帶裂縫鋼筋桁架混凝土疊合板力學(xué)性能研究*

夏立鵬，周盛光，李敬華，張黎飛，邸 博，鄭 愚

(1 東莞理工學(xué)院生態(tài)環(huán)境與建筑工程學(xué)院， 東莞 523808； 2 廣東華坤建設(shè)集團(tuán)有限公司， 東莞 523075)

0 引言

隨著裝配式建筑發(fā)展目標(biāo)的提出，工業(yè)集成化的生產(chǎn)方式在建筑業(yè)的開展越來越廣闊，建筑結(jié)構(gòu)中的裝配式預(yù)制構(gòu)件被大力推廣。鋼筋桁架混凝土疊合板是工程中應(yīng)用較為廣泛的一種樓板預(yù)制構(gòu)件，具有機(jī)械化程度高、質(zhì)量易控制、生產(chǎn)速度快、建設(shè)周期短等優(yōu)點(diǎn)[1]。但此類構(gòu)架存在疊合界面混凝土協(xié)同工作的性能[2]和拼縫的有效連接等問題[3-5]，針對(duì)以上問題，業(yè)內(nèi)已開展大量相關(guān)研究工作并取得一定進(jìn)展，但針對(duì)疊合板開裂后的受力問題相關(guān)研究較少。

近些年隨著預(yù)制工程項(xiàng)目的開展，較多工程施工過程中出現(xiàn)運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)后疊合板發(fā)生開裂的現(xiàn)象，導(dǎo)致了施工進(jìn)度的拖延。因此為探究開裂后疊合板的工作性能，本文對(duì)已開裂疊合板在施工吊裝工況下裂縫發(fā)展與完成澆筑后的正常使用荷載作用下的板底裂縫、應(yīng)變、位移等指標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)。通過對(duì)比2塊開裂與1塊無裂縫疊合板跨中撓度和裂縫發(fā)展，評(píng)價(jià)已有裂縫對(duì)其工作性能的影響，同時(shí)驗(yàn)證1塊板中開洞的疊合板是否能滿足正常使用狀態(tài)下的使用要求。

1 試驗(yàn)方案

1.1 模型尺寸

試驗(yàn)共選取3塊板，其中2塊在運(yùn)輸過程中因不當(dāng)放置造成板體中部區(qū)域產(chǎn)生貫通裂縫。板編號(hào)、尺寸與配筋如表1所示，受力方向配筋位置見圖1。

圖1 板尺寸與桁架筋分布

試驗(yàn)疊合板編號(hào)與尺寸 表1

針對(duì)已經(jīng)開裂的疊合板DH2820-1600-D選擇1塊相同尺寸的未開裂疊合板DH2820-1600進(jìn)行對(duì)比，分析已有裂縫對(duì)疊合板在模擬吊裝工況下和正常使用荷載作用下的受力與變形的影響。由于疊合板板中DH3220-2400-D有洞口且跨度較大，試驗(yàn)進(jìn)行前，板體已經(jīng)產(chǎn)生較多條裂縫導(dǎo)致受力相對(duì)復(fù)雜，在吊裝工況下呈現(xiàn)雙向板受力形態(tài)，選取此板主要探究洞口對(duì)疊合板開裂損傷發(fā)展的影響。

疊合板預(yù)制與現(xiàn)澆部分均采用C30混凝土，混凝土材料屬性如表2所示。頂部與底部主要受力鋼筋均為φ8，鋼筋屈服強(qiáng)度475.3MPa，彈性模量211GPa。

混凝土材料屬性 表2

1.2 裂縫分布與測(cè)點(diǎn)布置

對(duì)于2塊已開裂的疊合板，由于運(yùn)輸和堆放過程中板體主要為短向受力，因此初始裂縫均為短向彎曲受力導(dǎo)致的沿板體長(zhǎng)方向的裂縫。其中疊合板DH3220-2400-D的裂縫由洞口向兩側(cè)板邊輻射發(fā)展，部分裂縫間已產(chǎn)生裂縫交叉，板體損傷較為嚴(yán)重，裂縫觀測(cè)點(diǎn)L1-1，L4-2，L5-2，L5-3，L7-2，L7-3的裂縫寬度均已超過《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)[6](簡(jiǎn)稱混規(guī))正常使用極限狀態(tài)的限值0.2mm，裂縫詳細(xì)分布如圖2所示。

試驗(yàn)開始前通過測(cè)量對(duì)板底裂縫分布進(jìn)行記錄，為監(jiān)測(cè)板底裂縫在吊裝后的開展程度，沿裂縫發(fā)展每隔一定間隔布置裂縫寬度測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)分布如圖2所示。同時(shí)在板底布置應(yīng)變片監(jiān)測(cè)板底應(yīng)變變化，測(cè)點(diǎn)主要分布在洞口周邊開裂位置、跨中受力集中區(qū)，具體見圖3。

圖2 板底已有裂縫分布與裂縫測(cè)點(diǎn)布置

圖3 板底應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置

1.3 吊裝試驗(yàn)

根據(jù)施工起吊要求，設(shè)置吊點(diǎn)位置如圖1所示，圖4為現(xiàn)場(chǎng)起吊與堆載。根據(jù)混規(guī)疊合板吊裝驗(yàn)算要求，預(yù)制構(gòu)件吊裝驗(yàn)算時(shí)應(yīng)將構(gòu)件自重乘以1.5的動(dòng)力系數(shù)，因此對(duì)于板厚60mm的疊合板，板自重下的荷載為1.5kN/m2，若考慮吊裝動(dòng)力系數(shù)1.5，板上需增加0.75kN/m2的荷載。實(shí)際加載過程中采用自重每袋0.4kN的膩?zhàn)幼鳛檩d重，控制均布荷載為0.768kN/m2，以此作為考慮吊裝工況動(dòng)力作用對(duì)已開裂疊合板的影響。試驗(yàn)過程如下：疊合板負(fù)重后緩緩起吊，待起吊平穩(wěn)后讀取板底裂縫寬度和應(yīng)變數(shù)值，吊裝完成后將疊合板放回原位，重新讀取裂縫寬度和應(yīng)變數(shù)值。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)起吊與堆載

2 吊裝試驗(yàn)結(jié)果

2.1 裂縫寬度

疊合板DH3220-2400-D與DH2820-1600-D吊裝前后的裂縫寬度變化如圖5所示。負(fù)重起吊后板底裂縫寬度均有不同程度增長(zhǎng)，部分區(qū)域裂縫寬度已經(jīng)超過混規(guī)正常使用極限狀態(tài)的限值0.2mm。其中疊合板DH3220-2400-D洞口邊緣的測(cè)點(diǎn)L3-1，L3-2，L3-3，L4-2和L4-3裂縫寬度增加幅度較大，說明了板中洞口對(duì)疊合板裂縫控制的不利作用。

圖5 初始與吊裝下板底裂縫寬度

試驗(yàn)過程中對(duì)疊合板DH2820-1600板底進(jìn)行觀測(cè)，未發(fā)現(xiàn)有肉眼可見的裂縫存在，表面未開裂疊合板在吊裝工況下能夠保證板體的完整良好。

2.2 板底應(yīng)變

吊裝前所有板底初始應(yīng)變均為零，為了觀察一次吊裝對(duì)板體的影響，吊裝完成卸掉負(fù)重后的殘余應(yīng)變見圖6。疊合板DH3220-2400-D除跨中測(cè)點(diǎn)5以外，其他測(cè)點(diǎn)經(jīng)過一次吊裝后均有殘余應(yīng)變產(chǎn)生，且最大殘余應(yīng)變值為1 000με左右。疊合板DH2820-1600-D在裂縫通過位置的測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)8有明顯殘余應(yīng)變產(chǎn)生，而非開裂區(qū)域的測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值基本無變化，說明一旦疊合板開裂或形成初始損傷，在吊裝作用下會(huì)使已開裂或產(chǎn)生損傷的區(qū)域裂縫進(jìn)一步發(fā)展，裂縫寬度增加，形成無法恢復(fù)的殘余應(yīng)變，使板體損傷進(jìn)一步加大。通過圖6(c)的疊合板DH2820-1600板底應(yīng)變值，發(fā)現(xiàn)吊裝后應(yīng)變數(shù)值均有一定增長(zhǎng)，但最大值不超過10με，可以看出吊裝會(huì)造成未開裂疊合板產(chǎn)生少量殘余應(yīng)變，但相對(duì)已開裂疊合板DH3220-2400-D與DH2820-1600-D的殘余應(yīng)變值，基本可忽略。以上結(jié)果分析表明對(duì)完好的疊合板DH2820-1600按照設(shè)計(jì)吊點(diǎn)設(shè)置進(jìn)行吊裝，板體受力均勻且板底無損傷產(chǎn)生。若在板體已經(jīng)產(chǎn)生初始裂縫的情況下，仍按照傳統(tǒng)吊點(diǎn)設(shè)置，在正常吊裝工況下的板體已有損傷會(huì)累積增長(zhǎng)，產(chǎn)生不可恢復(fù)的變形和損傷。

圖6 吊裝完成后疊合板板底殘余應(yīng)變

3 堆載試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案

在完成吊裝試驗(yàn)后，對(duì)3塊疊合板按照設(shè)計(jì)與施工要求進(jìn)行上層配筋澆筑，澆筑C30商品混凝土，強(qiáng)度如表2所示?，F(xiàn)澆層厚度為70mm，其中在堆載試驗(yàn)前觀測(cè)到疊合板DH3220-2400-D板體有二次運(yùn)輸產(chǎn)生的裂縫，裂縫方向多為橫向，疊合板DH3220-2400-D與DH2820-1600-D原有裂縫與受力方向平行，根據(jù)單向板受力特點(diǎn)，此裂縫對(duì)截面剛度削弱較少，而疊合板DH3220-2400-D新增加橫向裂縫則對(duì)板彎曲剛度有一定影響。因此在新裂縫位置增加應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)詳細(xì)布置如圖7所示。

圖7 DH3220-2400-D板底應(yīng)變跨中新增測(cè)點(diǎn)

按照設(shè)計(jì)功能要求的正常使用狀態(tài)確定樓面荷載，取附加恒荷載2.0kN/m2，活荷載2.0kN/m2，則根據(jù)荷載基本組合可得樓板總荷載設(shè)計(jì)值Sd=1.35×2+1.2×2=5.1kN/m2，依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50152—2012)[7]表7.3.3，計(jì)算出試驗(yàn)時(shí)的最大加載量為6.12(1.2倍樓板總荷載設(shè)計(jì)值)～8.16kN/m2(1.6倍的樓板總荷載設(shè)計(jì)值)?，F(xiàn)場(chǎng)采用0.5kN水泥袋與0.25kN的混凝土長(zhǎng)方體配重進(jìn)行堆載試驗(yàn)，加載共分9次，對(duì)應(yīng)每級(jí)荷載分別為0.876kN/m2(DH3220-2400-D)和0.884kN/m2(DH2820-1600-D與DH2820-1600)，每級(jí)荷載持荷30min后讀取相應(yīng)觀測(cè)數(shù)據(jù)。板底位移測(cè)點(diǎn)如圖8所示。

圖8 板底位移測(cè)點(diǎn)

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 板底撓度

圖9為3塊疊合板試件的荷載-位移曲線，包括加載與卸載過程板底位移變化，3塊疊合板構(gòu)件均滿足混規(guī)對(duì)樓蓋正常使用情況下?lián)隙刃∮趌0/200(l0為計(jì)算跨度)的要求。其中圖9(a)為疊合板DH3220-2400-D 板底測(cè)點(diǎn)V3～V7的荷載-位移曲線，可以發(fā)現(xiàn)，卸載后大部分位置板位移基本可恢復(fù)，而跨中測(cè)點(diǎn)V3有較大殘余位移，說明板體局部受力較大區(qū)域仍會(huì)發(fā)生不可恢復(fù)變形。圖9(b)為疊合板DH2820-1600-D與DH2820-1600荷載-位移曲線對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，最大試驗(yàn)堆載荷載下疊合板 DH2820-1600-D 的板底位移略大于疊合板DH2820-1600，說明疊合板DH2820-1600-D的初始裂縫對(duì)其在正常使用荷載作用下板體的剛度和撓度有一定影響。卸載后2塊板體均有少量殘余變形，但其值小于疊合板DH3220-2400-D的變形，這主要與疊合板DH3220-2400-D的較大跨度且板中開洞的不利影響有關(guān)。

圖9 疊合板試件荷載-位移曲線

3.2.2 板底應(yīng)變

通過圖10(a)可以看出疊合板DH3220-2400-D在堆載過程中最大應(yīng)變出現(xiàn)在位于跨中與洞口邊緣附近的測(cè)點(diǎn)14(位置見圖7)，該位置彎矩較大且洞口邊緣應(yīng)力集中，這與板的單向受力作用和洞口位置影響基本吻合。從圖10(a)中可以看出，卸載后靠近跨中區(qū)域的測(cè)點(diǎn)6，7，14均有殘余應(yīng)變產(chǎn)生，測(cè)點(diǎn)14產(chǎn)生的殘余應(yīng)變最大，為1 387με，約為極限荷載下的1/2。圖10(b)為疊合板DH2820-1600-D與DH2820-1600的荷載-應(yīng)變曲線(測(cè)點(diǎn)位置見圖3)，加載過程中兩個(gè)疊合板試件的板底應(yīng)變均小于200με，除個(gè)別點(diǎn)位置超過100με，其他測(cè)點(diǎn)卸載后殘余應(yīng)變均處于較低水平。說明跨度較大且板中開洞的疊合板試件，在加載前已產(chǎn)生受力方向裂縫，其損傷在加載后產(chǎn)生累積，形成不可恢復(fù)的應(yīng)變和板底位移。而疊合板DH2820-1600-D與DH2820-1600在受力方向無初始損傷產(chǎn)生，因此對(duì)其受彎截面基本無削弱，在正常使用荷載加載下影響較小，疊合板仍具有良好的恢復(fù)性能。傳統(tǒng)疊合板在運(yùn)輸過程中的墊木設(shè)置使其沿短向受力，易形成沿板長(zhǎng)方向的裂縫，但大多預(yù)制樓板，由幾塊疊合板拼接安裝形成統(tǒng)一板體，原板長(zhǎng)向裂縫與板間拼縫平行，對(duì)此類單向板由試驗(yàn)結(jié)果可知形成的初始縱向裂縫對(duì)板體實(shí)際剛度和恢復(fù)能力影響較小。

圖10 疊合板試件荷載-應(yīng)變曲線

3.2.3 板底裂縫

圖11(圖中裂縫1表示圖7中測(cè)點(diǎn)1處的裂縫，余同)為疊合板荷載-裂縫寬度曲線，隨著荷載的增加，加載中后期裂縫寬度有一定增長(zhǎng)，疊合板DH3220-2400-D的測(cè)點(diǎn)4裂縫寬度較大，最終接近0.2mm，其余四個(gè)測(cè)點(diǎn)能夠滿足正常使用狀態(tài)下對(duì)裂縫寬度的要求。疊合板DH2820-1600-D加載過程中未發(fā)現(xiàn)新的橫向裂縫產(chǎn)生，測(cè)點(diǎn)位置為板原有縱向裂縫，初始裂縫寬度已經(jīng)超過混規(guī)限值0.2mm的要求，裂縫寬度增加相對(duì)緩和，僅加載中后期裂縫寬度有小幅增長(zhǎng)。

圖11 疊合板試件荷載-裂縫寬度曲線

4 撓度計(jì)算

基于本次堆載試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合當(dāng)前中美兩國(guó)規(guī)范(混規(guī)、《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 191—2008)[8](簡(jiǎn)稱水工規(guī)范)、美國(guó)規(guī)范ACI 318-08[9])中抗彎剛度的計(jì)算方法，對(duì)本次試驗(yàn)3塊疊合板在堆載荷載下的撓度進(jìn)行計(jì)算，對(duì)比其預(yù)測(cè)精度。試驗(yàn)中3塊板均為單向受力，兩端為簡(jiǎn)支支撐，其撓度f計(jì)算公式如下：

(1)

式中：qk為均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值；l0為計(jì)算跨度；B為短期彎曲剛度。

式(1)中對(duì)撓度的求解主要體現(xiàn)在彎曲剛度的確定。

混規(guī)對(duì)允許出現(xiàn)裂縫的鋼筋混凝土受彎構(gòu)件提出了剛度計(jì)算公式：

(2)

式中：Es為鋼筋彈性模量；As為鋼筋截面面積；h0為截面有效高度；ψ為裂縫間縱向受拉普通鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù)；αE=Es/Ec，Ec為混凝土彈性模量；ρ為縱向受拉鋼筋配筋率；γf′為受壓翼緣截面面積與腹板有效截面面積的比值。

水工規(guī)范提出開裂后的鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件的剛度計(jì)算公式如下：

(3)

式中：b為截面寬度；γf′,γf分別為受壓和受拉翼緣截面面積與腹板有效截面面積的比值；δ為消壓彎矩與彎矩標(biāo)準(zhǔn)值Mk的比值；其他字符含義同式(2)。

美國(guó)規(guī)范ACI 318-08采用有效慣性矩法計(jì)算鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的截面計(jì)算剛度EcIe，其中Ie為截面有效慣性矩，計(jì)算公式如下：

式中：Ig為不考慮鋼筋的混凝土毛截面對(duì)其重心軸的慣性矩；Ma為計(jì)算撓度時(shí)構(gòu)件最大彎矩；Mcr為開裂彎矩；Icr為開裂截面慣性矩。

其中疊合板DH3220-2400-D在計(jì)算時(shí)為單向受力且有跨中洞口削弱，因此其截面寬度b扣除洞口部分，三種規(guī)范計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值對(duì)比如表3所示。

中美規(guī)范疊合板跨中撓度計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比 表3

由表3可知，三種規(guī)范計(jì)算方法均未能對(duì)疊合板撓度有良好的預(yù)測(cè)，除美國(guó)規(guī)范ACI 318-08對(duì)疊合板DH2820-1600與DH2820-1600-D撓度的預(yù)測(cè)值小于實(shí)際值外，其他規(guī)范計(jì)算結(jié)果均大于實(shí)際撓度?；煲?guī)的計(jì)算公式對(duì)本次簡(jiǎn)支疊合板在堆載作用下的跨中撓度預(yù)測(cè)更加接近實(shí)際撓度。水工規(guī)范計(jì)算的板體跨中撓度要遠(yuǎn)大于試驗(yàn)實(shí)際結(jié)果，其精度最低。分析認(rèn)為加載前除疊合板DH3420-2400-D有橫向裂縫存在外，其余疊合板初始裂縫均為沿板縱向裂縫，平行于板受力方向，且在整個(gè)加載過程都未發(fā)現(xiàn)橫向開裂，導(dǎo)致水工規(guī)范的計(jì)算結(jié)果偏大。

5 結(jié)論

通過對(duì)3塊疊合板進(jìn)行吊裝與堆載兩種工況下的試驗(yàn)，分析板體裂縫開裂程度、板底應(yīng)變、板底撓度的變化情況，探究已有裂縫對(duì)板體在相應(yīng)工況下的影響以及損傷的發(fā)展情況，對(duì)比現(xiàn)有撓度計(jì)算方法的準(zhǔn)確性，得到結(jié)論如下：

(1)吊裝工況下疊合板板底已有裂縫寬度增加且跨中和洞口邊緣裂縫寬度增加幅度較大。一次吊裝后板底原有裂縫會(huì)形成殘余應(yīng)變?cè)斐捎谰脫p傷，因此生產(chǎn)與施工中應(yīng)盡量避免多次重復(fù)吊裝。

(2)通過堆載試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，疊合板在正常使用荷載作用下，板底撓度能夠滿足混規(guī)限值要求。卸載后疊合板大部分區(qū)域表現(xiàn)出良好的變形恢復(fù)能力。其中疊合板DH3220-2400-D洞口與跨中局部區(qū)域有殘余撓度變形，且該區(qū)域裂縫有較大殘余應(yīng)變，原有初始裂縫部分區(qū)域裂縫寬度已經(jīng)超過混規(guī)限值0.2mm，而后期澆筑過程產(chǎn)生的橫向裂縫在加載過程中其寬度能夠滿足混規(guī)裂縫寬度限值要求。

(3)疊合板DH2820-1600-D與DH2820-1600均未發(fā)現(xiàn)橫向彎曲裂縫，在正常使用荷載范圍內(nèi)具有較為接近的受力性能。但通過荷載-位移曲線可以發(fā)現(xiàn)帶有初始裂縫的疊合板變形較大，說明疊合板的初始縱向裂縫對(duì)疊合板長(zhǎng)方向初始彎曲剛度仍有一定影響。

(4)對(duì)比中美規(guī)范中三種針對(duì)受彎構(gòu)件的撓度計(jì)算方法，發(fā)現(xiàn)混規(guī)對(duì)試驗(yàn)疊合板跨中撓度預(yù)測(cè)較為準(zhǔn)確，但現(xiàn)有疊合板撓度計(jì)算方法仍需進(jìn)一步研究以提高預(yù)測(cè)精度。而由于板體產(chǎn)生的初始縱向裂縫與實(shí)際堆載時(shí)板體受力方向平行，因此對(duì)彎曲受力方向截面無削弱作用，導(dǎo)致水工規(guī)范提出的已開裂彎曲構(gòu)件剛度公式的計(jì)算值遠(yuǎn)大于試驗(yàn)結(jié)果。