現(xiàn)澆鋼筋桁架樓承板受力性能試驗(yàn)研究

王金波 劉利先,2 趙振 郭召旭 李坤

(1.昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院 昆明 650500； 2.云南云智工程檢測(cè)鑒定有限公司 昆明 650000；3.云南工程建設(shè)總承包股份有限公司 昆明 650011)

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們的生活觀念也發(fā)生了改變，在對(duì)住宅建設(shè)速度提出更高要求的同時(shí)，更注重在住宅建設(shè)的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保的目標(biāo)，在這樣的背景下，鋼結(jié)構(gòu)住宅迎來(lái)了巨大的發(fā)展機(jī)遇[1]。鋼結(jié)構(gòu)住宅實(shí)現(xiàn)了住宅設(shè)計(jì)和生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化，現(xiàn)場(chǎng)施工便捷，是可以循壞使用的綠色建筑，契合建筑工業(yè)化和住宅產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展方向[2]。

鋼筋桁架樓承板是近年來(lái)逐漸得到推廣和應(yīng)用的新型鋼結(jié)構(gòu)建筑樓板形式，樓板中的上下層鋼筋在工廠加工成空間桁架的形式，再將底部鍍鋅板與鋼筋桁架焊接在一起形成鋼筋桁架樓承板體系，這種新型樓板具有施工快速、現(xiàn)場(chǎng)鋼筋綁扎量少、混凝土保護(hù)層厚度一致等優(yōu)點(diǎn)[3]。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)現(xiàn)澆鋼筋桁架樓承板各受力構(gòu)件在混凝土澆筑和混凝土硬化過(guò)程中受力特點(diǎn)變化的研究較少[4-10]，對(duì)現(xiàn)澆鋼筋桁架樓承板的剛度研究尚不充分。基于此，本文對(duì)現(xiàn)澆鋼筋桁架樓承板在混凝土澆筑和混凝土硬化過(guò)程中的受力性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，得到的數(shù)據(jù)和結(jié)論可為其他工程的設(shè)計(jì)與施工提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)區(qū)設(shè)計(jì)

某鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)項(xiàng)目，建筑主體高度為20 m，總建筑面積為31 900 m2，樓板采用現(xiàn)澆鋼筋桁架樓承板，以此項(xiàng)目為依托，進(jìn)行現(xiàn)澆鋼筋桁架樓承板混凝土澆筑和混凝土硬化階段上弦、下弦鋼筋及混凝土應(yīng)變監(jiān)測(cè)的試驗(yàn)，試驗(yàn)區(qū)樓板平面布置見(jiàn)圖1。

圖1 試驗(yàn)樓板平面布置

綜合考慮現(xiàn)澆鋼筋桁架樓板結(jié)構(gòu)形式、混凝土齡期、樓板位置(中間跨或邊跨)、臨時(shí)支撐布置對(duì)樓板受力性能的影響，本試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了8塊鋼筋桁架混凝土現(xiàn)澆板，試驗(yàn)區(qū)樓板編號(hào)為B1～B8，相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1所列，其中B1、B3、B5及B7號(hào)樓板在跨中位置設(shè)置了臨時(shí)支撐，支撐立桿間距為1 300 mm；試驗(yàn)采用的鋼筋桁架模板型號(hào)為T(mén)DB7-120，具體參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 試驗(yàn)區(qū)樓板相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 鋼筋桁架模板參數(shù)

1.2 測(cè)點(diǎn)布置

桁架鋼筋應(yīng)變測(cè)點(diǎn)：在整個(gè)澆筑區(qū)域鋼筋桁架跨中上弦鋼筋上側(cè)、下弦鋼筋下側(cè)各布置了8個(gè)測(cè)點(diǎn)，見(jiàn)圖2?；炷翍?yīng)變測(cè)點(diǎn)：在無(wú)支撐區(qū)域和有支撐區(qū)域跨度最大的B1和B2樓板板面附近,每跨布置5個(gè)混凝土應(yīng)變傳感器，見(jiàn)圖3，混凝土應(yīng)變傳感器安裝在與上弦鋼筋同高位置處，圖中X向?yàn)闄M向，Y向?yàn)榭v向，除2#和7#測(cè)點(diǎn)僅布置Y向應(yīng)變計(jì)外其余測(cè)點(diǎn)均布置X向和Y向應(yīng)變計(jì)。

(a)桁架鋼筋測(cè)點(diǎn)平面布置

(b)弦桿鋼筋側(cè)位布置圖2 桁架鋼筋應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置

(a)B1樓板混凝土應(yīng)變測(cè)點(diǎn)

2 試驗(yàn)結(jié)果

混凝土澆筑后1 h，發(fā)現(xiàn)所有現(xiàn)澆樓板普遍開(kāi)裂，樓板面產(chǎn)生較多塑性坍落裂縫，裂縫走向沿鋼筋桁架方向，裂縫出現(xiàn)后，施工單位及時(shí)進(jìn)行二次抹面壓光處理，處理后裂縫消失?；炷笼g期為4 d時(shí)，未設(shè)臨時(shí)支撐的B6、B8樓板再次出現(xiàn)較多沿桁架方向的規(guī)則裂縫，最大裂縫寬度達(dá)0.55 mm，現(xiàn)場(chǎng)裂縫分布見(jiàn)圖4。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)裂縫

實(shí)測(cè)混凝土試塊(150 mm×150 mm×150 mm)抗壓強(qiáng)度見(jiàn)表3。

表3 混凝土實(shí)測(cè)強(qiáng)度

2.1 桁架鋼筋應(yīng)變曲線

參照?qǐng)D2中的桁架鋼筋應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置圖進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布置，現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)監(jiān)測(cè)記錄弦桿鋼筋的應(yīng)變。圖5為試驗(yàn)樓板上、下弦鋼筋的應(yīng)變變化曲線(受拉為正，受壓為負(fù))。

由圖5可知，所有試驗(yàn)樓板在混凝土齡期為4 d前，弦桿鋼筋應(yīng)變隨混凝土齡期增加基本呈線性穩(wěn)定增長(zhǎng)，當(dāng)混凝土齡期到4 d時(shí)，無(wú)論是否布置臨時(shí)支撐，上、下弦鋼筋拉應(yīng)變均達(dá)到峰值，應(yīng)變—齡期曲線出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，此時(shí)混凝土強(qiáng)度為設(shè)計(jì)值的34%，隨著混凝土強(qiáng)度的增加，樓板體系傳力模式逐漸由豎向傳力變?yōu)樗絺髁Γ瑧?yīng)變曲線斜率降低，弦桿鋼筋拉應(yīng)變減小，當(dāng)混凝土齡期到11 d時(shí)(混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值的50%)，弦桿鋼筋受力趨于穩(wěn)定，有支撐樓板弦桿鋼筋滿足上弦受壓、下弦受拉的規(guī)律，無(wú)支撐樓板上、下弦鋼筋均處于受壓的狀態(tài)，有支撐樓板上弦最大壓應(yīng)變?yōu)?21 με(1#測(cè)點(diǎn))，無(wú)支撐樓板上弦最大壓應(yīng)變?yōu)?80 με(8#測(cè)點(diǎn))。

(a)有支撐樓板上弦、下弦鋼筋應(yīng)變

(b)無(wú)支撐樓板上弦、下弦鋼筋應(yīng)變圖5 桁架鋼筋應(yīng)變變化曲線

結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)象，混凝土齡期為4 d時(shí)，未設(shè)臨時(shí)支撐的B6、B8樓板再次出現(xiàn)較多順筋裂縫，這是由于樓板上弦鋼筋拉應(yīng)變較大引起的，以8#測(cè)點(diǎn)為例，混凝土齡期達(dá)到4 d時(shí)，其上弦鋼筋拉應(yīng)變達(dá)到162 με，是4#測(cè)點(diǎn)的225%。試驗(yàn)過(guò)程中，B1樓板1#測(cè)點(diǎn)下弦鋼筋的應(yīng)變始終大于其余測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值，其最大拉應(yīng)變?yōu)?38 με，拆除支撐后，有支撐樓板下弦鋼筋應(yīng)變?cè)诙虝r(shí)間內(nèi)有明顯的增長(zhǎng)，增長(zhǎng)值最大達(dá)到了55 με。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，混凝土齡期為6 d時(shí)，無(wú)支撐樓板上弦鋼筋開(kāi)始由受拉轉(zhuǎn)為受壓，而有支撐樓板上弦鋼筋在混凝土齡期為8 d時(shí)才進(jìn)入受壓的應(yīng)力狀態(tài)，所以，與設(shè)臨時(shí)支撐的樓板相比，當(dāng)其他條件相同時(shí)，無(wú)支撐樓板存在上弦鋼筋壓應(yīng)力超前現(xiàn)象，即無(wú)支撐樓板上弦鋼筋總是先于有支撐樓板上弦鋼筋進(jìn)入受壓狀態(tài)。

2.2 混凝土應(yīng)變曲線

參照?qǐng)D3的混凝土應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置，選取B1板的1#、2#、3#、4#測(cè)點(diǎn)和B2板的6#、7#、8#、9#測(cè)點(diǎn)為代表，繪制出混凝土應(yīng)變變化曲線，如圖6所示。

(a)1#,6#測(cè)點(diǎn)混凝土應(yīng)變

(b)2#,7#測(cè)點(diǎn)混凝土應(yīng)變

(c)3#,8#測(cè)點(diǎn)混凝土應(yīng)變

(d)4#,9#測(cè)點(diǎn)混凝土應(yīng)變圖6 混凝土應(yīng)變變化曲線

從混凝土應(yīng)變曲線的走勢(shì)來(lái)看，其與弦桿鋼筋應(yīng)變曲線相似。不同測(cè)點(diǎn)的混凝土應(yīng)變值差異較大，但總體發(fā)展趨勢(shì)基本一致，混凝土齡期達(dá)到4 d前，所有測(cè)點(diǎn)混凝土應(yīng)變曲線基本呈線性增加，這一階段的拉應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)主要由混凝土自身收縮引起。

由圖6可知，隨著混凝土的凝結(jié)硬化，混凝土應(yīng)變—齡期曲線在第4天出現(xiàn)了明顯的拐點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)混凝土拉應(yīng)變達(dá)到峰值，說(shuō)明此時(shí)混凝土和桁架鋼筋開(kāi)始共同工作，混凝土澆筑完成7 d后，測(cè)點(diǎn)應(yīng)變普遍由受拉轉(zhuǎn)為受壓，對(duì)比于有支撐樓板，無(wú)支撐樓板存在受壓區(qū)混凝土壓應(yīng)力超前的現(xiàn)象。混凝土齡期達(dá)到12 d(混凝土強(qiáng)度約為設(shè)計(jì)值的50%)時(shí)，混凝土受力穩(wěn)定，B1樓板與B2樓板對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)混凝土受力特征有所不同，B1樓板混凝土應(yīng)變多為拉應(yīng)變，B2樓板有較多測(cè)點(diǎn)應(yīng)變?yōu)閴簯?yīng)變，且B2樓板測(cè)點(diǎn)應(yīng)變絕對(duì)值大于B1樓板對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變絕對(duì)值。

本次測(cè)試混凝土應(yīng)變測(cè)點(diǎn)埋設(shè)在上弦鋼筋位置處，應(yīng)變測(cè)點(diǎn)距板表面尚有30 mm左右的距離，樓板面混凝土實(shí)際應(yīng)變小于測(cè)試點(diǎn)混凝土應(yīng)變，所以混凝土齡期大于3 d時(shí)B1樓板雖有部分測(cè)點(diǎn)拉應(yīng)變超過(guò)混凝土極限拉應(yīng)變但未出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。

3 結(jié)論

(1)對(duì)于現(xiàn)澆鋼筋桁架樓承板，混凝土強(qiáng)度較低時(shí)，無(wú)論是否施加支撐，樓板只有鋼筋桁架提供了剛度，樓板豎向傳力，這一階段無(wú)論是弦桿鋼筋還是混凝土的應(yīng)變都快速增長(zhǎng)，當(dāng)混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值的30%左右時(shí)，桁架鋼筋和混凝土開(kāi)始共同工作，樓板體系傳力模式逐漸由豎向傳力變?yōu)樗絺髁ΓY(jié)構(gòu)剛度大大提高，各構(gòu)件受力狀態(tài)發(fā)生改變，混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值的50%左右時(shí)，板內(nèi)弦桿鋼筋和混凝土應(yīng)變趨于穩(wěn)定。

(2)通過(guò)研究有無(wú)臨時(shí)支撐對(duì)現(xiàn)澆鋼筋桁架樓承板力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)兩種形式的現(xiàn)澆樓板均能滿足施工階段的要求，設(shè)置臨時(shí)支撐的現(xiàn)澆鋼筋桁架樓承板有更好的受力性能，混凝土硬化后，其弦桿鋼筋上弦受壓、下弦受拉的受力特征更加明顯。

(3)對(duì)比于有臨時(shí)支撐的現(xiàn)澆鋼筋桁架樓承板，無(wú)支撐樓板存在上弦鋼筋壓應(yīng)力超前和受壓區(qū)混凝土壓應(yīng)力超前現(xiàn)象。

(4)對(duì)于現(xiàn)澆鋼筋桁架樓承板，混凝土澆筑完成后樓板面會(huì)產(chǎn)生較多塑性坍落裂縫，在未設(shè)臨時(shí)支撐的條件下，二次抹面壓光處理并不能根除此類裂縫，因此，實(shí)際工程中應(yīng)嚴(yán)格控制混凝土的水灰比，適度采用減水劑，對(duì)于多跨連續(xù)現(xiàn)澆續(xù)鋼筋桁架樓承板，宜在邊跨樓板跨中設(shè)置臨時(shí)支撐，以防止因混凝土強(qiáng)度發(fā)展不夠?qū)е马樈盍芽p的再次出現(xiàn)。