疊合層內(nèi)預(yù)埋管線的疊合板的施工優(yōu)化研究

周海洋，謝旭娜

(中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100040)

預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)具有建筑設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化、構(gòu)建生產(chǎn)工廠化、施工裝配機(jī)械化等方面的特征[1]，與傳統(tǒng)現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)相比，能夠提高企業(yè)的施工效率，縮短施工周期，減少環(huán)境污染[2]，所以其在工程中的應(yīng)用日益廣泛。鋼筋混凝土疊合板作為裝配式結(jié)構(gòu)中重要的樓板形式，國內(nèi)外學(xué)者針對其承載性能[3-4]、抗剪能力[5-6]以及新型材料[7]等方面都進(jìn)行了大量的試驗研究，同時也結(jié)合實際案例分析了疊合板施工過程中存在的各類質(zhì)量問題[8-9]，邢衛(wèi)榮[10]指出裝配式結(jié)構(gòu)中電氣管線的設(shè)計還存在諸多難點，但并未就此展開說明。針對此問題，本文通過疊合板的靜力加載試驗，對其承載能力進(jìn)行理論計算并結(jié)合有限元軟件進(jìn)行數(shù)值分析，來探究疊合層內(nèi)預(yù)埋管線對疊合板承載能力的影響，進(jìn)而提出合理的施工優(yōu)化方案。

1 試驗概述

1.1 試件設(shè)計與制作

本次試驗采用長1 200 mm，寬400 mm，疊合層與預(yù)制層的厚度均為60 mm的疊合板試件。試件共分為四組，每組兩塊，第一組(A組)試件疊合層內(nèi)不設(shè)管線，作為對照組；第二組(B組)疊合層內(nèi)管線沿板跨方向布置；第三組(C組)疊合層內(nèi)管線沿斜向45°布置；第四組(D組)疊合層內(nèi)管線沿板寬度方向布置，管線中心間距均為100 mm。

試件的混凝土強(qiáng)度等級選用C20，預(yù)制層內(nèi)設(shè)有受力筋和分布筋，具體配筋如圖1所示。

按照上述設(shè)計方案進(jìn)行試件的制作，制作流程主要包括鋼筋綁扎、鋼筋應(yīng)變片的粘貼、模板制作、配合比計算以及混凝土澆筑等。制作試件時，應(yīng)使用剩余材料制作尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的立方體試塊，便于后續(xù)材料強(qiáng)度的測定。

1.2 材料強(qiáng)度測定

試驗及理論計算前，應(yīng)對混凝土和鋼筋的強(qiáng)度進(jìn)行測定。

測得混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fcu,k為21.7 N/mm2；受力筋的屈服強(qiáng)度為460.81 N/mm2，極限強(qiáng)度為512.12 N/mm2；分布筋的屈服強(qiáng)度為284.43 N/mm2，極限強(qiáng)度為386.32 N/mm2。

1.3 加載設(shè)備及加載制度

本次試驗使用靜力液壓加載系統(tǒng)對試件進(jìn)行三分點加載，加載系統(tǒng)的量程根據(jù)后續(xù)理論計算來確定。試驗時，試件支座一邊為固定鉸支座，另一邊為滑動鉸支座。為了避免出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，兩端支座處需放置2 cm厚的鋼板，具體加載方式如圖2所示。

同時，為測定加載過程中試件各項參數(shù)的變化情況，還需設(shè)置測點放置百分表和粘貼應(yīng)變片來進(jìn)行各項數(shù)據(jù)的采集。

加載時，整個加載過程分為預(yù)加載和正式加載兩個部分，預(yù)加載是為了使結(jié)構(gòu)各部分接觸密實，同時檢驗儀器設(shè)備是否正常工作，便于及時調(diào)整。正式加載也應(yīng)分級進(jìn)行加載，并按照《混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》的要求進(jìn)行[11]。

2 理論計算

承載力極限狀態(tài)時各組試件正截面承載力計算簡圖分別如圖3所示。

2.1 A組試件承載力計算

參考圖3(a)試件計算簡圖，根據(jù)靜力平衡，可得：

∑N=0；

根據(jù)彎矩平衡，有：

代入數(shù)據(jù)可得：MuA=12.93 kN·m。

本次試驗采用三分點加載，故試驗施加荷載Pu為：

2.2 B組,C組試件承載力計算

由于B組,C兩組試件疊合層中布置了PVC管，計算截面有一定程度的削弱。計算時取管線高度范圍內(nèi)剩余混凝土截面面積與混凝土未被削弱時截面面積的比值為φ，根據(jù)圖3(b)試件計算簡圖，其中C1,C2,C3,C4為混凝土截面完整時該層的合力。

φ的值確定如下：

根據(jù)靜力平衡，可得：

∑N=0,

B組試件：xn=35.89 mm,x1=21.75 mm,x2=14.14 mm,x3=64.11 mm。

C組試件：xn=38.32 mm,x1=23.22 mm,x2=15.1 mm,x3=61.68 mm。

根據(jù)彎矩平衡有：

∑M=0,

將各組數(shù)據(jù)代入可求得MuB=11.74 kN·m，MuC=10.98 kN·m。

同樣，用3.1節(jié)中的方法，求得PuB=70.43 kN，PuC=64.84 kN。

2.3 D組試件承載力計算

D組試件管線沿試件寬度方向布置，對試件計算截面的削弱程度最大，φ為0，參照圖3(c)中的計算簡圖，建立平衡方程：

N=0,

建立彎矩平衡方程，有：

代入數(shù)據(jù)得MuD=9.31 kN·m。

同樣，進(jìn)而得PuD=57.69 kN。

2.4 總結(jié)分析

通過理論計算，可以看到各組試件極限承載力大小順序為MuA>MuB>MuC>MuD，這是因為B,C,D組試件的疊合層中均設(shè)置有PVC管，而這些管線自身強(qiáng)度遠(yuǎn)不及混凝土，因此會對試件的承載能力產(chǎn)生不利影響，同時，由于管線的布置形式不同，其對截面的削弱程度也存在差異，可以看到，按照B組試件進(jìn)行布置時，管線對試件承載能力的影響最小，按照D組試件進(jìn)行布置時，管線對試件承載能力的影響最大。下面將通過試驗對該現(xiàn)象進(jìn)行驗證。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 試驗現(xiàn)象

根據(jù)上述試驗方案進(jìn)行加載，匯總試驗現(xiàn)象如下：

A組試件破壞現(xiàn)象：A-a,A-b兩塊板在加載初期，純彎區(qū)段和剪彎區(qū)段相繼產(chǎn)生少量細(xì)小裂縫，隨著荷載繼續(xù)施加，裂縫數(shù)量逐漸增多，裂縫逐漸擴(kuò)展，荷載施加至Pu時，剪彎區(qū)段產(chǎn)生一條主要斜向裂縫，荷載接近110%Pu時，跨中裂縫與斜向裂縫延伸至板頂下方，裂縫寬度明顯增加，受拉鋼筋屈服。

B組試件破壞現(xiàn)象：B-a,B-b兩塊板在加載初期同樣是純彎區(qū)段與剪彎區(qū)段相繼出現(xiàn)微小裂縫，隨后逐漸發(fā)展蔓延，荷載加至85%Pu時，剪彎區(qū)段產(chǎn)生斜裂縫，隨后跨中裂縫與斜裂縫延伸至板頂下方，裂縫寬度超過1.5 mm，構(gòu)件破壞。

C組試件破壞現(xiàn)象C-a,C-b兩塊板加載前中期試驗現(xiàn)象與A組類似，荷載接近極限荷載時，跨中裂縫延伸至板面附近，隨后裂縫寬度過大，撓度突變，試件破壞。

D組試件破壞現(xiàn)象：D-a,D-b兩塊板在加載初期現(xiàn)象與A組類似，加載至80%Pu時，剪彎區(qū)段出現(xiàn)斜向裂縫，隨后裂縫繼續(xù)延伸，荷載加至95%Pu時，跨中受壓區(qū)混凝土出現(xiàn)裂紋，荷載接近Pu時，裂縫寬度超過1.5 mm，加載結(jié)束。

3.2 試驗極限荷載及分析

通過試驗，可得出各組試件的極限荷載，每組試件的極限荷載取同組內(nèi)兩塊板的平均值，結(jié)果如表1所示。

表1 各組試件的試驗極限荷載

通過表1中數(shù)據(jù)可以看到，與A組試件相比，其余三組試件的極限承載力都有不同程度的降低，其中B組試件的極限承載力降低幅度最小，D組試件的極限承載力降低幅度最大，C組試件的極限承載力降低幅度位于兩者之間。因為在疊合層內(nèi)設(shè)置管線會使疊合層混凝土產(chǎn)生空腔，導(dǎo)致受壓區(qū)混凝土截面的削弱，進(jìn)而影響板的承載能力，當(dāng)管線的布置方式不同時，產(chǎn)生空腔的面積也存在差異，故對板承載能力的影響程度不同。同時，可以看到試驗所得各組試件的極限荷載與理論值存在一定的出入，這是因為在理論計算時對板做了各項假定，而這與實際情況存在一定偏差，此外，試驗過程中也存在諸多干擾因素，會造成一定的試驗誤差，但可以看到，試驗所得各組試件的極限荷載的大小變化情況與理論值一致，能夠予以驗證。

3.3 試件跨中撓度、應(yīng)變結(jié)果及分析

根據(jù)試驗時測得的試件各項數(shù)據(jù)，繪制各項參數(shù)隨荷載的變化曲線如圖4，圖5所示。

通過圖4，圖5可以看到，在同一荷載作用下，各組試件的跨中撓度和混凝土應(yīng)變值均不相同，說明管線的存在會導(dǎo)致試件的變形增大，且管線布置方式不同，其引起的增大量也不同，若記增大量為δ，則有δB<δC<δD，可以看到，其變化規(guī)律與極限荷載一致。

通過試驗，對比分析各組試件的極限荷載、跨中撓度、混凝土應(yīng)變等各項參數(shù)，發(fā)現(xiàn)疊合層中管線的存在會對板的承載能力產(chǎn)生不利影響，且影響程度與管線排布方式有關(guān)，因此，在施工時需對管線的排布進(jìn)行合理設(shè)計。

3.4 ABAQUS數(shù)值計算

為了進(jìn)一步了解電氣管線埋設(shè)高度對疊合板承載能力的影響，將試件內(nèi)管線下移至疊合面處，借助ABAQUS軟件建立管線下移后的疊合板模型，并進(jìn)行有限元計算。

分析計算結(jié)果，將管線下移之后各組試件的極限荷載記為Fud，結(jié)果如表2所示。

表2 管線下移后極限荷載與原試驗極限荷載對比

根據(jù)表2可以看到，管線下移之后各組試件的極限承載力都有所增加，這是因為在板受力過程中，試件截面的中和軸逐漸上移，受壓區(qū)高度逐漸減小，管線造成的空腔所帶來的影響也越來越小，所以當(dāng)管線高度較低時，對板的承載能力的影響就較小。同時，可以看到，管線高度降低之后，各組試件中管線對試件承載力的影響程度與試驗現(xiàn)象一致。

4 結(jié)語

通過計算不同管線埋設(shè)方式下疊合板的極限承載力，開展靜力試驗，分析實驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)疊合層內(nèi)布置的各類電氣管線會降低疊合板的承載能力，且降低程度與管線的布置方式有關(guān)；利用ABAQUS建立改變管線高度的有限元模型，發(fā)現(xiàn)管線高度越低，所引起的不利影響越小。因此，在實際工程中應(yīng)注意以下幾點：

1)在設(shè)計管線排布方案時，應(yīng)盡量使管線沿板跨度方向布置。

2)在設(shè)計管線排布方案時，盡量避免排布多層管線，出現(xiàn)交叉重疊。

3)施工時盡量使管線緊貼疊合面，同時應(yīng)采取固定措施，避免后續(xù)施工過程中管線的上浮。