“鋼板桁架雙面疊合剪力墻＋倒T疊合板”預制裝配式結構體系受力性能試驗研究

郭延義

1. 上海建工二建集團有限公司 上海 200080；2. 上海建筑工程逆作法工程技術研究中心 上海 200080

隨著建筑工業化的發展，預制裝配式混凝土結構已被大量運用在住宅、公共建筑、橋梁等建筑結構中，但在城鎮給排水基礎設施中運用較少。主要的原因是給排水設施，如污水處理廠的結構跨度較大，同時伴隨著較高高度，如采用預制裝配式建筑結構有一定限制。與此同時，這樣的結構形式也伴隨著高支模等高空作業任務，危險系數隨之增加。

為此，在上海市竹園污水處理廠1.5標項目中，將預制裝配式結構引入給排水基礎設施中，并且首次使用鋼板桁架雙面疊合剪力墻倒T疊合板結構體系，輔以超高性能混凝土進行連接。該體系使用鋼板桁架雙面疊合剪力墻，內腔后澆混凝土，有效避免了實心預制墻過重導致的吊裝困難問題，同時實心預制板也在深化后采用倒T疊合板的形式。在結構性能得以保證的基礎上，將預制裝配式構件輕量化，同時避免了高支模施工作業[1-5]。同時，超高性能混凝土（UHPC）作為鋼板桁架雙面疊合剪力墻與現澆段的連接材料，提升了該結構體系整體性[6-7]。使用該體系確保了項目施工安全，并且有著預制裝配式結構施工便捷、高效等特點。

為了進一步驗證這種新型連接方式的可靠性，研究超高性能混凝土連接段的受力性能，本項目在施工現場制作1∶1模型，評價各個施工階段的工藝水平，并通過現場加載試驗對整體施工過程進行監測。

1 試驗概況

1.1 試驗目的和內容

針對本工程采用的“鋼板桁架雙面疊合剪力墻＋倒T疊合板”新型裝配整體式結構體系，在地面進行1∶1模型制作，對整體施工過程進行監測，評價各個施工階段的工藝水平，并通過現場加載試驗，驗證結構整體剛度和強度。主要測試內容包括：

1）鋼板桁架雙面疊合剪力墻和現澆墻的側向變形對比以及鋼板桁架雙面疊合剪力墻的應力變化。

2）倒T疊合板應變、彎曲變形和裂縫寬度。

3）UHPC連接段的受力性能。

用于試驗的結構采用1∶1模型，選擇1×2跨結構進行試驗，如圖1所示，圖中數字為倒T疊合板板號。

圖1 結構平面布置

1.2 觀測方案

試驗過程中觀測項目主要包括基礎沉降、雙皮墻側向變形、疊合板變形和混凝土裂縫寬度等內容。本次試驗采用DH3818靜態應變采集儀進行墻、板變形以及基礎沉降數據的采集，采用F130裂縫觀測儀進行裂縫量測。

1.2.1 變形觀測

為了觀測基礎整體沉降變化規律，在地基上布置6個基礎沉降觀測點（測點JC01—JC06），如圖2所示。為了觀測墻、板在各級荷載下的變形規律，擬在板底設置9個彎曲變形觀測點（測點B01—B09），在墻側中部設置6個側向變形觀測點（測點Q01—Q06），如圖3所示。擬采用量程30 mm的位移傳感器測量變形數據。

圖2 基礎測點布置

圖3 疊合板測點布置

1.2.2 裂縫觀察與測繪

觀察記錄試驗結構的開裂荷載、裂縫位置、裂縫寬度、裂縫長度、裂縫變化等數據，并繪制裂縫形態圖。

1.2.3 應變觀測

應變測點YB01—YB05用于觀測UHPC后澆連接段搭接鋼筋的錨固性能；應變測點YB06—YB12分別用于觀測鋼板桁架雙面疊合剪力墻在受壓時橫向、豎向以及斜向受力情況；應變測點YB13—YB15用于觀測鋼板桁架雙面疊合剪力墻中間現澆混凝土部分的應力應變；應變測點YB16—YB22用于觀測疊合板受力性能，通過與測點YB06—YB12的結果對比，擬分析鋼板桁架雙面疊合剪力墻的協同工作性能（圖4）。

圖4 鋼板桁架雙面疊合剪力墻測點布置

1.3 堆載試驗方案

本試驗對結構的適用性進行檢驗，結構自重（梁、板）為12 kN/m2，附加設備恒荷載為40 kN/m2，樓面附加活荷載5 kN/m2，按理論設計荷載為45 kN/m2進行加載設計。

1.3.1 加載模式

本次試驗采用2種不同質量的混凝土配重塊，一種加載試塊的單塊質量為5 t，尺寸為2 m×1 m×1 m，另一種加載試塊的單塊質量為3 t，尺寸為1.9 m×1 m×0.6 m，通過均勻地在板上布置加載試塊，模擬結構的均布荷載。加載-卸載可以利用汽車吊等機械實現。

根據表1所示，第1～10級采用5 t配重塊，第11、12級采用3 t配重塊。

表1 試驗加、卸載等級

1.3.2 荷載分級

荷載加載分12級進行加載，如圖5所示，每級荷載加載完成后，持荷時間不得少于15 min，記錄變形觀測點的讀數，并觀測墻、板構件裂縫是否出現及裂縫出現后的發展情況。設計規定最大裂縫不超過0.2 mm，現場試驗階段裂縫檢測值不應超過0.15 mm，且最大撓度αs不超過撓度的短期允許值，當αs≤0.658[αf]時，說明結構滿足適用性檢驗要求。[αf]＝8 000/250＝32 mm。若在加載過程中發現撓度過大或結構產生較大裂縫，應立即停止加載。

圖5 加載示意

1.3.3 卸載程序

卸載分6級，卸載方式是先卸完單邊全部荷載，再卸載另一側，制造荷載對結構最不利情況。每級卸載后的觀測時間間隔不得小于30 min，測量并記錄板的殘余變形、殘余裂縫、最大裂縫寬度等項目，荷載全部卸載完畢后，結構恢復時間不少于12 h，檢驗結構的恢復性。

2 結果分析

2.1 基礎沉降數據分析

通過表2可知，在對結構進行堆載加載的過程中，基礎沉降大小隨加載過程而增大，在第12級荷載加載完成后，JC02測點最大沉降量為2.24 mm，JC01測點沉降1.21 mm，JC03、JC04、JC05測點數值較小，均小于1 mm，基礎整體平均沉降0.84 mm。

表2 基礎沉降測點數據

在對結構進行堆載卸載的過程中，可以看到基礎沉降基本沒有較大變化，而且在12 h后觀測的沉降數據變化也不明顯。

2.2 墻體側向變形數據分析

由于位移計位于5 m高處，考慮墻體在工作過程中為剛性，所以預估10 m樓頂處變形為位移計讀數的2倍。

加載過程中，墻體側向變形隨荷載增大而增大，12級加載完成后鋼板桁架雙面疊合剪力墻頂部最大側向變形為1.46 mm。

在卸載過程中，隨著5、6、7、8板荷載的完全卸除，鋼板桁架雙面疊合剪力墻側向變形達到最大，Q02測點處鋼板桁架雙面疊合剪力墻頂部變形為0.24 mm。現澆墻變形則隨卸載過程減小。加載塊全部卸除后，鋼板桁架雙面疊合剪力墻和現澆墻側向變形均恢復，整體變形在1 mm左右。

墻體側向變形如表3所示，表中“＋”“－”代表墻體變形方向，測點Q01、Q03、Q04、Q05處墻體向本跨內側變形，Q02沿本跨外側變形，但變形整體很小。

表3 墻體側向變形測點數據

2.3 疊合板變形分析

卸載過程中采取不均勻卸載以觀察整個結構最不利受力情況，因此在12級荷載全部加載完成后，首先對右側板上的加載試塊進行卸載。在右側板上的加載試塊全部卸載完成后，整體結構達到最不利受力情況，同時左側預制板撓度達到最大，之后對左側板試塊進行卸載，左側預制板撓度開始降低，直至最終加載試塊全部卸載完成后，整體結構撓度未恢復至加載前的狀態，仍具有一定的變形。

從監測結果可以發現，跨中測點撓度與荷載曲線呈線性關系，說明疊合板處于彈性工作狀態。最大撓度為最不利受力情況下板1跨中的6.67 mm，遠小于短期允許的最大撓度值，即0.658[αf]＝0.658×32＝21.056 mm，表明結構具有較大的安全儲備和良好的工作性能。

2.4 裂縫寬度現場觀測

邊跨板1、4、5、8處裂縫數量少，預制倒T板裂縫主要出現在板邊緣以及中間兩跨板2、3、6、7處，，荷載到達第12級后，最大裂縫寬度增大了0.13 mm，平均裂縫寬度增大了0.10 mm。全部卸載并恢復變形12 h后，裂縫寬度減小了0.06 mm。

中間兩跨板2、3、6、7處裂縫和貫穿裂縫均較多，裂縫主要在跨中和結合面處。跨中裂縫在荷載到達第12級后，寬度增大了0.11 mm左右，且側面與底面已經完全貫通，最大裂縫寬度增大了0.14 mm，平均裂縫寬度增大了0.10 mm，全部卸載并恢復12 h后，裂縫寬度減小了0.07 mm。

3 結語

對于“鋼板桁架雙面疊合剪力墻＋倒T疊合板”新型裝配式結構體系1∶1模型，選擇1×2跨結構進行堆載試驗，得出以下結論：

1）基礎沉降大小隨整個工藝流程的進行而增大，基礎累計最大沉降量為2.431 mm，根據GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規范》，對于高度小于100 m的高聳建筑結構，基礎沉降量限值為400 mm，各階段基礎沉降量均符合規定要求。

2）墻體側向變形隨整個工藝流程的進行而增大，墻體頂部側向變形值大約為11.16 mm，滿足設計規定要求。

3）現場堆載試驗中，疊合板最大撓度短期值為6.67 mm，小于規范限值32 mm，由此可見疊合板剛度足夠滿足設計規范要求。

4）疊合板跨中荷載-撓度曲線整體趨勢接近直線，試驗構件基本處于彈性工作狀態，表明結構具有較大的安全儲備和良好的工作性能。

5）本次載荷試驗中未出現撓度超限、裂縫寬度超限和受壓區混凝土開裂、破碎現象，因此“鋼板桁架雙面疊合剪力墻＋倒T疊合板”體系中UHPC連接段的結構承載力滿足設計要求。

6）現場堆載試驗中疊合板最大裂縫寬度僅增大了0.14 mm，裂縫控制小于設計規定限值0.20 mm和短期試驗限值0.15 mm，符合GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》相關要求。