裝配式預(yù)應(yīng)力預(yù)制空心樓板承載性能實(shí)驗(yàn)研究

熊 哲，周 義

（1、廣東工業(yè)大學(xué)土木與交通工程學(xué)院 廣州510006；2、惠州普瑞康建筑材料有限公司 廣東惠州516200）

0 引言

裝配式建筑具有環(huán)境友好、經(jīng)濟(jì)節(jié)能、高質(zhì)量和高效率等特點(diǎn)，已受到國(guó)內(nèi)外廣大研究學(xué)者的重點(diǎn)關(guān)注［1-5］。裝配式建筑是我國(guó)的重要發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)之一。《十三五“裝配式建筑行動(dòng)方案”》提出：2018 年到2020 年，全國(guó)裝配式建筑占新建建筑的比例需達(dá)到15%以上?，F(xiàn)階段，廣大研究學(xué)者對(duì)裝配式結(jié)構(gòu)已有一定的研究成果［6］。施永雷［7］指出裝配式建筑存在一定的施工技術(shù)缺陷，并基于高層住宅分析其施工工藝。唐和生等人［8］模擬分析了考慮灌漿缺陷的裝配式混凝土柱的抗震性能，指出灌漿缺陷會(huì)使得柱子剛度退化更加劇烈，延性降低。張開臣等人［9］對(duì)整體預(yù)應(yīng)力裝配式板柱結(jié)構(gòu)力學(xué)性能進(jìn)行研究。Pavese 等人［10］分析了裝配式混凝土墻體系統(tǒng)的抗震性能。然而，目前對(duì)于裝配式預(yù)應(yīng)力預(yù)制空心板（SP 板）承載性能的研究相對(duì)較少。基于此，本文對(duì)裝配式預(yù)應(yīng)力預(yù)制空心板的受彎承載性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析其破壞模式、荷載-位移曲線、開裂荷載、破壞荷載、裂縫發(fā)展和預(yù)應(yīng)力損失，為實(shí)際工程的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件尺寸

試驗(yàn)試件為2 塊裝配式預(yù)應(yīng)力預(yù)制空心板SP20A 和SP20C，尺寸為6 000 mm（長(zhǎng)）×1 200 mm（寬）×200 mm（厚）?；炷帘Ｗo(hù)層厚度20 mm，板的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C45。裝配式預(yù)應(yīng)力預(yù)制空心板的截面如圖1 所示。板底采用10 根低松弛鋼絞線，預(yù)應(yīng)力鋼絲fpt=1 860 N/mm2，張拉控制應(yīng)力σcon=0.65fptk。對(duì)于SP20A 板，其鋼絞線直徑為12.7 mm；對(duì)于SP20C 板，其鋼絞線直徑為9.5 mm。

圖1 樓板試件截面Fig.1 Cross Section of Slab Specimens

1.2 加載方法

此次試驗(yàn)采用千斤頂進(jìn)行分級(jí)加載。加載方式如圖2 所示。受彎試件支座一端采用鉸支承，另一端采用滾動(dòng)支承。支座與樓板間設(shè)置鋼墊板。鋼墊板與樓板的接觸面通過石膏找平，以保持穩(wěn)定的支撐及均勻受力。采用分配梁系統(tǒng)對(duì)樓板進(jìn)行兩點(diǎn)加載。分配梁與受彎試件設(shè)置鋼墊板，鋼墊板與樓板的接觸面通過石膏找平，以保證均勻受力。控制截面最大彎矩?cái)?shù)值相等，采用集中力模擬均布荷載對(duì)簡(jiǎn)支受彎試件進(jìn)行加載。

1.3 測(cè)點(diǎn)布置及測(cè)試方案

采用位移計(jì)測(cè)量受彎試件的撓度，共布置9 個(gè)位移計(jì)，如圖2、圖3 所示，分別布置在支座和跨中的3 個(gè)位置，每個(gè)位置根據(jù)寬度均勻布置3 個(gè)位移計(jì)。采用電子裂縫觀測(cè)儀觀察裂縫，并且測(cè)定裂縫的寬度值。

圖2 加載裝置Fig.2 Test Setup

圖3 加載方式和撓度測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.3 Loading Scheme and Arrangement of Deflection Measuring Points

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

整個(gè)加載過程中，試件的試驗(yàn)現(xiàn)象主要可以分為3 個(gè)階段。在加載初始階段，隨著荷載的增加，試件無(wú)明顯變形，表現(xiàn)為樓板試件的彈性階段。當(dāng)試件板底出現(xiàn)第一條裂縫后，樓板試件隨著荷載的增加，變形顯著增加，表現(xiàn)為樓板試件的開裂階段。最后階段為樓板試件的破壞階段。對(duì)于裝配式預(yù)應(yīng)力預(yù)制空心板SP20A，其端部發(fā)生剪壓破壞，如圖4a 所示。對(duì)于裝配式預(yù)應(yīng)力預(yù)制空心板SP20C，其跨中位移超過跨度的1/50，故破壞表現(xiàn)為試件的大變形破壞，如圖4b 所示。

2.2 荷載-位移曲線

樓板試件的荷載-位移曲線如圖5 所示。2 塊樓板試件的荷載-位移曲線整體呈現(xiàn)雙線性特征。2 塊樓板試件的開裂荷載均發(fā)生在其荷載-位移曲線轉(zhuǎn)折處。在開裂前，由于混凝土整個(gè)截面均參與工作，同時(shí)2 塊樓板試件的截面形狀一致，故其荷載-位移曲線的初始剛度基本相同。在開裂后，SP20A 試件的剛度明顯大于SP20C 試件。主要原因在于，混凝土開裂后，拉力主要由預(yù)應(yīng)力鋼絞線承受，SP20A 試件的預(yù)應(yīng)力鋼絞線截面面積顯著大于SP20C 試件。SP20A 試件的破壞荷載為246 kN；SP20C 試件的破壞荷載為156 kN。另外，值得注意的是，2 塊樓板試件的荷載-位移曲線均考慮了試驗(yàn)設(shè)備和樓板的自重荷載，故曲線的起點(diǎn)位于自重荷載值處。對(duì)于自重荷載產(chǎn)生的跨中位移，可以通過曲線的初始剛度進(jìn)行計(jì)算。

圖4 樓板試件破壞模式Fig.4 Failure Mode of the Slab Specimen

圖5 荷載-位移曲線Fig.5 Load-displacement Curves

2.3 裂縫發(fā)展

第一條裂縫出現(xiàn)在2 塊樓板試件的跨中板底。隨著荷載的增加，第一條裂縫寬度逐漸變大，且向上發(fā)展；其它裂縫由跨中向兩端逐漸增多，如圖6 所示。2 塊樓板試件的最大裂縫隨荷載的變化曲線如圖7 所示。由圖8 可知，隨著預(yù)應(yīng)力的增加，開裂荷載變大。開裂后，2 塊樓板試件裂縫的最大寬度隨著荷載的增加均呈線性特征發(fā)展。

圖6 裂縫分布Fig.6 Distribution of Cracks

2.4 預(yù)應(yīng)力損失

對(duì)于預(yù)應(yīng)力試件，通常要考慮預(yù)應(yīng)力損失。本文以SP20A 樓板試件為例，其橫截面面積為151 000 mm2，形心到下邊緣距離為103 mm，慣性矩為6.810 8 mm4，預(yù)應(yīng)力筋彈性模量為1.95×105MPa。

圖7 荷載-裂縫寬度曲線Fig.7 Load-crack Width Curves

采用先張法，張拉控制應(yīng)力為：

錨具變形損失σl1：

張拉端至錨固端距離100 000 mm，鋼絞線內(nèi)縮值5 mm，σl1=5/100 000Es=5/100 000×1.95×105=9.75 MPa；

孔道摩擦損失σl2：

按照錨固端計(jì)算該損失，所以x=100 m，直線配筋φ=0°，k=0.001 5，σl2=σcon（1-1/ekx+μ φ）=1 209×（1-1/e0.0015×100）=168.4 MPa；

溫差損失σl3=0；

預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力松弛損失σl4：

先張法混凝土第一批損失：

由混凝土第一批損失后預(yù)應(yīng)力鋼絲產(chǎn)生的壓力NI=［（1 209-200.82）×10×3.14×12.72/4］×10-3=1 277.13 kN；

取偏心距為e=103-20-12.7/2=76.65 mm。

由混凝土第一批損失后預(yù)加力產(chǎn)生的構(gòu)件抗拉邊緣混凝土法向應(yīng)力σpcI值：

混凝土的收縮和徐變損失σl5：

預(yù)應(yīng)力總損失為：

同理，可求得SP20C 樓板試件的預(yù)應(yīng)力總損失為200.82 MPa。

3 結(jié)論

裝配式預(yù)應(yīng)力預(yù)制空心樓板（SP 板）是裝配式建筑結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件之一。本文對(duì)裝配式預(yù)應(yīng)力預(yù)制空心樓板的受彎承載性能進(jìn)行研究。研究發(fā)現(xiàn)：

⑴隨著預(yù)應(yīng)力鋼絞線截面面積（預(yù)應(yīng)力）的增加，樓板的破壞模式由大變形向端部剪壓破壞發(fā)生轉(zhuǎn)變；

⑵樓板試件的跨中荷載-位移曲線表現(xiàn)為雙線性特征，并且其初始剛度基本相同，而開裂后剛度隨著預(yù)應(yīng)力鋼絞線截面面積的增加而增加；

⑶隨著鋼絞線截面面積和預(yù)應(yīng)力的增加，樓板試件的破壞荷載和開裂荷載均增大；

⑷裂縫最先出現(xiàn)在樓板試件的跨中板底。隨著荷載的增加，其它裂縫由跨中向兩端逐漸增多。