疊合板與現澆梁連接技術優化研究

王皓 WANG Hao；石林 SHI Lin；何川 HE Chuan；王小樂 WANG Xiao-le

（北京城建十六建筑工程有限責任公司，北京 100089）

0 引言

在建筑工業化快速發展的背景下，疊合板作為一種新型的混凝土結構形式，具有節能環保、抗震性能優越、施工方便等優點，廣泛應用在各類建筑工程中[1-2]。在實際工程中通常所用的疊合板底板為具有外伸鋼筋的預制板，其與現澆結構的連接情況直接影響結構的承載能力和耐久性，如果連接技術不當，會導致結構出現裂縫、變形或者斷裂等不良后果，嚴重影響建筑的安全性和穩定性[3-4]。由于傳統的連接方式存在施工繁瑣、耗時耗力等問題，而且耐久性較差，容易產生銹蝕和疲勞損傷等問題，不利于構件的連接。因此，優化疊合板與現澆梁的連接技術，提高預制與現澆結構連接部位的耐久性和可靠性，對于延長結構的使用壽命、提高結構的綜合性能具有重要的實際意義[5]。郭偉賓[6]對比分析了胡子筋、連接鋼筋構造的疊合板與現澆梁相接部位的抗彎能力，發現配置合適的連接鋼筋能夠提高預制板與現澆結構處的受力性能。鄧宇等[7]在疊合板與現澆梁連接處涂抹環氧樹脂涂抹，并進行了抗彎試驗，發現環氧樹脂能夠增大節點部位的抗彎能力。

基于此，為了能夠得出性能最好的現澆梁-疊合板連接方式，優化構件的承載能力，對比分析了斜插筋連接、出筋連接、凹槽鋼筋連接以及疊合面鋼筋連接這4 種連接類型的現澆梁-疊合板構件的滯回曲線，承載能力等性能，為類似工程提供了指導和借鑒。

1 試驗方案

1.1 設計構件

此次試驗設計4 種現澆梁和疊合板連接方式，對比各連接方式下板間交界處的力學性能，4 種方式分別為斜插筋連接、出筋連接、凹槽鋼筋連接以及疊合面鋼筋連接。考慮到實際工程中梁與板交界部位的受力情況，將支座和跨中的距離設置為1000m，設置板懸挑距離L 為1100mm，疊合板中現澆板與預制板的板寬均為1000mm，前者厚度為70mm，后者厚度為60mm。現澆梁寬300mm、高500mm、長2300mm，試件所用鋼筋均為HRB400 鋼筋，現澆板沿板寬方向現澆板縱向設置5 根主筋，鋼筋間距200mm 且伸入整個梁截面，錨固牢固；選擇出筋連接方式時預制板沿板寬方向現澆板縱向設置5 根主筋，鋼筋間距200mm，錨固長度為205mm；選擇斜插筋連接方式時預制板沿板寬方向鋼筋設置與出筋連接時相同；選擇疊合面鋼筋搭接時現澆板和預制板相接位置設置5 根鋼筋，直徑為8mm；選擇凹槽連接方式時板寬方向鋼筋設置與出筋連接時相同，各連接方式見圖1 所示。

圖1 不同連接方式試件示意圖

1.2 測試材料力學性能

在制作現澆梁-疊合板構件時，制作6 個（共2 組）混凝土立方體試塊，邊長100mm，養護條件與澆梁-疊合板構件相同。立方體試樣制作完成后開展抗壓試驗，得出其軸心抗壓強度、軸心抗拉強度、彈性模量以及立方體抗壓強度分別為26.8MPa、2.4MPa、32.5GPa 和40.6MPa。

1.3 加載方式

試驗加載裝置包括加載梁、反力梁、反力架、作動器等，通過上部25t 的作動器將豎向荷載施加在板懸挑端部，同時為了防止板端出現集中加載的情況，在板端部位布設一加載梁，便于施加往復豎向荷載。將箱型鋼梁作為支座抬起試件，疊合板現澆梁和箱型梁通過螺栓進行固定，避免現澆梁發生豎向與橫向移動。選擇力-位移混合控制法進行加載，在力控制過程中，分5 個階段逐步加載到預估屈服荷載py，每一階段均循環1 次，參考試驗具體情況確定位移控制階段每級位移增量Δu 和名義屈服位移Δy。在位移控制過程中，每階段位移增量為Δu，同時每一階段均循環1 次，在試樣承載力降低至荷載最大值的80%時認為試樣發生破壞，如圖2 所示為加載具體示意圖。在試驗時，假定加載方向向上為負，向下為正。

圖2 試件加載循環示意圖

2 分析試驗結果

2.1 滯回曲線

試件正、反向滯回曲線在試樣的加載過程中表現出顯著的非對稱性，正向承載力增大至最大值后基本不變，這是由于端部混凝土梁和現澆板縱筋錨固較為牢固，能夠將鋼筋的受拉性能充分發揮出來。試件的反向承載力呈現出先增大至最大值，之后快速降低的趨勢，這是由于端部混凝土梁和預制板縱筋間的錨固性能較弱，鋼筋脫離混凝土形成滑移現象，未充分發揮出鋼筋的受拉強度。從圖3 中能夠發現，不同試樣滯回曲線的滯回環形狀均為倒S 形，滯回曲線變化趨勢基本一致，存在顯著的捏攏現象。在梁板相交部位的彎矩不僅受到施加的豎向荷載，同時還受到混凝土板、鋼墊板和加載梁重量的影響，為了將試樣的滯回曲線更好地反映出來，故將荷載-位移曲線變換成將自重考慮在內的彎矩M-位移角φ 滯回曲線。

圖3 不同連接方式試件彎矩M-位移角φ 滯回曲線

2.2 分析延性和承載力

如圖4 所示為彎矩-位移角骨架曲線，從圖4 中能夠看出，各曲線均可分為4 個階段，分別為彈性階段、彈塑性階段、塑形發展階段以及破壞階段。同時能夠得出試樣的反向峰值承載力小于正向峰值承載力，造成此現象的原因主要為預制板縱筋錨固能力小于現澆板縱筋的錨固能力，梁對現澆混凝土板的約束大于預制板混凝土。構件連接方式為斜插筋時的承載力最大值和出筋連接時相同，說明插筋同樣具有較好的應力傳遞效果。對于不同連接方式的試件，正向承載力最大的為疊合面搭接方式，且其反向承載力要遠低于其他連接方式的試件，這是由于在正向加載過程中搭接試件的后加筋同樣處在受拉區，上部現澆板內的鋼筋與其一起承受拉力；在反向加載過程中，后加筋與中和軸距離較近且鋼筋直徑較小，整個受拉過程中參與度不高。連接方式為凹槽連接的試件、斜插筋連接試件以及出筋連接試件的正向承載力最大值大致相同，但前者反向承載力最大值較大，這是由于連接鋼筋和凹槽底板受力鋼筋一起變形受彎造成的。試驗過程中不同連接方式試件的位移角和彎矩的變化趨勢如表1 所示，表1 中屈服彎矩為My，最大彎矩時的延性系數、極限位移角、位移角分別為μ、φu、φmax，最大彎矩為Mmax，屈服位移角為φy。

表1 不同連接方式試件各指標變化趨勢表

圖4 不同連接方式試件彎矩-位移角骨架曲線圖

從表1 中能夠得出，端部混凝土和現澆板主筋錨固牢固，且正向承載力在施加5 倍以上的屈服位移時并未出現顯著降低，故試件正向抵抗變形的能力較強。選擇凹槽連接的試樣，在臨界破壞時大部分底部混凝土失去作用，此部分混凝土強度降低使得試樣正向承載力明顯減小。當板長一致時A 試件的反向延性系數大于B 試件，這是因為與出筋相比，斜插筋的抗剪強度更大，且A 試件的斜插筋能夠提供一個與板面垂直的應力分量，增大了其反向延性系數。試件連接方式為疊合面鋼筋搭接時，混凝土和后加筋的錨固效果較好，其反向延性系數也較高，具有較好的反向延性。同時能夠發現，當板長一致時試件連接方式為凹槽鋼筋連接時反向延性系數高于斜插筋和出筋連接的試件。

2.3 剛度退化

如圖5 所示為試件的位移延性系數μ 和屈服后剛度比r 之間的關系曲線，從圖5 中能夠發現，隨著位移延性系數的提高，試件屈服剛度比呈現出先快速減小后逐漸保持穩定的規律，前期剛度退化速度較快，且不同連接方式的試件的正向剛度比退化趨勢和速率大致相同。通過對比能夠得出，不同連接方式試件的反向剛度比退化速度從大到小依次為：凹槽和搭接連接、出筋連接、斜插筋連接。

圖5 不同連接方式試件位移延性系數μ 和屈服后剛度比r 之間的關系曲線圖

3 結論

為了能夠得出性能最好的現澆梁-疊合板連接方式，優化構件的承載能力，對比分析了斜插筋連接、出筋連接、凹槽鋼筋連接以及疊合面鋼筋連接這4 種連接類型的現澆梁-疊合板構件的滯回曲線，承載能力等性能，主要得出以下結論：①試件正、反向滯回曲線在試樣的加載過程中表現出顯著的非對稱性的倒S 形，正向承載力增大至最大值后基本不變，試樣的反向承載力呈現出先增大至最大值，之后快速降低的趨勢；試件連接方式為斜插筋使得變形延性、承載能力、剛度退化性能均超過出筋連接，這是由于斜插筋能夠提供一個與板面垂直的應力分量，增大了其反向延性系數和強度。②對于不同連接方式的試樣，正向承載力最大的為疊合面搭接，這是由于在正向加載過程中搭接試件的后加筋同樣處在受拉區，上部現澆板內的鋼筋與其一起承受拉力，但其反向承載力峰值較小，這是由于在反向加載過程中，后加筋與中和軸距離較近且鋼筋直徑較小，整個受拉過程中參與度不高。③與斜插筋和出筋連接方式相比，試件連接方式為凹槽鋼筋連接時的延性、承載能力較好，反向剛度比退化速度較慢，滯回性能較好。