帶拼縫格構鋼筋混凝土大跨疊合板彈性階段受力性能現場試驗研究

詹業龍，李浩然

(安徽建筑大學土木工程學院， 安徽 合肥 230601)

邢偉

(西偉德寶業混凝土預制件(合肥)有限公司，安徽 合肥 230601)

李秋喜

(安徽建筑大學土木工程學院，安徽 合肥 230601)

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帶拼縫格構鋼筋混凝土大跨疊合板彈性階段受力性能現場試驗研究

詹業龍，李浩然

(安徽建筑大學土木工程學院， 安徽 合肥 230601)

邢偉

(西偉德寶業混凝土預制件(合肥)有限公司，安徽 合肥 230601)

李秋喜

(安徽建筑大學土木工程學院，安徽 合肥 230601)

為了研究實體結構中帶拼縫格構鋼筋混凝土大跨疊合板受力性能，使其能廣泛的應用于工程實際，抽取了基于現行規范設計的實體結構中的3塊帶拼縫格構鋼筋混凝土大跨疊合板，其中DHB1和DHB2由2塊相同板拼接而成，DHB3為異形板，由3塊板拼接而成，采用均布加載的方法對3塊板進行現場試驗研究。通過對比DHB1和DHB2，探討了拼縫處設置搭接鋼筋對板剛度和鋼筋傳力性能的影響，并研究了3塊板受力性能。基于ABAQUS對3塊板進行數值模擬，數值模擬結果與試驗結果相吻合。研究結果表明，在正常使用短期試驗荷載作用下，疊合板處于彈性受力階段；疊合板側拼縫處出現應力集中現象，拼縫處設置搭接鋼筋，可以實現內力由搭接鋼筋向板底鋼筋的傳遞；結果表明按現行規范設計的大跨度格構鋼筋混凝土疊合板受力性能滿足使用要求。

拼縫；格構鋼筋疊合板；數值模擬

混凝土疊合結構是在預制構件上后澆一層混凝土而形成的一種裝配整體式混凝土結構(歐美稱組合結構，Composite Structures)，疊合板是混凝土疊合結構中一種常用的形式之一[1]。鋼筋混凝土疊合板具有施工便捷、節能環保以及經濟效益顯著等優點，隨著我國建筑工業化進程的不斷加深，疊合板越來越多地被應用于裝配式結構中，極大的提高了住宅產業化建設的進程。目前，我國引進了德國先進的帶格構鋼筋的混凝土疊合板，如圖1所示，與鋼筋混凝土疊合板的不同之處在于前者在疊合板中放置了格構鋼筋，格構鋼筋起到了約束新舊混凝土的作用，有利于新舊混凝土的整體共同工作。

圖1 帶拼縫格構鋼筋混凝土疊合板現場施工

目前，對格構鋼筋混凝土疊合板的研究取得了一定的進展[2～7]，但是在正常使用短期試驗荷載作用下，對實體結構中的帶拼縫格構鋼筋混凝土大跨疊合板的受力性能研究鮮有涉及。為了研究正常使用短期試驗荷載作用下，實體結構中帶拼縫格構鋼筋混凝土大跨疊合板受力性能，抽取了基于現行規范設計的實體結構中的3塊帶拼縫格構鋼筋混凝土大跨疊合板，采用分級均布的加載方法對3塊板進行現場試驗研究。探討了拼縫處設置搭接鋼筋對板剛度和鋼筋傳力性能的影響，并分析了3塊板跨中荷載-撓度、鋼筋荷載-應變關系，并基于ABAQUS有限元軟件對疊合板進行數值模擬，將試驗結果和模擬結果進行對比分析，為該種疊合板在我國的推廣使用提供參考依據。

1 試驗概況

1.1 試件設計

工程抗震設防類別為丙類，抗震設防烈度為7度，結構安全等級為二級，樓板采用格構鋼筋疊合板，為了驗證實體結構中疊合板在彈性階段受力性能，試驗對實體結構中的3塊疊合板(試件編號分別為DHB1、DHB2、DHB3)力學性能進行現場測試。

3塊樓板的現澆和預制部分混凝土強度等級均為C25(實測平均fcu=27.66MPa)，受力筋采用HRB400鋼筋，3塊板拼縫為側拼縫，拼縫處寬為20mm，疊合板DHB1拼縫處不設搭接鋼筋，疊合板DHB2和疊合板DHB3拼縫處搭接鋼筋配筋同板分布筋。疊合板DHB1和疊合板DHB2為普通拼接板，尺寸為4400mm×4500mm，板總厚均為120mm，預制部分厚度為50mm。疊合板預制部分受力主筋均為C8@150(fy=460MPa)，預制部分分布筋均為A6@200；疊合板現澆層板頂負筋均為C8@200，現澆層板內分布筋均為A6@200。疊合板DHB3為異形板，板總厚為150mm，預制部分厚度為50mm；板預制部分受力主筋為C8@100(fy=460MPa)，預制部分分布筋為A6@200；疊合板現澆層板頂負筋為C8@200，現澆層板底受力主筋為C10@100(fy=397MPa)；現澆層板內分布筋為A6@200。

1.2 試驗加載

為了研究工程實體結構中疊合板在正常使用短期試驗荷載作用下的受力性能，采用非破壞性試驗來進行驗證。加載設備為袋裝砂漿，每個袋裝砂漿的質量為40kg，采用分級均布的加載方法。試驗荷載根據《混凝土結構試驗方法標準》(GB50152-2012)和《建筑結構荷載規范》(GB50009-2012)[8,9]確定。恒載標準值1.1kN/m2(板面裝修荷載),活載標準值2.0kN/m2。

經過計算取DHB1最大加載值為2.0kN/m2，DHB2和DHB3最大加載值為4.7kN/m2。加載階段分5級加載，每級加載值為該試驗荷載值的20%，達到正常使用狀態短期試驗荷載值以后，每級荷載加載值為正常使用狀態短期試驗荷載值的10%。加載完以后，再分級卸載。每級加載及卸載后持荷時間均為10min，達到正常使用狀態短期試驗荷載值時持荷時間為30min。

2 試驗結果與分析

2.1 荷載-跨中撓度關系

為了測得疊合板在荷載作用下的荷載-撓度曲線，分別在疊合板底支座和跨中區域分別架設百分表，用于監測板的荷載-撓度變化，并做出荷載-撓度曲線，疊合板裂縫采用裂縫測寬儀觀測。

試驗板DHB1在試驗荷載2.0kN/m2作用下，疊合板跨中短期撓度最大值為0.28mm，荷載全部卸載后，被測板殘余變形為0.03mm。加載及卸載過程中，荷載-撓度曲線近似為直線(見圖2(a))。試驗板DHB2在試驗荷載4.7kN/m2作用下，疊合板跨中短期撓度最大值為0.72mm，全部卸載后，被測板殘余變形為0.06mm，加載及卸載荷載-撓度曲線呈線性變化(見圖2(b))，試驗板DHB3在試驗荷載4.7kN/m2作用下，疊合板跨中短期撓度最大值為0.59mm。全部卸載后，被測板殘余變形為0.13mm，荷載-撓度呈線性變化(見圖2(c) )，試驗過程中3塊疊合板均未出現裂縫。

DHB1與DHB2相比，由于在拼縫處DHB1沒有設置搭接鋼筋，考慮到拼縫處間斷傳力，截面剛度相對削弱較大，所以只加載到2.0kN/m2，即停止加載。從開始加載到2.0kN/m2，由2塊疊合板的荷載-撓度關系，可以看出板DHB1的剛度要略大于DHB2，可能是由于試驗誤差引起。DHB3試驗加載中雖然撓度不是很大，但是卸載后殘余變形相對較大。

圖2 疊合板荷載-撓度關系

2.2 鋼筋荷載-應變關系

為了測得荷載作用下鋼筋的應變變化情況，在跨中預制板底受力鋼筋、分布鋼筋以及現澆層板底拼縫處搭接鋼筋上粘貼應變片，用于測量鋼筋應變，如圖3所示。

圖3 疊合板鋼筋應變片測點示意圖(單位：mm)

試件編號鋼筋最大應變(με)受力鋼筋分布鋼筋搭接鋼筋DHB163-DHB28419DHB3161410

試驗過程中3塊疊合板中鋼筋應變與荷載基本成線性關系，如圖4所示。最大試驗荷載作用下，疊合板中被測受力鋼筋最大應變、分布鋼筋最大應變、搭接鋼筋最大應變如表1所示。從開始加載至2.0kN/m2，同DHB1比較，DHB2拼縫處的搭接鋼筋與預制板底鋼筋能有效的進行內力傳遞，所以DHB2預制板底鋼筋應變要小于DHB1板底鋼筋應變。由試驗結果可以看出，疊合板拼縫處存在應力集中現象，搭接鋼筋應力比較大。DHB3由于形狀不規則，并且板中配筋方向與主應力方向不一致，受力比較復雜，拼縫處搭接鋼筋荷載-應變曲線，在荷載接近4.0kN/m2時出現了轉折，之后應變增長較快。

3 有限元分析

采用ABAQUS有限元軟件對構件進行模擬，混凝土單元采用C3D8R單元，八結點線性六面體減縮積分單元，鋼筋單元采用T3D2單元，兩結點線性三維桁架單元。由于試驗中，疊合板基本處于彈性階段，不考慮鋼筋與混凝土之間的滑移，不考慮疊合面混凝土的滑移，模型中鋼筋按實際工程中配筋進行配置，鋼筋骨架采用Embedded方式嵌入到混凝土模型中。混凝土彈性模量為2.8×104MPa，泊松比為0.2，鋼筋彈性模量為2.0×105MPa，泊松比為0.3。板邊約束條件均為固接，3塊板所施加荷載均為面荷載。

圖4 疊合板中鋼筋荷載-應變關系

通過對3塊板進行數值模擬，考慮板的自重，3塊疊合板在自重作用下跨中豎向撓度變形如圖5所示。施加荷載后DHB1、 DHB2、DHB3跨中最大豎向撓度分別為0.88、1.275、0.985mm，將模擬中板施加試驗荷載后最大豎向撓度值與僅施加自重荷載撓度值之差同試驗所測得值進行比較，如表2所示。

圖5 疊合板豎向變形云紋圖

試件編號撓度值實測值/mm模擬值/mm誤差/%DHB10280035025DHB207200779819DHB305900548712

基于ABAQUS的數值模擬結果通過分析可以得出，DHB1撓度測量時可能存在誤差，導致模擬與實測值相差偏大，總體來說，試驗荷載作用下，疊合板的荷載-撓度、鋼筋荷載-應變關系與試驗結果基本吻合，說明疊合板的受力性能較好。疊合板由于側拼縫處截面有效高度削弱，造成拼縫處受力比較集中，出現應力集中現象。通過對比DHB1與DHB2，可知疊合板拼縫處設置搭接鋼筋，可以實現內力由搭接鋼筋向板底鋼筋的傳遞，提高了疊合板的抗彎承載能力。試驗荷載作用下，DHB3應力狀態相對比較復雜，建議加強構造措施保證板的承載能力。

4 結論

通過對實體結構中的3塊格構鋼筋混凝土疊合板進行現場試驗研究和數值模擬分析得出以下結論：

1)在正常使用狀態短期試驗荷載作用下，疊合板處于彈性受力階段，疊合板跨中撓度與荷載基本呈線性關系，疊合板預制部分的鋼筋應變與荷載基本呈線性關系，且板面未出現裂縫，表明格構鋼筋混凝土疊合板的受力性能較好；

2)疊合板側拼縫處出現應力集中現象，建議加強側拼縫處構造措施，提高拼縫處截面的承載能力，同時疊合板側拼縫處設置搭接鋼筋，可以實現內力由搭接鋼筋向板底鋼筋的傳遞，充分發揮鋼筋的抗拉性能；

3)異形疊合板由于受力比較復雜，建議加強構造措施保證板的承載能力。

[1]周旺華.現代混凝土疊合結構[M].北京:中國建筑工業出版社,1998.

[2] SJG 18-2009,預制裝配整體鋼筋混凝土結構技術規范[S].

[3] DGJ 32/TJ125-2011，預制裝配整體式房屋混凝土剪力墻結構技術規范[S].

[4] DB 23/T-2010,預制裝配整體式房屋混凝土剪力墻結構技術規范[S].

[5]劉運林,葉獻國,胡昊.帶格構鋼筋混凝土疊合板的數值模擬與格構鋼筋作用分析[J].合肥工業大學學報(自然科學版),2014,37(9):1093～1096.

[6]胡昊.格構鋼筋混凝土疊合板試驗研究與自動化參數建模程序開發[D].合肥工業大學,2014.

[7]劉運林.雙向疊合樓板拼縫處受力機理試驗研究與數值模擬[D].合肥工業大學,2014.

[8]GB50152-2012，混凝土結構試驗方法標準[S].

[9] GB50009-2012，建筑結構荷載規范[S].

[編輯] 計飛翔

2016-05-11

安徽省科技攻關計劃項目(1501041133)；安徽省自然科學基金資助項目(1408085MKL45)；安徽建筑大學校引進人才、博士基金項目(2014204)。

詹業龍(1989-)，男，碩士生，現主要從事混凝土結構理論及應用方面的研究工作；E-mail：1512844028@qq.com。

TU375.2

A

1673-1409(2016)25-0062-05

[引著格式]詹業龍，李浩然，邢偉，等.帶拼縫格構鋼筋混凝土大跨疊合板彈性階段受力性能現場試驗研究[J].長江大學學報(自科版)，2016,13(25)：62～66.