陳旭東

(安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230022)

劉建軍

(中鐵合肥建筑市政工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，安徽 合肥 231609)

韓炎，魏廣碩

(安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230022)

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附加鋼筋對(duì)疊合板拼縫開(kāi)裂彎矩試驗(yàn)研究

陳旭東

(安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230022)

劉建軍

(中鐵合肥建筑市政工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，安徽 合肥 231609)

韓炎，魏廣碩

(安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230022)

通過(guò)理論分析與試驗(yàn)研究，依據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)規(guī)定，對(duì)比了2種不同長(zhǎng)度的附加鋼筋在荷載作用下的受力特性，分別對(duì)應(yīng)于附加鋼筋有無(wú)伸出疊合板拼縫兩側(cè)的格構(gòu)鋼筋，觀察疊合板試件從加載、出現(xiàn)裂縫到破壞的全過(guò)程，分析了試件在不同荷載作用下的受力狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果表明，附加鋼筋較長(zhǎng)的一組試驗(yàn)構(gòu)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(kāi)展。最后分析了鋼筋混凝土疊合板中附加鋼筋對(duì)疊合板拼縫開(kāi)裂彎矩的相關(guān)關(guān)系，為鋼筋混凝土疊合板中附加鋼筋的設(shè)計(jì)計(jì)算與結(jié)構(gòu)性能檢驗(yàn)提供了新的方法。

疊合板；附加鋼筋；拼縫；開(kāi)裂彎矩

隨著我國(guó)建筑產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，疊合板作為一種新型構(gòu)件被廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程中，疊合板包含預(yù)制部分和現(xiàn)澆部分，附加鋼筋布置于預(yù)制部分的上層，板面拼縫的兩側(cè)。疊合板具有施工便捷、節(jié)約材料、減少污染等優(yōu)點(diǎn)[1，2]。目前，對(duì)疊合板的研究已經(jīng)日趨成熟，在此基礎(chǔ)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(jìn)一步推動(dòng)了建筑產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程，具有十分重要的意義。

現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)疊合板做了大量的研究與探索：翁傳陽(yáng)[3]通過(guò)對(duì)4塊混凝土疊合板試驗(yàn)分析，初步討論附加鋼筋對(duì)疊合板承載力的影響，并運(yùn)用理論公式計(jì)算了試驗(yàn)構(gòu)件的撓度；徐天爽等[4]認(rèn)為提高附加鋼筋搭接長(zhǎng)度可以適當(dāng)?shù)奶岣忒B合板的整體性；沈小璞等[5]運(yùn)用ABAQUS分析軟件對(duì)帶有拼縫疊合板做有限元非線性模擬分析；吳方伯等[6]對(duì)帶肋疊合板的研究，提出了一種實(shí)用彈性計(jì)算方法，簡(jiǎn)化了帶肋疊合板的彈性設(shè)計(jì)；聶建國(guó)等[7]通過(guò)對(duì)比高強(qiáng)混凝土疊合板和普通混凝土疊合板試驗(yàn)研究,討論了不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土、不同截面形式對(duì)疊合板抗剪性能的影響。為了進(jìn)一步研究附加鋼筋對(duì)疊合板拼縫的受力特性，筆者利用2組含有不同長(zhǎng)度附加鋼筋的疊合板，采用千斤頂加轉(zhuǎn)換梁的方式形成三點(diǎn)加載的試驗(yàn)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(duì)拼縫處開(kāi)裂機(jī)制的影響，得到了附加鋼筋的長(zhǎng)度直接影響著疊合板拼縫的受力性能，為實(shí)際工程中疊合板的應(yīng)用提供參考。

1 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)制作了2塊不同構(gòu)造形式鋼筋混凝土疊合板，研究含有不同長(zhǎng)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(duì)比組，其附加鋼筋僅布置在拼縫兩側(cè)格構(gòu)鋼筋內(nèi)，且附加鋼筋長(zhǎng)度為500mm澆筑成的構(gòu)件。第2塊板S2內(nèi)附加鋼筋布置在第1組相同的位置，且附加鋼筋長(zhǎng)度為900mm，且兩端均伸出格構(gòu)鋼筋兩側(cè)澆筑形成的構(gòu)件。2塊板的各項(xiàng)參數(shù)為：預(yù)制與現(xiàn)澆層混凝土材料強(qiáng)度均為C30(fcu=32.9N/mm2),其中預(yù)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(gòu)造鋼筋為?8@180，格構(gòu)鋼筋距離端部300mm。鋼筋保護(hù)層為15mm，后澆混凝土層高度為70mm，將2塊預(yù)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(zhǎng)度500mm的疊合板示意圖，圖1(b)為附加鋼筋長(zhǎng)度900mm的疊合板示意圖。

圖1 疊合板中附加鋼筋設(shè)置示意圖

2 試件加載

圖2 試驗(yàn)加載示意圖

圖2為試驗(yàn)加載示意圖，使用吊車將疊合板吊裝至預(yù)先準(zhǔn)備好的2個(gè)鋼墩上做加載試驗(yàn)，在預(yù)先準(zhǔn)備鋼墩過(guò)程中，應(yīng)先將滾軸和墊板預(yù)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(zhuǎn)換梁的方式形成三點(diǎn)加載的試驗(yàn)方案，對(duì)構(gòu)件進(jìn)行加載試驗(yàn)。試驗(yàn)使用BNR-4型稱重傳感器量測(cè)并控制加載量[8]，在正式加載之前預(yù)加載，采用分級(jí)手動(dòng)加載制度加載。開(kāi)裂前每級(jí)0.5kN的加載荷載，持續(xù)時(shí)間10min，直至試件破壞后再卸載。加載至極限破壞狀態(tài)，依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50152-2012)[9]加載破壞的有關(guān)規(guī)定，進(jìn)一步了解疊合板拼縫處裂紋開(kāi)展機(jī)制和附加鋼筋的增強(qiáng)效應(yīng)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

表1、表2分別對(duì)應(yīng)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(kāi)展示意圖，其中圖4(a)為試件S1裂紋開(kāi)展示意圖、圖4(b)為試件S2裂紋開(kāi)展示意圖。

由表1、圖3(a)、圖4(a)知，荷載由0逐級(jí)加載至2.5kN時(shí)，跨中拼縫處出現(xiàn)裂紋，且隨著加載量增加不斷變寬；加載至7kN時(shí)，裂紋沿著拼縫逐漸向上開(kāi)展，此時(shí)拼縫附近的預(yù)制底板開(kāi)始出現(xiàn)多條細(xì)微裂紋；加載至10kN時(shí)，裂紋開(kāi)始沿著疊合面沿水平方向伸展，疊合板出現(xiàn)了水平小裂紋；加載至12kN時(shí)，裂紋開(kāi)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(kāi)展示意圖

由表2、圖3(b)、圖4(b)知，荷載由0逐級(jí)加載至2.5kN時(shí)，跨中拼縫處出現(xiàn)裂縫，且隨著加載量增加不斷變寬；加載至7kN時(shí)，裂紋迅速開(kāi)展并由拼縫處向上延伸，同時(shí)預(yù)制底板拼縫處出現(xiàn)多條小裂紋；加載達(dá)到10kN時(shí)，裂縫沿著疊合板拼縫處由下向上開(kāi)展至疊合面，并出現(xiàn)沿疊合面水平發(fā)展的現(xiàn)象；荷載增加至12kN時(shí)，裂紋迅速延伸，超過(guò)2mm，此時(shí)說(shuō)明疊合板已經(jīng)發(fā)生破壞。

由上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)及試驗(yàn)圖片分析可知，含有附加鋼筋的疊合板裂紋開(kāi)展是由拼縫處向上至疊合面后，沿疊合面水平方向繼續(xù)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(guò)正常使用狀態(tài)的要求而發(fā)生破壞。附加鋼筋長(zhǎng)度為900mm澆筑形成的S2并未如鋼筋長(zhǎng)度為500mm澆筑形成的S1一樣由裂縫開(kāi)展至附加鋼筋端部后延伸至現(xiàn)澆層上部發(fā)生破壞，而是構(gòu)件的裂紋發(fā)展至試驗(yàn)設(shè)計(jì)值而破壞，這是由于構(gòu)件S2在設(shè)計(jì)時(shí)，疊合面附加鋼筋延伸至格構(gòu)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(xiàn)[10]的結(jié)論相符。

4 理論分析

4.1 附加鋼筋的阻裂增強(qiáng)機(jī)理

對(duì)于設(shè)置附加鋼筋的疊合面施加外荷載，附加鋼筋產(chǎn)生極大的拉應(yīng)力，約束了現(xiàn)澆層混凝土應(yīng)變的發(fā)展，在鋼筋應(yīng)變未達(dá)到混凝土的極限拉應(yīng)變之前，現(xiàn)澆層混凝土不會(huì)產(chǎn)生裂紋。對(duì)未設(shè)置附加鋼筋的疊合板施加外荷載時(shí)，易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象而破壞[11]。由斷裂力學(xué)可知，脆性材料裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的臨界條件為：

K=Kc

(1)

式中，K為裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子；Kc是材料常數(shù)。式(1)為脆性斷裂的K準(zhǔn)則。

根據(jù)疊加原理，拼縫尖端應(yīng)力狀態(tài)可以分解成僅考慮混凝土的作用和鋼筋產(chǎn)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(yīng)力強(qiáng)度因子表達(dá)為：

(2)

4.2 疊合板拼縫開(kāi)裂載荷分析

計(jì)算試件S1、S2中附加鋼筋對(duì)鋼筋混凝土疊合板拼縫處開(kāi)裂載荷，對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析附加鋼筋對(duì)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(zhuǎn)化后的混凝土截面面積；αe1為轉(zhuǎn)換系數(shù)；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(gòu)件疊合面開(kāi)裂載荷；l為構(gòu)件三等分長(zhǎng)度; σ為跨中遠(yuǎn)端的名義應(yīng)力。

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)及上述計(jì)算得出試件S1、S2疊合面開(kāi)裂荷載的實(shí)測(cè)值、理論計(jì)算值、實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值比值，如表3所示。

表3 試件疊合面開(kāi)裂荷載

由表3數(shù)據(jù)及試驗(yàn)結(jié)果比較分析可知，試件S2疊合面的開(kāi)裂荷載實(shí)測(cè)值大于試件S1疊合面的開(kāi)裂荷載實(shí)測(cè)值，試件S2的實(shí)測(cè)值與理論值的比值大于試件S1，說(shuō)明附加鋼筋的伸出長(zhǎng)度越長(zhǎng)越有利于阻止疊合面的開(kāi)裂，附加鋼筋的設(shè)置也提高了疊合面抗裂性能，增加了構(gòu)件的承載力。

根據(jù)斷裂力學(xué)原理、脆性材料裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的臨界條件、疊合板拼縫處裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子、最大正應(yīng)力準(zhǔn)則等可知，含附加鋼筋較長(zhǎng)的鋼筋混凝土疊合板，因?yàn)楦郊愉摻町a(chǎn)生的增強(qiáng)阻裂機(jī)制較大，使得疊合面與拼縫交匯處的最大正應(yīng)力方向發(fā)生改變，其最大正應(yīng)力方向?yàn)檠丿B合面水平方向開(kāi)展，從而使得構(gòu)件開(kāi)裂方向發(fā)生變化；當(dāng)裂縫延伸至疊合面后，裂縫方向變?yōu)榇怪庇谄纯p方向(疊合面方向)開(kāi)展，更有利于增強(qiáng)疊合板的抗裂性能，減緩疊合板受力破壞。通過(guò)上述試驗(yàn)分析及理論計(jì)算得出，當(dāng)疊合面設(shè)置較長(zhǎng)的附加鋼筋時(shí)，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(jié)論

1)通過(guò)試驗(yàn)分析研究含有附加鋼筋疊合板的開(kāi)裂狀況，拼縫尖端與疊合面交匯處的開(kāi)裂機(jī)制為裂紋由拼縫處開(kāi)展，并沿拼縫方向發(fā)展至疊合面，之后裂紋開(kāi)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(shè)置可以增加構(gòu)件的開(kāi)裂荷載，有效的提高構(gòu)件的整體性，改善疊合板在正常使用狀態(tài)下的抗裂性能。

3)基于斷裂力學(xué)原理的附加鋼筋產(chǎn)生的增強(qiáng)阻裂機(jī)制，由于附加鋼筋增強(qiáng)了拼縫尖端與疊合面交匯處范圍的斷裂韌性，降低了應(yīng)力強(qiáng)度因子，并改變了拼縫尖端的應(yīng)力場(chǎng)，無(wú)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(fā)生脆性破壞。

[1]劉運(yùn)林, 葉獻(xiàn)國(guó), 種迅,等.端拼縫疊合樓板受力性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu), 2015(4):85～89.

[2] DB34/T 1874-2013，裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(試行)[S].

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

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

[5] 計(jì)策, 沈小璞.疊合式雙向板試驗(yàn)與數(shù)值模擬對(duì)比分析[J].安徽建筑大學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 22(3):26～29.

[6] 吳方伯, 黃海林, 陳偉,等.預(yù)制帶肋底板混凝土雙向疊合板實(shí)用彈性計(jì)算方法[J].建筑結(jié)構(gòu), 2012(4):99～103.

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

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

[9] GB /T 50152-2012，混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].

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

[11] 葉獻(xiàn)國(guó), 華和貴, 徐天爽,等.疊合板拼接構(gòu)造的試驗(yàn)研究[J].工業(yè)建筑, 2010, 40(1):59～63.

[12] 李穎.鋼筋混凝土受彎構(gòu)件裂紋發(fā)展規(guī)律研究[D].重慶：重慶交通大學(xué), 2009.

[編輯] 計(jì)飛翔

2016-06-15

安徽省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(1408085MKL45)；安徽省高校自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(KJ2016A147)；安徽省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目資助(1501041133)。

陳旭東(1991-)男，碩士生，現(xiàn)主要從事混凝土結(jié)構(gòu)理論及其應(yīng)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(duì)疊合板拼縫開(kāi)裂彎矩試驗(yàn)研究[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2016,13(28)：55～59.