輕鋼龍骨架疊合樓板基本力學性能研究

王莘晴 杜佳芝 孟錦根 遲亞海

摘要：本文以疊合樓板為研究對象，采用輕鋼龍骨作配筋受力件，對其力學性能進行初步探討，根據構件受荷后的撓度變形與承載力變化關系，將P-S曲線進行擬合，確定構件極限承載力，并對影響構件承載力的因素進行了簡要分析，得到一種受力情況較為良好的新型疊合樓板配筋方案，旨在為裝配式建筑構件輕鋼肋混凝土疊合樓板優化設計提供科學借鑒。

關鍵詞：疊合樓板;極限承載力;撓度變形;輕鋼龍骨

1.研究背景及意義

近年來，隨著裝配式技術發展日趨成熟，我國裝配式建筑行業迎來快速發展新階段。2014-2018年，我國新建裝配式建筑面積每年均保持24%以上的增速，到2018年，我國新建裝配式建筑面積已經達到1.9億平方米。僅裝配式建筑PC構件的市場規模就從2014年的4.2億元增長到2019年的325.0億元。疊合樓板是裝配式結構中重要的一個預制構件。相較于傳統現澆構件，疊合樓板免模板安裝，施工速度快，樓板上層結構采用混凝土整澆成型，抗震性良好，在裝配式建筑中得到廣泛應用。

2.疊合樓板研究現狀

國內外關于混凝土疊合結構的研究很多，多集中于新舊混凝土疊合面研究，主要專注于疊合面應力分布及抗剪問題的研究。2004年，周緒紅、吳方伯等研發了預制帶肋底板疊合樓板。2010年，由湖南大學吳方伯教授等以及山東萬斯達集團有限公司歷經七年時間研究完成了PK預應力混凝土疊合板（PK板）技術。2013年，山東大學侯和濤在PK板基礎上研究了鋼腹板預應力混凝土疊合板，2014年吳方伯等人對一個四邊簡支單向預應力雙向配筋混凝土疊合樓板的大比例模型進行了試驗，并對其變形特征、裂縫分布、破壞形態和極限承載力等進行了研究。上述研究表明，提高疊合樓板極限承載力的有效構造措施是增加地板剛度，即在底板上或下增加加強肋。現在的型式有鋼筋桁架肋、倒T形混凝土帶肋（PK板）、混凝土鋼管桁架肋等。

3.試驗研究內容及要點

本文擬采用輕鋼龍骨作為加強肋，對疊合樓板受力性能進行研究。

嘗試通過優化調整龍骨的間距，使得輕鋼與混凝土組合的樓板承載力能大于施工荷載3.5KN/m2，滿足工程實際需求。對輕鋼混凝土疊合樓板進行抗彎力學性能試驗，驗證輕鋼肋混凝土疊合樓板優劣。以期為輕鋼肋混凝土疊合樓板設計提供科學參考。

4.輕鋼龍骨骨架試驗過程及數據分析

4.1輕鋼龍骨骨架構造設計

型式一，普通輕鋼龍骨疊合底板，布置縱橫φ8@200底板鋼筋;輕鋼龍骨架采用縱向C100輕鋼龍骨和橫向U50輕鋼龍骨;底板為厚度60mm 強度C40混凝土板。型式二，預應力輕鋼龍骨疊合底板，布置縱向預應力鋼筋，輕鋼龍骨架采用縱向C100輕鋼龍骨和橫向U50輕鋼龍骨;底板為厚度60mm 強度C40混凝土板。

確定構造設計后，進而對輕鋼龍骨架試驗件設計。基于市場調研結果，在生產廠家購買了C1OO×0.6×3000mm龍骨、C100×0.7×3000mm龍骨、U50×1.0×3000mm龍骨及支撐卡。因此根據龍骨的實際尺寸和膠合板尺寸設計了長3000mm寬1200mm以內的骨架。

骨架型式一：

輕鋼龍骨骨架3000×1000mm，縱向龍骨布置采用C1OO×0.6×3000mm間距250mm，橫向龍骨采用U50×1.0×3000mm間距250mm，縱向龍骨按照間距250mm在腹部人工開孔，橫向龍骨穿孔后用螺栓固定。縱向龍骨開口方向在橫向龍骨交接處加了支撐卡。

由于生產廠家對縱向龍骨只能按最小500mm間距在龍骨腹部開孔，所以龍骨腹部間距250mm的孔只能采用人工切割機切割開孔。因開孔不規則，橫向龍骨穿孔后很松動，又用螺栓連接固定，但縱橫龍骨交接處仍不緊密。

骨架型式二：

輕鋼龍骨骨架3000×1000mm，縱向龍骨布置采用C1OO×0.6×3000mm間距250mm，橫向龍骨采用U50×1.0×3000mm間距500mm，縱向龍骨生產制作時按照間距500mm在腹部機械沖孔。縱向龍骨開口方向每間距150加支撐卡。

骨架型式三：

輕鋼龍骨骨架3000×1200mm，縱向龍骨布置采用C1OO×0.7×3000mm間距300mm，橫向龍骨采用U50×1.0×3000mm間距500mm，縱向龍骨生產制作時按照間距500mm在腹部機械沖孔。縱向龍骨開口方向每間距150加支撐卡。

4.2輕鋼龍骨架承載力試驗

本試驗目的是為了初探不同壁厚及間距的輕鋼龍骨架的承載能力有何不同，以便選取其中一個輕鋼龍骨骨架型式與混凝土底板組合成疊合底板。

試驗方案：支座采用紅磚擺放三層，上面放置預制混凝土梁，兩個支座表面調平在一個標高，輕鋼龍骨骨架放置在兩支座上，支座凈間距2500mm。

加載方式：輕鋼龍骨骨架上面放置2400×1200mm膠合板，板重25KG。采用膠合板上均勻加載的方式，每次加載25KG，靜置5分鐘，再加載。

數據監測：輕鋼龍骨跨中的下面安置千分表測撓度，每加載25KG靜置5分鐘，進行測量撓度。

骨架型式一試驗：

在膠合板上放置荷載，由兩邊對稱向跨中逐步加載，每次加載25kg，兩邊加載時變形小，中間加載時變形大，伴隨著骨架變形擠壓的嘎嘎響聲，加載到450KG時撓度25mm，加載到475KG時縱向龍骨在中間位置瞬間發生彎折而破壞，縱向龍骨彎折處沒有出現拉裂的現象，彎折處呈現腹部上部側向及上翼邊擠壓扭曲變形狀態。

骨架型式二試驗：

在膠合板上放置荷載，由兩邊對稱向跨中逐步加載，每次加載25kg，兩邊加載時變形小，中間加載時變形大，伴隨著骨架變形擠壓的嘎嘎響聲，并且跨中的支撐卡逐漸發生崩掉現象，加載到600KG時撓度26mm，加載到625KG時縱向龍骨在中間位置瞬間發生彎折而破壞，縱向龍骨彎折處沒有出現拉裂的現象，彎折處呈現腹部上部側向及上翼邊擠壓扭曲變形狀態。

骨架型式三試驗：

在支座及膠合板上均放置荷載，由兩邊對稱向跨中逐步加載，每次加載25kg，兩邊加載時變形小，中間加載時變形大，伴隨著骨架變形擠壓的嘎嘎響聲，并且跨中的支撐卡發生松動現象，但并未崩掉，加載到1225KG時撓度26mm。本次試驗并未繼續加載到破壞。

4.3輕鋼龍骨架試驗結果分析

骨架型式一試驗分析：①貫穿孔部分是自己人為手工開孔，貫穿孔部分縱橫龍骨接觸不好，僅靠螺栓傳力，受力不均勻。②由于機械螺栓連接不緊密，橫向龍骨處于可松動狀態。③本次試驗只在膠合板上加載，支座處沒有加載。破壞時加載475KG，加上膠合板自重25KG，破壞荷載為2.04KN/m2。

骨架型式二試驗分析：縱向龍骨腹部采用廠家沖壓成孔，橫向龍骨與縱向龍骨貫穿處接觸緊實，此處安裝支撐卡進一步固定。由于廠家技術所限開孔距離最小為500mm，橫向龍骨數量為5根。破壞時加載625KG，加上膠合板自重25KG，破壞荷載為2.65KN/m2。本次試驗雖然橫向龍骨間距增加一倍、數量減少一半，但破壞荷載卻增加了30%，說明橫向龍骨貫穿縱向龍骨處接觸緊實，能使橫向龍骨很好地分擔縱向龍骨的受力，增強了結構的整體性，會大大加強骨架的承載力。上述兩次骨架破壞試驗在破壞時，骨架均沒有被拉裂，彎折處呈現腹部上部側向及上翼邊擠壓扭曲變形狀態，說明骨架是縱向龍骨失穩破壞。

骨架型式三試驗分析：骨架型式三相較于型式一和二，縱向龍骨間距增加了50mm，縱向龍骨的壁厚增加了0.1mm。試驗數據擬合曲線（P1=0.979 P2=1.025 P3=11.191）如圖1所示，撓度與荷載重量顯著正相關，但受彎破壞過程，未見明顯屈服流幅，受荷過程輕鋼龍骨表現硬鋼特性。撓度為26mm時，加載1225KG，加上膠合板自重25KG，平均荷載為3.40KN/m2，本次不是破壞試驗。即使不算支座處的荷載，只計算膠合板內的荷載，平均荷載3.23KN/m2。骨架型式三試驗中最大非破壞荷載比骨架型式一和二試驗的破壞荷載分別增加了58%和22%。說明縱向龍骨壁厚增加了16.7%（即0.1mm），在間距增大20%情況下（即50mm），單位面積實際用鋼量減少情況下，荷載增幅較大。壁厚增加使縱向龍骨側向穩定增強，抗失穩能力增強，其次支座加載荷載抵抗了支座反向彎矩，使得骨架承載能力加強。

根據以上三個試驗分析，我們決定后面的輕鋼龍骨疊合樓板承載力試驗中，疊合樓板中的輕鋼骨架選擇輕鋼骨架型式三。

5.輕鋼龍骨疊合板承載力試驗研究

5.1輕鋼龍骨疊合板試驗件設計制作

由于試驗條件所限，本文試驗只進行普通輕鋼龍骨疊合樓板試驗，并只對疊合底板進行承載力試驗。疊合底板型式：輕鋼龍骨骨架3000×1200mm，縱向龍骨布置采用C1OO×0.7×3000mm間距300mm，橫向龍骨采用U50×1.0×3000mm間距500mm，縱向龍骨生產制作時按照間距500mm在腹部機械沖孔。縱向龍骨開口方向每間距150加支撐卡。底板為厚度60mm 強度C40混凝土板，其中布置縱橫φ8@200底板鋼筋。縱向龍骨腹部靠下翼邊處按照間距200mm鉆直徑10mm圓孔，底板橫向鋼筋橫穿此原孔。

支座采用紅磚擺放三層，上面放置預制混凝土梁，兩個支座表面調平在一個標高，支座凈間距2500mm。支座上鋪放塑料薄膜，兩支座間支設模板，表面與支座面齊平，放置輕鋼龍骨及底板鋼筋網，保護層厚度為15mm再支側模。混凝土配合比為水泥：砂：石為1：1.22：2.48，水泥采用42.5Mpa普通硅酸鹽水泥，聚羧酸減水劑摻量為水泥用量的1%，水灰比0.4，采用人工攪拌，振搗器振搗。澆筑振搗后養護七天拆模。

5.2輕鋼龍骨疊合板承載力試驗

本試驗目的是為了初探輕鋼龍疊合底板的承載能力，以驗證輕鋼龍骨作為加強肋的可行性。加載方式：從兩側支座向跨中依次加載，每次加載50KG，靜置5分鐘，再加載。加載一層后再加載第二層。數據監測：輕鋼龍骨跨中的下面安置千分表測撓度，每加載50KG靜置5分鐘，進行測量撓度。

疊合底板加載試驗第一天，加載至28.91KN混凝土底板跨中出現裂紋，跨中饒度是12.75mm。繼續加載至34.3KN，撓度21.6mm，因條件所限，停止加載。靜置十天后疊合底板饒度穩定，繼續加載至44.59KN（即4.55T）撓度59.1mm，靜置第二天斷裂。斷裂處縱向輕鋼龍骨下翼板及腹部下部已經被拉裂，縱向底板鋼筋也被拉斷。底板混凝土除中間斷裂處外出現了12條橫向裂縫。

5.3輕鋼龍骨疊合板試驗結果分析

根據試驗記錄結果，將疊合板荷載重量與變形量進行擬合，得圖2（P1=1.109 P2=-3.525 P3=-29.368），可見在荷載重量不超過2000Kg時，疊合板變形量較小，超過2000Kg后，變形量急劇增加，尤其在4000Kg時，疊合板裂縫快速貫通，達到極限承載力。《混凝土結構設計規范》GB50010-2010中第3.3.2條規定，跨度小于7m的撓度限值不能超過跨度的1/200。本試驗凈跨2500mm，則撓度限值為12.5mm。查荷載與撓度對應曲線，加載是28.42KN時撓度是11.5mm。那么對應的平均荷載是7.894KN/m2。破壞時加載為44.59 KN，對應的平均荷載是14.863KN/m2。試驗加載過程中，出現可見裂紋時荷載是28.91KN，開裂荷載達到了9.64KN/m2，抗裂性能較好。

6.結論

根據輕鋼龍骨骨架及輕鋼龍骨疊合樓板承載力試驗結果及分析，可得結論如下：

1.輕鋼龍骨骨架與鋼筋混凝土結合的疊合底板承載力達到了7.894KN/m2，承載力增加了132%。即輕采用輕鋼龍骨作為疊合底板的加強肋可行。

2.根據試驗結果，輕鋼龍骨骨架與輕鋼疊合板受荷P-S曲線，均可用表達式y=（p1+p2*sqrt（x））^p3擬合表示，相關性強。疊合板出現可見裂縫時對應荷載9.64KN/m2，抗裂性能較好。

3.為提高工程經濟效益，可考慮加大縱向輕鋼龍骨的間距。對于大跨度的疊合樓板，可增大輕鋼龍骨抗彎截面系數。

參考文獻：

[1]侯和濤馬天翔葉海登呂忠瓏李國強波紋鋼腹板預應力混凝土疊合板的抗彎性能試驗研究[J].建筑鋼結構進展，2013，15（06）：42-45;

[2]孟憲宏沙連凱佟林楊學會預應力帶肋板與疊合板抗彎性能試驗[J].沈陽建筑大學學報（自然科學報）2017，33（1）：77-85。

基金項目：四川交通職業技術學院院級科研項目“輕鋼混凝土疊合樓板抗彎性能研究”項目編號：2019-560-09。

作者簡介：

王莘晴（1988.9.4-），女，漢族，河南新鄉人，碩士研究生，四川交通職業技術學院，講師，研究方向為結構設計、災害治理。

杜佳芝（1989.1.9），女，漢族，成都溫江人，本科，四川交通職業技術學院，講師，研究方向為建筑工程技術。

孟錦根（1970.5.5），男，漢族，四川中江人，本科，四川交通職業技術學院，副教授，研究方向為建筑工程技術。

遲亞海（1989.2.26），男，漢族，遼寧遼陽人，本科，四川交通職業技術學院，講師，研究方向為機械制造與自動化。