預(yù)應(yīng)力混凝土空心疊合板結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)研究及影響因素分析-土木工程論文

引言：預(yù)應(yīng)力混凝土空心疊合板由預(yù)應(yīng)力混凝土空心板（作為底板）和現(xiàn)澆混凝土疊合層（后澆層）組成。底板在施工階段承受樓板自重與施工荷載，兼做模板作用；在使用階段與后澆混凝土疊合層形成整體，兼有預(yù)制樓板與現(xiàn)澆板的雙重優(yōu)點(diǎn)。然而，目前空心疊合板及其底板質(zhì)量與結(jié)構(gòu)性能檢驗(yàn)方法尚不完備,空心疊合板破壞性質(zhì)以及影響因素的試驗(yàn)研究較少。特別是隨著人們生活水平提高，對居室大開間及任意開間需求的增加，樓板跨度有增大的趨勢，樓板厚度也要相應(yīng)增加，再加上120mm厚的預(yù)應(yīng)力混凝土空心板結(jié)構(gòu)性能與工程實(shí)踐應(yīng)用相對成熟，因此，對以120mm厚預(yù)應(yīng)力混凝土空心板作底板，上面現(xiàn)澆50mm疊合層形成170mm厚預(yù)應(yīng)力混凝土空心疊合板進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)研究具有十分重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。

本文通過對4塊170mm厚預(yù)應(yīng)力混凝土空心疊合板和8塊120mm厚預(yù)應(yīng)力混凝土空心底板進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)研究及對比分析，研究了預(yù)應(yīng)力混凝土空心疊合板的破壞性質(zhì)和主要影響因素，分析驗(yàn)證了疊合板的抗裂承載力與同材料、同幾何尺寸的全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件相比，不會(huì)因?yàn)楝F(xiàn)澆了疊合層而下降。提出了預(yù)應(yīng)力混凝土空心板疊合板在實(shí)際工程應(yīng)用的相關(guān)建議。為裝配整體式疊合樓蓋這一先進(jìn)的技術(shù)盡早地轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力提供更充分的理論和試驗(yàn)依據(jù)。

2  試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 試件的設(shè)計(jì)與制作

參照文獻(xiàn)[1]制作型號為YKBa3362、YKBa3662、YKBa3961、YKBa4261的預(yù)應(yīng)力混凝土空心板各3塊，其中2塊用于空心板的簡支結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)，1塊作底板用于預(yù)應(yīng)力混凝土空心疊合板簡支結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)。制作疊合板時(shí)，底板做3~4mm深的劃毛處理，澆注疊合層前將底板表面用高壓水沖洗潤濕，清除明顯積水。疊合板疊合層厚度為50mm，混凝土強(qiáng)度等級為C30。預(yù)應(yīng)力混凝土空心疊合板試件參數(shù)見表1，截面尺寸如圖1所示。

表1  170mm厚預(yù)應(yīng)力混凝土空心疊合板及底板參數(shù)表

注：①h2－疊合層混凝土厚度（單位：mm）②fcu2－疊合層混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值

圖1  170mm預(yù)應(yīng)力混凝土空心疊合板截面圖

2.2  加載方案

試驗(yàn)采用混凝土試塊按區(qū)格成垛堆放模擬均布荷載加載，垛與垛間隙不宜小于50mm，加載示意圖如2所示。試驗(yàn)前取100塊混凝土試塊測出單塊平均重量，以試件正常使用短期荷載值及承載力極限荷載設(shè)計(jì)值為基礎(chǔ)，以試件正常使用短期荷載下的撓度、開裂荷載值、破壞荷載值為基準(zhǔn)制定加載程序，加載值通過混凝土試塊的塊數(shù)來控制。

圖2  簡支空心底板、疊合板加載示意圖（A.堆載塊，B.百分表）

2.3  量測內(nèi)容和結(jié)構(gòu)性能檢驗(yàn)內(nèi)容

所有試件一直加載到破壞為止。開裂荷載、破壞荷載的大小通過計(jì)算試件上的堆砌的試塊重量得到。觀察裂縫出現(xiàn)采用放大鏡，觀測裂縫的寬度采用精度為0.05mm的刻度放大鏡。試件反拱值用拉線法測量，支座沉降用3cm量程的百分表量測，跨中撓度用兩塊5cm量程的百分表對稱布置在試件跨中兩側(cè)量測。

依據(jù)文獻(xiàn)[2]的規(guī)定分別進(jìn)行承載力檢驗(yàn)、撓度檢驗(yàn)和抗裂檢驗(yàn)。

3  170mm厚預(yù)應(yīng)力混凝土疊合空心板及其底板破壞過程和破壞形態(tài)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制疊合板（YKDBa）與其底板（YKBa）的荷載-撓度曲線如圖3~圖6所示。從荷載-撓度曲線圖中可以發(fā)現(xiàn)，預(yù)應(yīng)力混凝土空心疊合板及其底板從加載到破壞，工作狀態(tài)經(jīng)歷了三個(gè)階段：彈性工作階段、帶裂縫工作階段和破壞階段。彈性工作階段對應(yīng)于試件開裂前的階段，由于預(yù)壓應(yīng)力的存在，試件的彈性工作階段較長，荷載-撓度曲線基本呈直線變化。隨著荷載的增加，裂縫首先在跨中彎矩最大處混凝土的受拉區(qū)出現(xiàn)，試件進(jìn)入帶裂縫工作階段。試件開裂后鋼筋和混凝土應(yīng)變增長較快，裂縫的數(shù)量隨荷載的增大而增多，但長度和寬度發(fā)展較慢，試件的撓度則在開裂后明顯增大，荷載-撓度曲線有明顯的轉(zhuǎn)折。最后試件進(jìn)入破壞階段，裂縫條數(shù)、寬度和長度穩(wěn)定增加，直至破壞。疊合板剛度明顯大于其底板。各試件最大撓度、破壞時(shí)裂縫分布情況和破壞特征具體見表3。

4  預(yù)應(yīng)力混凝土空心疊合板結(jié)構(gòu)性能及影響因素分析

4.1  170mm厚預(yù)應(yīng)力混凝土空心疊合板抗裂性及極限承載力檢驗(yàn)結(jié)果分析

將試件的開裂荷載、破壞荷載的實(shí)測值與依照文獻(xiàn)[3]計(jì)算值及相互比值列于表2。從表2中可以發(fā)現(xiàn)，170mm厚預(yù)應(yīng)力混凝土空心疊合板實(shí)測破壞荷載值與實(shí)際參數(shù)計(jì)算的破壞荷載值的比值平均為1.18，實(shí)測開裂荷載值與按實(shí)際參數(shù)計(jì)算的開裂荷載值的比值平均為1.19，說明試驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)[3]計(jì)算結(jié)果吻合較好，并有一定的安全系數(shù)。但疊合板同底板一樣，實(shí)測破壞荷載值與實(shí)測開裂荷載值的平均比值為1.19，試件開裂后再加3~4級荷載就破壞了，延性較差。

4. 2  170mm厚的預(yù)應(yīng)力混凝土空心疊合板破壞性質(zhì)分析

通過對試件的裂縫條數(shù)、裂縫寬度、撓度以及撓跨比幾個(gè)方面繪制表3分析170mm厚的預(yù)應(yīng)力混凝土空心疊合板破壞性質(zhì)。

表2     170mm厚預(yù)應(yīng)力混凝土空心疊合板極限承載力及開裂荷載對照表

注：Fk－試件的標(biāo)準(zhǔn)荷載值；Fcrj－試件按實(shí)際參數(shù)計(jì)算的開裂荷載值；Fcrs－試件的實(shí)測開裂荷載值；Fuj－試件按實(shí)際參數(shù)計(jì)算的破壞荷載值；Fus－試件的實(shí)測破壞荷載值。

表3  170mm預(yù)應(yīng)力混凝土空心疊合板破壞性質(zhì)分析表

注：l0、fmax裂縫最大寬度單位均為毫米（mm）

    從表3看出，該類試件破壞標(biāo)志均為跨中縱向受力鋼筋被拉斷而破壞，試件的撓度檢驗(yàn)、抗裂檢驗(yàn)、承載力檢驗(yàn)等各項(xiàng)指標(biāo)均符合要求，該批試件結(jié)構(gòu)性能可以判為合格[4]，可以初步確認(rèn)該類試件可以在工程中應(yīng)用。試件YKDBa3362、YKDBa3662撓跨比在1/200左右，與延性破壞標(biāo)志的撓度值l0/50還有很大的差距，試件裂縫條數(shù)與預(yù)應(yīng)力混凝土空心底板相比下降很多，僅有3條裂縫，裂縫寬度為0.8~0.9mm，與底板差不多。YKDBa3961及YKDBa4261撓度相對較大，試件YKDBa4261的撓度接近跨度的1/50，但與預(yù)應(yīng)力混凝土空心底板相比，也下降不少。從試驗(yàn)結(jié)果來看，疊合板的延性較差，前三塊試件破壞時(shí)脆性性質(zhì)明顯，只有YKDBa4261接近延性破壞。因此，對于170mm厚預(yù)應(yīng)力混凝土空心疊合板，適用跨度大于4200mm，并宜根據(jù)工程需要提高構(gòu)件的延性。

4.3  170mm厚預(yù)應(yīng)力混凝土空心疊合板破壞性質(zhì)及影響因素分析

影響預(yù)應(yīng)力混凝土空心疊合板延性的主要因素有預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉控制應(yīng)力、鋼筋延性、混凝土強(qiáng)度等級、構(gòu)件截面幾何特征、跨高比和配筋率等（表4）。一般情況下，疊合板的延性會(huì)隨鋼筋延性的提高而提高，隨預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉控制應(yīng)力的加大而降低，文獻(xiàn)[5]對鋼筋張拉控制應(yīng)力作了具體的分析，當(dāng)構(gòu)件標(biāo)志長度≤3.0m時(shí)，取σcon=0.6fptk，當(dāng)構(gòu)件標(biāo)志長度≥3.3m時(shí)，取σcon=0.7fptk。為實(shí)現(xiàn)延性破壞的目標(biāo)，依據(jù)文獻(xiàn)[5]的計(jì)算方法，試件YKBa4261張拉控制應(yīng)力σcon=0.48fptk。

表4  170mm厚的預(yù)應(yīng)力混凝土空心疊合板破壞性質(zhì)影響因素分析表

本試驗(yàn)4塊疊合板試件的混凝土強(qiáng)度等級、鋼筋強(qiáng)度類型和鋼筋的張拉控制應(yīng)力都相同，只有跨高比和配筋率發(fā)生變化。由表4可以看出，YKDBa3662和 YKDBa3961的配筋率ρ都為0.44，張拉控制應(yīng)力系數(shù)都為0.7的情況下，跨高比由19.79增加至21.55，試件的撓度提高了52%，裂縫增加3條，裂縫最大寬度也有一定程度的增加。隨著配筋率的提高，試件的撓度在增大。疊合板與底板相比，延性進(jìn)一步降低，主要原因是澆注疊合層后疊合板的跨高比、配筋率進(jìn)一步降低。

4.4  170mm厚預(yù)應(yīng)力混凝土空心疊合板與其底板結(jié)構(gòu)性能對比分析

表5    170mm預(yù)應(yīng)力混凝土空心疊合板與其底板破壞荷載參數(shù)值對比分析表

注：表中各符號的具體含義同表1、2、3，其中左上角標(biāo)志“d”表示是疊合板的相應(yīng)參數(shù)，荷載的單位均為（kN），撓度單位為（mm）。

疊合板與其底板破壞荷載參數(shù)值對比分析見表5。疊合板開裂荷載實(shí)測值與底板開裂荷載實(shí)測值平均比值為1.79，疊合板極限荷載實(shí)測值與底板極限荷載實(shí)測值平均比值為1.78，說明通過在120mm厚預(yù)應(yīng)力混凝土空心底板上澆注50mm厚的混凝土現(xiàn)澆層后形成170mm厚預(yù)應(yīng)力混凝土空心疊合板，試件的抗裂承載力和極限承載力提高了80％左右，提高效果明顯。試件的開裂荷載提高幅度略大極限荷載的提高幅度。

通過計(jì)算分析及由表5及圖3-圖6可知，疊合板跨度小于4.2m時(shí)，底板開裂荷載值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于疊合板的施工階段荷載。在澆筑試件的疊合層時(shí)，先將底板兩端簡支，使疊合板處于二次受力狀態(tài)。所有試件在制作過程中均未發(fā)現(xiàn)底板開裂現(xiàn)象，說明跨度小于4.2m時(shí)，此類疊合板施工時(shí)跨中不加支撐是可行的。當(dāng)跨度加大或底板厚度變化時(shí)，疊合板施工時(shí)跨中是否加支撐需驗(yàn)算確定。

5  試驗(yàn)研究結(jié)論

5．1  參照文獻(xiàn)[6]有關(guān)規(guī)定，可以判定構(gòu)件的結(jié)構(gòu)性能檢驗(yàn)合格。說明170mm厚預(yù)應(yīng)力混凝土空心疊合板可以應(yīng)用于工程實(shí)踐，120mm厚預(yù)應(yīng)力混凝土空心板作為預(yù)應(yīng)力混凝土空心疊合板的底板是可行的。考慮到結(jié)構(gòu)和構(gòu)件延性，170mm厚預(yù)應(yīng)力混凝土空心疊合板適用跨度大于4.2m。

5．2  影響預(yù)應(yīng)力混凝土空心疊合板的破壞性質(zhì)的主要因素有預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉控制應(yīng)力、鋼筋延性、混凝土強(qiáng)度等級、構(gòu)件截面幾何特征、跨高比和配筋率等。疊合板與底板相比，跨高比的降低是導(dǎo)致疊合板延性進(jìn)一步降低的主要因素之一。

5．3  170mm厚預(yù)應(yīng)力混凝土空心疊合板與底板開裂荷載比值的提高幅度略大于極限荷載的提高幅度的試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了疊合板不會(huì)因?yàn)楝F(xiàn)澆了疊合層而比同材料，同幾何尺寸的全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的抗裂承載力降低。

6  工程應(yīng)用建議

6．1  當(dāng)跨度小于4.2m時(shí)，此類疊合板施工時(shí)跨中不加支撐是可行的。當(dāng)跨度加大或底板厚度，材料強(qiáng)度等變化時(shí)，疊合板施工跨中是否加支撐需驗(yàn)算確定。

6．2  試件的疊合層與底板結(jié)合良好，試驗(yàn)中未發(fā)生沿疊合面或斜截面剪切破壞現(xiàn)象，所以可以初步確定只要對疊合板底板做一般的劃毛、高壓水沖洗潤濕的方式處理，疊合面的抗剪能力可以滿足要求。

7  結(jié)語

采用預(yù)應(yīng)力空心板作底板的裝配整體式疊合樓蓋，兼有裝配式樓蓋與整體式樓蓋的雙重優(yōu)點(diǎn)，與預(yù)應(yīng)力實(shí)心板作底板的裝配整體式樓蓋相比又可以減輕自重。本文通過試驗(yàn)驗(yàn)證了170mm厚空心疊合板結(jié)構(gòu)性能合格，研究了該類試件的破壞性質(zhì)和主要影響因素，提出了該類試件在實(shí)際工程應(yīng)用的相關(guān)建議。為空心板作底板的裝配整體式疊合樓蓋這一先進(jìn)的技術(shù)盡早地轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力提供更充分的理論和試驗(yàn)依據(jù)。