萬冬偉，陳 璇，金凌志

(1.桂林電子科技大學 基建處，廣西 桂林 541004；2.桂林航天工業(yè)學院 審計處，廣西 桂林 541004；3.桂林理工大學 廣西巖土力學與工程重點實驗室，廣西 桂林 541004)

0 引言

裝配式混凝土結(jié)構(gòu)相對于傳統(tǒng)整澆式混凝土結(jié)構(gòu)具有生產(chǎn)效率高、物料損耗少和施工工期短等優(yōu)點，正逐漸成為建筑行業(yè)的新熱點[1]。疊合板作為裝配式結(jié)構(gòu)中的重要構(gòu)件，國內(nèi)外學者對其進行了大量的試驗與理論分析[2-3]。文獻[4]和文獻[5]先后對二次受力預應力普通混凝土疊合板的承載力、抗裂性能和疊合面的受剪承載力進行了系統(tǒng)的試驗研究，提出使用預應力疊合連續(xù)板的彎矩調(diào)幅系數(shù)的建議。文獻[6]對倒T形預應力普通混凝土疊合板的承載力和延性進行了研究，探討了其抗彎承載力計算方法。文獻[7]研究了T形肋對混凝土疊合板彎曲疲勞性能的影響，給出了預制T形肋底板混凝土疊合板正截面彎曲疲勞應力驗算方法。目前，國內(nèi)外對疊合板的研究主要集中在普通混凝土疊合板，對超高性能混凝土(ultra-high performance concrete，UHPC)疊合板研究較少，其中主要是對UHPC與普通混凝土或鋼材等疊合而成的疊合板抗彎性能的研究[8-9]，對不同疊合面UHPC疊合板抗彎性能的研究則更少。而疊合面作為疊合板的薄弱部位，對疊合板的抗彎性能有極大的影響[10]。因此，本文通過試驗對比，分析了不同疊合面對UHPC疊合板延性與抗彎剛度的影響，分析了UHPC疊合板使用階段短期剛度的計算方法，可為UHPC疊合板延性與抗彎剛度的進一步研究提供參考。

1 試驗概況

1.1 試件參數(shù)設計

對3塊不同疊合面UHPC疊合板進行了受彎破壞試驗。為保證試驗單一變量原則，桁架鋼筋與馬鐙鋼筋的體積配筋率相同。試件寬600 mm，長3 020 mm，計算跨度2 700 mm，預制層高度70 mm，現(xiàn)澆層高度60 mm。鋼筋均選用HRB400級鋼筋。試件主要設計參數(shù)見表1，試件截面配筋圖如圖1所示。

表1 試件主要設計參數(shù)

(a) DHB1

(b) DHB2

(c) DHB3

圖1 試件截面配筋圖

1.2 材料力學性能

本次試驗UHPC配合比見表2，其中，水泥為PⅡ42.5硅酸鹽水泥，石英砂分別為1.250～0.630 mm粗粒徑砂、 0.630～0．315 mm中粒徑砂和 0.315～0.160 mm細粒徑砂，鋼纖維長度12～15 mm，直徑0.22 mm。參考現(xiàn)行規(guī)范《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2002)[11]，實測UHPC立方體抗壓強度為140.7 MPa。按照《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》(GB/T 228.1—2010)[12]，實測HRB400鋼筋力學性能指標如表3所示。

表2 UHPC配合比

注：鋼纖維為體積摻量。

表3 HRB400鋼筋力學性能指標

1.3 加載方案

為了便于觀測板底裂縫開展和破壞情況，采用反向加載形式，在跨中三分點處布置兩個支座，將試驗板底面朝上放置在支座上，由千斤頂及分配梁對兩端懸臂板施加豎向荷載，使得跨中形成純彎段。加載裝置示意圖如圖2所示，現(xiàn)場加載照片如圖3所示。

加載制度嚴格按照《混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標準》(GB 50152—92)[13]執(zhí)行，在正式加載前，對試件進行預加載，檢查試驗裝置是否正常工作，支座是否平穩(wěn)，預加載值是否不超過試件計算最大荷載值的10%。每級荷載施加完成后，持荷10 min，持荷結(jié)束后，借助手電筒與放大鏡仔細觀察裂縫的出現(xiàn)與發(fā)展情況，測量裂縫寬度，記錄百分表數(shù)據(jù)。試件發(fā)生破壞后，分級卸除上部荷載，觀察試件回彈情況，記錄百分表數(shù)據(jù)。

圖2 加載裝置示意圖

圖3 現(xiàn)場加載照片

2 試驗現(xiàn)象及結(jié)果

3塊UHPC疊合板均發(fā)生典型的受彎破壞，試驗現(xiàn)象基本相同。加載至0.15Fmax(Fmax為極限荷載)左右時，純彎段位置出現(xiàn)一條或多條極細小裂縫；繼續(xù)加載，裂縫數(shù)量增多，但由于鋼纖維的阻裂作用，裂縫寬度與撓度發(fā)展緩慢。加載至0.85Fmax左右時，最大裂縫寬度達到正常使用狀態(tài)裂縫寬度限值(0.3 mm)。繼續(xù)加載，基本沒有新的裂縫出現(xiàn)，但撓度與裂縫寬度發(fā)展迅速，由于鋼纖維逐漸被拔出，跨中位置形成一條較寬的主裂縫。臨近破壞，荷載基本保持不變，主裂縫寬度與撓度急劇增大，最終受拉主筋處最大裂縫寬度達到破壞標志規(guī)定的限值(1.5 mm)，試件發(fā)生破壞。分級卸除上部荷載，試件發(fā)生明顯回彈，表現(xiàn)出良好的延性。由于UHPC優(yōu)異的力學性能與鋼纖維的橋架作用，各試件板側(cè)純彎段裂縫細小而密集。大部分板側(cè)純彎段裂縫發(fā)展至疊合面處即停止發(fā)展，只有少數(shù)裂縫能夠穿越疊合面。各試件板側(cè)純彎段裂縫分布以DHB2試件為例，如圖4所示。同時，在整個試驗過程中，預制層與現(xiàn)澆層未出現(xiàn)水平滑移現(xiàn)象，試件側(cè)面的垂直裂縫穿越疊合面時，方向基本不變，保持垂直方向，說明人工粗糙面能滿足UHPC疊合板疊合面抗剪要求，預制層與現(xiàn)澆層整體工作良好。試件主要試驗結(jié)果見表4。

圖4 DHB2試件板側(cè)純彎段裂縫分布

試件編號跨中最大撓度fmax/mm卸載后跨中殘余撓度f′/mm最大裂縫寬度ωmax/mm開裂荷載Fcr/kN極限荷載Fmax/kNf′/fmaxDHB136.0920.691.549.7065.500.57DHB244.0919.901.5612.0085.700.45DHB333.0217.031.5211.1082.100.52

3 荷載-撓度曲線

3塊UHPC疊合板的荷載-撓度曲線如圖5所示，從圖5中可以看出：3塊疊合板均呈現(xiàn)典型的彎曲破壞特征，具有良好的延性。加載前期，DHB1撓度最大，DHB3次之，DHB2最小，這是由于疊合面抗剪鋼筋參與受力，能提高疊合板的抗彎剛度，且桁架鋼筋整體性強，下弦桿能夠承受底部拉應力，桁架鋼筋中腹桿的傾斜布置使得腹桿也能承受一部分的水平拉力，較馬鐙鋼筋對剛度增強效果更好。繼續(xù)加載，

圖5 試件的荷載-撓度曲線

DHB2受拉鋼筋應力應變不斷增大，抗彎剛度逐漸減小，而DHB3由于馬鐙鋼筋的2根上弦桿壓應力不斷增大，限制截面發(fā)生轉(zhuǎn)動的能力不斷增強，抗彎剛度基本保持不變，加載到35 kN左右時，DHB2與DHB3荷載-撓度曲線相交。加載到65 kN左右時，DHB1受拉鋼筋開始屈服，撓度曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點，撓度增長速度加快；對比DHB2和DHB3的極限撓度，DHB2的跨中極限撓度大于DHB3，這是因為桁架鋼筋中的下弦桿和傾斜腹桿均能承受部分水平拉力，間接提高了DHB2的配筋率和極限承載力，致使在DHB3破壞后，DHB2還能繼續(xù)產(chǎn)生變形。卸除上部荷載，DHB1、DHB2和DHB3均發(fā)生明顯回彈，跨中撓度恢復量分別為15.4 mm、24.2 mm和18.5 mm，達到了跨中最大撓度的43%以上，說明UHPC疊合板具有良好的延性。

4 延性對比分析

延性是指材料、構(gòu)件或結(jié)構(gòu)在其達到極限荷載后，且極限荷載沒有明顯下降期間的非彈性變形的能力。當?shù)卣鸢l(fā)生時，延性好的結(jié)構(gòu)能夠耗散更多的地震能量，有效降低財產(chǎn)損失和人員傷亡。本文利用位移延性因數(shù)和耗能延性因數(shù)對不同疊合面UHPC疊合板的延性性能進行定量對比分析。

(Ⅰ)位移延性因數(shù)[14]

對于靜力構(gòu)件來說，位移延性因數(shù)是反映構(gòu)件延性大小的常用指標，可以有效地反映構(gòu)件承受非線性變形的能力，位移延性因數(shù)為構(gòu)件極限撓度與屈服撓度的比值，即：

(1)

其中：μΔ為位移延性因數(shù)；Δu為構(gòu)件的極限撓度，mm；Δy為構(gòu)件的屈服撓度，mm。

(Ⅱ)耗能延性因數(shù)[15]

采用耗能延性因數(shù)來表達構(gòu)件的延性大小，可以更加有效地反映構(gòu)件的耗能特性。耗能延性因數(shù)μin按試件在加載卸載過程中的耗能和彈性能進行確定，其計算公式為：

(2)

其中：Wtot為加載曲線與水平軸所包圍的面積，即外荷載所做的功，N·m；Eel為卸載曲線與水平軸所包圍的三角形面積，即卸載時釋放的彈性能，N·m；Uin為加載曲線與卸載曲線所包圍的面積，N·m。

根據(jù)各試驗板實測的試驗數(shù)據(jù)，按式(1)和式(2)分別計算位移延性因數(shù)μΔ與耗能延性因數(shù)μin，結(jié)果見表5。

表5 試件位移延性因數(shù)與耗能延性因數(shù)

由表5中數(shù)據(jù)可知：設置抗剪鋼筋能增加UHPC疊合板整體剛度，限制構(gòu)件產(chǎn)生撓度，從而降低UHPC疊合板的位移延性因數(shù)與耗能延性因數(shù)。與DHB1相比，DHB2和DHB3的位移延性因數(shù)分別降低了29%和50%，耗能延性因數(shù)分別降低了7%和22%，可見設置馬鐙鋼筋較設置桁架鋼筋對試件位移延性與耗能延性的影響作用更大。

圖6 試件抗彎剛度曲線對比

5 抗彎剛度對比分析計算

基于試驗板跨中撓度，根據(jù)結(jié)構(gòu)力學中抗彎剛度計算公式，可以求得試驗板的抗彎剛度，各試驗板抗彎剛度隨彎矩的變化曲線見圖6。圖6中：M為試件跨中彎矩，Mu為試件跨中極限彎矩。

如圖6所示，加載至跨中彎矩達到0.5Mu，未設置抗剪鋼筋的DHB1抗彎剛度均遠小于設置抗剪鋼筋的DHB2和DHB3，說明設置抗剪鋼筋能有效提高疊合板加載前期的抗彎剛度。從加載至跨中彎矩達到0.4Mu，設置桁架鋼筋的DHB2抗彎剛度一直大于設置馬鐙鋼筋的DHB3，說明設置桁架鋼筋較馬鐙鋼筋對UHPC疊合板加載前期的抗彎剛度提高幅度更大。加載中后期(0.6Mu～1.0Mu)，各試件抗彎剛度基本相同，不同抗剪鋼筋對UHPC疊合板加載中后期的抗彎剛度影響不大。

在普通混凝土整澆板短期剛度計算公式的基礎上，考慮二次受力特征系數(shù)及“受壓混凝土應變遲后”現(xiàn)象的影響，得到普通混凝土疊合板使用階段的短期剛度計算公式[16]：

(3)

其中：Bs為普通混凝土疊合板的短期剛度,N·mm2；上標c指計算值；Es為鋼筋的彈性模量,N·mm2；As為受拉區(qū)縱向受力鋼筋的截面面積，mm2；h0為截面的有效高度,mm；h1為疊合層混凝土高度,mm；h為疊合板混凝土高度,mm；αE為鋼筋彈性模量與疊合層混凝土彈性模量的比值；ρ為縱向受拉鋼筋配筋率。

在普通鋼筋混凝土二次受力疊合構(gòu)件剛度計算公式的基礎上，考慮摻入鋼纖維增強剛度的有利影響，將相應剛度乘以鋼纖維影響因子，得到鋼纖維混凝土疊合板使用階段的短期剛度計算公式[17]：

(4)

(5)

對于鋼筋混凝土受彎構(gòu)件，0.5Mu～0.7Mu階段的彎矩-曲率關(guān)系比較穩(wěn)定，剛度值變化幅度小，工程應用可取該階段為構(gòu)件使用階段，取近似值進行計算[18]。本文按照式(3)和式(4)計算UHPC疊合板使用階段(0.5Mu～0.7Mu)的短期剛度，將短期剛度計算值與試驗值進行對比，對比結(jié)果見表6。

表6 各試件短期剛度計算值與試驗值對比結(jié)果

注：上標c指計算值；上標t指試驗值。

6 結(jié)論

(1)由于UHPC優(yōu)異的力學性能，預制層與現(xiàn)澆層混凝土整體工作性能良好，采用人工粗糙面能滿足UHPC疊合板對疊合面的抗剪要求。

(2)設置疊合面抗剪鋼筋會降低UHPC疊合板的位移延性與耗能延性，設置桁架鋼筋和馬鐙鋼筋與未設置抗剪鋼筋的UHPC疊合板相比，位移延性因數(shù)分別降低了29%和50%，耗能延性因數(shù)分別降低了7%和22%，馬鐙鋼筋較桁架鋼筋的影響作用更大。

(3)設置疊合面抗剪鋼筋能有效提高UHPC疊合板加載前期的抗彎剛度，對加載中后期的抗彎剛度影響不大。相較馬鐙鋼筋，設置桁架鋼筋對UHPC疊合板加載前期的抗彎剛度提高幅度更大。

(4)由于鋼纖維的拉結(jié)作用，UHPC疊合板使用階段(0.5Mu～0.7Mu)的短期剛度大于普通混凝土疊合板，與鋼纖維混凝土疊合板的計算短期剛度吻合良好，建議UHPC疊合板使用階段(0.5Mu～0.7Mu)的短期剛度，可按鋼纖維混凝土疊合板使用階段的短期剛度計算公式進行計算。