裝配式鋁合金復合樓板的承載性能試驗研究*

白志強， 周 彬， 潘月月， 劉曉東， 高繼亭， 孫自超

(1 濰坊學院建筑工程學院， 濰坊 261061；2 山東酷屋網(wǎng)絡科技有限公司， 濰坊 261061)

0 概述

近年來，鋁合金材料在建筑領域中的應用越來越廣泛[1]。鋁合金結(jié)構(gòu)具有強質(zhì)比高、耐腐蝕、易于裝配、便于運輸?shù)葍?yōu)點，但同時鋁合金材料的力學性能易受到周圍環(huán)境溫度的影響，且不同結(jié)構(gòu)鋁合金材料之間差異性較大。郭小農(nóng)等[2-4]針對鋁合金結(jié)構(gòu)構(gòu)件在常溫狀態(tài)下的力學性能開展了一系列的研究。為了研究火災狀態(tài)下鋁合金材料的力學性能，郭小農(nóng)等[5-8]還對鋁合金在高溫下的力學性能展開了一系列的研究。鋁合金材料性能除了受溫度影響顯著外，還與構(gòu)件連接方式有關(guān)系。鋁合金構(gòu)件的連接主要有焊接、機械連接和粘結(jié)三種[9]，其中機械連接是鋁合金構(gòu)件連接中較為普遍的一種方式。鋁合金板式節(jié)點是鋁合金空間結(jié)構(gòu)中最具代表性的機械連接方式，朱劭駿、郭小農(nóng)、熊哲等[10-14]對該類節(jié)點做了系統(tǒng)的研究。總體來看，以上研究成果多數(shù)適用于展覽館、體育館、橋梁等公共大空間結(jié)構(gòu)領域，而用于居住建筑的鋁合金結(jié)構(gòu)還不多見[1]。

裝配式鋁合金復合板結(jié)構(gòu)是一種以標準化制作的鋁合金復合板作為基本裝配單元，同時兼作受力單元的，適用于小型居住型建筑的新型結(jié)構(gòu)體系，如圖1所示。裝配式鋁合金復合板即充當樓板受力體系又充當墻板受力體系，是該新型結(jié)構(gòu)體系的關(guān)鍵受力構(gòu)件。本文主要對該類復合板作為樓板受力體系時的整體承載性能開展試驗研究。

圖1 裝配式鋁合金民居建筑

1 試驗方案

1.1 試件尺寸及連接構(gòu)造

裝配式鋁合金復合樓板(簡稱復合板)由鋁合金邊框和復合材料面板組成，其中復合材料面板由鍍鋅板、保溫板、鋁制分隔板組成。復合板長度為2.5m，寬度為1.25m，厚度為0.1m。為了方便復合板的裝配連接，鋁合金邊框四壁設計四個內(nèi)凹式的工形卡槽。復合板的中間鋁制分層隔板的四邊做成十字形定位卡條，十字形卡條的縱向端部做成L形與鋁合金邊框的工形卡槽對位連接，再用L形緊固卡條固定連接；十字形卡條的兩個橫向伸臂分別與兩個“帶弧形撐桿的卡扣件”對位卡住后，再用粘合卡條與鋁制分隔板卡住并用結(jié)構(gòu)膠粘合。保溫板、鋁制分隔板和鍍鋅板的接觸面均用結(jié)構(gòu)膠粘合，具體構(gòu)造如圖2(a)所示。鋁合金邊框在角部連接時，在接觸面的鋁合金邊框側(cè)壁對位開孔后，通過鉚釘和L形卡扣緊固連接，如圖2(b)所示。

圖2 復合板的連接構(gòu)造示意圖

如圖3所示，采用煙臺某試驗技術(shù)有限公司的雙向鉸支座，放置于四個鋼墩的頂面上，雙向鉸支座的支撐托板通過與短鋼柱端部凹槽的半圓球接觸形成轉(zhuǎn)動約束，鋼柱通過與輪輻式力傳感器連接后固定在鋼支墩上，形成復合板的簡支約束。

圖3 復合板簡支約束方案

1.2 測點布置

圖4(a)給出了復合板支座傳感器和位移測點布置平面圖，板底位移傳感器布置實景見圖4(b)。為了防止加載進程中位移傳感器探針隨復合板撓曲過程發(fā)生偏移，在測點處粘貼限制性圓環(huán)，如圖4(c)所示。

圖4 復合板支座傳感器及位移測點布置圖

圖5給出了鋁合金邊框跨中應變監(jiān)控區(qū)域編號(S1～S4)及貼片示意。本試驗主要對長邊和短邊的鋁合金邊框的跨中區(qū)域進行了應變監(jiān)測，通過應變狀態(tài)評估邊框的受力水平。

圖5 鋁合金邊框跨中應變監(jiān)控區(qū)域編號及貼片示意

由于四角簡支的復合板是對稱結(jié)構(gòu)，本次試驗僅對S1和S4區(qū)域進行了上表面、側(cè)面、下表面貼片，監(jiān)控鋁合金邊框跨中截面的應變分布；對S2和S3區(qū)域進行了校核性貼片，僅在邊框上表面和下表面各設置了一個應變測點。

1.3 加載方式

1.3.1 粘土磚均布加載和卸載

采用特制恒密度粘土磚作為加載試塊。經(jīng)計算，滿鋪一層粘土磚面荷載共需100塊粘土磚，數(shù)值為1.12kN/m2。第一級荷載為滿鋪一層粘土磚(面荷載1.12kN/m2)，為了獲取較為精確的撓度曲線分布點，之后每級荷載采用均勻?qū)ΨQ平鋪50塊粘土磚均勻遞增(增幅為0.56kN/m2)。每級荷載加載完畢靜置30s后讀數(shù)并做記錄，跨中各測點讀數(shù)減去支座測點讀數(shù)即得各測點撓度值，直到加載至復合板破壞或者出現(xiàn)不適于繼續(xù)承載的變形為止。

為了考察復合板的裝配式連接構(gòu)造的連接性能，當復合板達到極限承載狀態(tài)后，靜置承載持續(xù)15d后，開始逐級卸載(降幅為1.12kN/m2)，觀察關(guān)鍵測點的撓度及應變在卸載過程中的變化情況，借以推測裝配式構(gòu)造連接的性能。

1.3.2 樓板集中荷載模擬

為了比較復合板在承載均布荷載和集中荷載時的不同受力性能，采用人體體重模擬集中荷載，在復合板中心區(qū)域進行逐級加載。集中荷載加載方式通過人體體重分級加載實現(xiàn)，每級荷載增加一個人體重量，遵循“對稱集中”的布載方案。隨機選取了8名志愿者，對測試人員進行體重測量及編號，并換算成等效面荷載，如表1所示。

集中荷載參數(shù) 表1

以復合板面中心區(qū)域半徑約400mm的圓形區(qū)域作為多人集中加載區(qū)域，如圖6所示。

圖6 人體集中荷載加載照片

2 試驗現(xiàn)象

2.1 樓板整體承載狀態(tài)

在加載初期(面荷載為2.23kN/m2)，樓板出現(xiàn)輕微撓曲下凹，此時跨中位移達到了9.825mm，已經(jīng)超出了《鋁合金結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》(GB 50429—2007)[15](簡稱鋁合金規(guī)范)中有關(guān)受彎構(gòu)件的撓度限值(主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件L/250,橫隔板L/200，L為結(jié)構(gòu)構(gòu)件跨度)。荷載加至8.94kN/m2時，復合板整體下?lián)铣潭让黠@增大，呈現(xiàn)明顯的“碗狀”變形，板的整體變形幅度較大,滿載后平鋪磚塊中間區(qū)域有明顯的下凹變形，如圖7所示。整個加載過程中間復合材料面板與鋁合金邊框的連接以及鋁合金邊框角部連接始終保持完好。

圖7 復合板整體變形實景

2.2 細部受力特征

觀察復合板細部連接構(gòu)造，由于板材下表面受拉，復合材料面板與鋁合金邊框的連接縫隙變大，但縫隙變形仍然處于觀感可接受的范圍之內(nèi)，見圖8(a)，樓板仍然保持較好的整體性，無明顯坍塌破壞征兆。加載至6.70kN/m2時，復合板上表面角部翹起約3mm，鋁合金邊框與復合板接縫蓋條斜向縫隙張開約3mm，見圖8(b)。

圖8 鋁合金邊框與復合材料面板的連接接縫

加載狀態(tài)下鋁合金邊框角部節(jié)點接縫如圖9所示。從圖9中可以看出，鋁合金短邊框與長邊框的連接接縫下部由于受拉作用處于明顯張開狀態(tài)，最下邊張開寬度約5mm。當加載至8.94kN/m2時，連接接縫處的某個鉚釘有“凸起松動”的現(xiàn)象，說明連接處鉚孔孔壁變形明顯，鋁合金邊框連接強度達到了承載極限。

圖9 加載狀態(tài)下鋁合金邊框角部節(jié)點接縫

通過圖9還可以看出，鋁合金邊框受到復合材料面板的“擠壓”作用，方形截面有變成“菱形”截面的趨勢。經(jīng)過15d的持續(xù)承載后卸載，觀察到裝配式接縫縫隙寬度明顯變小，且有明顯的殘余變形。

3 試驗數(shù)據(jù)分析

3.1 撓度分析

鋁合金規(guī)范4.4.1條規(guī)定受彎構(gòu)件撓度容許值不超過L/250?！堆b配式鋁合金低層房屋及移動屋》(JG/T 570—2019)[16]同樣規(guī)定主體受力構(gòu)件的撓度限值為L/250。參考《鋼結(jié)構(gòu)設計標準》(GB 50017—2017)[17]B.2.4條對受彎構(gòu)件的撓度容許值，屋蓋為L/250，樓蓋為L/300。綜合選取L/250作為本文復合板的撓度限值。

圖10(a)給出了不同荷載下復合板跨中區(qū)域各測點的撓度。由圖10(a)可以看出，測點2和測點3的撓度大致處于同一撓度水平上，板面中心處的測點6撓度最大，符合經(jīng)驗判斷。

測點6為板跨中心測點，其變形程度反映復合板的剛度；測點2和測點3均為鋁合金長邊框跨中測點，其變形程度反映長邊框的剛度，且由于二者互為對稱點，故繪于同一圖中；測點1的變形程度反映了短邊框的剛度。

測點6荷載-撓度曲線如圖10(b)所示。由圖10(b)可知，測點6的荷載-撓度曲線整體上呈現(xiàn)出非線性變化趨勢。值得注意的是：在前三級加載水平下，荷載水平與測點撓度近似成線性關(guān)系，第三級面荷載為2.23kN/m2，此時撓度值已經(jīng)超過了規(guī)范限值L/300。從曲線走勢可以看出，當撓度水平低于規(guī)范限值L/300時，測點6荷載-撓度曲線近似成線性關(guān)系，當超過該限值時，荷載-撓度曲線呈現(xiàn)出較為明顯的非線性關(guān)系。繼續(xù)加載至第四級荷載時，復合板跨中撓度超過了限值L/250。

在四角簡支撐約束條件下，該復合板滿足正常使用狀態(tài)的面荷載為2.23kN/m2(撓度L/300對應的荷載值)，作為平屋面使用時面荷載須控制在2.79kN/m2以內(nèi)(撓度L/250對應的荷載值)。需要說明的是，實際結(jié)構(gòu)中復合板四周的鋁合金邊框通常具有較大的約束剛度，本試驗所測得的撓度是在樓板四角完全簡支約束條件下的測試結(jié)果。實際結(jié)構(gòu)中較強的樓板周邊約束剛度可作為樓板結(jié)構(gòu)的安全儲備。

圖10(c)和圖10(d)分別給出了鋁合金長邊框跨中和短邊框跨中的荷載-撓度曲線。由圖10(c)，(d)可知，測點1～3的撓度與荷載接近線性變化，說明鋁合金邊框處于彈性變形階段，幾何非線性變形不明顯。

圖10 加載進程中跨中區(qū)域的撓度分布及各測點撓度曲線

為了便于進行直觀對比，將加載和卸載過程中位移傳感器測得的撓度數(shù)據(jù)繪制于同一坐標系下，其中加載和卸載過程中測點6撓度變化曲線見圖11。從圖11可知，卸載過程中，復合板的可恢復變形仍然具有幾何非線性特點。加載至6.70kN/m2時，測點6的總撓度為22.42mm；而當卸載達到6.70kN/m2，測點6撓度恢復了13.48mm，約占總撓度的60.1%。圖11給出了各級卸載對應的可恢復撓度在總撓度中的占比，各級卸載的可恢復撓度處于對應加載復合板撓度的40%～60%范圍內(nèi)，平均占比為49.9%。由此可知，復合板的跨中總撓度變形中有一半左右的變形為不可恢復變形。

圖11 加載和卸載過程中測點6撓度變化曲線

圖12給出了均布荷載和人體集中荷載作用下，復合板跨中測點6的撓度變化情況。從圖12中可以看出，同等荷載水平下，人體集中荷載的撓度曲線與面荷載的撓度曲線基本重合，復合板彈性階段的變形受不同荷載類型的影響較小。

圖12 均布荷載與集中荷載作用下測點6跨中撓度對比

3.2 鋁合金邊框的受力分析

圖13給出了兩組測點的應變水平。第一組為S1和S3區(qū)域測點，為短邊鋁合金跨中測點；第二組為S2和S4區(qū)域測點，為長邊鋁合金跨中測點。第二組測點的應變明顯大于第一組測點的應變，說明在四角簡支條件下，鋁合金長邊框分擔了大部分承載任務，在復合板受力邊框中起控制作用，在設計該樓板時應根據(jù)長邊框跨中受力水平進行邊框截面設計。

從圖13(a)，(b)可以看出，上表面和下表面的測點應變普遍大于側(cè)面的測點，且應變分布沿高度方向并不成線性比例關(guān)系，這說明鋁合金邊框由于側(cè)邊開槽的影響，其應變分布與常規(guī)矩形截面的應變分布具有一定的差異。S1和S4區(qū)域的上表面兩測點的拉應變也具有一定的差異，這可能是因為邊框由于受到復合材料面板的拉拽作用向內(nèi)扭轉(zhuǎn)，使得上表面的應變分布趨于復雜化；從圖13(c)，(d)可以看出，S2和S3區(qū)域的上下表面測點應變水平大致相同，且分別與對應的S4和S1區(qū)域的測點應變水平相當，說明本文試驗測得的數(shù)據(jù)具有較高的可信度。

圖13 各級荷載下鋁合金邊框的測點應變

圖14給出了S1區(qū)域上表面測點、S2區(qū)域上表面測點、S3區(qū)域下表面測點、S4區(qū)域下表面測點的應變隨著加卸載進程的變化情況。從圖14中可以看出，在加卸載進程中，應變曲線均趨于一致，說明在整個承載過程中，鋁合金邊框構(gòu)件均處于彈性受力階段，復合板的不可恢復變形一部分來源于復合材料面板的變形，另一部分來源于裝配式構(gòu)造連接。

圖14 加載與卸載過程中各測點應變變化對比

3.3 承載力評估

常規(guī)樓板的裝修面層荷載通常按2kN/m2計算，樓板活載按疏散荷載3.5kN/m2計算，考慮分項系數(shù)后樓板的設計荷載約為7.85kN/m2。在8.94kN/m2的面荷載靜載作用15d后觀察復合板整體受力狀態(tài)，板材整體變形狀態(tài)無明顯變化，構(gòu)件之間連接無異常。復合板材與鋁合金邊框接縫無進一步擴大的趨勢，鋁合金邊框角部的連接件和多數(shù)鉚釘均保持完好(鉚釘在加載后期有松動的跡象，過載靜置后狀態(tài)無變化)，無剪切撕裂的痕跡。說明該復合板的裝配式連接構(gòu)造具有過載狀態(tài)下的持續(xù)承載能力。

參考鋁合金規(guī)范中4.3.7條對6063-T6結(jié)構(gòu)用鋁合金物理性能指標的規(guī)定，同時根據(jù)最后一級加載的最大應變狀態(tài)(最大壓應變位于圖5所示鋁合金長邊框S4區(qū)域上表面測點處，為945με)估算鋁合金邊框的應力σ=70 000×945/1 000 000=66.15MPa,該計算結(jié)果明顯低于鋁合金規(guī)范中6063-T6結(jié)構(gòu)用鋁合金強度設計值150MPa的規(guī)定，說明鋁合金邊框的承載能力具有較大的安全儲備。

3.4 鋁合金復合板的設計建議

3.4.1 鋁合金邊框的簡便設計方法

鋁合金邊框是該類板材的主要受力骨架，鋁合金邊框側(cè)壁上的裝配凹槽對復合板受力不利，但復合材料面板與鋁合金邊框形成的有效連接對復合板整體承載是有利的。為了便于評估鋁合金邊框的受力水平，本節(jié)同時忽略鋁合金邊框凹槽的不利因素和復合材料面板有效連接的有利因素，將鋁合金邊框視作兩端簡支的普通鋁合金方管受彎構(gòu)件，利用下式計算鋁合金邊框翼緣的應變：

(1)

式中：ε為鋁合金邊框上翼緣或者下翼緣的應變；M為鋁合金邊框跨中最大彎矩，kN/m2；E為鋁合金材料彈性模量，按鋁合金規(guī)范取70GPa；W為忽略裝配凹槽的鋁合金方管截面抵抗矩，m3。

圖15給出了根據(jù)式(1)計算所得和試驗測得的鋁合金邊框翼緣應變值，其中試驗值為上翼緣和下翼緣應變的平均值。由圖15可知，式(1)計算值普遍高于試驗值，說明公式計算結(jié)果偏于安全。

圖15 鋁合金邊框的應變對比

同理將鋁合金邊框視為普通鋁合金方管，復合板跨中撓度Δ計算公式如下：

(2)

式中：q為作用于復合板的均布荷載，kN/m2；L為復合板跨度，m；I為忽略裝配凹槽的鋁合金方管截面慣性矩，m4，I=b4/12，其中b為普通鋁合金方管的截面寬度(高度)，m。

根據(jù)式(2)計算所得和試驗測得的鋁合金邊框跨中撓度如圖16所示。由圖16可以看出，盡管在計算時忽略了裝配凹槽對鋁合金邊框的削弱作用，但按式(2)計算所得的撓度值仍然普遍比試驗值大。

圖16 鋁合金邊框的跨中撓度對比

綜合以上分析可知，在實際受力中復合材料面板很大程度上參與了鋁合金邊框的受力，復合材料面板對鋁合金邊框的剛度貢獻足以彌補裝配凹槽的剛度削弱。按普通鋁合金邊框進行復合板的撓度計算結(jié)果是偏于安全的。

3.4.2 鋁合金復合板的抗彎剛度估算

為了定量評估復合板的抗彎能力，基于實測試驗數(shù)據(jù)，在式(2)的基礎上反推了復合板在各級荷載下的截面抗彎剛度EI，如圖17所示。由圖17可以看出，加載初期，由于裝配式構(gòu)件之間的連接間隙，使得初始荷載有所波動，此時復合板最小截面抗彎剛度為144.6kN·m2；隨著荷載的增加，復合板截面抗彎剛度從144.6kN·m2逐步增加至190kN·m2?？紤]到撓度在面荷載加載至2.23kN/m2時達到了規(guī)范正常使用極限狀態(tài)下的撓度限值，本文建議該復合板在四角簡支條件下的截面抗彎剛度EI偏保守地取140kN·m2。

圖17 復合板截面抗彎剛度隨加載進程的變化曲線

4 結(jié)論

通過對裝配式鋁合金復合樓板進行試驗研究可知，復合板的裝配式構(gòu)造連接具有足夠的承載能力，但抵抗變形的剛度偏弱，具體結(jié)論如下：

(1)在四角簡支約束條件下，裝配式鋁合金復合樓板能夠承載正常使用狀態(tài)下約2.23kN/m2面荷載的作用，能夠承載極限狀態(tài)下8.94kN/m2面荷載的作用，該復合樓板能夠滿足在常規(guī)荷載作用下的設計要求。

(2)在四角簡支約束條件下，卸載試驗表明，裝配式鋁合金復合樓板跨中撓度的可恢復變形占總變形的40%～60%。在正常使用狀態(tài)下，集中荷載作用與面荷載作用時的撓度差異可以忽略。

(3)在8.94kN/m2面荷載作用下，復合材料面板與鋁合金邊框的連接以及復合板角部連接均具有足夠的承載能力，鋁合金邊框與復合材料面板的連接縫無明顯擴展趨勢，鋁合金邊框具有較大的安全儲備；在較大的面荷載作用下，鋁合金邊框四角的連接接縫的下部張開幅度較大，當樓板設計荷載較大時，建議改進鋁合金邊框的連接構(gòu)造方式。

(4)基于試驗實測結(jié)果，裝配式鋁合金復合樓板的整體抗彎剛度建議按140kN·m2取值。將鋁合金邊框視作普通鋁合金方管按常規(guī)受彎構(gòu)件的應變公式和撓度公式進行應變和撓度評估是偏于安全的。