疊合板底板現(xiàn)場力學性能試驗與數(shù)值模擬研究

付世虎 卜 俊 顏 斌

(揚州市建偉建設工程檢測中心有限公司，江蘇 揚州 225000)

1 概述

由于疊合板具有施工周期短、立模方便、生產(chǎn)效率高等優(yōu)勢，目前疊合板預制底板在全國已成規(guī)模化量產(chǎn)，其應用占市場比例呈逐年遞增趨勢。預制疊合樓板作為裝配式建筑的重要組成部分，其結構性能要求等同于現(xiàn)澆混凝土結構，所以通過試驗檢驗預制構件的承載力和變形尤為重要，也是工程采用合格產(chǎn)品施工的前置條件。

現(xiàn)階段疊合板的廣泛應用，致使對其各項性能研究日趨成熟。國內(nèi)馬祥林采用屈服線理論對拼縫式桁架鋼筋疊合雙向板的承載力進行了計算與數(shù)值模擬[1]，武曉彤通過蓄水試驗研究了裝配整體式樓板板梁結構體系受力特征和力學性能[2]，陳振海等人通過堆沙加載方式探討了疊合板整體拼接縫的承載能力和變形情況[3]，楊正俊等人利用有限元軟件ABAQUS[4]對比分析傳統(tǒng)帶肋樓板和型鋼—混凝土疊合樓板在施工階段的跨中撓度[5]，并對現(xiàn)澆雙向板與雙拼疊合式雙向板進行靜力加載試驗，表明雙拼式疊合板的撓度可按彈性薄板理論計算[6]。國外JDR Joseph[7]研究對比了預制單向板與現(xiàn)澆混凝土板在受彎荷載作用下裂縫的發(fā)展過程相似性，還有一些學者[8-10]研究了預制底板與現(xiàn)澆層之間的整體粘結力等。

綜合國內(nèi)外大量疊合板試驗情況，多數(shù)是純理論分析或者單一數(shù)值模擬疊合板的整體受力情況，部分直接采用試驗加載方式來觀察疊合板的變形，很少將疊合板預制底板結構性能檢驗與數(shù)值模擬一起對比分析預制構件的結構性能。本文對工程應用到的疊合板預制底板進行足尺結構性能試驗，記錄試驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，結合現(xiàn)有的理論研究，采用有限元分析軟件ABAQUS模擬該疊合板實際施工過程中的受力情況，對比驗證了其承載能力、撓度及裂縫等結構性能檢驗參數(shù)的科學性、合理性、實用性。

2 疊合板預制底板現(xiàn)場力學性能試驗

2.1 試驗概況

本次選取住宅工程中應用典型的預制疊合板底板，尺寸為2 620 mm×1 800 mm×60 mm(長×寬×厚)，混凝土強度為C30，鋼筋長短跨方向均為HRB400Eφ8@200 mm，疊合板預制底板上部有三排桁架腹桿筋，其布置為HRB400Eφ6@200 mm，其尺寸平面圖如圖1所示。

試驗前對該疊合板預制底板量測實際尺寸在允許偏差范圍內(nèi)，檢查構件表面無缺陷和裂縫，并且其強度達到設計強度的100%以上，對加荷設備與量測儀表預先標定等完成后，方可進行結構性能試驗。

2.2 試驗加載方案

本試驗為了較準確地測量板跨中撓度，考慮支座沉陷情況下，在疊合板底板共設置9個百分表，其位置如圖1所示：板四角各放一個，編號為1，3，4，6；板長、短跨的中間位置各放一個，編號為2，5，7，9；板中心放置一個，編號為8。

本試驗所用的疊合板預制底板為雙向板，采取四邊簡支支撐方式，試驗時當一端采用鉸支撐時，則相對另一端采用滾動支撐。為驗證工程施工活載的影響，本次試驗支座間距采取接近足尺檢驗，各支座中心線距板四端外邊緣均為25 mm。

本試驗所加荷載為均布荷載，試驗前對整個試驗裝置進行預壓，檢查裝置工作穩(wěn)定后開始試驗。本試驗為非破損檢驗，試驗配重采取混凝土150 mm×150 mm×150 mm立方體試塊，試驗時進行過磅稱重，荷重塊成垛堆放，現(xiàn)場試驗如圖2所示。

試驗時，板自重取1.58 kN/m2，施工活載取1.5 kN/m2，計算裂縫和撓度按規(guī)范[11，12]中準永久組合計算如式(1)所示、檢驗承載力設計值按基本組合如式(2)所示。

(1)

(2)

其中，準永久系數(shù)取ψq1=0.4，恒載分項系數(shù)取γG1=1.3，活載分項系數(shù)取γQ1=1.5。

根據(jù)式(1)計算得到檢驗撓度和裂縫的外加荷載為0.60 kN/m2，根據(jù)式(2)計算得到檢驗承載力設計值時的外加荷載為2.72 kN/m2。外加荷載分8級加載，具體外加荷載數(shù)值見表1，每級荷載加載完成后持續(xù)15 min，待試驗荷載達到基本組合下承載力設計值時結束加載，每級加載持續(xù)時間內(nèi)，記錄試驗數(shù)據(jù)和觀察試驗現(xiàn)象。

表1 試驗荷載分級加載情況 kN/m2

2.3 試驗現(xiàn)象與結果分析

當外部荷載加載到0.60 kN/m2時，用裂縫觀測儀觀察預制底板，此時沒有發(fā)現(xiàn)裂縫；后續(xù)加載持續(xù)至2.72 kN/m2，不間斷地用裂縫觀測儀觀察該預制底板裂縫發(fā)展情況，依然未出現(xiàn)裂縫。記錄整個試驗過程中的撓度值后，按照規(guī)范[13]中相應公式計算板跨中撓度實測值，每級荷載下產(chǎn)生的跨中撓度計算實測值結果見表2。

表2 分級荷載下跨中撓度計算實測值 mm

本試驗由表2得到荷載與撓度變化圖如圖3所示，可知板變形特征基本呈線性狀態(tài)，說明疊合板預制底板在施工活載作用下處于正常彈性工作狀態(tài)。

3 疊合板預制底板有限元數(shù)值模擬

為了反映疊合板預制底板實際變形與理論變形的異同，本文采用ABAQUS有限元軟件模擬了該預制底板在實際施工活載下的變形和裂縫開展情況。

3.1 預制底板有限元數(shù)值模型的建立

本次模擬有限元模型的尺寸、配筋、混凝土等級均同試驗模型。影響模型計算結果精度的主要因素有：混凝土本構關系，模型單元選取，網(wǎng)格劃分尺寸。由于疊合板混凝土工作狀況與塑性損傷模型相符，所以本次建模混凝土選用能夠克服剪切自鎖的三維非協(xié)調(diào)單元(C3D8I)；鋼筋為雙直線模型，采用三維桁架單元(T3D2)；整個預制構件按尺寸50 mm的網(wǎng)格劃分；預制構件底板網(wǎng)格劃分圖見圖4。

整個構件邊界約束條件完全同試驗的支撐方式，荷載為1.58 kN/m2的自重以及按準永久組合下施加0.6 kN/m2外部荷載和基本組合下施加2.72 kN/m2的外部荷載，兩種工況下按試驗分級加載的大小采取逐步分析累加荷載方法分別計算板、鋼筋的應力、撓度、裂縫。

3.2 有限元模擬結果分析

預制底板在外部荷載0.6 kN/m2和2.72 kN/m2作用下，通過逐級模擬加載分析預制底板應力、變形的發(fā)展情況，發(fā)現(xiàn)具有相似性，本文僅截取2.72 kN/m2分析步時混凝土板、桁架筋、分布筋的應力圖，如圖5～圖7所示；混凝土板的變形如圖8所示。由圖5～圖8可知，最危險截面發(fā)生在板跨中央處，整個構件的應力主要靠分布筋來承擔，但桁架筋的應力要比分布筋稍大，變形主要出現(xiàn)在混凝土板上，其具體混凝土板應力、分布筋應力、混凝土板變形數(shù)值如表3所示。

由表3數(shù)值得到構件外加荷載—混凝土板、分布鋼筋應力的擬合曲線如圖9所示、外加荷載—混凝土板撓度的擬合曲線如圖10所示，通過圖9，圖10表明，整個預制構件的應力、撓度是呈線性增長的，在模擬外部荷載2.72 kN/m2作用下，預制底板仍未出現(xiàn)裂縫，故符合彈性范圍內(nèi)工作狀況。而承載力設計值驗算時板與鋼筋的應力、變形是裂縫、撓度驗算時應力、變形的1.70倍，具有高度的吻合性。

表3 模擬荷載作用下預制底板分布筋最大應力、混凝土板最大變形分布表

4 現(xiàn)場力學性能試驗與有限元數(shù)值模擬對比分析

本文現(xiàn)場力學性能試驗與有限元的數(shù)值模擬無論是邊界條件還是外加荷載等都完全等效，結果也都未出現(xiàn)裂縫，故表明：現(xiàn)場施工條件下，混凝土、鋼筋的彈性工作范圍內(nèi)，預制構件有較大的剛度來滿足施工時的不利荷載作用。

4.1 承載力分析

在基本組合下，根據(jù)有限元模擬按現(xiàn)場力學性能試驗中承載力設計值加載的結果表明：板跨中分布筋最大拉應力5 MPa，與鋼筋屈服強度360 MPa相比，作用可忽略不計；但混凝土板跨中最大拉應力為1.47 MPa，達到C30混凝土的抗拉強度設計值1.43 MPa，雖然板在承載力設計值下未出現(xiàn)裂縫，但是計算表明若繼續(xù)加載，最先開裂的是板跨中位置。計算也表明：預制構件上的桁架筋應力比分布筋大，是因為桁架筋沒有與混凝土共同工作，存在直接承受荷載情況，但是當上部現(xiàn)澆層與下部預制構件連成一體共同受力后，桁架筋應力將減少很多。

4.2 撓度分析

由圖3與圖10對比知，現(xiàn)場試驗所得跨中最大撓度與有限元模擬跨中撓度增長趨勢基本相同，其數(shù)值現(xiàn)場試驗要比模擬的大37%左右，并且兩者跨中撓度值遠小于GB 50204—2015中規(guī)定的跨中撓度檢驗允許值，說明足夠安全的。

試驗所得撓度比模擬大的原因存在以下幾點：1)試驗時存在影響結果的不確定度，如人為因素、儀器誤差等；2)現(xiàn)場 試驗支撐是簡化條件來模擬實際樓板約束情況，而有限元模擬邊界條件更接近理想情況下的計算值。所以，實測值比模擬值大是正常情況。

5 結語

1)現(xiàn)場力學性能試驗加載表明，預制底板雙向板具有較強的剛度，當在施工活載作用下，預制底板變形呈線性發(fā)展，完全符合現(xiàn)澆板中雙向板彈性理論計算。

2)有限元數(shù)值模擬結果表明，引起疊合板預制底板最先破壞的是混凝土開裂，分布筋應力存在足夠的富余量，其桁架筋在預制底板上作用明顯，故實際工程中應使用帶有桁架筋的預制底板。

3)現(xiàn)場力學性能試驗與有限元數(shù)值模擬都表明，預制底板在0.6 kN/m2，2.72 kN/m2的外部荷載作用下，其跨中最大撓度都遠小于規(guī)定值，并且都沒有裂縫產(chǎn)生，所以實際施工過程中是滿足安全可靠度要求的，甚至可以在預制底板短跨方向不加豎向支撐。

4)本次試驗與模擬的是單塊板受力情況，最不利位置都在跨中出現(xiàn)，而實際工程中多存在2塊板或3塊板之間用現(xiàn)澆帶拼接情況，此時依然可以用本試驗規(guī)律得出裂縫應出現(xiàn)在跨中現(xiàn)澆位置等。