混凝土疊合板受力性能研究綜述

楊 帆，張 童,2

(1.遼寧科技學(xué)院 資源與土木工程學(xué)院，遼寧 本溪 117004；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

0 前言

隨著人們生活質(zhì)量的提高，國家大力提倡綠色、環(huán)保、低碳的“雙碳”生活生產(chǎn)方式，促使建筑行業(yè)隨之轉(zhuǎn)型發(fā)展。建筑施工中的現(xiàn)澆整體式結(jié)構(gòu)工藝復(fù)雜、施工工期長等缺點逐漸顯現(xiàn)，而裝配式結(jié)構(gòu)的節(jié)能環(huán)保、施工速度快等優(yōu)點受到行業(yè)一致好評，但裝配式結(jié)構(gòu)整體性較差，特別是構(gòu)件與構(gòu)件之間的連接部位是裝配式結(jié)構(gòu)施工的最大難點，為了彌補二者不能忽略的劣勢，疊合結(jié)構(gòu)應(yīng)運而生[1]。疊合結(jié)構(gòu)不僅具有良好的整體性能和抗震性能，同時能夠保證施工速度，節(jié)省人力物力財力，實現(xiàn)預(yù)制和現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢互補，更有利于實現(xiàn)國家碳達(dá)峰和碳中和的“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)。

疊合結(jié)構(gòu)是一種新型的裝配整體式結(jié)構(gòu)，疊合板是重要的疊合構(gòu)件，國內(nèi)外對疊合板的研究包括疊合板面的抗剪性能，疊合板的整體性能以及不同節(jié)點處的抗震性能等。預(yù)制混凝土疊合板可按施工方法、受力過程、接觸面處理方式及預(yù)制底板與后澆層材料的不同進行多種分類[2]。有的學(xué)者研究表明，疊合板具有整體性好、施工效率高和節(jié)約施工模板材料等明顯優(yōu)勢，發(fā)展前景較好[3]。

1 疊合板抗剪性能研究

混凝土疊合板是在預(yù)制底板上疊加一層現(xiàn)澆混凝土形成的一種分期澆筑的整體式結(jié)構(gòu)，預(yù)制底板與現(xiàn)澆板疊合面的受力性能對整體性能的影響起著至關(guān)重要的作用。早在1973年，國外學(xué)者Scott等[4]通過試驗得到疊合板的極限承載力，進而分析疊合面的抗剪強度，預(yù)制底板采用空心板，試驗既沒有對疊合面進行磨面處理，也沒有布置結(jié)合筋，但是研究結(jié)果表明，疊合板的上下結(jié)合面相互作用良好，即使在試驗中加載到極限狀態(tài)，疊合板也沒有發(fā)生剪切破壞，具有良好的抗剪強度。同期國內(nèi)學(xué)者也對疊合面的處理方式進行了研究，分別采用預(yù)留結(jié)合筋、毛面和刻槽面的處理方式[5]，與表面光滑的接觸面進行對比分析。結(jié)果表明，接觸面粗糙或預(yù)留結(jié)合筋的方式的破壞強度均與同尺寸的整體現(xiàn)澆板相近，預(yù)留結(jié)合筋的抗剪強度更是高于整體現(xiàn)澆板，效果最好。而疊合面光滑的破壞強度極低，在試驗過程中發(fā)生上下構(gòu)件脫離現(xiàn)象，效果最差。

在此基礎(chǔ)上，聶建國，等[6]嘗試研究疊合板面內(nèi)抗剪強度的影響因素，他們在試驗中的疊合面采用了不同的黏結(jié)方式，在高強混凝土疊合板和普通混凝土之間進行相互關(guān)聯(lián)的靜力加載試驗，在這種構(gòu)造措施下得到地最終結(jié)果是疊合板依然能夠有效地避免剪切破壞，從而保證疊合面的完整性。同年李耀莊，等[7]提出一種新型疊合板形狀—倒T形，疊合面相較于矩形小了很多，接觸面是倒T形的翼緣部分。試驗結(jié)果表明，該試件具有良好的整體性能，延性較好，但疊合面產(chǎn)生裂縫，抗剪強度計算還有待研究。

在研究疊合式結(jié)構(gòu)的影響時，除了疊合板面內(nèi)因素，亦可從外在角度入手，虞建成，等[8]不僅考慮混凝土收縮和徐變方向，也同樣研究了二期恒載以及活荷載效應(yīng)，包括溫度方面的因素等一系列的影響條件。試驗結(jié)果表明，疊合面的黏聚力和表面粗糙程度比設(shè)置抗剪鋼筋影響更大，因此通過一定的界面處理，就能夠克服以上因素帶來的剪應(yīng)力影響。為了推動疊合結(jié)構(gòu)的發(fā)展，山東大學(xué)的高云[9]分別對普通鋼桁架混凝土疊合板和預(yù)應(yīng)力帶肋混凝土疊合板做出理論分析及有限元分析，得到混凝土黏結(jié)-滑移本構(gòu)模型，疊加彎起鋼筋對普通鋼桁架混凝土疊合板抗剪強度的貢獻(xiàn)，證明其可用于不同強度混凝土疊合面的可行性。

2 疊合板整體性能

為了分析預(yù)應(yīng)力混凝土帶肋疊合板，且肋上設(shè)有孔洞的預(yù)制薄板的相關(guān)性能，學(xué)者們主要從承載力、剛度以及它的主要抗震性能方面進行判斷，吳方伯，等[10]的預(yù)制板靜載試驗可得到結(jié)論：預(yù)制帶肋的薄板和整澆板的受力性能基本一致，可將整澆板的計算方法應(yīng)用于疊合板計算。在進行二次受力時，預(yù)制帶肋薄板的承載力影響小于實心平板。同年，吳方伯，等[11]又推導(dǎo)出了等效剛度公式和跨中撓度公式，兩端簡支的預(yù)制帶肋薄板在均布荷載作用下，短期剛度可按0.85倍等效剛度取值。周緒紅，等[12]同樣認(rèn)為該結(jié)構(gòu)的預(yù)制薄板能夠與現(xiàn)澆板黏結(jié)良好，使疊合結(jié)構(gòu)具有較好的整體性能和抗震性能，是災(zāi)后重建的較好選擇。

20世紀(jì)60年代德國成功研制鋼筋桁架疊合板[13]，預(yù)制底板中鋼架桁架的存在，間接提高混凝土疊合板的整體性能。馬祥林[14]利用有限元分析軟件，完成了桁架鋼筋混凝土疊合板的受力性能研究。結(jié)果表明，桁架鋼筋的存在可以有效地提高疊合底板的整體剛度，進而提高疊合底板的開裂荷載，降低撓度極值。同時也探究桁架鋼筋混凝土疊合底板受力機理的影響因素，其中影響較大的是底板厚度和混凝土強度，由此提出桁架鋼筋支撐的設(shè)置原則。近幾年，聶建國，等[15]進一步研究桁架鋼筋對預(yù)制底板受力性能的影響，通過彎曲試驗證明60 mm預(yù)制鋼筋桁架底板較薄，會降低疊合板受彎承載力，建議取消鋼筋桁架，增加底板厚度，從而提高預(yù)制底板剛度和承載力，減少鋼筋用量約26%，達(dá)到較好的經(jīng)濟效果。

鋼筋桁架混凝土疊合板經(jīng)濟適用跨度較小，王洪欣等[16]研發(fā)一種大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土帶肋疊合板并研究不同支撐條件下的力學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn)，由三塊預(yù)制帶肋底板密拼、疊合層整體澆筑的大型疊合板在相同荷載作用下，整體大板的跨中撓度是兩端簡支單塊疊合板23.6%，兩端梁支座支撐形式的疊合板剛度和開裂荷載大于兩端簡支的疊合板。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的呂雪原研究一種新型混凝土疊合板，配置預(yù)應(yīng)力鋼絲的活性粉末混凝土(RPC)疊合板[17]，這種疊合板有著開裂應(yīng)變大和抗壓強度高的優(yōu)勢，可廣泛應(yīng)用于我國大跨度結(jié)構(gòu)。相較于普通混凝土疊合板，RPC疊合板具有較好的整體工作性能，受壓和受彎極限應(yīng)變也遠(yuǎn)高于普通混凝土疊合板，受力性能良好。

3 疊合板節(jié)點抗震性能

疊合板節(jié)點連接處是結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，地震無規(guī)律的往復(fù)作用，極易導(dǎo)致建筑物承載力不足或節(jié)點部位較差的連接可靠性發(fā)生嚴(yán)重破壞甚至是連續(xù)倒塌[18]。陳適才，閆維明，王文明等[19-21]在2010-2012年間做了大量的低周反復(fù)加載試驗，試驗對象分別是疊合板-梁-柱的邊節(jié)點和中節(jié)點，試驗?zāi)康氖潜容^疊合板節(jié)點和現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)節(jié)點的抗震性能。試驗采用控制力的加載方式對實際工程的現(xiàn)場試塊進行加載。試驗結(jié)果表明，邊節(jié)點和中節(jié)點的抗震性能良好，在節(jié)點耗能能力及剛度退化速度上表現(xiàn)稍優(yōu)于現(xiàn)澆混凝土，但其剪切面滑移和拼縫處寬度會對其性能造成影響，應(yīng)采取有效措施保證節(jié)點處強度。陳娟，等[22]對疊合板組合梁-鋼柱節(jié)點試件進行擬靜力試驗，研究發(fā)現(xiàn)節(jié)點處的連接件采用開孔鋼板具有較好的延性和抗震性能，現(xiàn)澆層應(yīng)用纖維抗裂高性能混凝土也可以提高疊合板組合梁-鋼柱節(jié)點處的抗震性能，為大跨度疊合板組合梁在實際工程中的應(yīng)用提供設(shè)計依據(jù)。湖南大學(xué)謝鈺[23]以4個疊合梁柱節(jié)點和2個現(xiàn)澆梁柱節(jié)點為研究對象進行低周反復(fù)加載試驗。結(jié)果表明，在相同的條件下進行承載力試驗，兩種節(jié)點的試驗結(jié)果相差非常小。但是在結(jié)構(gòu)一體性、剛度，以及耗能能力等參數(shù)方面現(xiàn)澆節(jié)點表現(xiàn)更優(yōu)越，但是疊合結(jié)構(gòu)的節(jié)點一樣符合抗震要求，適用于抗震設(shè)計要求嚴(yán)格的區(qū)域。

除了水平疊合構(gòu)件，豎向承重疊合構(gòu)件近些年也在實際工程中得到廣泛應(yīng)用，清華大學(xué)的錢煒武[24]對鋼管混凝土疊合柱和鋼梁的節(jié)點進行了抗震性能研究。試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)主要在節(jié)點核心區(qū)發(fā)生剪切破壞，但節(jié)點表現(xiàn)出較好的耗能能力及抗震延性，有限元分析模型可以較好地預(yù)測鋼管混凝土疊合柱和鋼梁的節(jié)點的極限承載力和破壞形態(tài)，以此為基礎(chǔ)提出核心區(qū)變形恢復(fù)力模型。張文瑩，等[25]研究雙面疊合剪力墻水平節(jié)點的抗震性能，采用對比分析的研究方法，對疊合剪力墻節(jié)點構(gòu)件和現(xiàn)澆節(jié)點進行豎向加載和循環(huán)剪切加載。試驗結(jié)果表明雙面疊合剪力墻水平連接節(jié)點的抗剪承載力和現(xiàn)澆節(jié)點較為接近，剛度及耗能能力等各項抗震性能指標(biāo)較好。隔年吳曦，汪夢甫[26]對疊合剪力墻三種新型節(jié)點的抗震性能進行研究，連接處的節(jié)點鋼筋采用U型和螺旋箍筋，還有一種鋼板連接方式。三種新型節(jié)點都能夠?qū)B合剪力墻有效連接為一個整體，總體抗震性能良好，其中用鋼板連接疊合墻節(jié)點的傳力方式效果更好。

4 發(fā)展趨勢及展望

綜上所述，近年疊合結(jié)構(gòu)特別是疊合板在受力機理和抗震性能方面的研究及設(shè)計方法取得了一定成果，針對不同預(yù)制底板與現(xiàn)澆板的疊合面提出合理的界面處理措施，疊合板二次受力構(gòu)件的承載力計算及變形計算模型不斷成熟，疊合板梁板節(jié)點設(shè)計安全可靠，能夠滿足工程需要，極大地促進我國裝配式結(jié)構(gòu)和大跨度結(jié)構(gòu)的發(fā)展。雖然混凝土疊合板研究成果顯著，但是仍然有很多問題需要進一步研究，目前疊合板的研究大多按照單向板進行設(shè)計，設(shè)計結(jié)果配筋過大，導(dǎo)致資源浪費、造價過高，實際工程中雙向受力疊合板更加普遍，計算模型有待完善。疊合結(jié)構(gòu)的抗震性能研究多采用低周反復(fù)加載試驗方法，本質(zhì)上屬于靜力加載試驗，不能完全反映疊合板在地震下的動力性能，對于合理的抗震試驗方法，需要進一步研究。應(yīng)用新型智能材料和新型構(gòu)造形式的新型疊合板的受力計算及經(jīng)濟性問題，也是今后研究的重要方向。