带格构钢筋的侧面拼接叠合楼板试验研究

  1、引言

  半装配式钢筋混凝土叠合楼板作为一种适合我国住宅产业化的结构体系，已得到国内市场的青睐并逐渐投入工程使用。叠合结构结合了现浇及预制结构的两者的优点，早期的叠合楼盖为单向受力（板之间缝隙采用灌浆），并且楼盖的跨度不大，为了加大楼板跨度，扩大叠合楼盖的应用范围和节约钢筋，需要将原来的叠合板单向受力设计改变为双向受力设计，以此来增强楼盖的整体性、刚度、承载力和节约钢筋等[^1-4]。工程使用中将预制底板进行拼接，拼缝处采用一定的构造措施，再浇注上层浇混凝土而构成完整的楼板。叠合楼板中的拼缝传力情况及新旧混凝土之间叠合面的抗剪问题是叠合楼板中的关键问题，已有的研究表明叠合面经过一定的简单处理即可保证新旧混土之间的共同工作^[5]，因此如何实现预制板侧沿拼缝的传力是实现叠合板双向受力的核心。为研究叠合板拼缝处工作性能，课题组前期的试验研究了端拼接形式下拼缝构造措施^[2]，本文则主要研究侧面拼形式时不同拼缝构造措施下叠合板的受力情况，且拼接板采用板面附加钢筋式拼缝^[6]，通过两点集中荷载下静力加载试验研究其受弯性能。

  2、试验方案

  2.1 试件设计方案

  设计制作6块拼接叠合板试件，其中4块同尺寸（3880mm×880mm×180mm）的试件为：试件SSL1d，未设置格构钢筋；试件SSL2、SSL3、SSL4，设置有格构钢筋，三块构件主要区别在于板面连接钢筋长度范围内格构钢筋的间距布置，另外两块构件SSL2a、SSL2b板厚分别为150mm和120mm，两者格构钢筋设置与构件SSL2相同，SSL2b板面连接筋采用6 16。试件的配筋及形式见图1。试件制作时先浇注预制部分两块底板，50mm厚，待预制部分混凝土达到一定强度后，再将两块预制底板端部对接拼放整齐，绑扎上部钢筋，并浇注上部混凝土。

  a—试验板平面，b—试验板剖面

  注：括号内数值依次为SSL2a、SSL2b配筋及截面尺寸

  图1 试验试件图

  2.2 试件材料特性

  叠合板试件现浇、预制两部分采用的混凝土强度等级为同一等级，由于现场条件的限制，叠合板的预制和现浇部分分为多个批次浇筑，每批混凝土预留两块混凝土立方体试块，在标准条件下养护28天后测定混凝土抗压强度，其力学性能见表1。板内受力钢筋均为HRB400钢筋，其力学性能见表2。

  表1 混凝土材料力学性能

  表2 钢筋材料力学性能

  2.3 加载及量测方案

  在试件三分点进行两点集中加载，采用千斤顶-分配梁系统实现单调静力加载，荷载传感器控制加载值。位移测点布置如图2所示，在试件的跨中和加载点位置布置位移计，考虑到支座可能产生的位移，在支座处也各布置了位移计。试验数据由计算机自动采集，并对荷载-挠度曲线进行全过程监控，试验中同时测量裂缝宽度。试验前先进行预加载^[7]，正式加载时，按五级加载，每级为20%Mk（Mk为设计承载力标准值），在加至开裂荷载前采用5%Mk荷载。在达到荷载标准值后继续加载，直至试件的混凝土压碎或达到仪器最大量程。

  1—试验板；2—分配梁；3—力传感器；4—千斤顶；5—反力架；6—位移计

  图2 试验加载及量测布置

  3、试验概况

  3.1 试验现象及破坏形态

  本试验构件均为板侧拼接，跨中拼接处存在天然拼缝，施加完第一级荷载约为0~0.2Mu（Mu为跨中极限弯矩值），跨中拼缝处立刻出现第一条弯曲裂缝，此时裂缝还未延伸至水平叠合面；继续加载，大约0.2Mu~0.3Mu时第一条裂缝延伸至叠合面，此后裂缝沿着水平叠合面有局部的延伸且同时竖直向上延伸，宽度慢慢增大，跨中叠合面以上裂缝宽度较小；随试验荷载的继续加大，叠合面水平裂缝长度增加、宽度变大且衍生出多条斜裂缝向上发展，同时新的裂缝依次出现在纯弯段内及剪弯段内，裂缝分布比较均匀对称。待各构件的预制板面连接钢筋屈服后，跨中裂缝宽度增长转块，裂缝继续向上延伸，延伸速度较慢并出现分叉现象，但没有新的弯曲裂缝出现。SSL3由于千斤顶量程有限未压至混凝土破碎便结束试验如图3（c）所示，其它试件最终破坏时均在跨中板顶形成一条被压碎的混凝土长带，SSL2及SSL3破坏时竖直裂缝均匀分布在跨中两侧，而SSL4竖直裂缝主要集中在拼缝处并且呈树枝状，三块板沿叠合面水平裂缝长度不大，主要水平裂缝延伸至距拼缝最近的格构钢筋位置，如图3（b）所示；而未配置格构钢筋的SSL1d钢筋达到屈服后，沿水平面裂缝急剧发展并出现响声，构件立即发生了脆性破坏，水平裂缝直至板面连接钢筋端部，如图3（a）所示；试件SSL2a、SSL2b破坏过程与SSL2大体相似，不再赘述，构件破坏形态如图3（c）所示。

  （a）SSL1d现场破坏形态

  (b) SSL4现场破坏形态

  （c)

  图3 试件破坏形态

  4、试验结果分析

  4.1 承载力

  各构件实测极限抗弯承载力见表3，取跨中拼接截面为计算对象，该截面按纯现浇截面，受力筋为6根板面连接钢筋；根据构件的实际尺寸，按照，《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)^[8]公式（见式1）对截面极限承载力进行计算，极限荷载理论值与试验值对比结果见如表3所示，除未设置格构钢筋SSL1d试件外，理论计算值与实际值误差均在10%以内，叠合板的承载力主要取决于跨中拼接截面的承载力。构件中SSL4极限荷载高于其它构件很多，主要是试件实际尺寸、试验误差等造成的。

  注：其中f=0.76fcu

  表3 试验试件极限抗弯承载力

  4.2 荷载-位移关系

  各试件的跨中荷载-位移曲线如图4所示，除未配置格构钢筋的试件SSL1d发生脆性破坏外，其他试件表现为典型的塑性破坏，曲线大致分为弹性阶段、弹塑性阶段和塑性阶段3个阶段。第1阶段为弹性阶段，叠合面以上截面未开裂，试验荷载约为0~0.2Mu，截面处于弹性状态，抗弯刚度基本不变；第2阶段为弹塑性阶段，荷载约为0.2Mu~0.3Mu，此时跨中叠合面以上截面开裂，表现在荷载-位移曲线上是第一个拐点，裂缝的开展导致截面刚度退化，刚度约为第一阶段的30%~40%；第3阶段为塑性阶段，荷载约为0.8Mu~1.0Mu，此时板面连接钢筋进入了屈服阶段，表现在荷载-位移曲线上是第二个拐点，此阶段试件纯弯段内裂缝数目越来越多，且底部裂缝宽度越来越大，试件承受的荷载几乎不再增长而试件挠度却在迅速增加，刚度逐渐退化为0。从图4中可以看出，同尺寸的构件SSL1d、SSL2、SSL3、SSL4在弹性及弹塑性阶段曲线大致相近；SSL2与SSL3的曲线几乎一致，说明两者受力性能相似。未配置格构钢筋的SSL1d在钢筋屈服后立即产生了脆性破坏，破坏时沿叠合面水平裂缝直至板面连接钢筋端部，而其他构件均产生塑性破坏，破坏时沿叠合面水平裂缝大约发展至距拼缝最近的格够钢筋处，说明格构筋能够抑制水平裂缝的开展，格构筋增加了叠合面的抗剪能力，提高了板的延性。

  图4 叠合板跨中荷载—位移曲线

  4.3 挠曲形状的比较

  在试件1/3跨度及跨中处布置了位移计，监测了各级荷载下的挠度分布曲线。为了表达出挠曲线的形状，计算试件在设计使用荷载（按照附加恒载1.5kN/㎡，活载2kN/㎡计算楼板跨中弯矩，板厚180mm：21.08kN.m，150mm厚：19.22kN.m；板厚120mm：17.36kN.m）和破坏前的三分点挠度a′与跨中挠度a的比值（a′/a）见表4。

  表4 试件挠曲线形状（挠度比a′/a）

  当a′/a数值较大时挠度曲线丰满，当数值为0.667时挠曲线退化成近似二折线形态。由表4可知，在使用荷载状态下各个构件挠度曲线比较丰满，拼缝对挠曲形状影响不大；除SSL1d和SSL2b，其它试件在破坏前挠度曲线近似退化成二折线形态，说明构件变形主要集中在跨中拼接部位，这是由于拼接板沿跨度方向上钢筋分布不均匀，且拼缝处刚度最小，造成了应力集中，最终跨中出现了类似塑性铰及二折线形挠度曲线的破坏形式；构件SSL1d由于是脆性破坏，拼缝处并没有产生明显的塑性铰；构件SSL2b在整个试验过程中均表现丰满的挠度曲线形态，说明了合理设置拼缝处板面连接筋可以使得构件拼缝处在破坏前仍具有较高的刚度。

  5、结论

  （1）拼缝附近配置的格构钢筋能够抑制沿叠合面水平裂缝的开展，增加叠合面的抗剪能力，提高楼板的延性。

  （2）带格构钢筋的叠合板拼缝处抗弯承载力试验值与按照现浇结构并采用《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)公式计算值吻合良好，表明设计时可以按照其公式进行计算。

  （3）拼缝对楼板在使用状态下的挠曲形态影响不明显，而对构件破坏时挠曲线形态具有明显的影响，当板面连接钢筋面积较少时，构件破坏时挠度曲线退化为近似二折线形式，随着板面连接钢筋面积的增大，挠度曲线形态退化减弱。因此，加强板面连接钢筋，拼接板的破坏形态将得到有效的改善。

  参考文献

  [1] 徐天爽, 徐有邻. 双向叠合板拼缝传力性能的试验研究[J]. 建筑科学, 2004, 19(6): 11-14.

  [2] 叶献国, 华和贵, 徐天爽, 等. 叠合板拼接构造的试验研究[J]. 工业建筑, 2010, 40(1): 59-63.

  [3] 徐有邻, 李晓明. 关于我国住宅楼盖结构形式的讨论[J]. 建筑结构, 2001, 31(4): 48-50.

  [4] 徐学洪, 刘纪先. 双向叠合楼盖拼缝连接试验与分析[J]. 广西土木建筑, 2002, 27(3): 194-196.

  [5] 聂建国, 陈必磊, 陈戈, 等. 钢筋混凝土叠合板的试验研究[J]. 工业建筑, 2004, 33(12): 43-46.

  [6] DB34/T 810-2008. 叠合板混凝土剪力墙结构技术规程[S]. 安徽省地方标准, 2008、

  [7] GB/T 50152—2012. 混凝土结构试验方法标准[S]. 北京 中国建筑工业出版社, 2012

  [8] GB 50010—2010. 混凝土结构设计规范[S]. 中国建筑工业出版社, 2010

  作者：王娅蓉1，邢伟2，王浩3，蒋庆1*

  （1. 合肥工业大学 土木与水利工程学院, 安徽 合肥 230009; 2. 西伟德混凝土预制件（合肥）有限公司, 安徽 合肥 230000；3中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司，安徽，马鞍山，243000）