大跨度無桁架疊合板抗彎性能試驗(yàn)研究

【摘要】裝配式建筑應(yīng)用最廣泛的產(chǎn)品是預(yù)制有桁架疊合板。其桁架筋一定程度上提高了構(gòu)件的剛度和強(qiáng)度。但在實(shí)際應(yīng)用中，帶桁架疊合板經(jīng)濟(jì)效益低下，施工不夠便利，對當(dāng)前較多小跨度下構(gòu)件并未產(chǎn)生太大的實(shí)際用處，故行業(yè)及企業(yè)開始紛紛對無桁架疊合板構(gòu)件加以應(yīng)用推廣。經(jīng)分析，影響無桁架疊合板平面外剛度及強(qiáng)度的關(guān)鍵因素在于接縫面產(chǎn)生裂縫，構(gòu)件的抗剪承載力不足。為此，針對跨度為3.9 m的大尺寸疊合板進(jìn)行了理論和試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，取消桁架鋼筋對該跨度疊合板受力性能未產(chǎn)生明顯削弱，強(qiáng)度等同現(xiàn)澆構(gòu)件。

【關(guān)鍵詞】去桁架疊合板； 抗彎性能； 極限跨度； 接縫面

【中圖分類號】TU317+.2【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

［定稿日期］2022-02-02

［作者簡介］朱禹熹（1993—），女，碩士，助理工程師，研究方向?yàn)榻ㄖこ蹋获R超（1981—），男，本科，工程師，研究方向?yàn)榻ㄖこ蹋煌鮿偅?989—），男，本科，工程師，研究方向?yàn)榻ㄖこ蹋粍⒑＝?982—），男，本科，工程師，研究方向?yàn)榻ㄖこ獭?/p>

0 引言

目前我省裝配式建筑正處于快速發(fā)展進(jìn)程之中，2021年4月，省住建廳發(fā)布了《四川省提升裝配式建筑發(fā)展質(zhì)量五年行動(dòng)方案》，進(jìn)一步對裝配式建筑的推進(jìn)工作提出了明確要求，加大了標(biāo)準(zhǔn)化工作的推動(dòng)力度，以提升行業(yè)效率、降低市場成本。當(dāng)前，疊合板產(chǎn)品是我省應(yīng)用量最大的預(yù)制構(gòu)件，其中有桁架鋼筋混凝土疊合板為市場中主要產(chǎn)品。其主要作用是增加疊合板整體剛度，支撐現(xiàn)澆層穿插鋼筋網(wǎng)片以及加強(qiáng)新舊混凝土交界面的抗剪強(qiáng)度。同時(shí)桁架鋼筋可兼做吊環(huán)，滿足現(xiàn)場安裝需要。但與此同時(shí)，有桁架鋼筋疊合板帶來的一些缺陷也漸漸顯露。首先是鋼筋用量太高，僅底部預(yù)制層的桁架鋼筋含量就在50 kg/m3左右，其次是正常使用階段，桁架鋼筋參與受力的貢獻(xiàn)微小，甚至增加了現(xiàn)場預(yù)埋件的安裝難度。種種因素，使得預(yù)制疊合板產(chǎn)品的成本居高不下，裝配式建筑的優(yōu)勢難以體現(xiàn)，裝配式市場的推廣產(chǎn)生了較大的局限。

在此基礎(chǔ)上，行業(yè)內(nèi)開始就小跨度類型構(gòu)件推廣使用無桁架支撐的鋼筋混凝土疊合板，無桁架疊合板是利用新舊混凝土的接合面進(jìn)行連接，在施工階段可省去模板和支撐，同時(shí)又能承受后澆混凝土及施工荷載; 使用階段預(yù)制部分與后澆部分形成整體共同受力［1］。省去桁架鋼筋以后的疊合板，可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，成本大大降低，同時(shí)減輕了現(xiàn)場的安裝強(qiáng)度，具備諸多優(yōu)勢。各地專業(yè)學(xué)會也積極推廣了團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)圖集，為減少或取消桁架鋼筋的配置提供依據(jù)。但以上研究大多針對跨度3 m以內(nèi)的小型疊合板構(gòu)件展開，因此為了進(jìn)一步優(yōu)化疊合板的生產(chǎn)制造，推進(jìn)行業(yè)的健康發(fā)展，促進(jìn)建筑業(yè)正向轉(zhuǎn)型，本文針對跨度大于3 m的大尺寸疊合板進(jìn)行了理論和試驗(yàn)研究，以此為無桁架疊合板構(gòu)件的推廣提供一定的受力參考依據(jù)。

1 疊合板受力性能分析

1.1 抗彎性能分析

在鋼筋混凝土受力結(jié)構(gòu)中，針對框架結(jié)構(gòu)，樓板自身平面內(nèi)的剛度假定為無限大（剛性樓板假定），可協(xié)調(diào)各豎向構(gòu)件的變形，則樓板主要承受的荷載為面外荷載。對比無桁架鋼筋混凝土疊合板與現(xiàn)澆式整體樓板的結(jié)構(gòu)形式，主要差異在于后者是整體澆筑而成，而無桁架疊合板中存在明顯的新舊混凝土交界面，兩層混凝土通過粗糙面連接在一起［2］。

假設(shè)樓板在承受面外荷載時(shí)，疊合層和預(yù)制層之間的剪應(yīng)力過大，造成無桁架疊合板在接封面產(chǎn)生水平裂縫，則構(gòu)件的整體性能將大打折扣，疊合層不再與預(yù)制層構(gòu)成整體，共同工作［3］。參照材料力學(xué)計(jì)算無桁架疊合板的截面慣性矩可知，開裂前樓板的截面慣性矩為1/12bh3，b為樓板的寬度，h為樓板的厚度，開裂后樓板的截面慣性矩僅為1/12bh31+1/12bh32。假設(shè)疊合層和現(xiàn)澆層厚度一致，可推出當(dāng)交界面產(chǎn)生裂縫，無桁架疊合板截面慣性矩將變?yōu)殚_裂前的1/4，無桁架疊合板平面外剛度及強(qiáng)度會大大降低［4］。因此，疊合層是否出現(xiàn)水平裂縫是影響無桁架疊合板受力性能的關(guān)鍵因素。

為全面了解疊合板在取消桁架鋼筋以后的受力性能是否滿足正常使用狀態(tài)下的承載需求，杜絕安全隱患，我們從理論計(jì)算和試驗(yàn)研究兩方面入手，開展了對無桁架疊合板的面外抗彎性能研究。

1.2 無桁架疊合板極限跨度計(jì)算

筆者公司主編的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/SSACE007-2020《居住建筑疊合板標(biāo)準(zhǔn)底板圖集》和參編的CD2019-PC001-TY《住宅鋼筋混凝土疊合板標(biāo)準(zhǔn)底板》中，現(xiàn)已對板跨不超過3 m的樓板給出了無需設(shè)置桁架鋼筋的做法，但該跨度取值較為保守，可實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益有限。

從無桁架疊合板的抗彎性能分析中得知，如若需要保證樓板的平面外剛度及強(qiáng)度，必須保證混凝土現(xiàn)澆層和預(yù)制層的接縫抗剪承載力不超過規(guī)范要求的最大值。因此，首先從理論計(jì)算入手，考慮在極限剪應(yīng)力狀態(tài)下，可取消桁架鋼筋的疊合板跨度最大值［5］。

根據(jù)GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》H.0.4［6］的規(guī)定，疊合板疊合面抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式為式（1）。

V/（bh0）≤0.4 MPa（1）

式中：V為剪力設(shè)計(jì)值，b為截面寬度，h0為截面有效高度。

假設(shè)最大剪應(yīng)力0.4 MPa為無桁架疊合板此時(shí)受到的剪應(yīng)力。無桁架疊合板根據(jù)實(shí)際構(gòu)件常用尺寸取預(yù)制層厚度為60 mm，現(xiàn)澆層厚度為70 mm，則構(gòu)件橫截面有效高度h0通過計(jì)算可得為100 mm 。再根據(jù)上述根據(jù)公式推出得式（2）。

V=0.4bh0=40 kN（2）

居住建筑中，樓板的活荷載通常取2 kN/m2［7］，恒荷載為樓板自重，影響因素主要有樓板厚度、表面做法、材料等等，為使計(jì)算結(jié)果具備參考性和實(shí)用性，結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目參考資料，無桁架疊合板交界面抗剪承載力計(jì)算時(shí)的恒荷載取5 kN/m2，計(jì)算可得樓面荷載設(shè)計(jì)值為式（3）。

1.2×3.5+1.4×2=7 kN/m2（3）

簡化計(jì)算的邊界條件設(shè)置為兩邊簡支，取寬度為1 m的板帶進(jìn)行計(jì)算。此邊界條件對比實(shí)際工程中樓板的邊界條件更加不利，因此計(jì)算的剪力值偏大。將上述計(jì)算得到的樓面荷載值均布于跨度為Lmax的疊合板表面見式（4）。

Lmax=V7=5.71 m（4）

由此可見，理論計(jì)算工況下，無桁架混凝土構(gòu)件跨度在不超過5.7 m的范圍內(nèi)均能保證其疊合面抗剪承載力滿足規(guī)范要求。

2 疊合板抗彎性能試驗(yàn)概況

2.1 試件設(shè)計(jì)

通過上述計(jì)算，已得知無桁架疊合板保證抗剪承載力的極限跨度值。但除去考慮取消桁架鋼筋帶來的經(jīng)濟(jì)效益，還應(yīng)多方考慮疊合板的生產(chǎn)效率和安裝便利性。因此通過綜合考量，試驗(yàn)研究中，我們?nèi)?gòu)件設(shè)計(jì)尺寸為3.9 m×1.5 m，混凝土強(qiáng)度等級C30。構(gòu)件預(yù)制底板層厚度60 mm，待底板強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%后，再澆筑上部疊合層，疊合層厚度70 mm。試件縱、橫向鋼筋網(wǎng)布置均采用直徑8 mmHRB400級鋼筋，縱向受力鋼筋8@200 mm，橫向受力鋼筋8@250 mm，鋼筋保護(hù)層厚度為15 mm。試件尺寸及配筋情況見圖1。

2.2 邊界條件及加載程序

本次試驗(yàn)邊界條件為兩邊簡支，支座間凈間距為3.8 m。加載方式采用跨中兩點(diǎn)放置型材，頂部通過預(yù)制鋪裝板與型材分布堆疊的方式分級彎曲加載，鋪裝板質(zhì)量為600 kg，鋼型材質(zhì)量為80 kg。試件跨度分區(qū)從左至右分別為1.25 m、1.3 m、1.25 m。構(gòu)件開裂前，單次堆載重量不超過0.25 t，構(gòu)件開裂后單次堆載不超過0.1 t。堆載時(shí)，堆載物均勻布置在預(yù)制鋪裝板上部，且應(yīng)輕放到構(gòu)件上，避免過程中產(chǎn)生沖擊荷載或發(fā)生沖擊破壞。當(dāng)構(gòu)件出現(xiàn)可判定構(gòu)件達(dá)到極限承載力的破壞形態(tài)時(shí)，停止加載。加載裝置示意見圖2（a），試驗(yàn)加載現(xiàn)場情況見圖2（b）。

2.3 測定方案

本次試驗(yàn)構(gòu)件極限狀態(tài)判定方式為3種情況：①受拉鋼筋拉斷；②受壓區(qū)混凝土壓碎；③疊合面產(chǎn)生分離。發(fā)生其一，則可判定為構(gòu)件破壞，停止加載。施加荷載大小通過測量堆載的質(zhì)量進(jìn)行測定。

開裂情況主要通過肉眼觀察，并拍照留底，構(gòu)件開裂時(shí)記錄構(gòu)件的開裂荷載。

跨中撓度通過百分表進(jìn)行測量，測量時(shí)分別在跨中和支座處布置百分表，跨中撓度等于跨中百分表的讀數(shù)減去支座處百分表讀數(shù)的平均值。每完成一級加載讀數(shù)一次。

接縫面的滑移情況通過肉眼觀察進(jìn)行評定。試件加載前，利用鉛筆在構(gòu)件的側(cè)邊繪制垂直于構(gòu)件平面的直線，直線間距為300 mm。試驗(yàn)時(shí)通過觀察側(cè)面的直線有無錯(cuò)位判定構(gòu)件接縫面是否存在滑移現(xiàn)象。

3 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

3.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

試驗(yàn)起始加載荷載為4 kN，百分表首次讀數(shù)撓度為0.366 mm。為使構(gòu)件盡快達(dá)到屈服狀態(tài)，在不超過計(jì)算開裂荷載的前提下，應(yīng)盡可能使加載值靠近開裂荷載理論值，構(gòu)件理論計(jì)算開裂荷載為13.8 kN。故第二次疊加荷載為9.6 kN，累計(jì)荷載13.6 kN。為更好地觀察無桁架疊合板的開裂形態(tài)和裂縫發(fā)展，從第三次分級加載起，均以0.8 kN的固定增加值進(jìn)行分級加載，直至構(gòu)件出現(xiàn)裂縫。根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象得到，當(dāng)累計(jì)加載荷載達(dá)到16 kN時(shí)，試件出現(xiàn)第一條裂縫，裂縫寬度為0.004 mm，如圖3（a）所示。第一條裂縫出現(xiàn)區(qū)域?yàn)闃?gòu)件跨中部位底部受壓區(qū)，從構(gòu)件邊緣向內(nèi)部呈擴(kuò)散趨勢。

構(gòu)件出現(xiàn)裂縫后，為盡快達(dá)到極限承載強(qiáng)度（構(gòu)件極限狀態(tài)荷載計(jì)算值為24.9 kN），試驗(yàn)改變分級加載強(qiáng)度，以6 kN為固定增加值繼續(xù)加載，無桁架疊合板底部加載區(qū)裂縫數(shù)量逐漸增多，裂縫寬度變大，長度呈貫通發(fā)展趨勢，如圖3（b）所示。

當(dāng)加載到50 kN時(shí)，無桁架疊合板發(fā)生破壞，如圖3（c）所示。此時(shí)觀測構(gòu)件底部，測得最大裂縫寬度為2 mm，長度貫通，裂縫形式為垂直于樓板長邊的彎曲形裂縫。水平接縫面粘結(jié)良好，無開裂、滑移現(xiàn)象。試件所承受的荷載已達(dá)到計(jì)算荷載的2倍以上。

3.2 荷載-撓度曲線

將試驗(yàn)過程中記錄的加載荷載和構(gòu)件產(chǎn)生的豎向撓度繪制成曲線如圖4所示。可以看出，無桁架疊合板的荷載-撓度曲線滿足鋼筋混凝土構(gòu)件受彎狀態(tài)下的力學(xué)特征。可大致分為三段：開裂前、開裂后受拉鋼筋屈服前、受拉鋼筋屈服后。由此可見，無桁架鋼筋疊合板的剛度和承載力與現(xiàn)澆

混凝土樓板受力性能趨于一致，設(shè)計(jì)時(shí)完全可參照現(xiàn)澆樓板進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

本文針對跨度3.9 m的大尺寸疊合板進(jìn)行了理論和試驗(yàn)研究。通過計(jì)算無桁架疊合板承受最大剪應(yīng)力工況下對應(yīng)的跨度值，得到取消桁架鋼筋的疊合板理想最大跨度。再結(jié)合實(shí)際工程需要進(jìn)行試驗(yàn)加載，研究不同荷載情況下樓板的平面外抗彎性，得出結(jié)論：

（1）理論計(jì)算和試驗(yàn)研究均表明，跨度為3.9 m的無桁架疊合板在正常使用狀態(tài)下，預(yù)制層與現(xiàn)澆層結(jié)合良好，構(gòu)件整體性能不受交界面影響，破壞時(shí)未產(chǎn)生滑移。

（2）無桁架鋼筋混凝土疊合板受彎狀態(tài)下的力學(xué)性能與現(xiàn)澆鋼筋混凝土構(gòu)件基本一致，設(shè)計(jì)時(shí)可參照現(xiàn)澆樓板設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

［1］ 李杰，郭魏芬，陳以一，等. 無支撐鋼筋桁架混凝土疊合板剛度研究［J］.低溫建筑技術(shù)，2014，36（6）：64-67.

［2］ 李杰，黃鵬飛，陳以一，等. 無支撐鋼筋桁架混凝土疊合板受力性能試驗(yàn)研究［J］. 結(jié)構(gòu)工程師，2013，29（4）：132-139.

［3］ 張丁然，蔣正浩. 無支撐桁架鋼筋混凝土疊合板設(shè)計(jì)［J］. 江西科學(xué)，2017，35（4）：588-592+633.

［4］ 孟鶴飛，馮波，王琦，等.無桁架鋼筋疊合樓板面外抗彎性能研究［J］.四川建筑，2022，42（3）：225-228.

［5］ 馬祥林. 桁架鋼筋混凝土疊合板的受力性能研究［D］.東南大學(xué)，2017.

［6］ 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范： GB 50010-2010［S］.中國建筑工業(yè)出版社，2015.

［7］ 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范： GB 50009-2010［S］.中國建筑工業(yè)出版社，2012.