詹業(yè)龍，李浩然

(安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院， 安徽 合肥 230601)

邢偉

(西偉德寶業(yè)混凝土預(yù)制件(合肥)有限公司，安徽 合肥 230601)

李秋喜

(安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

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帶拼縫格構(gòu)鋼筋混凝土大跨疊合板彈性階段受力性能現(xiàn)場試驗(yàn)研究

詹業(yè)龍，李浩然

(安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院， 安徽 合肥 230601)

邢偉

(西偉德寶業(yè)混凝土預(yù)制件(合肥)有限公司，安徽 合肥 230601)

李秋喜

(安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

為了研究實(shí)體結(jié)構(gòu)中帶拼縫格構(gòu)鋼筋混凝土大跨疊合板受力性能，使其能廣泛的應(yīng)用于工程實(shí)際，抽取了基于現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計(jì)的實(shí)體結(jié)構(gòu)中的3塊帶拼縫格構(gòu)鋼筋混凝土大跨疊合板，其中DHB1和DHB2由2塊相同板拼接而成，DHB3為異形板，由3塊板拼接而成，采用均布加載的方法對(duì)3塊板進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)研究。通過對(duì)比DHB1和DHB2，探討了拼縫處設(shè)置搭接鋼筋對(duì)板剛度和鋼筋傳力性能的影響，并研究了3塊板受力性能?；贏BAQUS對(duì)3塊板進(jìn)行數(shù)值模擬，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相吻合。研究結(jié)果表明，在正常使用短期試驗(yàn)荷載作用下，疊合板處于彈性受力階段；疊合板側(cè)拼縫處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，拼縫處設(shè)置搭接鋼筋，可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)力由搭接鋼筋向板底鋼筋的傳遞；結(jié)果表明按現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計(jì)的大跨度格構(gòu)鋼筋混凝土疊合板受力性能滿足使用要求。

拼縫；格構(gòu)鋼筋疊合板；數(shù)值模擬

混凝土疊合結(jié)構(gòu)是在預(yù)制構(gòu)件上后澆一層混凝土而形成的一種裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)(歐美稱組合結(jié)構(gòu)，Composite Structures)，疊合板是混凝土疊合結(jié)構(gòu)中一種常用的形式之一[1]。鋼筋混凝土疊合板具有施工便捷、節(jié)能環(huán)保以及經(jīng)濟(jì)效益顯著等優(yōu)點(diǎn)，隨著我國建筑工業(yè)化進(jìn)程的不斷加深，疊合板越來越多地被應(yīng)用于裝配式結(jié)構(gòu)中，極大的提高了住宅產(chǎn)業(yè)化建設(shè)的進(jìn)程。目前，我國引進(jìn)了德國先進(jìn)的帶格構(gòu)鋼筋的混凝土疊合板，如圖1所示，與鋼筋混凝土疊合板的不同之處在于前者在疊合板中放置了格構(gòu)鋼筋，格構(gòu)鋼筋起到了約束新舊混凝土的作用，有利于新舊混凝土的整體共同工作。

圖1 帶拼縫格構(gòu)鋼筋混凝土疊合板現(xiàn)場施工

目前，對(duì)格構(gòu)鋼筋混凝土疊合板的研究取得了一定的進(jìn)展[2～7]，但是在正常使用短期試驗(yàn)荷載作用下，對(duì)實(shí)體結(jié)構(gòu)中的帶拼縫格構(gòu)鋼筋混凝土大跨疊合板的受力性能研究鮮有涉及。為了研究正常使用短期試驗(yàn)荷載作用下，實(shí)體結(jié)構(gòu)中帶拼縫格構(gòu)鋼筋混凝土大跨疊合板受力性能，抽取了基于現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計(jì)的實(shí)體結(jié)構(gòu)中的3塊帶拼縫格構(gòu)鋼筋混凝土大跨疊合板，采用分級(jí)均布的加載方法對(duì)3塊板進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)研究。探討了拼縫處設(shè)置搭接鋼筋對(duì)板剛度和鋼筋傳力性能的影響，并分析了3塊板跨中荷載-撓度、鋼筋荷載-應(yīng)變關(guān)系，并基于ABAQUS有限元軟件對(duì)疊合板進(jìn)行數(shù)值模擬，將試驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，為該種疊合板在我國的推廣使用提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

工程抗震設(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度為7度，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，樓板采用格構(gòu)鋼筋疊合板，為了驗(yàn)證實(shí)體結(jié)構(gòu)中疊合板在彈性階段受力性能，試驗(yàn)對(duì)實(shí)體結(jié)構(gòu)中的3塊疊合板(試件編號(hào)分別為DHB1、DHB2、DHB3)力學(xué)性能進(jìn)行現(xiàn)場測試。

3塊樓板的現(xiàn)澆和預(yù)制部分混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C25(實(shí)測平均fcu=27.66MPa)，受力筋采用HRB400鋼筋，3塊板拼縫為側(cè)拼縫，拼縫處寬為20mm，疊合板DHB1拼縫處不設(shè)搭接鋼筋，疊合板DHB2和疊合板DHB3拼縫處搭接鋼筋配筋同板分布筋。疊合板DHB1和疊合板DHB2為普通拼接板，尺寸為4400mm×4500mm，板總厚均為120mm，預(yù)制部分厚度為50mm。疊合板預(yù)制部分受力主筋均為C8@150(fy=460MPa)，預(yù)制部分分布筋均為A6@200；疊合板現(xiàn)澆層板頂負(fù)筋均為C8@200，現(xiàn)澆層板內(nèi)分布筋均為A6@200。疊合板DHB3為異形板，板總厚為150mm，預(yù)制部分厚度為50mm；板預(yù)制部分受力主筋為C8@100(fy=460MPa)，預(yù)制部分分布筋為A6@200；疊合板現(xiàn)澆層板頂負(fù)筋為C8@200，現(xiàn)澆層板底受力主筋為C10@100(fy=397MPa)；現(xiàn)澆層板內(nèi)分布筋為A6@200。

1.2 試驗(yàn)加載

為了研究工程實(shí)體結(jié)構(gòu)中疊合板在正常使用短期試驗(yàn)荷載作用下的受力性能，采用非破壞性試驗(yàn)來進(jìn)行驗(yàn)證。加載設(shè)備為袋裝砂漿，每個(gè)袋裝砂漿的質(zhì)量為40kg，采用分級(jí)均布的加載方法。試驗(yàn)荷載根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB50152-2012)和《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009-2012)[8,9]確定。恒載標(biāo)準(zhǔn)值1.1kN/m2(板面裝修荷載),活載標(biāo)準(zhǔn)值2.0kN/m2。

經(jīng)過計(jì)算取DHB1最大加載值為2.0kN/m2，DHB2和DHB3最大加載值為4.7kN/m2。加載階段分5級(jí)加載，每級(jí)加載值為該試驗(yàn)荷載值的20%，達(dá)到正常使用狀態(tài)短期試驗(yàn)荷載值以后，每級(jí)荷載加載值為正常使用狀態(tài)短期試驗(yàn)荷載值的10%。加載完以后，再分級(jí)卸載。每級(jí)加載及卸載后持荷時(shí)間均為10min，達(dá)到正常使用狀態(tài)短期試驗(yàn)荷載值時(shí)持荷時(shí)間為30min。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 荷載-跨中撓度關(guān)系

為了測得疊合板在荷載作用下的荷載-撓度曲線，分別在疊合板底支座和跨中區(qū)域分別架設(shè)百分表，用于監(jiān)測板的荷載-撓度變化，并做出荷載-撓度曲線，疊合板裂縫采用裂縫測寬儀觀測。

試驗(yàn)板DHB1在試驗(yàn)荷載2.0kN/m2作用下，疊合板跨中短期撓度最大值為0.28mm，荷載全部卸載后，被測板殘余變形為0.03mm。加載及卸載過程中，荷載-撓度曲線近似為直線(見圖2(a))。試驗(yàn)板DHB2在試驗(yàn)荷載4.7kN/m2作用下，疊合板跨中短期撓度最大值為0.72mm，全部卸載后，被測板殘余變形為0.06mm，加載及卸載荷載-撓度曲線呈線性變化(見圖2(b))，試驗(yàn)板DHB3在試驗(yàn)荷載4.7kN/m2作用下，疊合板跨中短期撓度最大值為0.59mm。全部卸載后，被測板殘余變形為0.13mm，荷載-撓度呈線性變化(見圖2(c) )，試驗(yàn)過程中3塊疊合板均未出現(xiàn)裂縫。

DHB1與DHB2相比，由于在拼縫處DHB1沒有設(shè)置搭接鋼筋，考慮到拼縫處間斷傳力，截面剛度相對(duì)削弱較大，所以只加載到2.0kN/m2，即停止加載。從開始加載到2.0kN/m2，由2塊疊合板的荷載-撓度關(guān)系，可以看出板DHB1的剛度要略大于DHB2，可能是由于試驗(yàn)誤差引起。DHB3試驗(yàn)加載中雖然撓度不是很大，但是卸載后殘余變形相對(duì)較大。

圖2 疊合板荷載-撓度關(guān)系

2.2 鋼筋荷載-應(yīng)變關(guān)系

為了測得荷載作用下鋼筋的應(yīng)變變化情況，在跨中預(yù)制板底受力鋼筋、分布鋼筋以及現(xiàn)澆層板底拼縫處搭接鋼筋上粘貼應(yīng)變片，用于測量鋼筋應(yīng)變，如圖3所示。

圖3 疊合板鋼筋應(yīng)變片測點(diǎn)示意圖(單位：mm)

試件編號(hào)鋼筋最大應(yīng)變(με)受力鋼筋分布鋼筋搭接鋼筋DHB163-DHB28419DHB3161410

試驗(yàn)過程中3塊疊合板中鋼筋應(yīng)變與荷載基本成線性關(guān)系，如圖4所示。最大試驗(yàn)荷載作用下，疊合板中被測受力鋼筋最大應(yīng)變、分布鋼筋最大應(yīng)變、搭接鋼筋最大應(yīng)變?nèi)绫?所示。從開始加載至2.0kN/m2，同DHB1比較，DHB2拼縫處的搭接鋼筋與預(yù)制板底鋼筋能有效的進(jìn)行內(nèi)力傳遞，所以DHB2預(yù)制板底鋼筋應(yīng)變要小于DHB1板底鋼筋應(yīng)變。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，疊合板拼縫處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，搭接鋼筋應(yīng)力比較大。DHB3由于形狀不規(guī)則，并且板中配筋方向與主應(yīng)力方向不一致，受力比較復(fù)雜，拼縫處搭接鋼筋荷載-應(yīng)變曲線，在荷載接近4.0kN/m2時(shí)出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折，之后應(yīng)變?cè)鲩L較快。

3 有限元分析

采用ABAQUS有限元軟件對(duì)構(gòu)件進(jìn)行模擬，混凝土單元采用C3D8R單元，八結(jié)點(diǎn)線性六面體減縮積分單元，鋼筋單元采用T3D2單元，兩結(jié)點(diǎn)線性三維桁架單元。由于試驗(yàn)中，疊合板基本處于彈性階段，不考慮鋼筋與混凝土之間的滑移，不考慮疊合面混凝土的滑移，模型中鋼筋按實(shí)際工程中配筋進(jìn)行配置，鋼筋骨架采用Embedded方式嵌入到混凝土模型中?；炷翉椥阅Ａ繛?.8×104MPa，泊松比為0.2，鋼筋彈性模量為2.0×105MPa，泊松比為0.3。板邊約束條件均為固接，3塊板所施加荷載均為面荷載。

圖4 疊合板中鋼筋荷載-應(yīng)變關(guān)系

通過對(duì)3塊板進(jìn)行數(shù)值模擬，考慮板的自重，3塊疊合板在自重作用下跨中豎向撓度變形如圖5所示。施加荷載后DHB1、 DHB2、DHB3跨中最大豎向撓度分別為0.88、1.275、0.985mm，將模擬中板施加試驗(yàn)荷載后最大豎向撓度值與僅施加自重荷載撓度值之差同試驗(yàn)所測得值進(jìn)行比較，如表2所示。

圖5 疊合板豎向變形云紋圖

試件編號(hào)撓度值實(shí)測值/mm模擬值/mm誤差/%DHB10280035025DHB207200779819DHB305900548712

基于ABAQUS的數(shù)值模擬結(jié)果通過分析可以得出，DHB1撓度測量時(shí)可能存在誤差，導(dǎo)致模擬與實(shí)測值相差偏大，總體來說，試驗(yàn)荷載作用下，疊合板的荷載-撓度、鋼筋荷載-應(yīng)變關(guān)系與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，說明疊合板的受力性能較好。疊合板由于側(cè)拼縫處截面有效高度削弱，造成拼縫處受力比較集中，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。通過對(duì)比DHB1與DHB2，可知疊合板拼縫處設(shè)置搭接鋼筋，可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)力由搭接鋼筋向板底鋼筋的傳遞，提高了疊合板的抗彎承載能力。試驗(yàn)荷載作用下，DHB3應(yīng)力狀態(tài)相對(duì)比較復(fù)雜，建議加強(qiáng)構(gòu)造措施保證板的承載能力。

4 結(jié)論

通過對(duì)實(shí)體結(jié)構(gòu)中的3塊格構(gòu)鋼筋混凝土疊合板進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬分析得出以下結(jié)論：

1)在正常使用狀態(tài)短期試驗(yàn)荷載作用下，疊合板處于彈性受力階段，疊合板跨中撓度與荷載基本呈線性關(guān)系，疊合板預(yù)制部分的鋼筋應(yīng)變與荷載基本呈線性關(guān)系，且板面未出現(xiàn)裂縫，表明格構(gòu)鋼筋混凝土疊合板的受力性能較好；

2)疊合板側(cè)拼縫處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，建議加強(qiáng)側(cè)拼縫處構(gòu)造措施，提高拼縫處截面的承載能力，同時(shí)疊合板側(cè)拼縫處設(shè)置搭接鋼筋，可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)力由搭接鋼筋向板底鋼筋的傳遞，充分發(fā)揮鋼筋的抗拉性能；

3)異形疊合板由于受力比較復(fù)雜，建議加強(qiáng)構(gòu)造措施保證板的承載能力。

[1]周旺華.現(xiàn)代混凝土疊合結(jié)構(gòu)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1998.

[2] SJG 18-2009,預(yù)制裝配整體鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范[S].

[3] DGJ 32/TJ125-2011，預(yù)制裝配整體式房屋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范[S].

[4] DB 23/T-2010,預(yù)制裝配整體式房屋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范[S].

[5]劉運(yùn)林,葉獻(xiàn)國,胡昊.帶格構(gòu)鋼筋混凝土疊合板的數(shù)值模擬與格構(gòu)鋼筋作用分析[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014,37(9):1093～1096.

[6]胡昊.格構(gòu)鋼筋混凝土疊合板試驗(yàn)研究與自動(dòng)化參數(shù)建模程序開發(fā)[D].合肥工業(yè)大學(xué),2014.

[7]劉運(yùn)林.雙向疊合樓板拼縫處受力機(jī)理試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬[D].合肥工業(yè)大學(xué),2014.

[8]GB50152-2012，混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].

[9] GB50009-2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[編輯] 計(jì)飛翔

2016-05-11

安徽省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(1501041133)；安徽省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(1408085MKL45)；安徽建筑大學(xué)校引進(jìn)人才、博士基金項(xiàng)目(2014204)。

詹業(yè)龍(1989-)，男，碩士生，現(xiàn)主要從事混凝土結(jié)構(gòu)理論及應(yīng)用方面的研究工作；E-mail：1512844028@qq.com。

TU375.2

A

1673-1409(2016)25-0062-05

[引著格式]詹業(yè)龍，李浩然，邢偉，等.帶拼縫格構(gòu)鋼筋混凝土大跨疊合板彈性階段受力性能現(xiàn)場試驗(yàn)研究[J].長江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2016,13(25)：62～66.