梁永澤，張 皓，許懷玉，楊金勝，王慶賀

(沈陽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，沈陽 110168)

隨著我國建筑工業(yè)化的快速發(fā)展，鋼板-混凝土組合板因其施工速度快、現(xiàn)場濕作業(yè)少、節(jié)能減耗等優(yōu)點(diǎn)，在裝配式建筑中被廣泛應(yīng)用[1-2]。目前我國的相關(guān)技術(shù)規(guī)程[3]及學(xué)者的試驗(yàn)研究[4-5]主要以2.4～6.6m的大跨度為主，但由于鋼板-混凝土組合板的自重大，在施工中易出現(xiàn)吊裝及運(yùn)輸困難等問題。鋼筋混凝土空心疊合板和混凝土帶肋底板[6-7]具有自重輕、樓板疊合面受力性能好等優(yōu)點(diǎn)，但剛度小、易出現(xiàn)裂縫。預(yù)制鋼板-混凝土空心疊合板結(jié)合了鋼板-混凝土組合板和鋼筋混凝土空心疊合板的剛度大、自重輕[8-9]等優(yōu)點(diǎn)，表現(xiàn)出良好的受力性能。

文獻(xiàn)[10-11]對鋼板-混凝土組合板的鋼板與混凝土結(jié)合面剪切滑移進(jìn)行研究，推導(dǎo)出四邊簡支組合板在均布橫向荷載作用下的彎曲變形和單向壓縮作用下的彈性穩(wěn)定解析解。魏盟等[12]基于國內(nèi)外鋼板-混凝土組合板長期性能的試驗(yàn)及有限元模型，提出鋼板-混凝土組合板非均勻收縮影響的長期撓度計(jì)算公式。吳方伯等[13]提出一種在板中布置筒芯的預(yù)應(yīng)力空心疊合板，并對預(yù)應(yīng)力空心疊合板單調(diào)荷載作用下進(jìn)行足尺寸模型試驗(yàn)，表明預(yù)應(yīng)力空心疊合板與預(yù)應(yīng)力現(xiàn)澆空心板具有相似的受力性能，可滿足工程的設(shè)計(jì)要求，但疊合板的中間設(shè)置孔洞，較大的降低了疊合板的剛度。武立偉等[14]提出一種采用聚苯板為內(nèi)模的鋼筋混凝土空心疊合板，并對其施工階段和使用階段的承載力、裂縫分布、鋼筋應(yīng)變進(jìn)行研究。

本文基于ABAQUS軟件，建立鋼筋混凝土空心疊合板的有限元模型，驗(yàn)證本文鋼板-混凝土空心疊合板有限元分析的可靠性，分析不同內(nèi)模(聚苯板)尺寸對預(yù)制鋼板-混凝土空心疊合板的靜力性能影響。

1 有限元模型可靠性驗(yàn)證

考慮到本文研究的預(yù)制鋼板-混凝土空心疊合板與文獻(xiàn)[14]的鋼筋混凝土空心疊合板相似，所以本文按照文獻(xiàn)[14]中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，基于ABAQUS建立鋼筋混凝土空心疊合板有限元模型，將有限元分析結(jié)果與文獻(xiàn)[14]中的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，以驗(yàn)證本文鋼板-混凝土空心疊合板有限元分析的可靠性。文獻(xiàn)[14]中試件的尺寸及材料的參數(shù)見表1，兩組試件的極限承載力分別為6.4kN/m和11.2kN/m。

表1 鋼筋混凝土空心疊合板主要試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果[14]

鋼筋混凝土空心疊合板的有限元模型約束條件為兩端簡支，采用均布力加載，荷載為文獻(xiàn)[14]中板的極限承載力，鋼筋嵌入混凝土中。由于聚苯板對鋼筋混凝土空心疊合板的受力影響可忽略，所以在聚苯板的位置設(shè)置相同大小的孔洞。本文有限元模型的材料力學(xué)性能均采用文獻(xiàn)[14]的實(shí)測值，混凝土采用塑性損傷模型，鋼筋采用理想彈塑性模型。

試件的荷載-位移曲線對比圖如圖1所示，由圖1可以看出，本文得出的有限元計(jì)算結(jié)果和文獻(xiàn)[14]試驗(yàn)的結(jié)果相似，最大相差7.0%，主要是由于試驗(yàn)的離散性所導(dǎo)致?；谝陨蠈Ρ冉Y(jié)果可以認(rèn)為，本文建立的有限元模型可有效的模擬鋼筋混凝土空心疊合板的靜力力學(xué)性能。

圖1 荷載-位移曲線對比結(jié)果

2 內(nèi)模尺寸參數(shù)化有限元分析

2.1 試件設(shè)計(jì)及模型建立

本文為課題組研發(fā)裝配式地鐵車站(見圖2)的樓板，預(yù)制鋼板-混凝土疊合空心板的尺寸為8000mm×650mm×400mm，試件底部受拉鋼板厚度為6mm，因裝配式地鐵站的荷載較大，故采用鋼材為Q420。為裝配式地鐵車站樓板設(shè)計(jì)合理的截面，本研究以內(nèi)模的尺寸為變量，內(nèi)模的厚度(h)取值分別為100mm、200mm、250mm、300mm，內(nèi)模的橫向?qū)挾?a)取值分別為150mm、200mm、250mm，內(nèi)?？v向長度(b)取值分別為300mm、500mm、700mm；三個(gè)參數(shù)排列組合，共分析36個(gè)試件。在試件的受壓區(qū)配置3Φ10的Q420鋼筋，鋼筋嵌入C40混凝土內(nèi)。

圖2 課題組研發(fā)的裝配式地鐵車站示意圖

2.2 邊界條件及荷載施加

由于模型結(jié)構(gòu)、約束及荷載兩端對稱，為提高計(jì)算效率，試件在計(jì)算時(shí)取半模型，跨中截面采用ZSYMM約束(見圖3)。為避免應(yīng)力集中對試件造成局部破壞，在端部的支座處及位移加載處設(shè)置長650mm、寬100mm、厚10mm的剛性(無彈塑性變形)墊板。荷載采用位移加載，加載位置為全模型的L/40處；為得到空心疊合板完整的破壞曲線，加載的豎向位移為200mm。

圖3 有限元模型荷載及邊界條件示意圖

2.3 有限元結(jié)果及分析

2.3.1 荷載-位移曲線

試件的彎矩M-位移δ曲線反映了試件的整體變形力，典型試件的M-δ曲線如圖4所示。

圖4 典型試件的M-δ曲線及剛度影響對比圖(寬度為250mm,長度為700mm)

由圖4可知，隨著內(nèi)模厚度的增加，構(gòu)件的極限承載力呈下降趨勢；構(gòu)件達(dá)到極限承載力后，隨著荷載的增加，構(gòu)件的強(qiáng)度降低較為平緩；預(yù)制鋼板-混凝土空心疊合板具有較好的受力性能，承載力安全儲(chǔ)備較高。

對鋼板-混凝土空心疊合板參數(shù)化分析結(jié)果表明：隨著內(nèi)模尺寸的變大，空心疊合板的極限承載力呈下降趨勢；當(dāng)內(nèi)模厚度為250mm、內(nèi)模長度為700mm時(shí)，內(nèi)模寬度對試件的極限承載力影響最大；內(nèi)模寬度為150mm的試件比內(nèi)模寬度為250mm的試件極限承載力高14.3%。內(nèi)模寬度為250mm、內(nèi)模長度為700mm時(shí)，內(nèi)模厚度對試件的極限承載力影響最大；內(nèi)模厚度為100mm的試件比內(nèi)模厚度為300mm的試件極限承載力高15.5%。內(nèi)模厚度為300mm、內(nèi)模寬度為250mm時(shí)，內(nèi)模長度對試件的極限承載力影響最大；內(nèi)模長度為300mm的試件比內(nèi)模長度為500mm的試件極限承載力高8.7%。這主要是因?yàn)殡S著內(nèi)模尺寸的增大，試件受壓區(qū)混凝土減少，導(dǎo)致構(gòu)件的極限承載力降低。

2.3.2 試件剛度影響結(jié)果

試件剛度影響對比圖反映了內(nèi)模尺寸大小對構(gòu)件剛度的影響，典型試件的剛度影響對比圖見圖5所示，柱狀圖的縱坐標(biāo)為試件正常使用極限狀態(tài)剛度(0.5Mmax/δ)，橫坐標(biāo)為試件內(nèi)模厚度。

圖5 典型試件的剛度影響對比圖(寬度為250mm,長度為700mm)

由圖5可以看出，預(yù)制鋼板-混凝土空心疊合板具有較高的剛度；隨著內(nèi)模尺寸的增加，試件的剛度呈下降趨勢。

對鋼板-混凝土空心疊合板參數(shù)化分析結(jié)果表明：當(dāng)內(nèi)模厚度為250mm、內(nèi)模長度為500mm時(shí)，內(nèi)模寬度對試件的剛度影響最大，內(nèi)模寬度為150mm的試件比內(nèi)模寬度為250mm的試件剛度高7.4%；內(nèi)模寬度為250mm、內(nèi)模長度為700mm時(shí)，內(nèi)模厚度對試件的剛度影響最大，內(nèi)模厚度為100mm的試件比內(nèi)模厚度為300mm的試件剛度高15.5%；內(nèi)模厚度為250mm、內(nèi)模寬度為250mm時(shí)，內(nèi)模長度對試件的剛度影響最大，內(nèi)模長度為300mm的試件比內(nèi)模長度為500mm的試件剛度高9.9%。這主要是因?yàn)殡S著內(nèi)模尺寸的增大，試件的中和軸位置上移，受壓區(qū)混凝土減少，導(dǎo)致試件的剛度降低。

3 結(jié)論

采用ABAQUS軟件，對預(yù)制鋼板-混凝土空心疊合板的內(nèi)模尺寸進(jìn)行參數(shù)化有限元分析，得出以下結(jié)論。

(1)采用有限元方法建立鋼筋混凝土空心疊合板模型可靠，可有效模擬鋼筋混凝土疊合空心板的受彎性能，有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比最大相差7.0%，主要是由于試驗(yàn)的離散性導(dǎo)致。

(2)內(nèi)模厚度對試件的極限承載力及剛度影響很大，當(dāng)內(nèi)模寬度為250mm、內(nèi)模長度為700mm時(shí)，內(nèi)模厚度對試件的極限承載力及剛度最大影響幅度為15.5%。

(3)裝配式地鐵車站用預(yù)制鋼板-混凝土空心疊合板的合理內(nèi)模尺寸為：內(nèi)模厚度200mm、內(nèi)模寬度200mm、內(nèi)模長度500mm。