不同疊合面超高性能混凝土疊合板延性與抗彎剛度試驗(yàn)

萬冬偉，陳 璇，金凌志

(1.桂林電子科技大學(xué) 基建處，廣西 桂林 541004；2.桂林航天工業(yè)學(xué)院 審計(jì)處，廣西 桂林 541004；3.桂林理工大學(xué) 廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004)

0 引言

裝配式混凝土結(jié)構(gòu)相對(duì)于傳統(tǒng)整澆式混凝土結(jié)構(gòu)具有生產(chǎn)效率高、物料損耗少和施工工期短等優(yōu)點(diǎn)，正逐漸成為建筑行業(yè)的新熱點(diǎn)[1]。疊合板作為裝配式結(jié)構(gòu)中的重要構(gòu)件，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量的試驗(yàn)與理論分析[2-3]。文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]先后對(duì)二次受力預(yù)應(yīng)力普通混凝土疊合板的承載力、抗裂性能和疊合面的受剪承載力進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，提出使用預(yù)應(yīng)力疊合連續(xù)板的彎矩調(diào)幅系數(shù)的建議。文獻(xiàn)[6]對(duì)倒T形預(yù)應(yīng)力普通混凝土疊合板的承載力和延性進(jìn)行了研究，探討了其抗彎承載力計(jì)算方法。文獻(xiàn)[7]研究了T形肋對(duì)混凝土疊合板彎曲疲勞性能的影響，給出了預(yù)制T形肋底板混凝土疊合板正截面彎曲疲勞應(yīng)力驗(yàn)算方法。目前，國內(nèi)外對(duì)疊合板的研究主要集中在普通混凝土疊合板，對(duì)超高性能混凝土(ultra-high performance concrete，UHPC)疊合板研究較少，其中主要是對(duì)UHPC與普通混凝土或鋼材等疊合而成的疊合板抗彎性能的研究[8-9]，對(duì)不同疊合面UHPC疊合板抗彎性能的研究則更少。而疊合面作為疊合板的薄弱部位，對(duì)疊合板的抗彎性能有極大的影響[10]。因此，本文通過試驗(yàn)對(duì)比，分析了不同疊合面對(duì)UHPC疊合板延性與抗彎剛度的影響，分析了UHPC疊合板使用階段短期剛度的計(jì)算方法，可為UHPC疊合板延性與抗彎剛度的進(jìn)一步研究提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件參數(shù)設(shè)計(jì)

對(duì)3塊不同疊合面UHPC疊合板進(jìn)行了受彎破壞試驗(yàn)。為保證試驗(yàn)單一變量原則，桁架鋼筋與馬鐙鋼筋的體積配筋率相同。試件寬600 mm，長3 020 mm，計(jì)算跨度2 700 mm，預(yù)制層高度70 mm，現(xiàn)澆層高度60 mm。鋼筋均選用HRB400級(jí)鋼筋。試件主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1，試件截面配筋圖如圖1所示。

表1 試件主要設(shè)計(jì)參數(shù)

(a) DHB1

(b) DHB2

(c) DHB3

圖1 試件截面配筋圖

1.2 材料力學(xué)性能

本次試驗(yàn)UHPC配合比見表2，其中，水泥為PⅡ42.5硅酸鹽水泥，石英砂分別為1.250～0.630 mm粗粒徑砂、 0.630～0．315 mm中粒徑砂和 0.315～0.160 mm細(xì)粒徑砂，鋼纖維長度12～15 mm，直徑0.22 mm。參考現(xiàn)行規(guī)范《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2002)[11]，實(shí)測(cè)UHPC立方體抗壓強(qiáng)度為140.7 MPa。按照《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》(GB/T 228.1—2010)[12]，實(shí)測(cè)HRB400鋼筋力學(xué)性能指標(biāo)如表3所示。

表2 UHPC配合比

注：鋼纖維為體積摻量。

表3 HRB400鋼筋力學(xué)性能指標(biāo)

1.3 加載方案

為了便于觀測(cè)板底裂縫開展和破壞情況，采用反向加載形式，在跨中三分點(diǎn)處布置兩個(gè)支座，將試驗(yàn)板底面朝上放置在支座上，由千斤頂及分配梁對(duì)兩端懸臂板施加豎向荷載，使得跨中形成純彎段。加載裝置示意圖如圖2所示，現(xiàn)場(chǎng)加載照片如圖3所示。

加載制度嚴(yán)格按照《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50152—92)[13]執(zhí)行，在正式加載前，對(duì)試件進(jìn)行預(yù)加載，檢查試驗(yàn)裝置是否正常工作，支座是否平穩(wěn)，預(yù)加載值是否不超過試件計(jì)算最大荷載值的10%。每級(jí)荷載施加完成后，持荷10 min，持荷結(jié)束后，借助手電筒與放大鏡仔細(xì)觀察裂縫的出現(xiàn)與發(fā)展情況，測(cè)量裂縫寬度，記錄百分表數(shù)據(jù)。試件發(fā)生破壞后，分級(jí)卸除上部荷載，觀察試件回彈情況，記錄百分表數(shù)據(jù)。

圖2 加載裝置示意圖

圖3 現(xiàn)場(chǎng)加載照片

2 試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果

3塊UHPC疊合板均發(fā)生典型的受彎破壞，試驗(yàn)現(xiàn)象基本相同。加載至0.15Fmax(Fmax為極限荷載)左右時(shí)，純彎段位置出現(xiàn)一條或多條極細(xì)小裂縫；繼續(xù)加載，裂縫數(shù)量增多，但由于鋼纖維的阻裂作用，裂縫寬度與撓度發(fā)展緩慢。加載至0.85Fmax左右時(shí)，最大裂縫寬度達(dá)到正常使用狀態(tài)裂縫寬度限值(0.3 mm)。繼續(xù)加載，基本沒有新的裂縫出現(xiàn)，但撓度與裂縫寬度發(fā)展迅速，由于鋼纖維逐漸被拔出，跨中位置形成一條較寬的主裂縫。臨近破壞，荷載基本保持不變，主裂縫寬度與撓度急劇增大，最終受拉主筋處最大裂縫寬度達(dá)到破壞標(biāo)志規(guī)定的限值(1.5 mm)，試件發(fā)生破壞。分級(jí)卸除上部荷載，試件發(fā)生明顯回彈，表現(xiàn)出良好的延性。由于UHPC優(yōu)異的力學(xué)性能與鋼纖維的橋架作用，各試件板側(cè)純彎段裂縫細(xì)小而密集。大部分板側(cè)純彎段裂縫發(fā)展至疊合面處即停止發(fā)展，只有少數(shù)裂縫能夠穿越疊合面。各試件板側(cè)純彎段裂縫分布以DHB2試件為例，如圖4所示。同時(shí)，在整個(gè)試驗(yàn)過程中，預(yù)制層與現(xiàn)澆層未出現(xiàn)水平滑移現(xiàn)象，試件側(cè)面的垂直裂縫穿越疊合面時(shí)，方向基本不變，保持垂直方向，說明人工粗糙面能滿足UHPC疊合板疊合面抗剪要求，預(yù)制層與現(xiàn)澆層整體工作良好。試件主要試驗(yàn)結(jié)果見表4。

圖4 DHB2試件板側(cè)純彎段裂縫分布

試件編號(hào)跨中最大撓度fmax/mm卸載后跨中殘余撓度f′/mm最大裂縫寬度ωmax/mm開裂荷載Fcr/kN極限荷載Fmax/kNf′/fmaxDHB136.0920.691.549.7065.500.57DHB244.0919.901.5612.0085.700.45DHB333.0217.031.5211.1082.100.52

3 荷載-撓度曲線

3塊UHPC疊合板的荷載-撓度曲線如圖5所示，從圖5中可以看出：3塊疊合板均呈現(xiàn)典型的彎曲破壞特征，具有良好的延性。加載前期，DHB1撓度最大，DHB3次之，DHB2最小，這是由于疊合面抗剪鋼筋參與受力，能提高疊合板的抗彎剛度，且桁架鋼筋整體性強(qiáng)，下弦桿能夠承受底部拉應(yīng)力，桁架鋼筋中腹桿的傾斜布置使得腹桿也能承受一部分的水平拉力，較馬鐙鋼筋對(duì)剛度增強(qiáng)效果更好。繼續(xù)加載，

圖5 試件的荷載-撓度曲線

DHB2受拉鋼筋應(yīng)力應(yīng)變不斷增大，抗彎剛度逐漸減小，而DHB3由于馬鐙鋼筋的2根上弦桿壓應(yīng)力不斷增大，限制截面發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的能力不斷增強(qiáng)，抗彎剛度基本保持不變，加載到35 kN左右時(shí)，DHB2與DHB3荷載-撓度曲線相交。加載到65 kN左右時(shí)，DHB1受拉鋼筋開始屈服，撓度曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，撓度增長速度加快；對(duì)比DHB2和DHB3的極限撓度，DHB2的跨中極限撓度大于DHB3，這是因?yàn)殍旒茕摻钪械南孪覘U和傾斜腹桿均能承受部分水平拉力，間接提高了DHB2的配筋率和極限承載力，致使在DHB3破壞后，DHB2還能繼續(xù)產(chǎn)生變形。卸除上部荷載，DHB1、DHB2和DHB3均發(fā)生明顯回彈，跨中撓度恢復(fù)量分別為15.4 mm、24.2 mm和18.5 mm，達(dá)到了跨中最大撓度的43%以上，說明UHPC疊合板具有良好的延性。

4 延性對(duì)比分析

延性是指材料、構(gòu)件或結(jié)構(gòu)在其達(dá)到極限荷載后，且極限荷載沒有明顯下降期間的非彈性變形的能力。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，延性好的結(jié)構(gòu)能夠耗散更多的地震能量，有效降低財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。本文利用位移延性因數(shù)和耗能延性因數(shù)對(duì)不同疊合面UHPC疊合板的延性性能進(jìn)行定量對(duì)比分析。

(Ⅰ)位移延性因數(shù)[14]

對(duì)于靜力構(gòu)件來說，位移延性因數(shù)是反映構(gòu)件延性大小的常用指標(biāo)，可以有效地反映構(gòu)件承受非線性變形的能力，位移延性因數(shù)為構(gòu)件極限撓度與屈服撓度的比值，即：

(1)

其中：μΔ為位移延性因數(shù)；Δu為構(gòu)件的極限撓度，mm；Δy為構(gòu)件的屈服撓度，mm。

(Ⅱ)耗能延性因數(shù)[15]

采用耗能延性因數(shù)來表達(dá)構(gòu)件的延性大小，可以更加有效地反映構(gòu)件的耗能特性。耗能延性因數(shù)μin按試件在加載卸載過程中的耗能和彈性能進(jìn)行確定，其計(jì)算公式為：

(2)

其中：Wtot為加載曲線與水平軸所包圍的面積，即外荷載所做的功，N·m；Eel為卸載曲線與水平軸所包圍的三角形面積，即卸載時(shí)釋放的彈性能，N·m；Uin為加載曲線與卸載曲線所包圍的面積，N·m。

根據(jù)各試驗(yàn)板實(shí)測(cè)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，按式(1)和式(2)分別計(jì)算位移延性因數(shù)μΔ與耗能延性因數(shù)μin，結(jié)果見表5。

表5 試件位移延性因數(shù)與耗能延性因數(shù)

由表5中數(shù)據(jù)可知：設(shè)置抗剪鋼筋能增加UHPC疊合板整體剛度，限制構(gòu)件產(chǎn)生撓度，從而降低UHPC疊合板的位移延性因數(shù)與耗能延性因數(shù)。與DHB1相比，DHB2和DHB3的位移延性因數(shù)分別降低了29%和50%，耗能延性因數(shù)分別降低了7%和22%，可見設(shè)置馬鐙鋼筋較設(shè)置桁架鋼筋對(duì)試件位移延性與耗能延性的影響作用更大。

圖6 試件抗彎剛度曲線對(duì)比

5 抗彎剛度對(duì)比分析計(jì)算

基于試驗(yàn)板跨中撓度，根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)中抗彎剛度計(jì)算公式，可以求得試驗(yàn)板的抗彎剛度，各試驗(yàn)板抗彎剛度隨彎矩的變化曲線見圖6。圖6中：M為試件跨中彎矩，Mu為試件跨中極限彎矩。

如圖6所示，加載至跨中彎矩達(dá)到0.5Mu，未設(shè)置抗剪鋼筋的DHB1抗彎剛度均遠(yuǎn)小于設(shè)置抗剪鋼筋的DHB2和DHB3，說明設(shè)置抗剪鋼筋能有效提高疊合板加載前期的抗彎剛度。從加載至跨中彎矩達(dá)到0.4Mu，設(shè)置桁架鋼筋的DHB2抗彎剛度一直大于設(shè)置馬鐙鋼筋的DHB3，說明設(shè)置桁架鋼筋較馬鐙鋼筋對(duì)UHPC疊合板加載前期的抗彎剛度提高幅度更大。加載中后期(0.6Mu～1.0Mu)，各試件抗彎剛度基本相同，不同抗剪鋼筋對(duì)UHPC疊合板加載中后期的抗彎剛度影響不大。

在普通混凝土整澆板短期剛度計(jì)算公式的基礎(chǔ)上，考慮二次受力特征系數(shù)及“受壓混凝土應(yīng)變遲后”現(xiàn)象的影響，得到普通混凝土疊合板使用階段的短期剛度計(jì)算公式[16]：

(3)

其中：Bs為普通混凝土疊合板的短期剛度,N·mm2；上標(biāo)c指計(jì)算值；Es為鋼筋的彈性模量,N·mm2；As為受拉區(qū)縱向受力鋼筋的截面面積，mm2；h0為截面的有效高度,mm；h1為疊合層混凝土高度,mm；h為疊合板混凝土高度,mm；αE為鋼筋彈性模量與疊合層混凝土彈性模量的比值；ρ為縱向受拉鋼筋配筋率。

在普通鋼筋混凝土二次受力疊合構(gòu)件剛度計(jì)算公式的基礎(chǔ)上，考慮摻入鋼纖維增強(qiáng)剛度的有利影響，將相應(yīng)剛度乘以鋼纖維影響因子，得到鋼纖維混凝土疊合板使用階段的短期剛度計(jì)算公式[17]：

(4)

(5)

對(duì)于鋼筋混凝土受彎構(gòu)件，0.5Mu～0.7Mu階段的彎矩-曲率關(guān)系比較穩(wěn)定，剛度值變化幅度小，工程應(yīng)用可取該階段為構(gòu)件使用階段，取近似值進(jìn)行計(jì)算[18]。本文按照式(3)和式(4)計(jì)算UHPC疊合板使用階段(0.5Mu～0.7Mu)的短期剛度，將短期剛度計(jì)算值與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見表6。

表6 各試件短期剛度計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比結(jié)果

注：上標(biāo)c指計(jì)算值；上標(biāo)t指試驗(yàn)值。

6 結(jié)論

(1)由于UHPC優(yōu)異的力學(xué)性能，預(yù)制層與現(xiàn)澆層混凝土整體工作性能良好，采用人工粗糙面能滿足UHPC疊合板對(duì)疊合面的抗剪要求。

(2)設(shè)置疊合面抗剪鋼筋會(huì)降低UHPC疊合板的位移延性與耗能延性，設(shè)置桁架鋼筋和馬鐙鋼筋與未設(shè)置抗剪鋼筋的UHPC疊合板相比，位移延性因數(shù)分別降低了29%和50%，耗能延性因數(shù)分別降低了7%和22%，馬鐙鋼筋較桁架鋼筋的影響作用更大。

(3)設(shè)置疊合面抗剪鋼筋能有效提高UHPC疊合板加載前期的抗彎剛度，對(duì)加載中后期的抗彎剛度影響不大。相較馬鐙鋼筋，設(shè)置桁架鋼筋對(duì)UHPC疊合板加載前期的抗彎剛度提高幅度更大。

(4)由于鋼纖維的拉結(jié)作用，UHPC疊合板使用階段(0.5Mu～0.7Mu)的短期剛度大于普通混凝土疊合板，與鋼纖維混凝土疊合板的計(jì)算短期剛度吻合良好，建議UHPC疊合板使用階段(0.5Mu～0.7Mu)的短期剛度，可按鋼纖維混凝土疊合板使用階段的短期剛度計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。