新型雙向鋼筋桁架疊合板底板受力性能試驗研究

楊秀英，魏振宇，王示，王衛(wèi)永

(1.聊城大學 建筑工程學院，山東 聊城252000；2.山東建筑大學 土木工程學院，濟南250101； 3.重慶大學 土木工程學院，重慶400045)

隨著建筑產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，鋼筋桁架疊合板作為一種重要的預制構(gòu)件被廣泛應用于裝配式建筑工程中。簡化工序、降低成本、節(jié)約資源是建筑業(yè)發(fā)展的趨勢。學者們針對疊合板的性能開展了一系列相關(guān)研究[1-3]，并取得了一定的成果。Nam等[4]和Hanus等[5]提出了一種FRP底板-混凝土雙向組合板。吳方伯等[6-8]提出了一種帶格構(gòu)鋼筋的預制疊合底板。黃海林等[9]研究了T形板肋對預制帶肋底板混凝土疊合板彎曲疲勞性能的影響。劉香等[10]研究了預制帶肋鋼筋桁架疊合板。章雪峰等[11]對四邊不出筋、板側(cè)采用密拼連接的鋼筋桁架疊合板進行了加載試驗，得到了垂直拼縫方向板帶剛度略小于平行拼縫方向板帶剛度的結(jié)論。湯磊等[12]通過對鋼筋桁架混凝土疊合板和現(xiàn)澆雙向板進行對比試驗，結(jié)合中國規(guī)范和相關(guān)理論提出了疊合雙向板的剛度和撓度計算方法。李杰等[13]對4塊不同形式的鋼筋桁架疊合板展開受彎性能試驗，結(jié)果表明，撓度是板型設(shè)計的控制因素。余泳濤等[14]提出了雙向疊合板密拼拼縫的設(shè)計建議與構(gòu)造要求。以上研究成果為探索鋼筋混凝土疊合板的力學性能提供了寶貴的試驗數(shù)據(jù)和研究資料，促進了疊合板整體性能的進一步提升，為新型疊合結(jié)構(gòu)的推廣提供了一定的理論依據(jù)和試驗支持?，F(xiàn)有研究主要集中在疊合板完成現(xiàn)澆層澆注后的整體受力性能，而針對充當模板的疊合板底板力學性能研究相對較少。

作者通過對大量項目的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在裝配式鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的實際工程應用中，許多寬度較大的疊合樓板在澆筑現(xiàn)澆層之前的安裝準備階段就已經(jīng)存在開裂現(xiàn)象，甚至導致疊合板報廢，無法使用。并且板厚度越小，裂縫越明顯?！朵摴荑旒茴A應力混凝土疊合板技術(shù)規(guī)程》(T/CECS 722—2020)規(guī)定底板厚度最小可以做到35 mm，而《ZDB預應力混凝土疊合板》(L15GT58)規(guī)定底板厚度最小可以做到40 mm。大部分裂縫在疊合板安裝之前就已經(jīng)出現(xiàn)了，例如某兩棟30層高層項目的疊合板，在工地安裝前的驗收中裂縫板多達30%以上。為了解決這一問題，開展了疊合板在澆筑現(xiàn)澆層之前底板性能的相關(guān)研究。疊合板底板在安裝之前就出現(xiàn)裂縫，并且板厚度越小裂縫越明顯，是由于底板厚度較小、橫向受彎剛度不足所致。因此，提出改善措施，對厚度較小的寬板在短跨方向增加附加鋼筋支架，形成雙向桁架，對這種新型的雙向鋼筋桁架板開展靜載試驗并進行分析。筆者針對雙向鋼筋桁架疊合板底板和普通單向鋼筋桁架疊合板底板開展靜力加載試驗，對比二者的裂縫開展、撓度、應變等性能，分析了雙向鋼筋桁架對底板開裂狀態(tài)和力學性能提升所起的作用。

1 試驗過程

1.1 試件設(shè)計

試驗制作了兩塊不同鋼筋桁架形式的疊合板底板，分別設(shè)置雙向鋼筋桁架和傳統(tǒng)單向鋼筋桁架。其中，第1塊板DHB1為雙向鋼筋桁架底板，即在圖集《桁架鋼筋混凝土疊合板》(15G366-1)中B90型雙向板的基礎(chǔ)上增加3個橫向附加鋼筋支架，形成一種新型雙向鋼筋桁架疊合板底板；第2塊板DHB2即為未增加橫向鋼筋支架的原B90型疊合板底板，該板作為試驗對比板。兩塊疊合板底板DHB1和DHB2的尺寸均為4 200 mm×2 400 mm×60 mm，混凝土采用C25，保護層厚度15 mm。底板跨度、寬度方向配筋均為HRB400等級?8@200，縱向桁架上弦鋼筋為HRB400等級?10,下弦為HRB400等級?8，腹桿為HPB235等級?6，橫向附加鋼筋支架長度2 300 mm，上弦鋼筋為HRB400等級?10，腹桿HPB235等級?6，無下弦桿。雙向鋼筋桁架疊合板底板DHB1和普通單向鋼筋桁架疊合板底板DHB2配筋示意圖和照片分別見圖1和圖2。

圖2 疊合板底板試件照片F(xiàn)ig.2 Photo of bottom composite

圖1 試件配筋示意圖Fig.1 Enforcement arrangement of the

試件的面積為10.1 m2，試件DHB1采用鋼筋103.5 kg，試件DHB2采用鋼筋93.1 kg，鋼筋用量僅增加11.2%。按單位面積計算，用鋼量僅增加1 kg/m2。

試驗時實測混凝土試塊(100 mm×100 mm×100 mm)和鋼筋抗拉強度見表1、表2。從表中可以看出，混凝土強度達到了C25的設(shè)計標準值，鋼筋也均達到了相應等級的屈服強度和極限強度。

表1 混凝土實測強度Table 1 Concrete measured strength

表2 鋼筋力學性能Table 2 Mechanical properties of steel bars

1.2 測點布置及加載方案

由于裂縫多發(fā)生于疊合板底板安裝之前，此時板底還沒有鋼架木方的支撐，對于4 200 mm×2 400 mm的寬板，工程中均采用6點支撐，該支撐狀態(tài)下，板呈現(xiàn)出雙向板的受力特征。為模擬疊合板底板的真實受力狀態(tài)，試驗中同樣設(shè)置了6點支撐，每個支撐點放置1個木墊塊，墊塊尺寸為200 mm×100 mm×100 mm，墊塊與板長邊(或短邊)邊緣的距離為200 mm，中間墊塊沿板長邊方向間距1 900 mm，墊塊位置如圖3所示。

圖3 墊塊及儀器布置圖Fig.3 Arrangement of displacement meter and strain

試驗中采用差動式位移傳感器測量了板的跨中撓度值，位移計布置在板底跨中位置。采用應變片測量了板底部的應變值，應變片布置位置見圖3。

試驗采用均布加載方式，用沙袋施加荷載(圖4所示)，每級荷載設(shè)置為0.12 kN/m2，沿板面均勻施加，以模擬板上均布荷載，每級荷載持荷5 min，采用裂縫綜合測試儀(圖5所示)觀察并標記板底裂縫開展情況。荷載逐級施加，以板達到正常使用極限狀態(tài)作為試件的對比狀態(tài)。依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010)[15]對構(gòu)件撓度限值以及最大裂縫寬度的規(guī)定，出現(xiàn)下述兩個條件之一，即認為板達到正常使用極限狀態(tài)：1)跨中撓度達到9 mm；2)最大裂縫寬度達到0.2 mm。

圖4 試件加載和支撐照片F(xiàn)ig.4 Specimen loading and supporting

圖5 裂縫綜合測試儀Fig.5 Fracture comprehensive

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 裂縫開展及裂縫形式

疊合板底板DHB1、DHB2的裂縫開展情況如圖6所示。對于DHB1，當加載到12級荷載(1.44 kN/m2)時，板底開始出現(xiàn)微小裂縫；加載至13級荷載(1.56 kN/m2)時出現(xiàn)裂縫，長度約300 mm，寬度0.05 mm；當加載至15級荷載(1.8 kN/m2)時，板的左右兩側(cè)短邊均出現(xiàn)裂縫，長度約200 mm，寬度0.11 mm；加載至17級荷載(2.04 kN/m2)時，跨中左右兩側(cè)出現(xiàn)長裂縫，長度約1 100 mm；當加載至20級荷載(2.4 kN/m2)時，板底跨中出現(xiàn)0.2 mm裂縫，認為已經(jīng)達到了正常使用極限狀態(tài)。

圖6 底板裂縫Fig.6 The cracks of bottom

對于DHB2，當加載到5級荷載(0.6 kN/m2)時，板底開始出現(xiàn)微小裂縫；加載至8級荷載(0.96 kN/m2)時，板底開始出現(xiàn)裂縫⑧，裂縫長度1 600 mm，寬度0.11 mm；當加載到12級荷載(1.44 kN/m2)時，底板左側(cè)邊緣產(chǎn)生的裂縫與跨中裂縫連通，形成通常裂縫；當加載到15級荷載(1.8 kN/m2)時，板底跨中出現(xiàn)0.2 mm裂縫，認為已經(jīng)達到了正常使用極限狀態(tài)。

兩種疊合板底板的裂縫在縱向有相似的發(fā)展規(guī)律，由試驗結(jié)果可知，DHB1出現(xiàn)微小裂縫時對應的荷載值明顯高于DHB2，裂縫的開展速度也比DHB2要緩慢很多。板底跨中出現(xiàn)0.2 mm裂縫即板達到正常使用極限狀態(tài)時，DHB1的荷載為2.4 kN/m2，DHB2的荷載為1.8 kN/m2，DHB1比DHB2提高了33%左右?？梢?，雙向鋼筋桁架對控制疊合板底板裂縫的開展所起的作用非常顯著。

2.2 荷載-撓度曲線

圖7給出了DHB1和DHB2的荷載-撓度曲線。通過曲線可以看出，兩種疊合板底板跨中撓度的發(fā)展趨勢相近，加載初期荷載較小，撓度也較小，隨著荷載的進一步增大，DHB1的荷載-撓度曲線發(fā)展較為平緩，而DHB2曲線相對較陡，當荷載達到2 kN/m2時，試件DHB1和DHB2的撓度值分別為3.5 mm和8.0 mm，增加橫向鋼筋支架后，撓度降低了56%。說明雙向鋼筋桁架疊合板底板的剛度與普通單向鋼筋桁架疊合板相比有了顯著提高。在鋼筋成本增加11%的條件下，試件的剛度提升了56%，效果顯而易見。

圖7 荷載-撓度曲線Fig.7 The load-deflection

2.3 荷載-應變曲線

試件DHB1和DHB2的板底各有兩組應變片C1、C2，分別讀取應變片的數(shù)據(jù)，并將應變隨荷載的變化對比曲線繪于圖8。從圖中可以看出，無論是C1位置還是C2位置，在相同荷載作用下，DHB1產(chǎn)生的應變明顯小于DHB2。當荷載達到2 kN/m2時，試件DHB1的應變值比試件DHB2的應變值降低50%左右。可見，增加橫向附加鋼筋支架而形成的雙向鋼筋桁架可以明顯提高底板的剛度和整體性，減小板的應變，延緩底板的變形。

圖8 試件的荷載-應變曲線Fig.8 The load-strain curves of the

增加的附加鋼筋支架不僅可以提高荷載作用下底板的抗裂能力，同時也能對因混凝土收縮及溫度變化等原因產(chǎn)生的變形裂縫起到有效的控制作用。

3 理論分析和計算

雙向鋼筋桁架對疊合板底板力學性能的有利作用也可以通過理論分析進行說明，分別計算雙向鋼筋桁架底板DHB1和單向鋼筋桁架底板DHB2的開裂彎矩，并與試驗結(jié)果進行對比。

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010)的規(guī)定，結(jié)合過鎮(zhèn)海等[16]的研究，鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的開裂彎矩通過式(1)、式(2)計算。

Mcr=γftkW0

(1)

(2)

式中：Mcr為受彎構(gòu)件開裂彎矩計算值；γ為混凝土構(gòu)件截面抵抗矩塑性影響系數(shù)；W0為試驗板的換算截面受拉邊緣的截面抵抗矩；x0為混凝土受壓區(qū)高度。

底板內(nèi)的鋼筋，按鋼筋與混凝土彈性模量比n(n=Es/E0)換算成等效面積nAs后，將鋼筋混凝土板看作均質(zhì)彈性材料，計算換算截面積A0、受壓區(qū)高度x0、換算截面慣性矩I0和受拉邊緣的截面抵抗矩W0等。

由于裂縫開展大多為縱向，因此，對控制裂縫開展起主要作用的為附加鋼筋支架，計算時主要考慮附加鋼筋支架的貢獻。對于DHB2，把板內(nèi)鋼筋按彈性模量比換算成等效面積nAs，將底板看做均勻彈性材料代入以上公式進行計算。對于DHB1，由于增加了附加鋼筋支架，除了按照DHB2的方法把鋼筋換算成等效面積nAs外，同時，還要把鋼筋支架換算成等效面積nAs′，As′為附加支架上弦鋼筋截面面積。然后按照換算截面進行開裂彎矩的計算，并將開裂彎矩的計算值Mcr,c和試驗值Mcr,t進行對比，結(jié)果見表3，其中，開裂彎矩試驗值取跨中最大彎矩。由表3可以看出，開裂彎矩計算值與試驗值比較接近，與普通的單向鋼筋桁架相比，雙向鋼筋桁架疊合板底板開裂彎矩無論是計算值還是試驗值均有大幅度提高。

表3 開裂彎矩對比表Table 3 Cracking moment comparison table

通過以上對比試驗和理論計算可以得到，在相同的均布荷載作用下，雙向鋼筋桁架疊合板底板的開裂彎矩、跨中撓度、板底應變等性能指標均優(yōu)于普通單向疊合板底板。在單向鋼筋桁架板上增加3個橫向附加鋼筋支架，桁架與支架之間通過焊接相連，近似形成剛性連接，從而形成縱橫鋼筋桁架網(wǎng)。桁架網(wǎng)與底板共同工作，大幅度提高了鋼筋桁架與底板的整體剛度，進而減小疊合板底板的撓度和應變，提高疊合板底板的開裂彎矩。

根據(jù)試驗和分析結(jié)果，把新型雙向鋼筋桁架應用于實際工程項目中，經(jīng)過對施工過程的跟蹤調(diào)查統(tǒng)計，板底基本沒有出現(xiàn)裂縫，效果良好，結(jié)論得到了實際工程驗證。圖9為實際工程項目應用中新型雙向鋼筋桁架疊合板底板的制作過程。

4 結(jié)論

通過對兩種不同形式鋼筋桁架疊合板底板的對比試驗和分析，得到如下結(jié)論：

1)鋼筋桁架疊合板底板通過增設(shè)橫向附加鋼筋支架，使得鋼筋桁架形成縱橫交叉網(wǎng)格，與底板混凝土共同工作，可以顯著提高疊合板底板的整體剛度。

2)在相同均布荷載作用下，雙向鋼筋桁架疊合板底板開裂彎矩、撓度變化、板底應變及裂縫開展均優(yōu)于單向鋼筋桁架板，針對試驗情況，新型雙向鋼筋桁架疊合板底板比普通單向鋼筋桁架疊合板底板的正常使用極限荷載提高了33%左右。

3)試驗表明，寬度較大的疊合板底板，采用雙向鋼筋桁架可以有效地控制裂縫的開展。

本文的橫向附加鋼筋支架是針對試驗采用的板型而布置的，當?shù)装宄叽?、材料強度、支承方式等條件變化時，要根據(jù)具體情況進行有效性和經(jīng)濟性的綜合評判，從而進行支架間距的調(diào)整，這一問題將在今后的工作中進一步深入研究。