基于ABAQUS的新型密拼疊合板承載能力比較研究

韓雙林 李佳蔚 孫悅平 蔣錄珍

摘?要：

為優(yōu)化密拼式疊合板側向拼縫處的連接構造，設計一種在拼縫處設置抗剪鍵槽的密拼式鋼筋桁架疊合樓板。利用ABAQUS有限元軟件對7個密拼疊合樓板進行四點彎曲模擬研究，針對普通密拼式疊合板與不同形式的抗剪鍵槽密拼式疊合板的承載能力進行對比分析。結果表明：新型密拼式疊合樓板的承載能力較好，相較于普通密拼式疊合板提升了17%左右；當達到極限荷載時，其內置鋼筋所受應力明顯低于普通密拼式疊合板。通過對不同開槽形式疊合板的受彎性能進行對比分析，明確了新型抗剪鍵槽疊合板拼縫處設計的合理性，為新型拼縫疊合樓板在工程實踐中的應用提供了理論依據(jù)。

關鍵詞：

混凝土與鋼筋混凝土結構；裝配式；密拼疊合板；凹槽拼縫連接；ABAQUS

中圖分類號：

TU375.2

文獻標識碼：A

DOI： 10.7535/hbgykj.2024yx01006

Comparative study on the load-bearing capacity of a new type of composite slab connected without gap based on ABAQUS

HAN Shuanglin1， LI Jiawei2， SUN Yueping1， JIANG Luzhen2

（1Shijiazhuang First Construction Group Company Limited， Shijiazhuang， Hebei 050047， China； 2School of Civil Enginee-ring， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018， China）

Abstract：

In order to optimize the connection structure at the lateral joint of the composite slab connected without gap， a reinforced truss composite slab connected without gap with shear keys at the joint was designed. The finite element software ABAQUS was used to simulate the four-point bending of seven composite slabs， and the load-bearing capacity of ordinary composite slab connected without gap was compared with those with different forms of shear keys. The results show that the load-bearing capacity of the new composite slab connected without gap is better， which is 17% higher than that of the ordinary ones. When the ultimate load is reached， the stress of the inner steel bar is obviously lower than that of the ordinary assembled composite slab. Through comparative analysis on the flexural performance of the composite slabs with different slotted forms， the rational design of the groove splicing joint of the new shear keyway composite slab is determined， which provides theoretical basis for the application of the new type of composite slab in engineering practice.

Keywords：

concrete and reinforced concrete structures; prefabricated; composite slab connected without gap; groove splicing joint; ABAQUS

隨著中國城市化的快速發(fā)展和綠色建筑理念的不斷深入，建筑產業(yè)化已成為建筑業(yè)未來的發(fā)展趨勢。疊合板作為裝配式建筑中廣泛應用的一種預制構件，其力學性能直接關系到裝配式結構體系的整體穩(wěn)定性。研究表明，拼縫處是整個疊合板受力最薄弱的部位，混凝土預制底板間的側向拼縫方式是決定疊合板整體工作性能的重要因素[1]。疊合板常見的拼縫形式主要有鍵槽式、傳統(tǒng)型、整體式和密拼式等。其中，鍵槽式及傳統(tǒng)型不能有效傳遞彎矩，整體性能較差[2]，整體式拼縫方式應用較多且工藝比較成熟[3-5]，但其在澆筑現(xiàn)澆層時仍需對后澆帶處進行單獨支模，且預制底板出筋位置極易碰撞，干涉周邊鋼筋布置。密拼式疊合板無需另設模板、無需外露鋼筋，施工工藝具有明顯優(yōu)勢，但相較于普通疊合板，其預制底板拼縫處如何合理開槽、配置附加鋼筋能否在保證預制底板間有效傳力的同時提高疊合板的承載力，是目前研究的難點。

近年來，國內外學者對拼縫處不同構造形式對疊合板受彎性能的影響進行了大量試驗研究和理論分析。余泳濤等[6]在拼縫處設置桁架鋼筋限制了拼縫鋼筋與疊合面混凝土粘結裂縫的發(fā)展，從而阻止疊合面的撕裂破壞。GROSSI等[7]發(fā)現(xiàn)附加鋼筋能夠顯著增大試件的延性和承載能力。何慶鋒等[8]提出了一種增強型密拼縫構造，能夠有效提高疊合板垂直拼縫方向的抗彎剛度。林彥等[9]提出了3種增強型密拼式拼縫連接方式，證明了加強拼縫處的附加鋼筋、拼縫處設置整體式或間隔式凹槽皆可提高疊合板的承載能力。陳宜虎等[10]和張敏等[11]提出了在疊合板預制底板布置凹槽，并采用封閉環(huán)形鋼筋作為搭接鋼筋的新型密拼縫疊合板，證明了鋼筋Ｕ型連接以及側面開槽封閉環(huán)筋搭接連接構造的鋼筋均起到有效錨固作用。楊悅等[12]通過在拼縫處開設條形槽口并改變槽口鋼筋形式，證明了通過增強槽口內附加鋼筋的端部錨固對開槽密拼混凝土疊合板的極限承載力具有一定的提升作用。肖彤等[13]研發(fā)了新型凹槽拼縫連接疊合板，通過對影響疊合板凹槽拼縫連接受彎性能的參數(shù)進行分析，明確了疊合板凹槽拼縫連接設計的合理性。

本文參考JGJ 1—2014《裝配式混凝土結構技術規(guī)程》[14]的疊合板構造要求，創(chuàng)新研發(fā)了一種拼縫處開槽設抗剪鍵的新型拼縫形式，如圖1所示。在預制底板板側設立抗剪鍵形凹槽，并于凹槽內布置附加鋼筋進行預制板間的連接。本文將3種常見拼縫處理形式的密拼疊合板與4塊不同參數(shù)的新型開槽方式疊合板進行對比，建立相應的有限元模型進行分析，研究不同影響因素下其承載能力的變化。

1?模型概況

本文對新型密拼鋼筋桁架疊合樓板進行有限元數(shù)值模擬，其預制底板由2塊短板采用開槽密拼構造連接而成，拼縫位于跨中，垂直于板跨方向設置。選用7組試件進行對比分析，其具體形式及尺寸如表1所示。7組疊合板試件單塊預制板長為1 200 mm，疊合板整體總長度l=2 400 mm，總寬度w=600 mm，總厚度h=130 mm，

其中預制底板厚度h1=60 mm，[HJ1.6mm]后澆疊合層厚度h2=70 mm，均采用C30混凝土。預制底板、現(xiàn)澆部分的鋼筋網(wǎng)片及附加鋼筋均采用HRB400級熱軋鋼筋，縱向及橫向鋼筋直徑均為8 mm。鋼筋桁架上下弦鋼筋采用HRB400級熱軋鋼筋，直徑為8 mm，腹筋采用HPB300級熱軋圓鋼筋，直徑為6 mm。

其中試件DHB-1為常規(guī)密拼式疊合板，DHB-2、DHB-3為目前研究中常見的密拼縫開槽形式，建模圖見圖2。

表1中DHB-A組試件為本文所提出的抗剪鍵槽疊合板，試件DHB-A2、DHB-A4在DHB-A1、DHB-A3的基礎上于抗剪鍵位置處增設了鋼筋籠，表1數(shù)據(jù)中抗剪鍵槽構造尺寸具體標識位置示意圖見圖3。DHB-1及DHB-A1的預制板及拼縫附加鋼筋詳細構造及配筋如圖4所示。

2?有限元建模

為了研究抗剪鍵式凹槽拼縫連接疊合板的承載能力，針對2 400 mm跨度的密拼式鋼筋桁架混凝土疊合板進行有限元建模分析，疊合板的有限元模型見圖5。混凝土的本構關系參

考GB 50010—2010 《混凝土結構設計規(guī)范》（2015年版）[15]，采用塑性損傷模型，具體參數(shù)見表2。HPB300鋼筋與HPB400鋼筋的本構關系采用理想彈塑性模型，其中屈服強度fy，r=462 MPa，楊氏模量Es=2×105 MPa，泊松比υ=0.3。

混凝土板均采用三維實體單元C3D8R，鋼筋均采用三維桁架單元T3D2，不考慮鋼筋與混凝土之間滑移的影響，采用內置區(qū)域約束方式，模擬鋼筋與混凝土的相互作用。對于疊合板新舊混凝土疊合面約束，結合實際試驗現(xiàn)象[8]，密拼縫連接疊合板的預制底板側向連接處易發(fā)生撕裂，故預制底板板側采用面面接觸，摩擦系數(shù)取值為0.8；在拼縫處抗剪鍵槽的設立及預制底板表

面的人工拉毛處理和鋼筋桁架的作用下，疊合板在發(fā)生受彎破壞之前不會發(fā)生剪切破壞，故預制板與現(xiàn)澆層間采用綁定Tie約束。

考慮實際試驗的加載方式和加載制度，采用四點彎模擬方式進行模擬。在本文的約束定義中，為避免應力集中，在板端及四分點加載部位設置尺寸為100 mm×600 mm×20 mm的支座及剛性墊塊。將加載點墊塊頂面耦合于中心點RP1位置處，并于耦合點進行位移加載，加載墊塊與板之間設置為面面接觸，摩擦系數(shù)取值為0.8；底部支座與疊合板之間采用綁定Tie約束，通過釋放自由度分別添加固定鉸支座約束和滑動鉸支座約束。

經過反復試算與收斂性測試，整體混凝土單元網(wǎng)格沿長度、寬度劃分尺寸為25 mm，同時在厚度方向將預制底板劃分為3層，現(xiàn)澆板劃分為4層，鋼筋單元網(wǎng)格按50 mm自適應劃分，墊塊及支座網(wǎng)格整體劃分尺寸為25 mm。

3?結果分析

3.1?荷載-位移曲線分析

圖6為分別提取不同接縫處理形式的疊合板有限元模型的荷載-位移曲線。在開槽深度為25 mm時，相較于其他常規(guī)開槽形式的疊合板，新型密拼疊合板DHB-A1的承載力有明顯提升。其中，經計算可知，拼縫處設方形抗剪鍵槽的疊合板試件DHB-A1的承載力較標準試件DHB-1提升了17%左右，從而證明了新型開槽方式的合理性。

為對不同形式的抗剪鍵槽式疊合板的承載能力進行對比分析，提取A組試件的荷載-位移曲線如圖7所示。由圖7可知，設有弧形抗剪鍵槽的試件DHB-A3、DHB-A4的承載力略低于方形抗剪鍵槽試件DHB-A1、DHB-A2；設有相同形狀的抗剪鍵槽疊合板中，內設鋼筋籠的疊合板試件DHB-A2、DHB-A4的承載力明顯提升。

3.2?云圖分析

圖8為當位移加載至4 mm時疊合板底板前期DAMAGET損傷云圖。此時3組密拼式疊合板試件的損傷皆由跨中位置進行開展，而板端位置均未見較大損傷。通過對比分析3組試件的損傷云圖可知，新型拼縫形式疊合板拼縫處損傷明顯小于普通疊合板，且新型拼縫形式疊合板底板損傷演化規(guī)律有所不同，普通疊合板底板拼縫處前期已出現(xiàn)了較大損傷，且損傷位置集中于底板拼縫處；而新型拼縫形式疊合板底板的損傷是先產生在非拼縫處，然后演化至拼縫處。

圖9為位移加載至40 mm時疊合板底板后期損傷云圖，此時3組密拼式疊合板試件的損傷范圍由跨中位置延展至板端位置，底板整體產生較大面積損傷。經對比可知，3組試件的損傷數(shù)值及范圍皆相差不大，皆未出現(xiàn)抗剪鍵與混凝土脫開受力現(xiàn)象。由此說明，雖然疊合板的預制底板和現(xiàn)澆層存在混凝土二次澆筑的現(xiàn)象，但二者能通過抗剪鍵型槽進行有效連接，疊合層并未出現(xiàn)相對滑移，具有較強的整體性。

圖10為拼縫處附加鋼筋Mises應力云圖。對應力分布位置分析可知：3組試件拼縫位置處附加鋼筋網(wǎng)的縱向鋼筋皆承擔了較大應力，并延跨中向兩側發(fā)展；試件DHB-A2拼縫處抗剪鍵內置鋼筋籠的橫向鋼筋亦可有效承擔應力。對3組附加鋼筋網(wǎng)Mises應力的數(shù)值進行分析可知，由于抗剪鍵槽的存在，增大了預制板與疊合板間疊合面的摩擦，從而使得拼縫位置處混凝土抗剪鍵、內置鋼筋籠與附加鋼筋共同受力，使得試件DHB-A1和DHB-A2拼縫處附加鋼筋網(wǎng)的Mises應力明顯低于DHB-1。

圖11為疊合板預制板底板鋼筋Mises應力云圖。由圖可知，疊合板試件預制底板的鋼筋應力分布較為均勻，板底縱筋跨中位置出現(xiàn)大面積屈服，但由于預制板縱筋不通長，在跨中部位無法進行有效傳力，疊合板試件DHB-A1、DHB-A2與DHB-1的預制底板鋼筋應力分布情況較為一致，數(shù)值上DHB-A1、DHB-A2明顯低于DHB-1。

圖12為疊合板現(xiàn)澆層鋼筋的Mises應力云圖。與預制板鋼筋分布規(guī)律不同，帶有抗剪鍵槽疊合板的現(xiàn)澆層鋼筋應力反而大于普通密拼試件。結合上文承載力對比分析，結果表明，由于抗剪鍵槽的存在增加了疊合板預制層與現(xiàn)澆層協(xié)同工作性能，使得現(xiàn)澆層鋼筋更好地分擔預制層鋼筋與附加層鋼筋的應力，從而增加整體疊合板的抗彎承載力。

4?結?語

本文對所提出的新型開槽設抗剪鍵槽式密拼疊合版的受彎承載力進行了研究，通過數(shù)值分析得出如下結論。

1）新型拼縫疊合板的變形表現(xiàn)出了良好的整體性，拼縫處方形抗剪鍵槽疊合板試件的承載力較標準試件提升了17%左右，且在達到極限荷載后，疊合樓板的承載力仍未出現(xiàn)明顯下降。

2）拼縫處是否開槽、抗剪鍵槽的形狀與是否內置鋼筋籠是影響疊合板受力性能的重要因素?；⌒慰辜翩I槽承載力低于方形抗剪鍵槽，設有相同形狀的抗剪鍵槽疊合板中，內設鋼筋籠疊合板的承載力明顯提升。

本文僅選取了7組不同形式與尺寸的抗剪鍵槽密拼疊合板試件進行了承載力研究，未來還需進一步討論拼縫處附加鋼筋的形式及其橫截面積等因素對抗剪鍵槽密拼疊合板承載力的影響規(guī)律。

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[15]GB 50010—2010，混凝土結構設計規(guī)范（2015年版）[S].

收稿日期：2023-06-08;修回日期：2023-09-07；責任編輯：王淑霞

基金項目：石家莊市重點研發(fā)計劃項目（221230133A）；河北省高等學?？茖W技術研究項目（QN2023079）；河北省引進留學人員資助項目（C20220320）

第一作者簡介：

韓雙林（1967—），男，河北定州人，正高級工程師，主要從事建筑產業(yè)化方面的研究。

通信作者：

蔣錄珍副教授。E-mail：jiangluzhen@163.com

李佳蔚。E-mail：2353935660@qq.com

韓雙林，李佳蔚，孫悅平，等.

基于ABAQUS的新型密拼疊合板承載能力比較研究

［J］.河北工業(yè)科技，2024，41（1）：44-52.

HAN Shuanglin，LI Jiawei，SUN Yueping，et al.

Comparative study on the load-bearing capacity of a new type of composite slab connected without gap based on ABAQUS

［J］. Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2024，41（1）：44-52.