新型雙向鋼筋桁架疊合板底板受力性能試驗(yàn)研究

楊秀英 魏振宇 王示 王衛(wèi)永

摘 要：裝配式建筑中，鋼筋桁架疊合板作為主要受力構(gòu)件應(yīng)用廣泛，然而，其底板在工地安裝前經(jīng)常出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，導(dǎo)致疊合板無(wú)法使用。提出一種新型雙向鋼筋桁架疊合板，即在傳統(tǒng)鋼筋桁架疊合板上安裝橫向附加鋼筋支架，從而提高疊合板的抗彎承載力。為了考察安裝的橫向鋼筋支架對(duì)疊合板底板開(kāi)裂狀態(tài)和受力特性發(fā)揮的作用，分別對(duì)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進(jìn)行靜力加載試驗(yàn)，得到底板的開(kāi)裂彎矩、裂縫分布及跨中撓度、應(yīng)變等隨荷載的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：在相同荷載作用下，相比于傳統(tǒng)的單向鋼筋桁架疊合板，雙向鋼筋桁架疊合板底板的開(kāi)裂彎矩更大，裂縫發(fā)展更緩慢，跨中撓度、應(yīng)變均較小，雙向鋼筋桁架能顯著提高疊合板底板的抗裂性能，有效控制裂縫的開(kāi)展。

關(guān)鍵詞：雙向鋼筋桁架;疊合板;底板;裂縫;靜力試驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：TU375.2?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?? 文章編號(hào)：2096-6717（2020）04-0084-07

收稿日期：2020-11-30

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（51878096）

作者簡(jiǎn)介：楊秀英（1979- ），女，副教授，博士，主要從事鋼結(jié)構(gòu)抗火、裝配式建筑關(guān)鍵技術(shù)研究，E-mail： yangxiuying@lcu.edu.cn。

Received：2020-11-30

Foundation item：National Natural Science Foundation of China （No. 51878096）

Author brief：YANG Xiuying （1979- ）， associate professor， PhD， main research interests： fire safety of steel structure， key technology of prefabricated building， E-mail： yangxiuying@lcu.edu.cn.

Experimental study on the mechanical properties of the baseplate ofcomposite slab with two-way steel truss

YANG Xiuying1， WEI Zhenyu1， WANG Shi2， WANG Weiyong3

（1. School of Architecture and Civil Engineering， Liaocheng University， Liaocheng 252000， Shandong， P. R. China; 2.School of Civil Engineering， Shandong Jianzhu University， Jinan 250101， P. R. China; 3.School of Civil Engineering， Chongqing University， Chongqing 400045， P. R. China）

Abstract： In prefabricated buildings， steel truss composite slabs are widely used as the main force-bearing components. However， the baseplate often cracks before installation on the site， which makes the composite slabs unusable. In this paper， a new type of two-way steel truss composite slab has been proposed， which installs additional transverse steel support on the traditional reinforced truss composite slab， thereby improving the flexural bearing capacity of the composite slab. In order to investigate the effect of the installed transverse steel truss on the cracking state and mechanical characteristics of the composite slab， static loading tests were carried out on the two-way steel truss composite slab baseplate and the ordinary one-way steel truss composite slab floor. The variation rules of the cracking moment， crack distribution， mid span deflection and strain with loads were obtained through the tests. The results show that， under the same load， compared with the traditional one-way steel truss composite slab， the cracking moment of the two-way steel truss composite slab baseplate is larger， the cracks develop more slowly， and the mid-span deflection and strain are smaller. The two-way steel truss can significantly improve the anti-cracking performance of the composite slab baseplate and effectively control the crack development.

Keywords： two-way steel truss; composite slab; baseplate; crack; static test

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(yù)制構(gòu)件被廣泛應(yīng)用于裝配式建筑工程中。簡(jiǎn)化工序、降低成本、節(jié)約資源是建筑業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。學(xué)者們針對(duì)疊合板的性能開(kāi)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(yù)制疊合底板。黃海林等[9]研究了T形板肋對(duì)預(yù)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(yù)制帶肋鋼筋桁架疊合板。章雪峰等[11]對(duì)四邊不出筋、板側(cè)采用密拼連接的鋼筋桁架疊合板進(jìn)行了加載試驗(yàn)，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(guò)對(duì)鋼筋桁架混凝土疊合板和現(xiàn)澆雙向板進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)合中國(guó)規(guī)范和相關(guān)理論提出了疊合雙向板的剛度和撓度計(jì)算方法。李杰等[13]對(duì)4塊不同形式的鋼筋桁架疊合板展開(kāi)受彎性能試驗(yàn)，結(jié)果表明，撓度是板型設(shè)計(jì)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(jì)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(xué)性能提供了寶貴的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和研究資料，促進(jìn)了疊合板整體性能的進(jìn)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(yàn)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(duì)充當(dāng)模板的疊合板底板力學(xué)性能研究相對(duì)較少。

作者通過(guò)對(duì)大量項(xiàng)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(shí)際工程應(yīng)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(zhǔn)備階段就已經(jīng)存在開(kāi)裂現(xiàn)象，甚至導(dǎo)致疊合板報(bào)廢，無(wú)法使用。并且板厚度越小，裂縫越明顯?！朵摴荑旒茴A(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(xiàng)目的疊合板，在工地安裝前的驗(yàn)收中裂縫板多達(dá)30%以上。為了解決這一問(wèn)題，開(kāi)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(duì)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(duì)這種新型的雙向鋼筋桁架板開(kāi)展靜載試驗(yàn)并進(jìn)行分析。筆者針對(duì)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(kāi)展靜力加載試驗(yàn)，對(duì)比二者的裂縫開(kāi)展、撓度、應(yīng)變等性能，分析了雙向鋼筋桁架對(duì)底板開(kāi)裂狀態(tài)和力學(xué)性能提升所起的作用。

1 試驗(yàn)過(guò)程

1.1 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)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(gè)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(yàn)對(duì)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(hù)層厚度15 mm。底板跨度、寬度方向配筋均為HRB400等級(jí)SymbolfA@8@200，縱向桁架上弦鋼筋為HRB400等級(jí)SymbolfA@10，下弦為HRB400等級(jí)SymbolfA@8，腹桿為HPB235等級(jí)SymbolfA@6，橫向附加鋼筋支架長(zhǎng)度2 300 mm，上弦鋼筋為HRB400等級(jí)SymbolfA@10，腹桿HPB235等級(jí)SymbolfA@6，無(wú)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(jiàn)圖1和圖2。

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?jī)H增加11.2%。按單位面積計(jì)算，用鋼量?jī)H增加1 kg/m2。

試驗(yàn)時(shí)實(shí)測(cè)混凝土試塊（100 mm×100 mm×100 mm）和鋼筋抗拉強(qiáng)度見(jiàn)表1、表2。從表中可以看出，混凝土強(qiáng)度達(dá)到了C25的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值，鋼筋也均達(dá)到了相應(yīng)等級(jí)的屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度。

1.2 測(cè)點(diǎn)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(shí)板底還沒(méi)有鋼架木方的支撐，對(duì)于4 200 mm×2 400 mm的寬板，工程中均采用6點(diǎn)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(shí)受力狀態(tài)，試驗(yàn)中同樣設(shè)置了6點(diǎn)支撐，每個(gè)支撐點(diǎn)放置1個(gè)木墊塊，墊塊尺寸為200 mm×100 mm×100 mm，墊塊與板長(zhǎng)邊（或短邊）邊緣的距離為200 mm，中間墊塊沿板長(zhǎng)邊方向間距1 900 mm，墊塊位置如圖3所示。

試驗(yàn)中采用差動(dòng)式位移傳感器測(cè)量了板的跨中撓度值，位移計(jì)布置在板底跨中位置。采用應(yīng)變片測(cè)量了板底部的應(yīng)變值，應(yīng)變片布置位置見(jiàn)圖3。

試驗(yàn)采用均布加載方式，用沙袋施加荷載（圖4所示），每級(jí)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(jí)荷載持荷5 min，采用裂縫綜合測(cè)試儀（圖5所示）觀察并標(biāo)記板底裂縫開(kāi)展情況。荷載逐級(jí)施加，以板達(dá)到正常使用極限狀態(tài)作為試件的對(duì)比狀態(tài)。依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）[15]對(duì)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(gè)條件之一，即認(rèn)為板達(dá)到正常使用極限狀態(tài)：1）跨中撓度達(dá)到9 mm;2）最大裂縫寬度達(dá)到0.2 mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 裂縫開(kāi)展及裂縫形式

疊合板底板DHB1、DHB2的裂縫開(kāi)展情況如圖6所示。對(duì)于DHB1，當(dāng)加載到12級(jí)荷載（1.44 kN/m2）時(shí)，板底開(kāi)始出現(xiàn)微小裂縫;加載至13級(jí)荷載（1.56 kN/m2）時(shí)出現(xiàn)裂縫B13，長(zhǎng)度約300 mm，寬度0.05 mm;當(dāng)加載至15級(jí)荷載（1.8 kN/m2）時(shí)，板的左右兩側(cè)短邊均出現(xiàn)裂縫B15，長(zhǎng)度約200 mm，寬度0.11 mm;加載至17級(jí)荷載（2.04 kN/m2）時(shí)，跨中左右兩側(cè)出現(xiàn)長(zhǎng)裂縫B17，長(zhǎng)度約1 100 mm;當(dāng)加載至20級(jí)荷載（2.4 kN/m2）時(shí)，板底跨中出現(xiàn)0.2 mm裂縫B20，認(rèn)為已經(jīng)達(dá)到了正常使用極限狀態(tài)。

對(duì)于DHB2，當(dāng)加載到5級(jí)荷載（0.6 kN/m2）時(shí)，板底開(kāi)始出現(xiàn)微小裂縫;加載至8級(jí)荷載（0.96 kN/m2）時(shí)，板底開(kāi)始出現(xiàn)裂縫⑧，裂縫長(zhǎng)度1 600 mm，寬度0.11 mm;當(dāng)加載到12級(jí)荷載（1.44 kN/m2）時(shí)，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B12;當(dāng)加載到15級(jí)荷載（1.8 kN/m2）時(shí)，板底跨中出現(xiàn)0.2 mm裂縫B15，認(rèn)為已經(jīng)達(dá)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(yàn)結(jié)果可知，DHB1出現(xiàn)微小裂縫時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載值明顯高于DHB2，裂縫的開(kāi)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(dá)到正常使用極限狀態(tài)時(shí)，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?jiàn)，雙向鋼筋桁架對(duì)控制疊合板底板裂縫的開(kāi)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(guò)曲線可以看出，兩種疊合板底板跨中撓度的發(fā)展趨勢(shì)相近，加載初期荷載較小，撓度也較小，隨著荷載的進(jìn)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(duì)較陡，當(dāng)荷載達(dá)到2 kN/m2時(shí)，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(shuō)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(jiàn)。

2.3 荷載應(yīng)變曲線

試件DHB1和DHB2的板底各有兩組應(yīng)變片C1、C2，分別讀取應(yīng)變片的數(shù)據(jù)，并將應(yīng)變隨荷載的變化對(duì)比曲線繪于圖8。從圖中可以看出，無(wú)論是C1位置還是C2位置，在相同荷載作用下，DHB1產(chǎn)生的應(yīng)變明顯小于DHB2。當(dāng)荷載達(dá)到2 kN/m2時(shí)，試件DHB1的應(yīng)變值比試件DHB2的應(yīng)變值降低50%左右。可見(jiàn)，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(yīng)變，延緩底板的變形。

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(shí)也能對(duì)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(jì)算

雙向鋼筋桁架對(duì)疊合板底板力學(xué)性能的有利作用也可以通過(guò)理論分析進(jìn)行說(shuō)明，分別計(jì)算雙向鋼筋桁架底板DHB1和單向鋼筋桁架底板DHB2的開(kāi)裂彎矩，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

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

Mcr=γftkW0（1）

W0=I0h-x0（2）

式中：Mcr為受彎構(gòu)件開(kāi)裂彎矩計(jì)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(yàn)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(jì)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(kāi)展大多為縱向，因此，對(duì)控制裂縫開(kāi)展起主要作用的為附加鋼筋支架，計(jì)算時(shí)主要考慮附加鋼筋支架的貢獻(xiàn)。對(duì)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(jìn)行計(jì)算。對(duì)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(shí)，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(jìn)行開(kāi)裂彎矩的計(jì)算，并將開(kāi)裂彎矩的計(jì)算值Mcr，c和試驗(yàn)值Mcr，t進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表3，其中，開(kāi)裂彎矩試驗(yàn)值取跨中最大彎矩。由表3可以看出，開(kāi)裂彎矩計(jì)算值與試驗(yàn)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(kāi)裂彎矩?zé)o論是計(jì)算值還是試驗(yàn)值均有大幅度提高。

通過(guò)以上對(duì)比試驗(yàn)和理論計(jì)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(kāi)裂彎矩、跨中撓度、板底應(yīng)變等性能指標(biāo)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(gè)橫向附加鋼筋支架，桁架與支架之間通過(guò)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(jìn)而減小疊合板底板的撓度和應(yīng)變，提高疊合板底板的開(kāi)裂彎矩。

根據(jù)試驗(yàn)和分析結(jié)果，把新型雙向鋼筋桁架應(yīng)用于實(shí)際工程項(xiàng)目中，經(jīng)過(guò)對(duì)施工過(guò)程的跟蹤調(diào)查統(tǒng)計(jì)，板底基本沒(méi)有出現(xiàn)裂縫，效果良好，結(jié)論得到了實(shí)際工程驗(yàn)證。圖9為實(shí)際工程項(xiàng)目應(yīng)用中新型雙向鋼筋桁架疊合板底板的制作過(guò)程。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)兩種不同形式鋼筋桁架疊合板底板的對(duì)比試驗(yàn)和分析，得到如下結(jié)論：

1）鋼筋桁架疊合板底板通過(guò)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(kāi)裂彎矩、撓度變化、板底應(yīng)變及裂縫開(kāi)展均優(yōu)于單向鋼筋桁架板，針對(duì)試驗(yàn)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(yàn)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(kāi)展。

本文的橫向附加鋼筋支架是針對(duì)試驗(yàn)采用的板型而布置的，當(dāng)?shù)装宄叽?、材料?qiáng)度、支承方式等條件變化時(shí)，要根據(jù)具體情況進(jìn)行有效性和經(jīng)濟(jì)性的綜合評(píng)判，從而進(jìn)行支架間距的調(diào)整，這一問(wèn)題將在今后的工作中進(jìn)一步深入研究。參考文獻(xiàn)：

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（編輯 王秀玲）