疊合式雙向板鋼筋受力性能的試驗分析與研究

吳 松， 沈小璞

（安徽建筑大學 土木工程學院，安徽 合肥 230022）

0 引 言

二十一世紀以來，我國的經(jīng)濟發(fā)展突飛猛進，進一步加大了對房屋住宅的建造需求?，F(xiàn)場澆筑的構(gòu)件具有抗震性能好、結(jié)構(gòu)整體性好的優(yōu)點，但是對模板的用量特別大，而且施工周期很長，使生產(chǎn)很難實現(xiàn)工業(yè)化，嚴重阻礙和影響了住宅建設(shè)的發(fā)展，根本不能滿足現(xiàn)階段人們對住房的需求。預(yù)制構(gòu)件倒是能夠?qū)崿F(xiàn)建筑構(gòu)件的工業(yè)化，構(gòu)件的制作不受季節(jié)和氣候的限制，也可以提高構(gòu)件的質(zhì)量，并且施工的速度很快，可以節(jié)省大量的模板和支撐，但是整體性比較差、不利于抗震、抗?jié)B性差。怎樣才能合二為一？應(yīng)對于這種要求，應(yīng)運而生的就出現(xiàn)了疊合結(jié)構(gòu)，其中疊合板結(jié)構(gòu)就是屬于其中的一種，疊合板兼有傳統(tǒng)現(xiàn)澆板和預(yù)制板的優(yōu)點，分為預(yù)制、現(xiàn)澆二部分組合而成，預(yù)制部分在預(yù)制構(gòu)件加工廠完成，施工時吊裝就位，現(xiàn)澆部分則是在預(yù)制板面上完成，預(yù)制板既作為永久模板而無需木模板，又作為樓板的一部分共同承擔使用荷載［1］。疊合結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)使模板的用量大大減少，但是隨著科技的騰飛，房屋的建造如雨后春筍，這樣一來，鋼筋用量又面臨著一個新的挑戰(zhàn)。怎樣才能合理的使用鋼筋、節(jié)省鋼筋用量？本文一方面通過疊合板與現(xiàn)澆板的對比，得出此類疊合板類似于現(xiàn)澆雙向板，另一方面，也驗證了此種疊合板的配筋是合理的，滿足規(guī)范要求的。

1 試驗研究概況

針對三組雙向板在均布荷載下的驗證性實驗，即普通全現(xiàn)澆雙向板B－1作為對照，B－3、B－4為兩拼疊合式雙向板（B－2板由于沒有捕捉到與現(xiàn)澆板對應(yīng)的鋼筋應(yīng)變，所以沒有采用），采用兩塊厚6cm的預(yù)制板拼接后現(xiàn)澆而成，所有板均為足尺板，其尺寸是考慮到實際應(yīng)用需要來確定的。

1．1 試驗尺寸形狀

1．2 試件材料性能

預(yù)制板混凝土性能參數(shù)見附表，現(xiàn)澆板的制作采用商品混凝土，混凝土強度等級為C25，所使用鋼筋均為HRB400鋼筋，混凝土的性能參數(shù)和鋼筋性能參數(shù)見表1和表2所示。

表1 混凝土性能參數(shù)

表2 鋼筋性能參數(shù)

1．3 加載制度

試驗板四周簡支于實驗臺座上，試件加載荷載采用重10Kg的鑄鐵塊，鋼筋應(yīng)變數(shù)據(jù)采集采用泰斯特靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀。加載方案:B－1、B－3、B－4第一級和第二級每級加載2．02kN／m2，第三極和第四級每級加載1．01kN／m2，以后每級加載0．673kN／m2，第十二級開始使用每袋重20kg的沙袋，平鋪于鐵塊上，每級仍為0．673kN／m2，直至破壞［4］。

1．4 鋼筋的應(yīng)力——應(yīng)變曲線

圖1 鋼筋應(yīng)力——應(yīng)變曲線

鋼筋的應(yīng)力——應(yīng)變曲線如圖1所示，鋼筋單調(diào)加載的應(yīng)力——應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系按下列公式確定［2］:

式中，Es——鋼筋的彈性模量；

σs—— 鋼筋應(yīng)力；

εs—— 鋼筋應(yīng)變；

fy，r—— 鋼筋的屈服強度代表值，其值可根據(jù)實際結(jié)構(gòu)分析需要分別取fst、fyk或fym；

fst，r——鋼筋的屈服強度代表值，其值可根據(jù)實際結(jié)構(gòu)分析需要分別取fst、fstk或fstm；

εy—— 與fy，r相應(yīng)的鋼筋屈服應(yīng)變，可取fy，r／Es；

εuy——鋼筋硬化起點應(yīng)變；

εu—— 與fst，r相應(yīng)的鋼筋峰值應(yīng)變；

κ——鋼筋硬化段斜率，即

2 鋼筋應(yīng)變片布置

鋼筋應(yīng)變片的布置根據(jù)所做試驗構(gòu)件（即全現(xiàn)澆雙向板和疊合式雙向板），以及板上作用荷載的對稱性來考慮的。同時，考慮到在板底可能出現(xiàn)裂縫的位置（如雙向板塑性鉸線）也布置了鋼筋應(yīng)變片，本文中選取的測點為跨中、離跨中稍遠的點來對比分析（因為這些點的應(yīng)變數(shù)據(jù)正好是應(yīng)變片能夠捕捉到的），具體板中的鋼筋應(yīng)變片布置詳見如下圖2～圖4所示。

圖2 現(xiàn)澆板（B－1）應(yīng)變片布置圖

圖3 疊合板（B－3）應(yīng)變片布置圖

圖4 疊合板（B－4）應(yīng)變片布置圖

3 板鋼筋應(yīng)變的試驗現(xiàn)象與分析

現(xiàn)象:（B－3板測點7與現(xiàn)澆板測點9為相應(yīng)板的跨中測點），由圖5可以看出，當荷載加到第十級13KN／m2時，現(xiàn)澆板9號測點和疊合板7號測點都出現(xiàn)拐點，但9號測點應(yīng)變遞增的較快，當荷載達到第十二級14．35KN／m2時，9號測點先屈服，在此荷載作用下，7號測點還沒有達到屈服強度，當荷載達到第十五級16．37KN／m2時，7號測點屈服。

圖5 （B－3）板測點7與現(xiàn)澆板測點9對比分析

分析:在彈性階段，現(xiàn)澆板和疊合板（B－3）的受力大小基本上差不多，都呈線性關(guān)系；在彈塑性階段，由于拼縫對疊合板的影響，使疊合板的局部承載力降低［5］，所以疊合板比現(xiàn)澆板所受的應(yīng)力略大，先進入彈塑性階段；在塑性階段，現(xiàn)澆板出現(xiàn)拐點，應(yīng)變遞增較快，先達到屈服，而疊合板雖然受拼縫的影響，但是影響不大，荷載——應(yīng)變曲線的變化趨勢一致，該階段，在相同荷載情況下，疊合板鋼筋所受的應(yīng)力比現(xiàn)澆板小，本塊疊合板的強度比現(xiàn)澆板要高。

由配筋反算出現(xiàn)澆板所能承受的荷載標準值為7．07KN／m2，對應(yīng)的9號測點的應(yīng)變?yōu)?8．4，由（1）式算出相應(yīng)的應(yīng)力為13．68MPa；疊合板（B－3）所能承受的荷載標準值為8．51KN／m2，對應(yīng)的7號測點的應(yīng)變?yōu)?23．3，由（1）式算出相應(yīng)的應(yīng)力為24．7MPa。

圖6 （B－4）板測點3與現(xiàn)澆板測點9對比分析

現(xiàn)象:B－4板測點3與現(xiàn)澆板測點9為相應(yīng)板的跨中測點（測點3為正跨中旁邊的測點，離跨中特別近，我們認為此測點能夠捕捉到跟跨中測點相差不大的鋼筋應(yīng)變，所以選取3號測點來對比分析），由圖6可以看出，當荷載加到第十級13KN／m2時，現(xiàn)澆板9號測點出現(xiàn)拐點，應(yīng)變遞增的較快，當荷載達到第十二級14．35KN／m2時，9號測點先屈服，在此荷載作用下，3號測點還沒有達到屈服強度，當荷載達到第十六級17．05KN／m2時，3號測點屈服。

分析:在彈性階段，疊合板（B－4）和現(xiàn)澆板的受力基本上差不多，都呈線性關(guān)系；在彈塑性階段，現(xiàn)澆板的鋼筋應(yīng)力比疊合板略大，說明本塊板的拼縫對疊合板剛度的影響不大；塑性階段，現(xiàn)澆板出現(xiàn)大的拐點，應(yīng)變遞增較快，先達到屈服，疊合板進入塑性階段比現(xiàn)澆板要慢，能夠承受更大的荷載，荷載——應(yīng)變曲線的變化趨勢一致，該階段，在相同荷載情況下，疊合板鋼筋所受的應(yīng)力比現(xiàn)澆板小，本塊疊合板的強度比現(xiàn)澆板要高。

由配筋反算出現(xiàn)澆板所能承受的荷載標準值為7．07KN／m2，對應(yīng)的9號測點的應(yīng)變?yōu)?8．4，由（1）式算出相應(yīng)的應(yīng)力為13．68MPa；疊合板（B－4）所能承受的荷載標準值為8．51KN／m2，對應(yīng)的3號測點的應(yīng)變?yōu)?3．7，由（1）式算出相應(yīng)的應(yīng)力為4．74MPa。

圖7 （B－4）板測點15與現(xiàn)澆板測點3對比分析

現(xiàn)象:B－4板測點15與現(xiàn)澆板測點3為相應(yīng)板的離跨中較遠的測點（位置上是對應(yīng)的，都在板的45度正塑性鉸線上）由圖7可以看出，當荷載加到第十級13KN／m2時，現(xiàn)澆板3號測點和15號測點都出現(xiàn)拐點，但是3號測點應(yīng)變遞增的較快，15號測點應(yīng)變遞增的較慢，當荷載達到第十三級15．02KN／m2時，3號測點先屈服，在此荷載作用下，15號測點還沒有達到屈服強度，當荷載達到第十九級19．3KN／m2時，15號測點屈服。

分析:在彈性階段，疊合板（B－4）和現(xiàn)澆板的受力基本上差不多，都呈線性關(guān)系；在彈塑性階段，疊合板由于受拼縫的影響，剛度減弱，先進入彈塑性階段，所受的鋼筋應(yīng)力比現(xiàn)澆板略大；塑性階段，現(xiàn)澆板出現(xiàn)拐點，應(yīng)變遞增較快，先達到屈服，疊合板應(yīng)變遞增的速率較小，能夠承受更大的荷載，荷載——應(yīng)變曲線的變化趨勢一致，該階段，在相同荷載情況下，疊合板鋼筋所受的應(yīng)力比現(xiàn)澆板小，本塊疊合板的強度比現(xiàn)澆板要高。

由配筋反算出現(xiàn)澆板所能承受的荷載標準值為7．07KN／m2，對應(yīng)的3號測點的應(yīng)變?yōu)?7．6，由（1）式算出相應(yīng)的應(yīng)力為17．5MPa；疊合板（B－4）所能承受的荷載標準值為8．51KN／m2，對應(yīng)的15號測點的應(yīng)變?yōu)?09，由（1）式算出相應(yīng)的應(yīng)力為21．8MPa。

圖8 （B－4）板測點10與（B－3）板測點18對比分析

現(xiàn)象:B－4板測點10為長方向上的跨中測點，B－3板測點18為拼縫處現(xiàn)澆層構(gòu)造鋼筋上的測點，（位置上是對應(yīng)的，一個在預(yù)制板的長方向上跨中，一個在上部現(xiàn)澆層的拼縫跨中）。由圖8可以看出，B－3板的18號測點在荷載達到第十一級13．67KN／m2時，出現(xiàn)拐點，應(yīng)變遞增；而10號測點應(yīng)變很小，幾乎不受力。

分析:在彈性階段，二個測點的受力基本上差不多，都呈線性關(guān)系；在彈塑性階段，拼縫上部構(gòu)造鋼筋較先受力，而預(yù)制板長方向跨中的鋼筋應(yīng)力很小，在塑性階段，拼縫上部構(gòu)造鋼筋應(yīng)變遞增，應(yīng)力增大，下部預(yù)制板長方向鋼筋應(yīng)力依然很小，由此說明在拼縫處的應(yīng)力傳遞是通過上部構(gòu)造鋼筋來傳遞的［6］，疊合板在長方向上也是受力的，故而疊合板是雙向受力的。

由配筋反算出疊合板（B－3）所能承受的荷載標準值為8．51KN／m2，對應(yīng)的18號測點的應(yīng)變?yōu)?9，由（1）式算出相應(yīng)的應(yīng)力為17．8MPa；疊合板（B－4）所能承受的荷載標準值為8．51KN／m2，對應(yīng)的10號測點的應(yīng)變?yōu)椋?3，由（1）式算出相應(yīng)的應(yīng)力為10．6MPa。

總述，上圖各條曲線對應(yīng)的荷載標準值，由（1）式算出相應(yīng)的應(yīng)力。很顯然標準值下對應(yīng)的應(yīng)力很小，遠遠小于《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中要求的鋼筋的屈服強度標準值400MPa，因此在配筋設(shè)計時，是滿足規(guī)范設(shè)計要求的。

由上述各圖對比可以看出:現(xiàn)澆板9號測點比3號測點受力大、（B－4）板3號測點比15號測點受力大、（B－4）板3號測點比（B－3）板7號測點受力略?。?號測點位于跨中拼縫旁，受力大），即板跨中受力比板四周受力要大；B－3板跨中7號測點、（B－4）板3號測點應(yīng)力比現(xiàn)澆板9號測點要小，說明疊合板承載能力較強。

4 結(jié) 論

（1）在相同位置處鋼筋應(yīng)變片處于在彈性階段的應(yīng)變變化趨勢基本相同，由此可以看出預(yù)制件與現(xiàn)澆部分之間的內(nèi)力傳遞與整體現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)沒有太大差別。

（2）疊合式雙向板在荷載標準值下的鋼筋應(yīng)力很小，遠小于鋼筋的屈服強度。

（3）在相同荷載作用下，現(xiàn)澆板在疊合板之前達到屈服，說明疊合板的承載能力較強。

（4）疊合板與現(xiàn)澆板的受力趨勢基本上一致，說明疊合板具有明顯的雙向板特性。

1 周緒紅，張微偉，吳方伯，等．預(yù)應(yīng)變混凝土四邊簡支雙向疊合板的設(shè)計方法［J］．建筑科學與工程學報，2006，23（4）:55－57．

2 聶 磊，袁建偉，黃賽超．混凝土疊合雙向板的內(nèi)力和配筋計算［J］．長沙學院學報，1998，14（3）:80－83．

3 中華人民共和國國家標準．GB 50010－2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］．

4 吳曉莉，杜春光，程文壤．裝配整體式鋼筋混凝土雙向板的構(gòu)造和試驗研究［D］．特種結(jié)構(gòu)，2009，26（2）:36－39．

5 葉獻國，華和貴，徐天爽，等．疊合板拼接構(gòu)造的試驗研究 ［J］．工業(yè)建筑，2010，40（1），59－63．

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