預(yù)制混凝土保溫空心樓板抗彎力學(xué)性能試驗(yàn)研究

肖凌云 ，張炳順 ，沈萬玉 ，田朋飛

（安徽富煌鋼構(gòu)股份有限公司，安徽 合肥 230088）

建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化，特別是裝配式建筑是實(shí)現(xiàn)我國住宅體系趨于高效、節(jié)能、環(huán)保的必然選擇，而裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系是實(shí)現(xiàn)我國住宅產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化的一種新型結(jié)構(gòu)體系[1-3]。其中預(yù)制混凝土保溫空心樓板（以下簡(jiǎn)稱“空心樓板”）與傳統(tǒng)的預(yù)制樓板相比，結(jié)構(gòu)自重輕，施工方便，節(jié)省鋼筋、混凝土、模板用量和施工，制作工業(yè)化、施工裝配化等優(yōu)勢(shì)[4-5]，因此混凝土保溫空心樓板的研究已成為目前建筑領(lǐng)域中熱點(diǎn)問題。目前，對(duì)于現(xiàn)澆空心板的研究較多[6-8]，針對(duì)預(yù)制空心樓板整體式拼縫連接的受彎性能試驗(yàn)研究前人也做了大量的工作[9]，但是對(duì)于預(yù)制混凝土保溫空心樓板抗彎性能實(shí)驗(yàn)研究較少。本文以實(shí)際工程項(xiàng)目為背景，針對(duì)預(yù)制混凝土保溫空心樓板抗彎性能開展研究，通過對(duì)上述預(yù)制混凝土保溫空心樓板理論分析及試驗(yàn)研究，來評(píng)估此種預(yù)制混凝土空心板在荷載作用下能否滿足持久設(shè)計(jì)狀況下的承載力、變形、裂縫控制要求，泡沫下層混凝土的厚度對(duì)板的力學(xué)性能影響如何。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

試件采用高強(qiáng)鋼滾軸來模擬與梁線支撐，在保證預(yù)制板厚度及空心率不變的情況下根據(jù)泡沫板下部的混凝土板厚變化情況設(shè)計(jì)了S1～S3三個(gè)試件，各試件具體參數(shù)見表1

試件具體參數(shù) 表1

試件S1、S2、S3配筋完全相同，圖1為試件S3具體尺寸和配筋。

圖1 S1尺寸及配筋圖（單位：mm）

1.2 材料力學(xué)性能

試件混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度均值為fcu=31.26 MPa，直徑為6 mm的鋼筋屈服強(qiáng)度均值fy1=452.50 MPa，極限強(qiáng)度均值為fu1=600.00 MPa。直徑為10 mm的加強(qiáng)筋屈服強(qiáng)度為fy2=455.00 MPa，極限強(qiáng)度均值為fu2=617.50 MPa。

1.3 試驗(yàn)裝置與測(cè)量方案

試件S1、S2、S3采用均布荷載塊（沙袋）堆載法，荷重塊（沙袋）應(yīng)按區(qū)格成垛堆放，垛與垛之間間隙取100mm（不應(yīng)低于50mm，以免形成拱作用），塊堆取6個(gè)。采用滾軸模擬簡(jiǎn)支，試件加載采用重物（沙袋）直接加載來模擬荷載（不包括樓板自重）。其中取墻體自重4.34kN/m2作為第一級(jí)荷載，其他每級(jí)荷載增加1kN/m2。試件制作時(shí)在鋼筋表面預(yù)埋已矯正后的應(yīng)變片，用來測(cè)量實(shí)驗(yàn)過程中鋼筋的應(yīng)變，應(yīng)變片布置如圖2所示。試驗(yàn)在板的寬度兩側(cè)均布置位移計(jì)，每側(cè)在加載位置和跨中各布置3個(gè)位移計(jì)，同時(shí)在兩端支座處各布置1個(gè)位移計(jì)（如圖3所示）。試驗(yàn)過程中測(cè)量外墻板在平面外荷載作用下的撓度、鋼筋應(yīng)變、開裂荷載、屈服荷載等，觀測(cè)裂縫的開展情況，并量測(cè)裂縫寬度。

圖2 堆載區(qū)域示意圖（單位mm）

圖3 鋼筋應(yīng)變片布置圖（單位mm）

圖4 位移計(jì)布置示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 板底跨中荷載-撓度曲線

在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)試件板底跨中點(diǎn)處撓度最大(如圖5所示)，繪制此點(diǎn)荷載-撓度曲線。

圖5 S1、S2、S3板底跨中荷載-撓度曲線

2.2 板底跨中荷載-鋼筋應(yīng)變曲線

在試驗(yàn)過程中通過預(yù)埋的鋼筋應(yīng)變片測(cè)量實(shí)驗(yàn)過程中各個(gè)荷載階段荷載對(duì)應(yīng)的應(yīng)變，并繪制如下圖形。

圖6 S1、S2板底跨中荷載-撓度曲線

圖7 S3板底跨中荷載-撓度曲線

對(duì)比分析試驗(yàn)結(jié)果荷載撓度實(shí)測(cè)曲線及荷載鋼筋應(yīng)變曲線圖5可知，空心樓板在破壞之前的受力過程可分為3個(gè)階段，應(yīng)變曲線如圖6、圖7標(biāo)記所示：

0-a段：試驗(yàn)加載初期，試件荷載-撓度曲線呈線性增長，空心樓板底未開裂，試件抗彎剛度不變，試件受力處于彈性階段。對(duì)比S1和S的荷載-撓度曲線可知，試驗(yàn)開始時(shí)S1較S2和S3斜率較大，即S1表現(xiàn)出更高的抗彎剛度和更好的延性。

a-b段：隨著荷載的增加，試件板底受拉區(qū)混凝土開裂，受拉區(qū)混凝土退出工作，試件抗彎剛度降低，如試件荷載-撓度曲線出現(xiàn)第一個(gè)拐點(diǎn)a，曲線斜率開始下降。S1、S2和 S3荷載-撓度曲線分別在13kN/m2、11.5kN/m2和11kN/m2出現(xiàn)拐點(diǎn)，可知在樓板在厚度與空心率不變的情況下，泡沫板下部的混凝土板厚越大，其抗彎剛度越小，開裂荷載越小。

b-c段：繼續(xù)增加荷載，部分鋼筋受力達(dá)到屈服，試件抗彎剛度下降顯著，其荷載-撓度曲線出現(xiàn)第二個(gè)拐點(diǎn)b，試件受力進(jìn)入彈塑性階段。如圖7所示，可知在樓板在厚度與空心率不變的情況下，泡沫板下部的混凝土板厚越大，屈服荷載越小。

2.3 裂縫開展

試件S1在荷載達(dá)到13kN/m2時(shí)，板底跨中處同時(shí)觀察到兩條明顯裂縫①、②，①號(hào)裂縫寬度為0.12mm，沿短跨方向開展長度約1.1m，②號(hào)裂縫寬度為0.08mm，沿短跨方向開展長度約0.75m，此時(shí)墻板中部A點(diǎn)（見圖9）撓度為2.71mm；當(dāng)荷載達(dá)到13kN/m2時(shí)，①號(hào)裂縫貫穿到樓板側(cè)面，裂縫寬度為0.16mm，跨中兩側(cè)出現(xiàn)④、⑤號(hào)裂縫；當(dāng)荷載達(dá)到17kN/m2時(shí)，5條裂縫都貫穿到側(cè)面，側(cè)面裂縫最大寬度為0.11mm，板底最大裂縫寬度達(dá)到0.18mm；當(dāng)荷載達(dá)到30kN/m2時(shí)，鋼筋屈服，板底已經(jīng)出現(xiàn)很多裂縫，最大裂縫寬度為0.31mm。

圖8 S1裂縫發(fā)展圖

試件S2在第一級(jí)荷載（即試件自重）作用下，當(dāng)荷載達(dá)到13kN/m2時(shí)，①號(hào)裂縫延伸到1.1mm，又出現(xiàn)2條新裂縫②、③，裂縫寬度為0.08mm；當(dāng)荷載達(dá)到14kN/m2時(shí)，跨中兩側(cè)出現(xiàn)④、⑤號(hào)裂縫，最大裂縫寬度為0.10mm；當(dāng)荷載達(dá)到28.5kN/m2時(shí)，鋼筋屈服，板底出現(xiàn)很多裂縫，最大裂縫寬度為0.30mm；當(dāng)荷載達(dá)到34kN/m2時(shí)，板底最大裂縫寬度達(dá)到0.39mm，為確保試驗(yàn)人員安全，試驗(yàn)結(jié)束。

圖9 S2裂縫發(fā)展圖

S3試驗(yàn)荷載達(dá)到11kN/m2時(shí)，板底跨中處出現(xiàn)2條明顯裂縫①、②，①號(hào)裂縫寬度為0.04mm，沿短跨方向開展長度約0.05m，②號(hào)裂縫寬度為0.03mm，沿短跨方向開展長度約0.045m，此時(shí)墻板中部A點(diǎn)（見圖19）撓度為4.03mm；當(dāng)荷載達(dá)到13.5kN/m2時(shí)，①號(hào)裂縫貫穿到側(cè)面，又出現(xiàn)2條新裂縫③、④，最大裂縫寬度為0.08mm；當(dāng)荷載達(dá)到17kN/m2時(shí)，最大裂縫寬度為0.12mm，5條裂縫都貫穿到側(cè)面，當(dāng)荷載達(dá)到35kN/m2時(shí)，鋼筋屈服，板底出現(xiàn)多條裂縫，最大裂縫寬度為0.54mm；當(dāng)荷載達(dá)到43kN/m2時(shí)，板底最大裂縫寬度達(dá)到1.56mm，標(biāo)志試驗(yàn)板已經(jīng)達(dá)到條件破壞，試驗(yàn)結(jié)束。

圖10 S3裂縫發(fā)展圖

3 結(jié)論

①在試驗(yàn)過程中，4個(gè)試件均未觀測(cè)到明顯的脆性破壞現(xiàn)象，抗彎性能良好，預(yù)制混凝土保溫空心樓板在整個(gè)試驗(yàn)過程中的變形有明顯的屈服特性，且裂縫的開展情況也表明空心樓板破壞形態(tài)類似于現(xiàn)澆樓板。

②在試驗(yàn)過程中通過對(duì)預(yù)制混凝土保溫空心樓板的跨中撓度及鋼筋應(yīng)變的檢測(cè)結(jié)果來看，在預(yù)制混凝土空心樓板厚度與空心率不變的情況下，泡沫板下部的混凝土板厚越大，其抗彎剛度越小，開裂荷載越小，屈服荷載越小。

③預(yù)制混凝土保溫空心樓板在試驗(yàn)過程中的受力特點(diǎn)、裂縫發(fā)展趨勢(shì)及最大寬度、最大撓度以及屈服荷載均符合設(shè)計(jì)要求。

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