,且增加幅度較小;跨中板底出現第一條裂縫時,鋼筋達到屈服強度,整體板達到極限承載力,應變激增。

圖9 均布荷載-應變曲線

3.4 承載能力計算

根據《組合樓板設計與施工規范》(CECS 273-2010)[15]4.1.7施工階段,樓承板按承載力極限狀態設計時,其荷載效應組合的設計值應按下式確定:

S=1.2Ss+1.4Sc+1.4Sq

式中:S為荷載效應設計值;Ss為樓承板、鋼筋自重在計算截面產生的荷載效應標準值;Sc為混凝土自重在計算截面產生的荷載效應標準值;Sq為施工階段可變荷載在計算截面產生的荷載效應標準值。

理論上,相同試件的變形能力接近。由于試驗加載過程中SXB-2的堆載相對平整,因此,相比同尺寸的SXB-1,SXB-2的跨中最大撓度較大,試驗結果較為理想。根據材料力學均布荷載作用下的撓度計算公式:

式中:q為均布荷載標準值;l為計算跨度,取板兩端支座豎筋之間的距離;y為桁架鋼筋的總抗彎剛度。

由表2可知,水泥纖維板的承載力均已達到荷載設計值的1倍以上,說明鋼筋桁架水泥纖維板具有良好的承載能力。在均布荷載標準值4.5 kN/m2情況下,各試件跨中最大撓度遠小于計算值,符合《組合樓板設計與施工規范》(CECS 273-2010)4.2.2各項作用標準組合下,樓承板施工階段撓度不應大于板跨的1/180,且不應大于20 mm的要求,說明水泥纖維板在施工階段變形小,可作為疊合板的底模使用。

表2 水泥纖維板跨中撓度及承載力設計值與試驗值對比

4 結論

1) 鋼筋桁架水泥纖維板整體延性較好,兩塊水泥纖維板均表現為典型的脆性破壞,其余連接件完好。

2) 在施工工況下,水泥纖維板滿足承載能力極限狀態的設計要求,均已達到荷載設計值的1倍以上,樓板具有較好的承載能力。

3) 在施工可變荷載1.5 kN/m2和120 mm厚混凝土等效荷載作用下,各試件跨中最大撓度遠小于計算值且符合相關規范限值,說明水泥纖維板在施工階段具有較好的整體變形能力,可作為疊合樓板的底模使用。