带拼缝格构钢筋混凝土大跨叠合板弹性阶段受力性能现场试验研究

詹业龙，李浩然

(安徽建筑大学土木工程学院， 安徽 合肥 230601)

邢伟

(西伟德宝业混凝土预制件(合肥)有限公司，安徽 合肥 230601)

李秋喜

(安徽建筑大学土木工程学院，安徽 合肥 230601)



带拼缝格构钢筋混凝土大跨叠合板弹性阶段受力性能现场试验研究

詹业龙，李浩然

(安徽建筑大学土木工程学院， 安徽 合肥 230601)

邢伟

(西伟德宝业混凝土预制件(合肥)有限公司，安徽 合肥 230601)

李秋喜

(安徽建筑大学土木工程学院，安徽 合肥 230601)

为了研究实体结构中带拼缝格构钢筋混凝土大跨叠合板受力性能，使其能广泛的应用于工程实际，抽取了基于现行规范设计的实体结构中的3块带拼缝格构钢筋混凝土大跨叠合板，其中DHB1和DHB2由2块相同板拼接而成，DHB3为异形板，由3块板拼接而成，采用均布加载的方法对3块板进行现场试验研究。通过对比DHB1和DHB2，探讨了拼缝处设置搭接钢筋对板刚度和钢筋传力性能的影响，并研究了3块板受力性能。基于ABAQUS对3块板进行数值模拟，数值模拟结果与试验结果相吻合。研究结果表明，在正常使用短期试验荷载作用下，叠合板处于弹性受力阶段；叠合板侧拼缝处出现应力集中现象，拼缝处设置搭接钢筋，可以实现内力由搭接钢筋向板底钢筋的传递；结果表明按现行规范设计的大跨度格构钢筋混凝土叠合板受力性能满足使用要求。

拼缝；格构钢筋叠合板；数值模拟

混凝土叠合结构是在预制构件上后浇一层混凝土而形成的一种装配整体式混凝土结构(欧美称组合结构，Composite Structures)，叠合板是混凝土叠合结构中一种常用的形式之一[1]。钢筋混凝土叠合板具有施工便捷、节能环保以及经济效益显著等优点，随着我国建筑工业化进程的不断加深，叠合板越来越多地被应用于装配式结构中，极大的提高了住宅产业化建设的进程。目前，我国引进了德国先进的带格构钢筋的混凝土叠合板，如图1所示，与钢筋混凝土叠合板的不同之处在于前者在叠合板中放置了格构钢筋，格构钢筋起到了约束新旧混凝土的作用，有利于新旧混凝土的整体共同工作。

图1 带拼缝格构钢筋混凝土叠合板现场施工

目前，对格构钢筋混凝土叠合板的研究取得了一定的进展[2～7]，但是在正常使用短期试验荷载作用下，对实体结构中的带拼缝格构钢筋混凝土大跨叠合板的受力性能研究鲜有涉及。为了研究正常使用短期试验荷载作用下，实体结构中带拼缝格构钢筋混凝土大跨叠合板受力性能，抽取了基于现行规范设计的实体结构中的3块带拼缝格构钢筋混凝土大跨叠合板，采用分级均布的加载方法对3块板进行现场试验研究。探讨了拼缝处设置搭接钢筋对板刚度和钢筋传力性能的影响，并分析了3块板跨中荷载-挠度、钢筋荷载-应变关系，并基于ABAQUS有限元软件对叠合板进行数值模拟，将试验结果和模拟结果进行对比分析，为该种叠合板在我国的推广使用提供参考依据。

1 试验概况

1.1 试件设计

工程抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为7度，结构安全等级为二级，楼板采用格构钢筋叠合板，为了验证实体结构中叠合板在弹性阶段受力性能，试验对实体结构中的3块叠合板(试件编号分别为DHB1、DHB2、DHB3)力学性能进行现场测试。

3块楼板的现浇和预制部分混凝土强度等级均为C25(实测平均fcu=27.66MPa)，受力筋采用HRB400钢筋，3块板拼缝为侧拼缝，拼缝处宽为20mm，叠合板DHB1拼缝处不设搭接钢筋，叠合板DHB2和叠合板DHB3拼缝处搭接钢筋配筋同板分布筋。叠合板DHB1和叠合板DHB2为普通拼接板，尺寸为4400mm×4500mm，板总厚均为120mm，预制部分厚度为50mm。叠合板预制部分受力主筋均为C8@150(fy=460MPa)，预制部分分布筋均为A6@200；叠合板现浇层板顶负筋均为C8@200，现浇层板内分布筋均为A6@200。叠合板DHB3为异形板，板总厚为150mm，预制部分厚度为50mm；板预制部分受力主筋为C8@100(fy=460MPa)，预制部分分布筋为A6@200；叠合板现浇层板顶负筋为C8@200，现浇层板底受力主筋为C10@100(fy=397MPa)；现浇层板内分布筋为A6@200。

1.2 试验加载

为了研究工程实体结构中叠合板在正常使用短期试验荷载作用下的受力性能，采用非破坏性试验来进行验证。加载设备为袋装砂浆，每个袋装砂浆的质量为40kg，采用分级均布的加载方法。试验荷载根据《混凝土结构试验方法标准》(GB50152-2012)和《建筑结构荷载规范》(GB50009-2012)[8,9]确定。恒载标准值1.1kN/m2(板面装修荷载),活载标准值2.0kN/m2。

经过计算取DHB1最大加载值为2.0kN/m2，DHB2和DHB3最大加载值为4.7kN/m2。加载阶段分5级加载，每级加载值为该试验荷载值的20%，达到正常使用状态短期试验荷载值以后，每级荷载加载值为正常使用状态短期试验荷载值的10%。加载完以后，再分级卸载。每级加载及卸载后持荷时间均为10min，达到正常使用状态短期试验荷载值时持荷时间为30min。

2 试验结果与分析

2.1 荷载-跨中挠度关系

为了测得叠合板在荷载作用下的荷载-挠度曲线，分别在叠合板底支座和跨中区域分别架设百分表，用于监测板的荷载-挠度变化，并做出荷载-挠度曲线，叠合板裂缝采用裂缝测宽仪观测。

试验板DHB1在试验荷载2.0kN/m2作用下，叠合板跨中短期挠度最大值为0.28mm，荷载全部卸载后，被测板残余变形为0.03mm。加载及卸载过程中，荷载-挠度曲线近似为直线(见图2(a))。试验板DHB2在试验荷载4.7kN/m2作用下，叠合板跨中短期挠度最大值为0.72mm，全部卸载后，被测板残余变形为0.06mm，加载及卸载荷载-挠度曲线呈线性变化(见图2(b))，试验板DHB3在试验荷载4.7kN/m2作用下，叠合板跨中短期挠度最大值为0.59mm。全部卸载后，被测板残余变形为0.13mm，荷载-挠度呈线性变化(见图2(c) )，试验过程中3块叠合板均未出现裂缝。

DHB1与DHB2相比，由于在拼缝处DHB1没有设置搭接钢筋，考虑到拼缝处间断传力，截面刚度相对削弱较大，所以只加载到2.0kN/m2，即停止加载。从开始加载到2.0kN/m2，由2块叠合板的荷载-挠度关系，可以看出板DHB1的刚度要略大于DHB2，可能是由于试验误差引起。DHB3试验加载中虽然挠度不是很大，但是卸载后残余变形相对较大。

图2 叠合板荷载-挠度关系

2.2 钢筋荷载-应变关系

为了测得荷载作用下钢筋的应变变化情况，在跨中预制板底受力钢筋、分布钢筋以及现浇层板底拼缝处搭接钢筋上粘贴应变片，用于测量钢筋应变，如图3所示。

图3 叠合板钢筋应变片测点示意图(单位：mm)

试件编号钢筋最大应变(με)受力钢筋分布钢筋搭接钢筋DHB163-DHB28419DHB3161410

试验过程中3块叠合板中钢筋应变与荷载基本成线性关系，如图4所示。最大试验荷载作用下，叠合板中被测受力钢筋最大应变、分布钢筋最大应变、搭接钢筋最大应变如表1所示。从开始加载至2.0kN/m2，同DHB1比较，DHB2拼缝处的搭接钢筋与预制板底钢筋能有效的进行内力传递，所以DHB2预制板底钢筋应变要小于DHB1板底钢筋应变。由试验结果可以看出，叠合板拼缝处存在应力集中现象，搭接钢筋应力比较大。DHB3由于形状不规则，并且板中配筋方向与主应力方向不一致，受力比较复杂，拼缝处搭接钢筋荷载-应变曲线，在荷载接近4.0kN/m2时出现了转折，之后应变增长较快。

3 有限元分析

采用ABAQUS有限元软件对构件进行模拟，混凝土单元采用C3D8R单元，八结点线性六面体减缩积分单元，钢筋单元采用T3D2单元，两结点线性三维桁架单元。由于试验中，叠合板基本处于弹性阶段，不考虑钢筋与混凝土之间的滑移，不考虑叠合面混凝土的滑移，模型中钢筋按实际工程中配筋进行配置，钢筋骨架采用Embedded方式嵌入到混凝土模型中。混凝土弹性模量为2.8×104MPa，泊松比为0.2，钢筋弹性模量为2.0×105MPa，泊松比为0.3。板边约束条件均为固接，3块板所施加荷载均为面荷载。

图4 叠合板中钢筋荷载-应变关系

通过对3块板进行数值模拟，考虑板的自重，3块叠合板在自重作用下跨中竖向挠度变形如图5所示。施加荷载后DHB1、 DHB2、DHB3跨中最大竖向挠度分别为0.88、1.275、0.985mm，将模拟中板施加试验荷载后最大竖向挠度值与仅施加自重荷载挠度值之差同试验所测得值进行比较，如表2所示。

图5 叠合板竖向变形云纹图

试件编号挠度值实测值/mm模拟值/mm误差/%DHB10280035025DHB207200779819DHB305900548712

基于ABAQUS的数值模拟结果通过分析可以得出，DHB1挠度测量时可能存在误差，导致模拟与实测值相差偏大，总体来说，试验荷载作用下，叠合板的荷载-挠度、钢筋荷载-应变关系与试验结果基本吻合，说明叠合板的受力性能较好。叠合板由于侧拼缝处截面有效高度削弱，造成拼缝处受力比较集中，出现应力集中现象。通过对比DHB1与DHB2，可知叠合板拼缝处设置搭接钢筋，可以实现内力由搭接钢筋向板底钢筋的传递，提高了叠合板的抗弯承载能力。试验荷载作用下，DHB3应力状态相对比较复杂，建议加强构造措施保证板的承载能力。

4 结论

通过对实体结构中的3块格构钢筋混凝土叠合板进行现场试验研究和数值模拟分析得出以下结论：

1)在正常使用状态短期试验荷载作用下，叠合板处于弹性受力阶段，叠合板跨中挠度与荷载基本呈线性关系，叠合板预制部分的钢筋应变与荷载基本呈线性关系，且板面未出现裂缝，表明格构钢筋混凝土叠合板的受力性能较好；

2)叠合板侧拼缝处出现应力集中现象，建议加强侧拼缝处构造措施，提高拼缝处截面的承载能力，同时叠合板侧拼缝处设置搭接钢筋，可以实现内力由搭接钢筋向板底钢筋的传递，充分发挥钢筋的抗拉性能；

3)异形叠合板由于受力比较复杂，建议加强构造措施保证板的承载能力。

[1]周旺华.现代混凝土叠合结构[M].北京:中国建筑工业出版社,1998.

[2] SJG 18-2009,预制装配整体钢筋混凝土结构技术规范[S].

[3] DGJ 32/TJ125-2011，预制装配整体式房屋混凝土剪力墙结构技术规范[S].

[4] DB 23/T-2010,预制装配整体式房屋混凝土剪力墙结构技术规范[S].

[5]刘运林,叶献国,胡昊.带格构钢筋混凝土叠合板的数值模拟与格构钢筋作用分析[J].合肥工业大学学报(自然科学版),2014,37(9):1093～1096.

[6]胡昊.格构钢筋混凝土叠合板试验研究与自动化参数建模程序开发[D].合肥工业大学,2014.

[7]刘运林.双向叠合楼板拼缝处受力机理试验研究与数值模拟[D].合肥工业大学,2014.

[8]GB50152-2012，混凝土结构试验方法标准[S].

[9] GB50009-2012，建筑结构荷载规范[S].

[编辑] 计飞翔

2016-05-11

安徽省科技攻关计划项目(1501041133)；安徽省自然科学基金资助项目(1408085MKL45)；安徽建筑大学校引进人才、博士基金项目(2014204)。

詹业龙(1989-)，男，硕士生，现主要从事混凝土结构理论及应用方面的研究工作；E-mail：1512844028@qq.com。

TU375.2

A

1673-1409(2016)25-0062-05

[引著格式]詹业龙，李浩然，邢伟，等.带拼缝格构钢筋混凝土大跨叠合板弹性阶段受力性能现场试验研究[J].长江大学学报(自科版)，2016,13(25)：62～66.