“鋼板桁架雙面疊合剪力墻＋倒T疊合板”預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)體系受力性能試驗(yàn)研究

郭延義

1. 上海建工二建集團(tuán)有限公司 上海 200080；2. 上海建筑工程逆作法工程技術(shù)研究中心 上海 200080

隨著建筑工業(yè)化的發(fā)展，預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)已被大量運(yùn)用在住宅、公共建筑、橋梁等建筑結(jié)構(gòu)中，但在城鎮(zhèn)給排水基礎(chǔ)設(shè)施中運(yùn)用較少。主要的原因是給排水設(shè)施，如污水處理廠的結(jié)構(gòu)跨度較大，同時(shí)伴隨著較高高度，如采用預(yù)制裝配式建筑結(jié)構(gòu)有一定限制。與此同時(shí)，這樣的結(jié)構(gòu)形式也伴隨著高支模等高空作業(yè)任務(wù)，危險(xiǎn)系數(shù)隨之增加。

為此，在上海市竹園污水處理廠1.5標(biāo)項(xiàng)目中，將預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)引入給排水基礎(chǔ)設(shè)施中，并且首次使用鋼板桁架雙面疊合剪力墻倒T疊合板結(jié)構(gòu)體系，輔以超高性能混凝土進(jìn)行連接。該體系使用鋼板桁架雙面疊合剪力墻，內(nèi)腔后澆混凝土，有效避免了實(shí)心預(yù)制墻過(guò)重導(dǎo)致的吊裝困難問(wèn)題，同時(shí)實(shí)心預(yù)制板也在深化后采用倒T疊合板的形式。在結(jié)構(gòu)性能得以保證的基礎(chǔ)上，將預(yù)制裝配式構(gòu)件輕量化，同時(shí)避免了高支模施工作業(yè)[1-5]。同時(shí)，超高性能混凝土（UHPC）作為鋼板桁架雙面疊合剪力墻與現(xiàn)澆段的連接材料，提升了該結(jié)構(gòu)體系整體性[6-7]。使用該體系確保了項(xiàng)目施工安全，并且有著預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)施工便捷、高效等特點(diǎn)。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證這種新型連接方式的可靠性，研究超高性能混凝土連接段的受力性能，本項(xiàng)目在施工現(xiàn)場(chǎng)制作1∶1模型，評(píng)價(jià)各個(gè)施工階段的工藝水平，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)加載試驗(yàn)對(duì)整體施工過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)?zāi)康暮蛢?nèi)容

針對(duì)本工程采用的“鋼板桁架雙面疊合剪力墻＋倒T疊合板”新型裝配整體式結(jié)構(gòu)體系，在地面進(jìn)行1∶1模型制作，對(duì)整體施工過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，評(píng)價(jià)各個(gè)施工階段的工藝水平，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)加載試驗(yàn)，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)整體剛度和強(qiáng)度。主要測(cè)試內(nèi)容包括：

1）鋼板桁架雙面疊合剪力墻和現(xiàn)澆墻的側(cè)向變形對(duì)比以及鋼板桁架雙面疊合剪力墻的應(yīng)力變化。

2）倒T疊合板應(yīng)變、彎曲變形和裂縫寬度。

3）UHPC連接段的受力性能。

用于試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)采用1∶1模型，選擇1×2跨結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)，如圖1所示，圖中數(shù)字為倒T疊合板板號(hào)。

圖1 結(jié)構(gòu)平面布置

1.2 觀測(cè)方案

試驗(yàn)過(guò)程中觀測(cè)項(xiàng)目主要包括基礎(chǔ)沉降、雙皮墻側(cè)向變形、疊合板變形和混凝土裂縫寬度等內(nèi)容。本次試驗(yàn)采用DH3818靜態(tài)應(yīng)變采集儀進(jìn)行墻、板變形以及基礎(chǔ)沉降數(shù)據(jù)的采集，采用F130裂縫觀測(cè)儀進(jìn)行裂縫量測(cè)。

1.2.1 變形觀測(cè)

為了觀測(cè)基礎(chǔ)整體沉降變化規(guī)律，在地基上布置6個(gè)基礎(chǔ)沉降觀測(cè)點(diǎn)（測(cè)點(diǎn)JC01—JC06），如圖2所示。為了觀測(cè)墻、板在各級(jí)荷載下的變形規(guī)律，擬在板底設(shè)置9個(gè)彎曲變形觀測(cè)點(diǎn)（測(cè)點(diǎn)B01—B09），在墻側(cè)中部設(shè)置6個(gè)側(cè)向變形觀測(cè)點(diǎn)（測(cè)點(diǎn)Q01—Q06），如圖3所示。擬采用量程30 mm的位移傳感器測(cè)量變形數(shù)據(jù)。

圖2 基礎(chǔ)測(cè)點(diǎn)布置

圖3 疊合板測(cè)點(diǎn)布置

1.2.2 裂縫觀察與測(cè)繪

觀察記錄試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的開裂荷載、裂縫位置、裂縫寬度、裂縫長(zhǎng)度、裂縫變化等數(shù)據(jù)，并繪制裂縫形態(tài)圖。

1.2.3 應(yīng)變觀測(cè)

應(yīng)變測(cè)點(diǎn)YB01—YB05用于觀測(cè)UHPC后澆連接段搭接鋼筋的錨固性能；應(yīng)變測(cè)點(diǎn)YB06—YB12分別用于觀測(cè)鋼板桁架雙面疊合剪力墻在受壓時(shí)橫向、豎向以及斜向受力情況；應(yīng)變測(cè)點(diǎn)YB13—YB15用于觀測(cè)鋼板桁架雙面疊合剪力墻中間現(xiàn)澆混凝土部分的應(yīng)力應(yīng)變；應(yīng)變測(cè)點(diǎn)YB16—YB22用于觀測(cè)疊合板受力性能，通過(guò)與測(cè)點(diǎn)YB06—YB12的結(jié)果對(duì)比，擬分析鋼板桁架雙面疊合剪力墻的協(xié)同工作性能（圖4）。

圖4 鋼板桁架雙面疊合剪力墻測(cè)點(diǎn)布置

1.3 堆載試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的適用性進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)構(gòu)自重（梁、板）為12 kN/m2，附加設(shè)備恒荷載為40 kN/m2，樓面附加活荷載5 kN/m2，按理論設(shè)計(jì)荷載為45 kN/m2進(jìn)行加載設(shè)計(jì)。

1.3.1 加載模式

本次試驗(yàn)采用2種不同質(zhì)量的混凝土配重塊，一種加載試塊的單塊質(zhì)量為5 t，尺寸為2 m×1 m×1 m，另一種加載試塊的單塊質(zhì)量為3 t，尺寸為1.9 m×1 m×0.6 m，通過(guò)均勻地在板上布置加載試塊，模擬結(jié)構(gòu)的均布荷載。加載-卸載可以利用汽車吊等機(jī)械實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)表1所示，第1～10級(jí)采用5 t配重塊，第11、12級(jí)采用3 t配重塊。

表1 試驗(yàn)加、卸載等級(jí)

1.3.2 荷載分級(jí)

荷載加載分12級(jí)進(jìn)行加載，如圖5所示，每級(jí)荷載加載完成后，持荷時(shí)間不得少于15 min，記錄變形觀測(cè)點(diǎn)的讀數(shù)，并觀測(cè)墻、板構(gòu)件裂縫是否出現(xiàn)及裂縫出現(xiàn)后的發(fā)展情況。設(shè)計(jì)規(guī)定最大裂縫不超過(guò)0.2 mm，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)階段裂縫檢測(cè)值不應(yīng)超過(guò)0.15 mm，且最大撓度αs不超過(guò)撓度的短期允許值，當(dāng)αs≤0.658[αf]時(shí)，說(shuō)明結(jié)構(gòu)滿足適用性檢驗(yàn)要求。[αf]＝8 000/250＝32 mm。若在加載過(guò)程中發(fā)現(xiàn)撓度過(guò)大或結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大裂縫，應(yīng)立即停止加載。

圖5 加載示意

1.3.3 卸載程序

卸載分6級(jí)，卸載方式是先卸完單邊全部荷載，再卸載另一側(cè)，制造荷載對(duì)結(jié)構(gòu)最不利情況。每級(jí)卸載后的觀測(cè)時(shí)間間隔不得小于30 min，測(cè)量并記錄板的殘余變形、殘余裂縫、最大裂縫寬度等項(xiàng)目，荷載全部卸載完畢后，結(jié)構(gòu)恢復(fù)時(shí)間不少于12 h，檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)的恢復(fù)性。

2 結(jié)果分析

2.1 基礎(chǔ)沉降數(shù)據(jù)分析

通過(guò)表2可知，在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行堆載加載的過(guò)程中，基礎(chǔ)沉降大小隨加載過(guò)程而增大，在第12級(jí)荷載加載完成后，JC02測(cè)點(diǎn)最大沉降量為2.24 mm，JC01測(cè)點(diǎn)沉降1.21 mm，JC03、JC04、JC05測(cè)點(diǎn)數(shù)值較小，均小于1 mm，基礎(chǔ)整體平均沉降0.84 mm。

表2 基礎(chǔ)沉降測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)

在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行堆載卸載的過(guò)程中，可以看到基礎(chǔ)沉降基本沒(méi)有較大變化，而且在12 h后觀測(cè)的沉降數(shù)據(jù)變化也不明顯。

2.2 墻體側(cè)向變形數(shù)據(jù)分析

由于位移計(jì)位于5 m高處，考慮墻體在工作過(guò)程中為剛性，所以預(yù)估10 m樓頂處變形為位移計(jì)讀數(shù)的2倍。

加載過(guò)程中，墻體側(cè)向變形隨荷載增大而增大，12級(jí)加載完成后鋼板桁架雙面疊合剪力墻頂部最大側(cè)向變形為1.46 mm。

在卸載過(guò)程中，隨著5、6、7、8板荷載的完全卸除，鋼板桁架雙面疊合剪力墻側(cè)向變形達(dá)到最大，Q02測(cè)點(diǎn)處鋼板桁架雙面疊合剪力墻頂部變形為0.24 mm?，F(xiàn)澆墻變形則隨卸載過(guò)程減小。加載塊全部卸除后，鋼板桁架雙面疊合剪力墻和現(xiàn)澆墻側(cè)向變形均恢復(fù)，整體變形在1 mm左右。

墻體側(cè)向變形如表3所示，表中“＋”“－”代表墻體變形方向，測(cè)點(diǎn)Q01、Q03、Q04、Q05處墻體向本跨內(nèi)側(cè)變形，Q02沿本跨外側(cè)變形，但變形整體很小。

表3 墻體側(cè)向變形測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)

2.3 疊合板變形分析

卸載過(guò)程中采取不均勻卸載以觀察整個(gè)結(jié)構(gòu)最不利受力情況，因此在12級(jí)荷載全部加載完成后，首先對(duì)右側(cè)板上的加載試塊進(jìn)行卸載。在右側(cè)板上的加載試塊全部卸載完成后，整體結(jié)構(gòu)達(dá)到最不利受力情況，同時(shí)左側(cè)預(yù)制板撓度達(dá)到最大，之后對(duì)左側(cè)板試塊進(jìn)行卸載，左側(cè)預(yù)制板撓度開始降低，直至最終加載試塊全部卸載完成后，整體結(jié)構(gòu)撓度未恢復(fù)至加載前的狀態(tài)，仍具有一定的變形。

從監(jiān)測(cè)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，跨中測(cè)點(diǎn)撓度與荷載曲線呈線性關(guān)系，說(shuō)明疊合板處于彈性工作狀態(tài)。最大撓度為最不利受力情況下板1跨中的6.67 mm，遠(yuǎn)小于短期允許的最大撓度值，即0.658[αf]＝0.658×32＝21.056 mm，表明結(jié)構(gòu)具有較大的安全儲(chǔ)備和良好的工作性能。

2.4 裂縫寬度現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)

邊跨板1、4、5、8處裂縫數(shù)量少，預(yù)制倒T板裂縫主要出現(xiàn)在板邊緣以及中間兩跨板2、3、6、7處，，荷載到達(dá)第12級(jí)后，最大裂縫寬度增大了0.13 mm，平均裂縫寬度增大了0.10 mm。全部卸載并恢復(fù)變形12 h后，裂縫寬度減小了0.06 mm。

中間兩跨板2、3、6、7處裂縫和貫穿裂縫均較多，裂縫主要在跨中和結(jié)合面處?？缰辛芽p在荷載到達(dá)第12級(jí)后，寬度增大了0.11 mm左右，且側(cè)面與底面已經(jīng)完全貫通，最大裂縫寬度增大了0.14 mm，平均裂縫寬度增大了0.10 mm，全部卸載并恢復(fù)12 h后，裂縫寬度減小了0.07 mm。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于“鋼板桁架雙面疊合剪力墻＋倒T疊合板”新型裝配式結(jié)構(gòu)體系1∶1模型，選擇1×2跨結(jié)構(gòu)進(jìn)行堆載試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

1）基礎(chǔ)沉降大小隨整個(gè)工藝流程的進(jìn)行而增大，基礎(chǔ)累計(jì)最大沉降量為2.431 mm，根據(jù)GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》，對(duì)于高度小于100 m的高聳建筑結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)沉降量限值為400 mm，各階段基礎(chǔ)沉降量均符合規(guī)定要求。

2）墻體側(cè)向變形隨整個(gè)工藝流程的進(jìn)行而增大，墻體頂部側(cè)向變形值大約為11.16 mm，滿足設(shè)計(jì)規(guī)定要求。

3）現(xiàn)場(chǎng)堆載試驗(yàn)中，疊合板最大撓度短期值為6.67 mm，小于規(guī)范限值32 mm，由此可見疊合板剛度足夠滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

4）疊合板跨中荷載-撓度曲線整體趨勢(shì)接近直線，試驗(yàn)構(gòu)件基本處于彈性工作狀態(tài)，表明結(jié)構(gòu)具有較大的安全儲(chǔ)備和良好的工作性能。

5）本次載荷試驗(yàn)中未出現(xiàn)撓度超限、裂縫寬度超限和受壓區(qū)混凝土開裂、破碎現(xiàn)象，因此“鋼板桁架雙面疊合剪力墻＋倒T疊合板”體系中UHPC連接段的結(jié)構(gòu)承載力滿足設(shè)計(jì)要求。

6）現(xiàn)場(chǎng)堆載試驗(yàn)中疊合板最大裂縫寬度僅增大了0.14 mm，裂縫控制小于設(shè)計(jì)規(guī)定限值0.20 mm和短期試驗(yàn)限值0.15 mm，符合GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)要求。