附加鋼筋對疊合板拼縫開裂彎矩試驗研究

陳旭東

(安徽建筑大學土木工程學院，安徽 合肥 230022)

劉建軍

(中鐵合肥建筑市政工程設計研究院有限公司，安徽 合肥 231609)

韓炎，魏廣碩

(安徽建筑大學土木工程學院，安徽 合肥 230022)

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附加鋼筋對疊合板拼縫開裂彎矩試驗研究

陳旭東

(安徽建筑大學土木工程學院，安徽 合肥 230022)

劉建軍

(中鐵合肥建筑市政工程設計研究院有限公司，安徽 合肥 231609)

韓炎，魏廣碩

(安徽建筑大學土木工程學院，安徽 合肥 230022)

通過理論分析與試驗研究，依據混凝土結構試驗方法標準中有關規定，對比了2種不同長度的附加鋼筋在荷載作用下的受力特性，分別對應于附加鋼筋有無伸出疊合板拼縫兩側的格構鋼筋，觀察疊合板試件從加載、出現裂縫到破壞的全過程，分析了試件在不同荷載作用下的受力狀態。試驗結果表明，附加鋼筋較長的一組試驗構造形式能夠增加疊合板拼縫處的承載力，有利于阻止疊合板拼縫處裂縫的開展。最后分析了鋼筋混凝土疊合板中附加鋼筋對疊合板拼縫開裂彎矩的相關關系，為鋼筋混凝土疊合板中附加鋼筋的設計計算與結構性能檢驗提供了新的方法。

疊合板；附加鋼筋；拼縫；開裂彎矩

隨著我國建筑產業化的發展，疊合板作為一種新型構件被廣泛應用于實際工程中，疊合板包含預制部分和現澆部分，附加鋼筋布置于預制部分的上層，板面拼縫的兩側。疊合板具有施工便捷、節約材料、減少污染等優點[1，2]。目前，對疊合板的研究已經日趨成熟，在此基礎上提出了含有附加鋼筋帶拼縫的疊合板更有利于增加疊合板拼縫處的受力性能，進一步推動了建筑產業化的進程，具有十分重要的意義。

現階段，國內學者對疊合板做了大量的研究與探索：翁傳陽[3]通過對4塊混凝土疊合板試驗分析，初步討論附加鋼筋對疊合板承載力的影響，并運用理論公式計算了試驗構件的撓度；徐天爽等[4]認為提高附加鋼筋搭接長度可以適當的提高疊合板的整體性；沈小璞等[5]運用ABAQUS分析軟件對帶有拼縫疊合板做有限元非線性模擬分析；吳方伯等[6]對帶肋疊合板的研究，提出了一種實用彈性計算方法，簡化了帶肋疊合板的彈性設計；聶建國等[7]通過對比高強混凝土疊合板和普通混凝土疊合板試驗研究,討論了不同強度等級混凝土、不同截面形式對疊合板抗剪性能的影響。為了進一步研究附加鋼筋對疊合板拼縫的受力特性，筆者利用2組含有不同長度附加鋼筋的疊合板，采用千斤頂加轉換梁的方式形成三點加載的試驗方案，加載至破壞，分析了含附加鋼筋的鋼筋混凝土疊合板中附加鋼筋對拼縫處開裂機制的影響，得到了附加鋼筋的長度直接影響著疊合板拼縫的受力性能，為實際工程中疊合板的應用提供參考。

1 試件設計

試驗制作了2塊不同構造形式鋼筋混凝土疊合板，研究含有不同長度附加鋼筋的疊合板在荷載作用下的受力性能。第1塊板S1作為對比組，其附加鋼筋僅布置在拼縫兩側格構鋼筋內，且附加鋼筋長度為500mm澆筑成的構件。第2塊板S2內附加鋼筋布置在第1組相同的位置，且附加鋼筋長度為900mm，且兩端均伸出格構鋼筋兩側澆筑形成的構件。2塊板的各項參數為：預制與現澆層混凝土材料強度均為C30(fcu=32.9N/mm2),其中預制底板分為2塊，尺寸為2400mm×880mm×60mm，縱筋配筋為5?8(fy=358N/mm2，δs=38.7%)構造鋼筋為?8@180，格構鋼筋距離端部300mm。鋼筋保護層為15mm，后澆混凝土層高度為70mm，將2塊預制底板疊合后形成2400mm×880mm×60mm的整塊疊合板。

疊合板中附加鋼筋布置示意圖如圖1所示，其中圖1(a)為附加鋼筋長度500mm的疊合板示意圖，圖1(b)為附加鋼筋長度900mm的疊合板示意圖。

圖1 疊合板中附加鋼筋設置示意圖

2 試件加載

圖2 試驗加載示意圖

圖2為試驗加載示意圖，使用吊車將疊合板吊裝至預先準備好的2個鋼墩上做加載試驗，在預先準備鋼墩過程中，應先將滾軸和墊板預先放置于鋼墩上作為加載中的鉸支座使用，采用千斤頂加轉換梁的方式形成三點加載的試驗方案，對構件進行加載試驗。試驗使用BNR-4型稱重傳感器量測并控制加載量[8]，在正式加載之前預加載，采用分級手動加載制度加載。開裂前每級0.5kN的加載荷載，持續時間10min，直至試件破壞后再卸載。加載至極限破壞狀態，依據《混凝土結構試驗方法標準》(GB/T 50152-2012)[9]加載破壞的有關規定，進一步了解疊合板拼縫處裂紋開展機制和附加鋼筋的增強效應。

3 試驗結果與分析

表1、表2分別對應于試件S1、S2荷載-裂紋寬度，圖3為試件跨中斷裂圖，其中圖3(a)為試件S1跨中斷裂圖、圖3(b)為試件S2跨中斷裂圖。圖4為試件裂紋開展示意圖，其中圖4(a)為試件S1裂紋開展示意圖、圖4(b)為試件S2裂紋開展示意圖。

由表1、圖3(a)、圖4(a)知，荷載由0逐級加載至2.5kN時，跨中拼縫處出現裂紋，且隨著加載量增加不斷變寬；加載至7kN時，裂紋沿著拼縫逐漸向上開展，此時拼縫附近的預制底板開始出現多條細微裂紋；加載至10kN時，裂紋開始沿著疊合面沿水平方向伸展，疊合板出現了水平小裂紋；加載至12kN時，裂紋開展速度增加，直至受壓破壞。

表1 試件S1荷載-裂紋寬度

表2 試件S2荷載-裂紋寬度

圖3 試件S1、S2跨中斷裂圖

圖4 試件S1、S2裂紋開展示意圖

由表2、圖3(b)、圖4(b)知，荷載由0逐級加載至2.5kN時，跨中拼縫處出現裂縫，且隨著加載量增加不斷變寬；加載至7kN時，裂紋迅速開展并由拼縫處向上延伸，同時預制底板拼縫處出現多條小裂紋；加載達到10kN時，裂縫沿著疊合板拼縫處由下向上開展至疊合面，并出現沿疊合面水平發展的現象；荷載增加至12kN時，裂紋迅速延伸，超過2mm，此時說明疊合板已經發生破壞。

由上述試驗數據及試驗圖片分析可知，含有附加鋼筋的疊合板裂紋開展是由拼縫處向上至疊合面后，沿疊合面水平方向繼續伸展，裂縫未伸展至附加鋼筋的端部，便由于疊合板的撓度超過正常使用狀態的要求而發生破壞。附加鋼筋長度為900mm澆筑形成的S2并未如鋼筋長度為500mm澆筑形成的S1一樣由裂縫開展至附加鋼筋端部后延伸至現澆層上部發生破壞，而是構件的裂紋發展至試驗設計值而破壞，這是由于構件S2在設計時，疊合面附加鋼筋延伸至格構鋼筋里，提高了疊合板的整體性，增加了疊合板的承載力。以上特征與文獻[10]的結論相符。

4 理論分析

4.1 附加鋼筋的阻裂增強機理

對于設置附加鋼筋的疊合面施加外荷載，附加鋼筋產生極大的拉應力，約束了現澆層混凝土應變的發展，在鋼筋應變未達到混凝土的極限拉應變之前，現澆層混凝土不會產生裂紋。對未設置附加鋼筋的疊合板施加外荷載時，易出現應力集中現象而破壞[11]。由斷裂力學可知，脆性材料裂紋失穩擴展的臨界條件為：

K=Kc

(1)

式中，K為裂紋尖端的應力強度因子；Kc是材料常數。式(1)為脆性斷裂的K準則。

根據疊加原理，拼縫尖端應力狀態可以分解成僅考慮混凝土的作用和鋼筋產生阻力q的作用2種受力形式[12]。疊合板拼縫處裂紋尖端的應力強度因子表達為：

(2)

4.2 疊合板拼縫開裂載荷分析

計算試件S1、S2中附加鋼筋對鋼筋混凝土疊合板拼縫處開裂載荷，對比試驗數據分析附加鋼筋對疊合板的作用：

Ac=αe1As

(3)

(4)

F(x)=1.122-1.40x+7.33x2-13.08x3+14.0x4

(5)

M=Pl

(6)

式中，Ac為轉化后的混凝土截面面積；αe1為轉換系數；As為鋼筋的截面面積；KI為修正后的疊合板的斷裂韌性值; F(x)為擬合公式;P為構件疊合面開裂載荷；l為構件三等分長度; σ為跨中遠端的名義應力。

由試驗數據及上述計算得出試件S1、S2疊合面開裂荷載的實測值、理論計算值、實測值與理論計算值比值，如表3所示。

表3 試件疊合面開裂荷載

由表3數據及試驗結果比較分析可知，試件S2疊合面的開裂荷載實測值大于試件S1疊合面的開裂荷載實測值，試件S2的實測值與理論值的比值大于試件S1，說明附加鋼筋的伸出長度越長越有利于阻止疊合面的開裂，附加鋼筋的設置也提高了疊合面抗裂性能，增加了構件的承載力。

根據斷裂力學原理、脆性材料裂紋失穩擴展的臨界條件、疊合板拼縫處裂紋尖端的應力強度因子、最大正應力準則等可知，含附加鋼筋較長的鋼筋混凝土疊合板，因為附加鋼筋產生的增強阻裂機制較大，使得疊合面與拼縫交匯處的最大正應力方向發生改變，其最大正應力方向為沿疊合面水平方向開展，從而使得構件開裂方向發生變化；當裂縫延伸至疊合面后，裂縫方向變為垂直于拼縫方向(疊合面方向)開展，更有利于增強疊合板的抗裂性能，減緩疊合板受力破壞。通過上述試驗分析及理論計算得出，當疊合面設置較長的附加鋼筋時，可以有效的提高疊合板正常使用的承載力、抗裂度、整體性。

5 結論

1)通過試驗分析研究含有附加鋼筋疊合板的開裂狀況，拼縫尖端與疊合面交匯處的開裂機制為裂紋由拼縫處開展，并沿拼縫方向發展至疊合面，之后裂紋開展方向改變，沿著疊合面水平方向伸展。

2)含有附加鋼筋疊合板的設置可以增加構件的開裂荷載，有效的提高構件的整體性，改善疊合板在正常使用狀態下的抗裂性能。

3)基于斷裂力學原理的附加鋼筋產生的增強阻裂機制，由于附加鋼筋增強了拼縫尖端與疊合面交匯處范圍的斷裂韌性，降低了應力強度因子，并改變了拼縫尖端的應力場，無附加鋼筋的鋼筋混凝土疊合板較含附加鋼筋的鋼筋混凝土疊合板在拼縫處更易發生脆性破壞。

[1]劉運林, 葉獻國, 種迅,等.端拼縫疊合樓板受力性能試驗研究[J].建筑結構, 2015(4):85～89.

[2] DB34/T 1874-2013，裝配整體式剪力墻結構技術規程(試行)[S].

[3] 翁傳陽.含附加鋼筋的混凝土疊合板試驗研究[D].合肥：安徽建筑大學, 2014.

[4] 徐天爽, 徐有鄰.雙向疊合板拼縫傳力性能的試驗研究[J].建筑科學, 2003, 19(6):11～14.

[5] 計策, 沈小璞.疊合式雙向板試驗與數值模擬對比分析[J].安徽建筑大學學報, 2014, 22(3):26～29.

[6] 吳方伯, 黃海林, 陳偉,等.預制帶肋底板混凝土雙向疊合板實用彈性計算方法[J].建筑結構, 2012(4):99～103.

[7] 聶建國, 陳必磊, 陳戈,等.鋼筋混凝土疊合板的試驗研究[J].工業建筑, 2003, 33(12):43～46.

[8] 辛明靜.淺層平板載荷試驗影響因素研究[D].蘭州：蘭州大學, 2013.

[9] GB /T 50152-2012，混凝土結構試驗方法標準[S].

[10] 徐天爽, 徐有鄰.雙向疊合板拼縫傳力性能的試驗研究[J].建筑科學, 2003, 19(6):11～14.

[11] 葉獻國, 華和貴, 徐天爽,等.疊合板拼接構造的試驗研究[J].工業建筑, 2010, 40(1):59～63.

[12] 李穎.鋼筋混凝土受彎構件裂紋發展規律研究[D].重慶：重慶交通大學, 2009.

[編輯] 計飛翔

2016-06-15

安徽省自然科學基金資助項目(1408085MKL45)；安徽省高校自然科學研究重點項目(KJ2016A147)；安徽省科技攻關計劃項目資助(1501041133)。

陳旭東(1991-)男，碩士生，現主要從事混凝土結構理論及其應用方面的研究工作;E-mail:609985226@qq.com。

TU317

A

1673-1409(2016)28-0055-05

[引著格式]陳旭東,劉建軍,韓炎，等.附加鋼筋對疊合板拼縫開裂彎矩試驗研究[J].長江大學學報(自科版)，2016,13(28)：55～59.