趙培莉 ，鄧志恒

(1.廣西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 廣西 南寧 530007；2.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 廣西 南寧 530004)

0 引言

裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是現(xiàn)行建筑產(chǎn)業(yè)化發(fā)展方向[1-2]，鋼筋混凝土疊合結(jié)構(gòu)是裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中最具代表性的一種形式。國內(nèi)外學(xué)者對鋼筋混凝土疊合結(jié)構(gòu)，已進(jìn)行大量的試驗研究與理論分析[3-6]。學(xué)者對疊合結(jié)構(gòu)疊合面[7]、拼縫構(gòu)造[8-12]的受力性能進(jìn)行了分析研究。文獻(xiàn)[13-15]中設(shè)計研究了倒“T”型疊合整體樓板，聶建國等[16]通過試驗疊合面不同的處理做法，研究高強混凝土疊合樓板的抗剪強度。這些研究表明，裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)整體性能較好，可用于地震設(shè)防區(qū)。

由于先預(yù)制一定厚度的樓板需要支撐施工荷載和現(xiàn)澆部分混凝土自身的重量，因此預(yù)制部分厚度設(shè)計規(guī)范規(guī)定最小為60 mm。為了使樓板現(xiàn)澆部分與預(yù)制部分良好的結(jié)合，現(xiàn)澆部分的厚度設(shè)計規(guī)范規(guī)定不小于60 mm，疊合板厚度最小為120 mm。預(yù)制部分板底鋼筋在一階段受力時還存在鋼筋應(yīng)力超前現(xiàn)象。

在已有的理論研究成果基礎(chǔ)上，結(jié)合目前裝配整體式結(jié)構(gòu)存在的不足，本文提出一種新型裝配式鋼筋混凝土部分疊合板。開展其受彎性能的分析，并對其進(jìn)行試驗研究。本文所研究的新型鋼筋混凝土部分疊合板受力可行，疊合面性能良好，沒有剪切破壞現(xiàn)象，與全現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)性能差異很小。獨特的帶孔結(jié)構(gòu)設(shè)計，對構(gòu)件受彎性能影響很小，不僅減少了混凝土施工工作量，進(jìn)一步降低構(gòu)件的自重荷載，還為房屋水電預(yù)埋敷設(shè)施工帶來了便利。具有施工工藝較簡單，建造難度較低，節(jié)省施工材料，提高勞動工效，縮短施工工期等優(yōu)勢。減小板厚到100 mm，預(yù)制板采用部分疊合方式，僅在支座1/4范圍采用疊合，中間部分全預(yù)制，板中間部分預(yù)留管道孔洞方便管線通過并價低結(jié)構(gòu)自重，節(jié)省材料。這種新型疊合板結(jié)構(gòu)受力合理，提高剛度，優(yōu)化設(shè)計，保證整體性，自重輕，節(jié)省材料，降低建造成本，工廠制造比例高，是一種有應(yīng)用前景的新型裝配整體式疊合樓板結(jié)構(gòu)體系。本文通過3塊簡支部分疊合板和2塊連接跨部分疊合板，開展受力性能試驗研究，驗證可行性，供工程設(shè)計參考使用。

1 試驗概況

1.1 試驗設(shè)計

依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010)進(jìn)行試驗試件設(shè)計，共設(shè)計5塊裝配式鋼筋混凝土部分疊合板，板厚H為100 mm，編號分別為ZPB1、ZPB2、ZPB3、ZPB4、ZPB5，其中：試件ZPB1、ZPB2、ZPB3為簡支部分疊合板，試件ZPB4、ZPB5為連續(xù)跨部分疊合板，其設(shè)計形式如圖1—4所示。試件支座擱置端及連續(xù)跨連接區(qū)設(shè)計尺寸為150 mm，試件尺寸參數(shù)及形式見表1。

圖1 部分疊合板設(shè)計平面示意圖Fig.1 Schematic diagram of partial composite plate design

圖2 部分疊合板1-1示意圖Fig.2 Schematic diagram of partial composite plate 1-1

1.預(yù)制疊合板；2.空心結(jié)構(gòu)；3.鋼筋應(yīng)變片測點；4.現(xiàn)澆混凝土；5.負(fù)筋

表1 試件尺寸參數(shù)及形式Tab.1 Size parameters and forms of specimens

試驗中預(yù)制底板和后澆疊合板的制作，均采用現(xiàn)場攪拌混凝土，預(yù)制和疊合后澆混凝土的強度等級均為C30。實測每批次混凝土立方體試塊(150 mm×150 mm×150 mm)的抗壓強度結(jié)果，取其平均值：預(yù)制疊合板為32.20 MPa，現(xiàn)場疊合板為32.53 MPa。

1.2 加載方案及試驗測量方案

試件加載采用逐級靜力加載方案，直至達(dá)到受彎構(gòu)件破壞狀態(tài)。以試件受拉鋼筋屈服作為節(jié)點，屈服前采用力控加載，屈服后采用每級約5 mm的位控加載。試件首條裂縫出現(xiàn)前，采用每級約5%限值荷載加載，開裂后，采用每級約10%限值荷載加載，直到受拉鋼筋屈服，每級荷載持續(xù)10 min時間。

試驗主要研究和測量內(nèi)容包括：疊合板試件鋼筋的應(yīng)變、跨中撓度、連接疊合面中點撓度、裂縫的寬度、開裂荷載值、屈服荷載值以及試件破壞的極限荷載值。根據(jù)實測數(shù)據(jù)，繪制鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，以及試件荷載-撓度曲線。

試件ZPB1、ZPB3在板底鋼筋的跨中位置，布置鋼筋應(yīng)變片測點，共5處。試件ZPB4、ZPB5鋼筋應(yīng)變片測點布置：每跨跨中板底鋼筋，以及兩跨連接疊合面中點處、左右兩側(cè)板面負(fù)筋上。試件ZPB4、ZPB5配筋率不同，分別布置20處、22處測點。

試件ZPB1、ZPB2、ZPB3分別在兩側(cè)支座、跨中3處，對稱布置6個位移計，試件ZPB4、ZPB5，分別在兩側(cè)支座、連接疊合面支座、跨中5處，對稱布置10個位移計。試件加載時，布置分配梁在疊合板每跨三分點處，實現(xiàn)對疊合板跨中靜力加載。5個試件ZPB1、ZPB5加載裝置圖及照片分別如圖5、6所示。

(a)試件ZPB1(ZPB2、ZPB3)簡支疊合板

(b)試件 ZPB4(ZPB5)連續(xù)跨疊合板

(a)試件ZPB1(ZPB2、ZPB3)簡支疊合板

(b)試件 ZPB4(ZPB5)連續(xù)跨疊合板

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 裂縫分布與寬度分析

兩組新型鋼筋混凝土部分疊合板試件破壞形態(tài)基本一致，試件ZPB1，ZPB2，…，ZPB5在正常使用階段下的裂縫寬度見表2。其裂縫展開分布形態(tài)如圖7所示?，F(xiàn)以試件ZPB3(簡支部分疊合板)、ZPB5(連續(xù)跨部分疊合板)為例，分別詳細(xì)介紹試件裂縫分布情況以及寬度分析。

表2 試件ZPB1，ZPB2，…，ZPB5裂縫寬度Tab.2 Crack width of the test piece ZPB1，ZPB2，…，ZPB5 mm

試件ZPB3的裂縫分布與寬度：荷載從0開始加載，當(dāng)荷載加載到10.70 kN時，試件板底跨中出現(xiàn)首條裂縫。首條裂縫與板跨中線基本平行，且向板的兩側(cè)邊延展，距離板跨中線兩端距離為70 mm，試件ZPB1，ZPB2，…，ZPB5裂縫展開分布如圖7所示，試件ZPB3裂縫分布照片如圖8所示。

(a)試件ZPB1 (b)試件ZPB2 (c)試件ZPB3

(d)試件ZPB4

(e)試件ZPB5

圖8 試件ZPB3裂縫分布照片F(xiàn)ig.8 Photo of crack distribution of specimen ZPB3

繼續(xù)加載到12.65 kN，出現(xiàn)兩條新裂縫，此兩條裂縫位于板跨中線的另一側(cè)，距離中線位置分別為100、260 mm。隨后的幾級加載，原有裂縫繼續(xù)延伸發(fā)展，新裂縫陸續(xù)出現(xiàn)，依次交替著出現(xiàn)在板跨中線兩側(cè)，仍以板跨中線為界左右兩側(cè)水平方向分布。裂縫寬度增幅較勻速，平均每級荷載增長為0.04 mm。當(dāng)加載到30.38 kN時，試件呈現(xiàn)向下彎曲形態(tài)。當(dāng)荷載值為32.65 kN時，板底裂縫平面分布左右延伸到最遠(yuǎn)端，距離板跨中心分別約為750、700 mm，此時試件彎曲現(xiàn)象明顯。隨后，荷載值繼續(xù)增加，但板底裂縫平面分布不再延伸，原有裂縫不斷滋生分支的細(xì)裂縫，并迅速向板側(cè)面方向延伸。加載到34.96 kN時，主裂縫最大寬度已經(jīng)達(dá)到3.2 mm，試件被壓壞，停止加載。此時板底裂縫很豐富，主裂縫貫穿板底，且延伸至側(cè)面，主裂縫旁邊出現(xiàn)多條細(xì)微裂縫。

試件ZPB5的裂縫分布與寬度：試件ZPB5由ZPB5-A、ZPB5-B這2單跨疊合板拼接裝配制成，加載過程中分別對ZPB5-A、ZPB5-B兩跨的板面及板底進(jìn)行裂縫觀測，并記錄裂縫寬度數(shù)值。

由圖7可見，荷載從0開始緩慢加載，當(dāng)荷載加載到16.78 kN時，試件ZPB5-A與ZPB5-B連接區(qū)的板面首先開裂。開裂裂縫呈兩段分布：一段基本與連接區(qū)板面中線重合，長度為500 mm；另一段呈弧線狀，在板面直線長度為300 mm，弧線兩端距離板面中線為80 mm，弧線中點距離板面中線為135 mm。

繼續(xù)加載到18.84 kN，ZPB5-B板底開始出現(xiàn)裂縫，此裂縫與ZPB5-B板跨中線基本重合，長度為600 mm，且向板的兩側(cè)邊延展。荷載值為21.8 kN時，ZPB5-A板底開始出現(xiàn)裂縫，此裂縫出現(xiàn)在ZPB5-A板跨中線附近，有一段為300 mm的長度基本與板跨中線重合，隨之呈半邊“八”字傾斜發(fā)展，但并未延伸到板邊，距離板邊為50 mm處結(jié)束，曲線最遠(yuǎn)端距離板底跨中中線為150 mm。

隨著每級加載工作的繼續(xù)，原有裂縫隨之繼續(xù)延伸發(fā)展，新裂縫陸續(xù)出現(xiàn)。ZPB5-A、ZPB5-B兩跨板底裂縫發(fā)展較迅速，依次交替著出現(xiàn)在板跨中線兩側(cè)，以板跨中線為中心向左右兩側(cè)發(fā)展。連接區(qū)板面裂縫寬度增長速度較均勻，平均每級荷載增幅為0.05 mm，裂縫較ZPB4板面豐富。加載到31.64 kN時，試件呈現(xiàn)向下彎曲形態(tài)。荷載值增加到38.05 kN時，ZPB5-A、ZPB5-B板底裂縫平面分布左右延伸到最遠(yuǎn)端，ZPB5-A距離板跨中心分別為375、600 mm(靠近連接區(qū)一側(cè))，ZPB5-B距離板跨中心分別為250、775 mm(靠近連接區(qū)一側(cè))，連接區(qū)板面已無新裂縫出現(xiàn)，裂縫區(qū)域距離板面中線分別為225 mm(連接ZPB5-A端)、325 mm(連接ZPB5-B端)，此時試件彎曲現(xiàn)象明顯。

荷載值繼續(xù)增加，板底裂縫平面分布已不再延伸，原有裂縫不斷滋生分支的細(xì)裂縫，并迅速向板側(cè)面方向延伸發(fā)展。加載到43.49 kN時，板面主裂縫貫穿發(fā)展至板側(cè)面，構(gòu)件跨中的撓度值為100.66 mm，試件被壓壞，停止加載。此時ZPB5-A、ZPB5-B板底以及連接疊合區(qū)板面裂縫均很豐富，主裂縫貫穿板底，且延伸至側(cè)面，最大裂縫寬度超過3.0 mm，主裂縫旁邊出現(xiàn)多條細(xì)微裂縫。

2.2 部分疊合板鋼筋荷載—應(yīng)變曲線

依據(jù)試件ZPB1,ZPB2,…,ZPB5實驗數(shù)據(jù)結(jié)果，得到試件ZPB1,ZPB2,…,ZPB5開裂屈服荷載及極限荷載數(shù)值見表3。

表3 試件ZPB1,ZPB2,…,ZPB5開裂屈服荷載及極限荷載數(shù)值Tab.3 Cracking yield load and ultimate load value of the test piece ZPB1,ZPB2,…,ZPB5

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010)混凝土正截面極限荷載公式計算，可得構(gòu)件ZPB1、ZPB2、ZPB3、ZPB4彎矩設(shè)計值Mu=13.10 kN·m，ZPB5彎矩設(shè)計值Mu=16.38 kN·m。試驗值與設(shè)計值接近1，部分疊合板內(nèi)力計算數(shù)值見表4。

表4 部分疊合板內(nèi)力計算數(shù)值一覽表Tab.4 A list of internal force computed values of partial lamination plate

根據(jù)實測試件ZPB1,ZPB2,…,ZPB5實驗分級加載數(shù)值，以及鋼筋應(yīng)變值，分別繪制鋼筋荷載-應(yīng)變曲線，試件ZPB1,ZPB2,…,ZPB5鋼筋荷載-應(yīng)變曲線如圖9所示。

(a)單跨鋼筋荷載-應(yīng)變曲線

(b)跨中板底鋼筋應(yīng)變曲線

(c)連接區(qū)板面鋼筋應(yīng)變

依據(jù)施工階段無需支撐條件下，疊合式受彎構(gòu)件內(nèi)力計算公式(H.0.2-1～H.0.2-3)，以及結(jié)構(gòu)力學(xué)知識，分別計算單向部分疊合板在預(yù)制和疊合2個階段的受彎承載力。預(yù)制階段，單向鋼筋混凝土部分疊合板構(gòu)件簡支承載，雙拼疊合后，連續(xù)跨承載，受彎承載力發(fā)生了變化，先簡支后連續(xù)，形成內(nèi)力重分布現(xiàn)象。

試驗結(jié)果表明：試件ZPB1,ZPB2,…,ZPB5均出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，說明試件疊合效果良好，鋼筋混凝土能夠共同工作。疊合面整體性良好，預(yù)埋孔洞對構(gòu)件受力性能影響很小，沒有剪切破壞現(xiàn)象，與全現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)性能差異很小。

2.3 部分疊合板荷載-撓度曲線

試件的撓度數(shù)值，取跨中位移計讀數(shù)與支座處位移計讀數(shù)的差值。各處位移計的讀數(shù)，取平均值進(jìn)行分析研究。試件ZPB1,ZPB2,…,ZPB5荷載-撓度曲線如圖10所示。

試驗結(jié)果表明：在相同位置疊合，鋼筋率相同、內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同的3塊簡支鋼筋混凝土部分疊合板，以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)相同、連接區(qū)分布鋼筋配筋率不同的2 塊連續(xù)跨鋼筋混凝土部分疊合板，均能正常工作，連接區(qū)鋼筋連接形式有效，且疊合面整體性良好。加載過程，撓度變化差異不大，穩(wěn)定增長，試件內(nèi)部的空心結(jié)構(gòu)對撓度變形無明顯影響。

從開裂荷載、屈服荷載以及加載至極限承載力荷載，3個階段的數(shù)值對比分析來看，ZPB1>ZPB2>ZPB3。說明受拉鋼筋相同配置，受壓區(qū)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)從實心變化到空心結(jié)構(gòu)時，其受力變形符合正常規(guī)律。ZPB5曲線處于ZPB4上方，說明ZPB5在連接區(qū)板面受力鋼筋進(jìn)行加強后，受力性能比ZPB4更強些。

3 結(jié)論

① 新型裝配式鋼筋混凝土部分疊合板受力性能良好。疊合面整體性結(jié)合良好，結(jié)構(gòu)受力較穩(wěn)定，沒有剪切破壞。設(shè)計的預(yù)埋孔洞結(jié)構(gòu)，通過改變空心率，研究構(gòu)件承受荷載、撓度以及裂縫情況，結(jié)果表明，預(yù)埋孔洞對構(gòu)件受力性能影響很小。

② 連續(xù)跨雙拼疊合板連接區(qū)鋼筋連接形式合理有效。通過改變疊合區(qū)板面受拉鋼筋配筋率，對比連續(xù)跨雙拼疊合板試件承受荷載、撓度以及裂縫情況，鋼筋均出現(xiàn)屈服現(xiàn)象。構(gòu)件連接疊合后，結(jié)構(gòu)整體性能良好，鋼筋能正常與混凝土共同工作。

③ 新型裝配式鋼筋混凝土部分疊合板剛度、撓度、裂縫寬度均滿足要求。具有二階段受力特征，先簡支后連續(xù)，緩減了全疊合板的跨中應(yīng)力超前現(xiàn)象，對內(nèi)力重分布有利，具有在工廠生產(chǎn)本系列產(chǎn)型產(chǎn)品的推廣價值。