羅斌
(蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730050)
隨著我國(guó)政府層面推廣裝配式建筑力度的不斷加大[1],混凝土疊合板作為裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)的重要部品構(gòu)件,因具有整體性好、施工速度快、節(jié)約模板、可大幅提升建筑預(yù)制率與裝配率等優(yōu)點(diǎn)[2],受到工程界與學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注.與此同時(shí),由于人們對(duì)居住功能要求的日益提高,便于功能分割的大開(kāi)間住宅(6~8 m)逐漸成為民用建筑的發(fā)展趨勢(shì)[3],而實(shí)現(xiàn)靈活大開(kāi)間住宅的關(guān)鍵技術(shù)則是大跨度樓板,因此研發(fā)適用于民用住宅建筑領(lǐng)域的大跨度混凝土疊合板是未來(lái)裝配式混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)展的方向.
在不改變混凝土材料的前提下,利用內(nèi)置輕質(zhì)芯材在樓板中性軸附近彎曲應(yīng)力較小的部位形成空心或空腔的夾芯板、空心板,由于具有構(gòu)件自重輕、剛度大等優(yōu)點(diǎn),是實(shí)現(xiàn)大跨度樓板的優(yōu)異構(gòu)造形式[4].然而,混凝土疊合板是預(yù)制與現(xiàn)澆工藝的結(jié)合.若將具有自重輕、剛度大等優(yōu)點(diǎn)的夾芯板、空心板構(gòu)造形式用于疊合板中,不僅需要其部品構(gòu)件內(nèi)部具有一定的空心率,而且還要具備保證新老混凝土良好傳力性能的疊合面[5].為此,Rahman 等[6],Baran[7]及Ibrahim 等[8]將空心化技術(shù)應(yīng)用在預(yù)制底板中,并通過(guò)試驗(yàn)及理論分析的方法提出了預(yù)制空心疊合板.但這類(lèi)部品構(gòu)件由于將空心化技術(shù)應(yīng)用在預(yù)制底板中,無(wú)法有效降低后澆混凝土層的厚度,因此其組成的疊合板往往存在板厚度較大等缺點(diǎn).
隨后,學(xué)者們[9-11]又相繼提出多種形式的后置內(nèi)膜式預(yù)制混凝土空心疊合板(即在施工現(xiàn)場(chǎng),待預(yù)制實(shí)心混凝土底板吊裝至指定位置后,再在預(yù)制底板上鋪設(shè)輕質(zhì)內(nèi)模芯材,最后澆筑后澆混凝土層而形成的預(yù)制混凝土空心疊合板).但這類(lèi)疊合板構(gòu)件由于將輕質(zhì)內(nèi)模芯材布置在后澆混凝土層中,盡管降低了后澆混凝土層的厚度,避免了所組成疊合板較大的板厚,但其輕質(zhì)內(nèi)模芯材采用后置鋪設(shè)方法,降低了施工速度,無(wú)法體現(xiàn)裝配式技術(shù)的先進(jìn)性.
針對(duì)上述問(wèn)題,結(jié)合課題組前期對(duì)裝配式復(fù)合墻(由截面較小的鋼筋混凝土肋梁、肋柱及內(nèi)置蒸壓加氣混凝土砌塊組成)的研發(fā)及推廣應(yīng)用[12],本次課題組將蒸壓加氣混凝土砌塊(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“加氣塊”)用于疊合板中,提出一種內(nèi)填加氣塊的復(fù)合疊合板(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“復(fù)合疊合板”),開(kāi)展了不同參數(shù)變化(縱肋間距、加氣塊位置、是否存在橫肋)的復(fù)合疊合板與現(xiàn)澆普通混凝土板受彎性能對(duì)比試驗(yàn),分別從承載能力、彎曲剛度、截面整體工作性能等影響受彎性能的力學(xué)指標(biāo)參數(shù)開(kāi)展研究,對(duì)比分析了常規(guī)現(xiàn)澆板與復(fù)合疊合板受彎性能的異同;在此基礎(chǔ)上,重點(diǎn)研究了不同參數(shù)變化對(duì)復(fù)合疊合板彎曲剛度的影響機(jī)理;依據(jù)影響主次因素,分別提出了適宜于不同受力階段及不同構(gòu)造形式的疊合板短期彎曲剛度計(jì)算公式,得到的數(shù)據(jù)和結(jié)論可為該類(lèi)疊合板后續(xù)定型化研究及推廣應(yīng)用提供參考.
共設(shè)計(jì)了5 塊單向板試件,試件基本參數(shù)見(jiàn)表1.LS-1~ LS-4 為本次提出的復(fù)合疊合板試件,LS-5為用于對(duì)比的普通現(xiàn)澆板.4塊復(fù)合疊合板中加氣塊采用A3.5級(jí);LS-5與4塊復(fù)合疊合板(預(yù)制底板及后澆混凝土層)混凝土均采用普通C30 級(jí).4 塊復(fù)合疊合板的預(yù)制底板及LS-5 的底部縱向受拉鋼筋均采用12@150,并采用6@200 的橫向分布鋼筋;LS-1~LS-3 的后澆層及LS-5 的頂部分別配置10@150的縱向受拉鋼筋及6@300 的橫向分布鋼筋;為防止LS-1、LS-2 及LS-4 中橫肋素混凝土在加載前開(kāi)裂,在其橫肋上、下各設(shè)置了2 根6 的構(gòu)造鋼筋;4塊復(fù)合疊合板縱肋中的桁架鋼筋采用B140型[13].
表1 試件基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of specimens
本文所提復(fù)合疊合板構(gòu)造見(jiàn)圖1;4 塊用于試驗(yàn)的復(fù)合疊合板具體構(gòu)造形式及配筋詳見(jiàn)圖2.
圖1 復(fù)合疊合板構(gòu)造示意圖Fig.1 Shape diagram of of CCS
圖2 復(fù)合疊合板的幾何尺寸及構(gòu)造(單位:mm)Fig.2 Geometric dimensioning and shape of CCSs(unit:mm)
4 塊復(fù)合疊合板制作過(guò)程主要包括預(yù)制底板及后澆層制作兩道工序:
1)預(yù)制底板制作順序依次為:清理模胎,支放側(cè)模板,涂刷脫模劑,綁扎鋼筋網(wǎng),布置鋼筋應(yīng)變片,澆筑50 mm 厚混凝土,之后將浸泡24 h 后的加氣塊(用以保證其與混凝土的黏接性)放入設(shè)計(jì)指定位置[12],再澆筑50 mm 混凝土,待混凝土初凝后將所露的混凝土表面進(jìn)行人工粗糙面處理[13].
2)后澆層制作工序順序依次為:以預(yù)制底板為底部模板支放側(cè)部模板,涂刷脫模劑,澆筑后澆層混凝土至距板頂20 mm 處,放入后澆層構(gòu)造鋼筋網(wǎng),繼續(xù)澆筑至試件頂,形成復(fù)合疊合板.
5 塊試件為同批次制作.試件澆筑時(shí),同期制作邊長(zhǎng)為150 mm 的標(biāo)準(zhǔn)立方體及邊長(zhǎng)為150 mm×150 mm×300 mm 的標(biāo)準(zhǔn)棱柱體試塊(每種尺寸均為3塊),標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后,實(shí)測(cè)4塊復(fù)合疊合板的預(yù)制底板及試件LS-5 所用混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度平均值為32.2 MPa,軸心抗壓強(qiáng)度平均值為18.9 MPa;4塊復(fù)合疊合板的后澆層混凝土立方體抗壓強(qiáng)度平均值為27.7 MPa,軸心抗壓強(qiáng)度平均值為17.6 MPa.實(shí)測(cè)試件中12鋼筋的屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度平均值分別為420 MPa、598 MPa;10鋼筋屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度平均值分別為411 MPa、583 MPa.
試驗(yàn)采用在板跨度三分點(diǎn)位置施加2 個(gè)相等的豎向集中荷載模擬均布荷載的方法,加載點(diǎn)使用30 t 油壓千斤頂,加載裝置如圖3所示.
圖3 試件靜載加載現(xiàn)場(chǎng)Fig.3 Loading test site of specimens
當(dāng)試件達(dá)到跨中撓度超過(guò)跨度的1/50、后澆層頂部混凝土被壓碎、底部受拉縱筋被拉斷、試件斷裂或試件表面出現(xiàn)剝落的條件之一時(shí),認(rèn)定試件已達(dá)到承載能力極限狀態(tài)并停止加載[14].
試件中鋼筋應(yīng)變片貼于板底縱向受拉鋼筋跨中位置;位移計(jì)及混凝土應(yīng)變片布置如圖4所示.
圖4 試件的混凝土應(yīng)變及位移計(jì)測(cè)點(diǎn)布置(單位:mm)Fig.4 Location of strain gauges and LVDTs of specimens(unit:mm)
5塊試件最終破壞均是由于撓度、最大裂縫或者受拉主筋應(yīng)變值超過(guò)限值要求而破壞.由圖5(試件最終裂縫分布圖)及表2(試驗(yàn)實(shí)測(cè)各試件特征荷載值)可看出:
表2 試件特征荷載Tab.2 Characteristic loads of specimens kN
圖5 試件裂縫分布Fig.5 Crack distribution of specimens
1)LS-5 的開(kāi)裂荷載分別比LS-1~LS-4 大64.71%、79.48%、75%、75%,但隨著荷載的增加,其屈服荷載卻分別比LS-1~LS-4 小38.58%、30.20%、29.71%、22.81%;試件破壞時(shí),LS-5 的極限荷載分別比LS-1~LS-4 小32.17%、28.27%、26.60%、27.30%.本文認(rèn)為造成這一現(xiàn)象的原因主要是4 塊復(fù)合疊合板內(nèi)部配置鋼筋桁架所致[15].
2)4塊復(fù)合疊合板的開(kāi)裂荷載相差不大,說(shuō)明本次所設(shè)計(jì)的4 種構(gòu)造形式對(duì)開(kāi)裂荷載影響不大.但隨著荷載增加,試件承載能力差異逐漸顯現(xiàn),LS-1的屈服荷載及極限荷載最高,說(shuō)明縱肋間距對(duì)后期承載能力影響較大.
2.2.1 荷載-撓度曲線(xiàn)
由圖6 所示荷載(F)-跨中撓度(δ)曲線(xiàn)分析知(圖中試驗(yàn)所測(cè)撓度值為依據(jù)文獻(xiàn)[14]中的規(guī)定,乘以修正系數(shù)ψ(0.98)后的值):
圖6 試件荷載-跨中撓度曲線(xiàn)Fig.6 Load-deflection curves at mid-span of specimens
1)5 塊試件的曲線(xiàn)均呈明顯的三段式分布.加載初期,曲線(xiàn)近似為一條直線(xiàn),此時(shí)試件剛度較大,撓度較??;當(dāng)?shù)撞渴芾瓍^(qū)混凝土開(kāi)裂后,由于試件的彎曲剛度的減小,曲線(xiàn)均出現(xiàn)第一個(gè)明顯的拐點(diǎn);此后曲線(xiàn)呈現(xiàn)攀爬式的曲線(xiàn)特征,隨著受拉鋼筋逐漸屈服,曲線(xiàn)出現(xiàn)第二個(gè)明顯的拐點(diǎn);此后隨加載的繼續(xù),除LS-4 外,其他試件的曲線(xiàn)趨勢(shì)基本呈平行于撓度軸一側(cè)發(fā)展,呈現(xiàn)破壞前較好的彎曲變形特征.
2)4 塊復(fù)合疊合板在同級(jí)荷載作用下,LS-1 的撓度最小,說(shuō)明縱肋間距對(duì)提高試件彎曲剛度最為顯著;LS-2 與LS-3 的曲線(xiàn)較為接近,尤其是在彈性階段曲線(xiàn)基本重合,說(shuō)明是否設(shè)置橫肋對(duì)試件的彎曲剛度影響較小;LS-4 的撓度最大,且在加載后期從曲線(xiàn)看出有滑移現(xiàn)象出現(xiàn)(見(jiàn)2.3節(jié)),說(shuō)明加氣塊位置對(duì)試件剛度有較大的影響.
2.2.2 荷載-鋼筋應(yīng)變曲線(xiàn)
由圖7 所示各試件的荷載(F)-跨中縱筋應(yīng)變(ε)曲線(xiàn)分析知:
圖7 試件荷載-鋼筋應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.7 Load-rebar strain curves at mid-span of specimens
1)5 塊試件曲線(xiàn)均呈三段式發(fā)展,同時(shí)由于4 塊復(fù)合疊合板在縱肋中配置了桁架鋼筋,有效分擔(dān)了底部縱向受拉鋼筋所受的拉應(yīng)力,因此在同級(jí)荷載作用下,其鋼筋應(yīng)變值均小于LS-5[16].
2)4塊復(fù)合疊合板在同級(jí)荷載作用下,由于試件LS-1 的桁架鋼筋數(shù)量要比其他3 塊試件多1 道,其分擔(dān)底部鋼筋的拉應(yīng)力作用也較其他3 塊要更顯著一些,進(jìn)而其板底縱向受力鋼筋的應(yīng)變?cè)谕?jí)荷載下小于其他3塊復(fù)合疊合板.在鋼筋屈服前,LS-2與LS-3 底部縱向受拉鋼筋應(yīng)變較為接近,僅在破壞階段,試件LS-2 的受拉鋼筋應(yīng)變值略大于LS-3,說(shuō)明橫肋對(duì)試件受拉鋼筋受力影響較為微弱;LS-4 底部縱向受拉鋼筋拉應(yīng)變?cè)谑軓澾^(guò)程中均大于LS-2,但破壞階段,由于LS-4 出現(xiàn)滑移(見(jiàn)2.3 節(jié)),造成板底縱向受拉鋼筋未出現(xiàn)屈服平臺(tái)階段,而在后期一致保持直線(xiàn)上升,說(shuō)明加氣塊位置對(duì)試件底部縱向受拉鋼筋受力有一定影響.
圖8 所示為布置于4 塊復(fù)合疊合板的預(yù)制底板與后澆層之間板端位移計(jì)所測(cè)得的試件板端荷載(F)-滑移(Δ)曲線(xiàn),可以看出:
圖8 復(fù)合疊合板荷載-板端滑移曲線(xiàn)Fig.8 Load-slip curves of CCSs
1)4 塊復(fù)合疊合板在彈性階段中預(yù)制底板與后澆層均保持良好的協(xié)同工作性能,均未出現(xiàn)滑移現(xiàn)象.
2)進(jìn)入彈塑性階段,尤其到加載后期的破壞階段,4 塊復(fù)合疊合板中,LS-4 出現(xiàn)了明顯的預(yù)制底板與后澆層間的滑移現(xiàn)象,結(jié)合圖6 也可看出,在加載后期其荷載-撓度曲線(xiàn)也由于滑移現(xiàn)象而呈現(xiàn)曲線(xiàn)繼續(xù)上升的趨勢(shì),說(shuō)明該類(lèi)疊合板中加氣塊位置對(duì)是否出現(xiàn)預(yù)制底板與后澆層之間的滑移有較大影響[17-18].
3.1.1 縱肋
舉一個(gè)例子,現(xiàn)在進(jìn)行時(shí)有兩層含義:當(dāng)下此刻正在發(fā)生,以及最近一段時(shí)間正在發(fā)生。當(dāng)學(xué)生學(xué)習(xí)現(xiàn)在進(jìn)行時(shí)的意義時(shí),可能對(duì)這兩層含義有所混淆,不是很理解,這時(shí),教師就可以列舉不同組的例子,讓學(xué)生感受其不同:I am writing a novel now/I am writing a novel recently;She is dancing at this moment/She is dancing these weeks.多樣的簡(jiǎn)單句便可以很好呈現(xiàn)含義的區(qū)別,學(xué)生理解不再有困難,學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)也會(huì)加強(qiáng)。
從本次試驗(yàn)所得到的圖9 中LS-1 與LS-2 在整個(gè)加載過(guò)程中的彎曲剛度(提取圖6 中的切線(xiàn)所繪制)也可看出:在荷載值為(0~40%)Fy時(shí),試件LS-1的彎曲剛度明顯大于試件LS-2;隨著荷載的增加,兩塊試件的剛度逐漸接近.本文認(rèn)為,造成這一現(xiàn)象的原因主要是試件LS-1 的縱肋間距最小,所以其在受彎過(guò)程中,剪力滯后效應(yīng)影響最小,使得正截面受彎較為均勻,而在彈塑性階段后期,由于內(nèi)力重分布作用,使得剪力滯后效應(yīng)有所緩解[19-20].
圖9 LS-1與LS-2抗彎剛度對(duì)比曲線(xiàn)Fig.9 Comparison curve of bending stiffness between LS-1 and LS-2
3.1.2 橫肋
由圖10 所示LS-2 與LS-3 的彎曲剛度對(duì)比圖(方法同圖9)可看出,在整個(gè)加載過(guò)程中兩者剛度值及變化趨勢(shì)基本一致,說(shuō)明橫肋對(duì)單向受力復(fù)合疊合板彎曲剛度影響較小.
圖10 LS-2與LS-3抗彎剛度對(duì)比曲線(xiàn)Fig.10 Comparison curve of bending stiffness between LS-2 and LS-3
3.1.3 加氣塊
文獻(xiàn)[21]研究表明,內(nèi)置磚塊填充體對(duì)雙向低肋大跨度板彎曲剛度貢獻(xiàn)較小,可僅將其作為恒荷載考慮;《現(xiàn)澆混凝土空心樓蓋技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 268—2012)[22]也規(guī)定,“且只有填充體彈性模量為混凝土彈性模量的10%以上時(shí),其才會(huì)參與樓板的受力”.
本次試件的填充體均為加氣塊,其彈性模量?jī)H為混凝土的3.67%,且由圖11(LS-2與現(xiàn)澆板彎曲剛度對(duì)比圖)可看出:在整個(gè)加載過(guò)程中,加氣塊僅在彈性階段(80%Fcr以?xún)?nèi))對(duì)試件受彎性能有一定影響;隨著荷載增加,其影響逐步減弱.因此單向復(fù)合疊合板在受彎過(guò)程中的受力性能可視同空心板來(lái)分析計(jì)算.
圖11 LS-2與LS-5抗彎剛度對(duì)比曲線(xiàn)Fig.11 Comparison curve of bending stiffness between LS-2 and LS-5
基于以上分析,本次對(duì)4 塊復(fù)合疊合板短期彎曲剛度計(jì)算采用以下假定:
1)所有試件的彎曲過(guò)程均滿(mǎn)足平截面假定;2)開(kāi)裂前、后彎曲剛度均采用基于有效慣性矩的計(jì)算方法;3)試件開(kāi)裂前的縱肋簡(jiǎn)化:采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》(GB 50010—2010)[23](以下簡(jiǎn)稱(chēng)“《混規(guī)》”)中對(duì)梁類(lèi)試件有效翼緣寬度的計(jì)算方法;4)不考慮填充體及橫肋.
3.2.1 開(kāi)裂前彎曲剛度
選取跨中位置截面作為研究對(duì)象,4塊復(fù)合疊合板在開(kāi)裂前截面彎曲剛度計(jì)算公式為:
式中:B0表示開(kāi)裂前試件跨中正截面彎曲剛度;E0為混凝土初始彈性模量;I0為開(kāi)裂前正截面的換算慣性矩(依據(jù)圖12的計(jì)算模型計(jì)算).
圖12 開(kāi)裂前正截面計(jì)算模型Fig.12 Calculation model of section before cracking
圖12 中:As與As′分別為底板縱向受拉鋼筋面積及頂部受拉鋼筋面積(計(jì)入鋼筋桁架下弦);b′f1、b′f2分別為依據(jù)《混規(guī)》中倒L形、T形截面換算的有效翼緣計(jì)算寬度;x0為依據(jù)上述模型換算后的中性軸上部受壓區(qū)截面高度;h0為試件有效截面高度.
3.2.2 開(kāi)裂后彎曲剛度
選取跨中正截面作為研究對(duì)象,在混凝土開(kāi)裂后4塊復(fù)合疊合板彎曲剛度計(jì)算公式為:
式中:Beff為試件開(kāi)裂后的彎曲剛度;Ieff表示有效慣性矩,采用美國(guó)《鋼筋混凝土房屋設(shè)計(jì)規(guī)范》(ACI 318M—05)中的計(jì)算方法[24](在I0與Icr之間進(jìn)行插值計(jì)算得出):
式中:Icr為不考慮底部受拉區(qū)混凝土的截面慣性矩,采用圖13 的計(jì)算模型計(jì)算;Mcr為截面開(kāi)裂荷載,采用公式Mcr=γftkW0計(jì)算,具體取值及含義見(jiàn)《混規(guī)》;M為試件所受彎矩.
圖13 彈塑性階段正截面計(jì)算模型Fig.13 Calculation model of section in elastoplastic
公式(4)為三分點(diǎn)集中荷載作用下試件跨中截面撓度計(jì)算公式.
式中:F為試件所受荷載值;B為短期彎曲剛度,其值依據(jù)3.2 節(jié)中開(kāi)裂前、后的各試件彎曲剛度公式計(jì)算;l0為試件計(jì)算跨度.
取0~Fy之間的實(shí)測(cè)荷載值計(jì)算所得4 塊疊合板試件的短期撓度與試驗(yàn)值的荷載撓度對(duì)比曲線(xiàn)(見(jiàn)圖14)可以看出:在荷載值為0~Fcr時(shí),LS-1的計(jì)算值與試驗(yàn)值之間平均誤差為8.66%、LS-2 為3.31%、LS-3 為11.30%、LS-4 為12.30%;在荷載值為Fcr~Fy時(shí),試件LS-1 的計(jì)算值與試驗(yàn)值之間相對(duì)平均誤差為12.04%、LS-2 為12.48%、LS-3 為12.82%、LS-4 為19.21%.
圖14 試驗(yàn)與計(jì)算荷載-跨中撓度對(duì)比曲線(xiàn)Fig.14 Comparison curve between test and calculation load-deflection curves at mid-span
由此可見(jiàn),按上述方法計(jì)算的試件LS-1、LS-2及LS-3 計(jì)算值與試驗(yàn)值誤差均在10%左右,具有一定參考價(jià)值.而試件LS-4 在開(kāi)裂后計(jì)算值與試驗(yàn)值誤差較大,本文認(rèn)為,這是由于其后期出現(xiàn)部分滑移現(xiàn)象所導(dǎo)致的.
1)復(fù)合疊合板與普通混凝土現(xiàn)澆板的受彎破壞過(guò)程類(lèi)似,破壞前均有較明顯的特征,且裂縫分布也基本相似,呈典型的單向板破壞模式,現(xiàn)澆板的開(kāi)裂荷載高于復(fù)合疊合板,但屈服荷載及極限承載能力均低于復(fù)合疊合板.
2)不同的構(gòu)造形式對(duì)復(fù)合疊合板的受彎性能有一定影響,依據(jù)分析,其影響因素從大到小依次為:縱肋>填充塊是否外露>橫肋.其中:a)縱肋間距的增大會(huì)造成頂部薄板剪力滯后效應(yīng),進(jìn)而影響試件在加載前期的剛度及承載能力的發(fā)揮;b)加氣塊及橫肋對(duì)試件彎曲剛度的貢獻(xiàn)基本可忽略不計(jì);3)加氣塊頂置會(huì)造成該類(lèi)板件出現(xiàn)滑移.
3)本文建議該類(lèi)復(fù)合疊合板的短期彎曲剛度在彈性階段可采用《混范》中對(duì)受彎構(gòu)件受壓區(qū)的有效翼緣寬度計(jì)算方法計(jì)算正截面的開(kāi)裂前彎曲剛度;在彈塑性階段可采用不考慮加氣塊及橫肋的全截面計(jì)算彎曲剛度方法.