新型預(yù)制拼縫樓板受彎性能試驗(yàn)研究*

鄧旭華， 廖楨穎， 趙思琪， 趙鑫益， 陳 俊

(1.湘潭大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖南 湘潭 411105；2.筑友智造建設(shè)科技集團(tuán)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410153)

0 引言

在大跨度結(jié)構(gòu)中，疊合樓板的質(zhì)量取決于拼縫處的受力條件，如果拼縫能保證高質(zhì)量地完成，板與板之間的力能有效傳遞，就能讓疊合樓板達(dá)到等同現(xiàn)澆的效果.我國(guó)規(guī)范[1-2]對(duì)疊合板板側(cè)拼縫有一定的構(gòu)造要求，但對(duì)其大跨度疊合板的運(yùn)用以及力學(xué)分析較少.因此，研究疊合板的拼縫構(gòu)造在大跨度結(jié)構(gòu)中的受力性能具有一定的工程意義.

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者[3]對(duì)疊合板拼縫的受彎性能進(jìn)行了一些試驗(yàn)研究和理論分析.徐天爽等[4]完成了增強(qiáng)型整體式拼縫疊合板的受彎性能試驗(yàn)，結(jié)果表明疊合板拼縫處產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，受彎承載力相對(duì)于整澆板降低了15%.葉獻(xiàn)國(guó)等[5-6]研究疊合板拼縫受力影響，試驗(yàn)結(jié)構(gòu)表明桁架鋼筋和格構(gòu)鋼筋的設(shè)置能防止拼縫處發(fā)生脆性斷裂破壞.劉運(yùn)林等[7]基于對(duì)整體式拼縫疊合板力學(xué)性能的研究，設(shè)計(jì)了一種新型的限位器，并通過(guò)對(duì)6個(gè)試件的受彎試驗(yàn)，驗(yàn)證了采用增強(qiáng)型整體式拼縫連接形式，可以提高疊合板的剛度和承載力，實(shí)現(xiàn)雙向板受力狀態(tài).廖智強(qiáng)等[8-9]為研究大跨度雙向板的受力狀態(tài)，進(jìn)行了不同拼縫構(gòu)造的非預(yù)應(yīng)力方向的受彎試驗(yàn)并進(jìn)行了有限元模型驗(yàn)證，結(jié)果表明預(yù)應(yīng)力疊合板拼縫鋼筋采用斜交叉伸出的構(gòu)造措施，增強(qiáng)了疊合板拼縫處的整體性，提高其剛度與承載力.何慶峰等[10-11]采用馬凳筋替代桁架鋼筋，通過(guò)對(duì)分離式和整體式拼縫形式的受彎性能試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)馬凳筋可以限制試件裂縫寬度的發(fā)展，但在拼縫受力的過(guò)程中會(huì)造成混凝土強(qiáng)度降低，導(dǎo)致拼縫處極限承載力出現(xiàn)下降.賈非等[12]進(jìn)行了輕骨料混凝土疊合板二次受力的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明疊合板具有較大的強(qiáng)度儲(chǔ)備，變形滿足正常使用要求.Roberts等[13]對(duì)采用纖維增強(qiáng)的疊合板與采用焊接鋼絲網(wǎng)增強(qiáng)的疊合板進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，二次增強(qiáng)筋的類型對(duì)疊合板的強(qiáng)度、破壞形態(tài)、裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展及荷載-撓度影響不大.余永濤[14]等進(jìn)行了不同拼縫方式以及疊合面采用不同形式的疊合板靜力加載試驗(yàn)，分析出拼縫疊合板的傳力機(jī)理，并給出雙向疊合板的設(shè)計(jì)建議.

本文在此背景下，為進(jìn)一步研究預(yù)制底板的受力筋伸出預(yù)制板并斜向上伸入疊合層，并在拼縫位置布置拼縫鋼筋于預(yù)制底板頂部，構(gòu)造出一種新型拼縫形式的疊合板的力學(xué)性能.通過(guò)改變拼縫處構(gòu)造參數(shù)以及不同厚度的疊合板試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證該新型拼縫疊合板的可行性.以預(yù)制層為70 mm的新型拼縫疊合板為例，研究拼縫處主要參數(shù)對(duì)疊合板受彎承載力的影響程度.

1 試驗(yàn)概況

本試驗(yàn)研究了5種采用新型拼縫構(gòu)造的預(yù)制混凝土疊合板和1塊無(wú)拼縫現(xiàn)澆板的受彎性能.通過(guò)斜交叉伸出預(yù)制底板的鋼筋，并在預(yù)制板的拼縫位置緊貼預(yù)制板頂配置附加鋼筋，構(gòu)造了一種新型拼縫形式.主要考慮疊合樓板厚度、縱向鋼筋配筋以及附加鋼筋配筋對(duì)疊合板受彎性能的影響.試件在筑友智造有限公司工廠制作與加工.

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

拼縫樓板的設(shè)計(jì)尺寸和預(yù)制底板配筋如圖1所示.

圖1 試件配筋圖Fig.1 Reinforcement diagram of test piece

XJB170為厚度為170 mm的整澆板，DB130與DB-60是預(yù)制層為60 mm，疊合層為70 mm及110 mm厚的疊合板.DB-70是預(yù)制層為70 mm，疊合層為100 mm厚的疊合板.DB-70P是拼縫處疊合層的拼縫鋼筋減少至0.7倍鋼筋錨固長(zhǎng)度規(guī)范值[15]，錨固長(zhǎng)度一般取35倍鋼筋直徑.DB-70W是拼縫處預(yù)制層的彎起鋼筋，采用隔一布一布置方式.表1給出試件的主要參數(shù).試件所用鋼筋為HRB400，其力學(xué)性能指標(biāo)如表2所示，混凝土力學(xué)性能指標(biāo)如表3所示.

表1 試件設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 鋼筋力學(xué)性能

表3 混凝土力學(xué)性能

1.2 加載裝置與加載方案

本次試驗(yàn)的加載裝置由可拆卸式反力門(mén)架、200 kN電液伺服作動(dòng)器、分配梁和加載梁組成，其中加載梁位于分配梁和試件之間，為試驗(yàn)裝置的一部分.采用兩線集中靜力加載，板的凈寬為4 500 mm，純彎段為1 400 mm，如圖2所示.本次試驗(yàn)的加載方案依據(jù)GB/T50152-2012《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行加載，首先進(jìn)行預(yù)加載，以1 kN/min的速率加載至3 kN，然后卸載為0.5 kN，往復(fù)循環(huán)3次.然后進(jìn)行正式加載，具體加載過(guò)程如表4所示.每一級(jí)加載結(jié)束后靜載1～2 min，以便觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.

圖2 試驗(yàn)裝置布置圖Fig.2 Layout of test device

表4 正式加載階段的加載制度

試件加載過(guò)程中，加載試驗(yàn)系統(tǒng)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)并繪制荷載-撓度曲線，當(dāng)試件撓度超過(guò)L/50或者荷載加至極限荷載的85%以下停止加載.

1.3 量測(cè)方案

為便于對(duì)測(cè)點(diǎn)準(zhǔn)確定位，記錄裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展過(guò)程，首先對(duì)各試件進(jìn)行刷白和分區(qū).

本試驗(yàn)采用DH3816N靜態(tài)測(cè)試儀進(jìn)行采集.主要測(cè)量?jī)?nèi)容如下：(1)在支座處、1/4處，以及板中布置位移計(jì)(圖2(a))，測(cè)得各處相對(duì)底座的絕對(duì)位移，用于計(jì)算板跨中相對(duì)支座的撓度；(2)試件開(kāi)裂后采用北京智博聯(lián)裂縫寬度觀測(cè)儀測(cè)量板側(cè)受拉縱筋處的裂縫寬度；(3)為了解預(yù)制底板受力筋和附加鋼筋拼縫處的受力變化，在鋼筋的拼縫位置設(shè)置鋼筋應(yīng)變片，測(cè)量其應(yīng)變變化情況，如圖3所示.

圖3 鋼筋應(yīng)變布置位置Fig.3 Arrangement position of reinforcement strain

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

本節(jié)描述了各個(gè)試件在單調(diào)靜力加載過(guò)程中的受力情況，通過(guò)對(duì)比現(xiàn)澆板和拼縫板的裂縫發(fā)展與破壞形態(tài)、荷載-撓度曲線、撓度-應(yīng)變曲線等，分析出試件的承載性能、變形性能，以及裂縫的發(fā)展規(guī)律.

2.1 裂縫發(fā)展與破壞形態(tài)

在試件加載過(guò)程中，各試件拼縫板的第一條裂縫出現(xiàn)在拼縫處的疊合層上；隨著荷載的增加，裂縫逐漸出現(xiàn)與發(fā)展，當(dāng)位移加載至14 mm時(shí)，疊合板拼縫處開(kāi)始出現(xiàn)橫向裂縫，當(dāng)試件屈服時(shí)，除了DB-70W出現(xiàn)拼縫處疊合面的撕裂，其余各板均未出現(xiàn)撕裂破壞.

由圖4和圖5可知，XJB170和DB-70、DB-60裂縫發(fā)展較多，且裂縫發(fā)展均勻，其撓度均超過(guò)了L/50.DB130、DB-70P與DB-70W裂縫發(fā)展較少，開(kāi)裂后裂縫快速發(fā)展，且裂縫分布相對(duì)集中.DB-70P是疊合板縮短附加鋼筋的錨固長(zhǎng)度后的受力狀態(tài)，可以明顯發(fā)現(xiàn)疊合板拼縫處產(chǎn)生的裂縫較多，疊合層裂縫先橫向后斜向發(fā)展，可能是由于附加鋼筋錨固長(zhǎng)度過(guò)短，導(dǎo)致拼縫處應(yīng)力集中，傳力性能較差.DB-70W是預(yù)制層采用隔夸布置彎起鋼筋的疊合板，可以明顯發(fā)現(xiàn)拼縫處預(yù)制層出現(xiàn)斜向裂縫，說(shuō)明應(yīng)力的傳遞較弱，試件屈服后拼縫處出現(xiàn)了疊合面撕裂的現(xiàn)象，容易出現(xiàn)脆性破壞.

圖4 各試件的拼縫破壞Fig.4 Joint failure of each test piece

圖5 各試件板側(cè)裂縫分布Fig.5 Distribution of cracks on the plate side of each specimen

2.2 荷載-撓度曲線

采用新型拼縫構(gòu)造的疊合板的荷載-撓度曲線呈三折線形式，如圖6所示。

圖6 疊合板荷載-撓度曲線Fig.6 Load deflection curve of laminated plate

隨著板的撓度增加，疊合板主要表現(xiàn)為：彈性階段、彈塑性階段，以及破壞階段，如圖7所示，其中C為板的開(kāi)裂狀態(tài)、Y為板的屈服狀態(tài)、U為板的極限狀態(tài).各塊板在開(kāi)裂前，曲線斜率較大，試件整體剛度越大；開(kāi)裂后，試件剛度降低，曲線斜率減?。辉阡摻钋?，撓度發(fā)展很快，曲線斜率進(jìn)一步減小，試件進(jìn)入破壞階段.各板厚相同試件的開(kāi)裂與屈服荷載大致相同，但極限撓度相差較大.

圖7 受力特征荷載-撓度曲線Fig.7 Characteristic load-deflection curve

表5為各個(gè)試件的開(kāi)裂、屈服、極限,以及對(duì)應(yīng)的撓度值，對(duì)于超過(guò)L/50撓度的疊合板，取L/50作為極限點(diǎn).從試驗(yàn)現(xiàn)象可知，帶拼縫疊合板的破壞形態(tài)與現(xiàn)澆板相似，說(shuō)明采用斜交叉伸出的構(gòu)造措施能較好地將兩側(cè)的預(yù)制板結(jié)合在一起，有效抑制疊合板拼縫處的裂縫發(fā)展，但是疊合板DB-70與試件DB-60在剛度、屈服承載力，以及極限強(qiáng)度方面均低于無(wú)拼縫的現(xiàn)澆板X(qián)JB170，故仍需進(jìn)一步改進(jìn)此種拼縫構(gòu)造.

表5 各拼縫板特征點(diǎn)荷載與撓度值

通過(guò)對(duì)比DB-70與DB-60可以看出預(yù)制層的減少對(duì)疊合板的屈服強(qiáng)度有一定影響，但對(duì)其延性與極限強(qiáng)度影響不大.拼縫處鋼筋采用隔一布一的分布方式的疊合板DB-70W，以及縮短拼縫鋼筋長(zhǎng)度的疊合板DB-70P在延性方面遠(yuǎn)低于疊合板DB-70，說(shuō)明彎起鋼筋采取隔一布一的分布形式以及拼縫鋼筋錨固長(zhǎng)度主要影響疊合板的極限承載能力和延性.

2.3 鋼筋應(yīng)變

通過(guò)疊合板撓度-應(yīng)變曲線對(duì)比可知，如圖8所示，各試件拼縫附加鋼筋應(yīng)變變化幾乎相同，彈性階段應(yīng)變發(fā)展較慢，試件屈服后附加鋼筋應(yīng)變突然增大，預(yù)制層彎起鋼筋應(yīng)變幾乎達(dá)到突變拐點(diǎn)值，然后應(yīng)變持續(xù)增長(zhǎng)，說(shuō)明新型拼縫傳力有效.

在試件開(kāi)裂前，拼縫處附加鋼筋主要受力，疊合板開(kāi)裂至附加鋼筋屈服前，預(yù)制層和疊合層鋼筋共同受力，附加鋼筋屈服后，拼縫處產(chǎn)生橫向裂縫，疊合層受力減少，呈現(xiàn)出底板應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)趨勢(shì)減緩的現(xiàn)象，說(shuō)明彎起鋼筋在預(yù)制底板和疊合層混凝土中起到了一定的銷栓作用.即彎起鋼筋抗剪以約束新舊混凝土的脫離，從而限制結(jié)合面的撕裂.

3 結(jié)論與建議

通過(guò)對(duì)1塊現(xiàn)澆板和5塊不同構(gòu)造的新型拼縫疊合板的受彎性能試驗(yàn)，進(jìn)行了拼縫處附加鋼筋配筋率、錨固長(zhǎng)度和疊合層厚度等參數(shù)對(duì)新型拼縫疊合板受彎承載力的影響研究，得出結(jié)果如下：

(1)各試件破壞形態(tài)都屬于彎曲破壞，其屈服荷載以及極限荷載與現(xiàn)澆板接近，說(shuō)明此類拼縫構(gòu)造可以提高疊合板的整體性能.

(2)減少拼縫處配筋率的疊合板裂縫發(fā)展較快，裂縫分布相對(duì)集中，其承載力與延性均低于相同尺寸的疊合板.其中DB-70W彎起鋼筋采取隔一布一的布置方式導(dǎo)致疊合板受力不均，拼縫處出現(xiàn)疊合面的撕裂.說(shuō)明減少拼縫處配筋率的方式對(duì)疊合板的受力性能影響較大，應(yīng)考慮其他方法對(duì)疊合板含鋼率進(jìn)行調(diào)整.

(3)疊合板疊合層厚度的增加能明顯地提高疊合板的受力性能，但在實(shí)際工程中，疊合層厚度的增加意味著經(jīng)濟(jì)成本的增加，以及裝配率的減少，故要從多方面考慮選擇合理的疊合層厚度.