新型叠合板力学性能试验

吴方伯，秦 浩，文 俊，李 博，周绪红,2

(1. 湖南大学土木工程学院，湖南长沙 410082； 2. 重庆大学土木工程学院，重庆 400045)

0 引 言

叠合板刚度大，整体性能好，施工便利，在中国部分地区得到了应用[1-3]。国内外对新形式的板带、新材料改良叠合板性能和新有限元方法做了相应研究[4-10]。从叠合板的制作方法来看，现阶段叠合板绝大多数是将预制板制作为板带，然后再到施工现场进行拼装。由于现场的不确定因素较多，如板的拼缝质量问题，横向钢筋的放置也增加了现场工作量，这些问题又进一步限制了叠合板在现实工程中的应用[11-15]。随着对叠合板研究的深入，吴方伯等[16]提出了一种蛇形钢筋处理拼缝，并进行了1组对照试验。试验表明在配筋率降低24%时蛇形钢筋依旧可以抑制裂缝延伸。丁克伟等[17]提出了一种带有新型拼缝的叠合板，并采用试验、ANSYS模拟对该种叠合板的性能进行了研究，试验表明该种带新型拼缝的叠合板性能良好。

本文的新型叠合板采用了由整板加可拆桁架的形式，有效解决了拼缝问题。同时下部使用螺栓将型钢与预埋件连接成整体节点使得型钢可以拆装，预制板在工厂制作完成。在实际使用时叠合板与一种由U形混凝土模块制作的叠合梁[18-19]组合进行使用，该梁的U形模块在工厂预制，运输至施工现场后使用该模块作为模板浇筑叠合梁。

施工时桁架在预制板下方增加预制板的刚度，施工完成后浇层强度达标并与预制板形成整体，下部的型钢与螺栓可以拆下回收再利用，在解决叠合板拼缝问题的同时为叠合板的形式开辟了新的思路，本次试验为桁架拆除后叠合板使用阶段的整板静载性能试验，可为该类叠合板的实际使用提供参考。

1 试验方案

1.1 试件尺寸和试验材料参数

型钢与预埋件的连接方式如图1所示，预制板在工厂制作完成后的底面形式如图2所示。

图1 预埋件与型钢的连接Fig.1 Connection Between Embedded Parts and Section Steel

图2 预制混凝土底板Fig.2 Prefabricated Concrete Floor

试验研究了1块新型叠合板与1块现浇板在简支条件下的使用性能，预埋件尺寸与成品见图3。

图3 预埋件尺寸与成品(单位：mm)Fig.3 Sizes and Finished Product of Embedded Parts (Unit:mm)

施工阶段底部受拉型钢使用50 mm×50 mm×5 mm角钢。2块板采用C30混凝土，用直径8 mm的HRB335螺纹钢进行双向配筋，预制板上部混凝土部分的尺寸为2 300 mm×2 300 mm×35 mm，后浇层浇筑完成后的尺寸为2 300 mm×2 300 mm×100 mm，浇筑过程如图4所示。

图4 叠合板浇筑Fig.4 Pouring of Laminated Slab

按《混凝土结构试验规范》[20]进行混凝土强度测试，结果见表1。由于使用阶段的桁架已经拆除，不与预埋件组合受力，本次试验仅观察预埋件与混凝土之间的黏结情况。

在试验室中使用计算机控制万能试验机来进行钢材试验，得到钢筋的屈服强度fy=361 MPa。

1.2 加载与测量方案

本次试验的加载制度包括3级预加载与后续的正式加载，预加载一级荷载折合成均布荷载的大小为1.5 kPa，在预加载结束后卸载，准备进行正式加载。

表1 混凝土抗压强度Tab.1 Compressive Strength of Concrete

正式加载分为2个阶段，第1个阶段取开裂荷载的1/10(折合均布荷载大小为1.01 kPa)进行加载，在开裂之后的第2阶段采用极限荷载的1/10(折合均布荷载大小为3.95 kPa)进行加载直到最后一级荷载，加载制度如图5所示。

图5 加载制度Fig.5 Loading System

加载支座由200 mm宽的H型钢与4个由型钢制作的短柱焊接制作而成，支座高1 m，在板与混凝土板之间使用油毡加细沙垫平，细沙与油毡减少了板与支座的摩擦力，现场布置如图6所示。

图6 加载装置Fig.6 Loading Setup

测量方案如图7所示(G表示钢筋应变测点，W表示挠度测点，HT表示混凝土应变测点)。本次试验要对比叠合板与现浇板在使用阶段的挠度，在四点加载的加载制度下2块板的最大挠度在跨中位置，所以该处即为位移计布置点；在对比钢筋应力时对1/4跨的钢筋进行了应变片的张贴，应变片布置呈爪子形状的目的在于测量加载点四周与塑性绞线出现位置钢筋的应变；由于本次试验使用的板双向同性，叠合板在2个方向上的刚度一致，所以监测混凝土底部裂缝的应变片布置在楼板底部1/4处。

图7 测量方案(单位:mm)Fig.7 Measuring Scheme (Unit:mm)

2 试验结果

在试验开始预加载阶段各仪器采集数值显现出线性关系，在预加载卸载后所有的数据基本上恢复到初始读数。正式加载前期的数据读数变化都较小，未发生钢筋应变有异常的变大现象，在加载到12级荷载(17.08 kPa)时板底出现斜向裂缝与平行于板边的平行裂缝，斜裂缝的方向大致是从四点指向板的4个角，2种裂缝相交于4个加载点下。14级荷载开始斜向裂缝向混凝土的角延伸，同时离混凝土4角较近的边上也出现裂缝，在后续的加载过程中板底的斜裂缝逐渐变多；最开始的斜裂缝发展成了主要的裂缝，其宽度明显大于其他裂缝，4个角所出现的裂缝开展方向也指向加载点，随着板底裂缝延伸板的侧面也出现了竖向裂缝，如图8所示。在加载到16级荷载时板的侧面出现了竖直方向的裂缝，下方主裂缝宽度达到1.5 mm，板的4个角发生了明显的翘起，如图9所示。在荷载加载到46.3 kPa时，考虑到支座高度较矮影响试验人员进入板底的安全，故停止了对该板的加载。

图8 板底裂缝Fig.8 Cracks at Bottom of Slab

图9 角部翘起Fig.9 Rise of Corner

2.1 荷载与钢筋应变

叠合板和现浇板钢筋应力-应变曲线如图10所示(XJB表示现浇板，DHB表示叠合板)。2块板的钢筋应变有着明显的规律，通过叠合板与现浇板的对比可以发现2块板的钢筋荷载-应变曲线存在着一些相似的特征。叠合板钢筋的荷载-应变曲线在前期加载的过程中表现出了线性特征，曲线斜率很大。荷载达到17.08 kPa时钢筋的应变突然增大，这与试验现象中出现裂缝的级数相吻合，从图10可以看出曲线的斜率明显减小，标志着钢筋进入了塑性阶段。由于G12号测点处于主裂缝周围并且距离加载点最近，因此可以发现该点测得的钢筋应变明显大于其他位置。平行于板边的混凝土没有出现较大的裂缝，所以平行于板边的钢筋受力较小，部分测点并未达到屈服。在最后一级加载完成后，还有较多的钢筋未屈服，且板上表面混凝土并未压碎，故叠合板还有一定的承载能力。

2.2 荷载与挠度

叠合板与现浇板跨中挠度对比如图11所示，叠合板荷载-挠度曲线如图12所示。叠合板挠度在加载初期与位移保持着线性关系，在载荷达到17.08 kPa后挠度变化明显加大，说明此时结构的刚度降低。从加载开始到最后一级加载完成叠合板跨中挠度达到了23.8 mm，叠合板中间可以看到明显凹陷，延性良好。

为了找到同一时间同一截面测点的挠度关系，取测点W8，W4，W1，W2，W6得到挠度曲线(图13)。由图13可知：叠合板在开裂前同一截面的测点挠度分布比较均匀，曲线形状接近于等腰三角形，说明板在开裂前整个变形处于线性状态。开裂后，由于叠合板发生了塑性变形，各测点的连线不再为等边三角形，但是折线关于中线大致对称，叠合板表现出了良好的双向受力性能。

图10 钢筋应力-应变曲线Fig.10 Stress-strain Curves of Steel Bars

图11 测点W1荷载-挠度曲线Fig.11 Load-deflection Curves of Measuring Point W1

3 楼板的极限承载力

mx=Asxfsxγsxh0x

(1)

my=Asyfsyγsyh0y

(2)

图14 叠合板的破坏机制Fig.14 Failure Mechanism of Laminated Slab

式中：Asx，Asy分别为板跨内截面沿lx，ly方向单位板宽内的纵向受力钢筋截面面积；γsx，γsy分别为板跨内截面沿lx，ly方向单位板宽内的内力偶臂系数；h0x，h0y分别为板跨内截面沿lx，ly方向单位板宽内的有效高度；fsx，fsy为单位条带内钢筋的屈服强度。

设α为2个方向上极限内力矩的比值，则

(3)

虚功原理的等式两边为内外力所做的功，没有其他外力的情况下等效均布荷载q所做的虚功即为外力所做的功Wa，则

(4)

式中：ω(x,y)为叠合板变形的曲线方程；dAn为面积元素。

内力所作的虚功Wb为

∑Wb=∑miliγi

(5)

∑Wa=∑Wb

(6)

式中：mi为沿塑性绞线上单位板宽内的极限弯矩；li，γi分别为沿塑性绞线上单位板宽截面上发生转动边的长度及转动角度。

可以解得

(7)

由以上公式可以得出该板的极限荷载大小为57.24 kPa，实际加载达到46.3 kPa时停止加载。

4 叠合板的优化与使用建议

由于叠合板使用到实际工程中还有一段很长的路要走，故结合本次试验对叠合板的桁架优化、质量检查、运输摆放等提出建议。

在桁架的优化上，桁架的预埋部分可以采用圆形管状的预埋件桁架形式，将型钢改为与预埋件配套的带圆管钢条，圆形结构优势也较为明确，拆装简单方便，桁架较为美观。圆形预埋件可以有效减少预埋件四周混凝土的应力集中现象，桁架可以使用强度较高的钢材进一步保证其刚度，圆形预埋件大致设计如图15所示。

图15 圆形预埋件桁架简图Fig.15 Truss Diagram of Round Embedded Parts

叠合板要承受荷载，需要经过预制板的运输、堆放、后浇层浇筑等步骤，所以应该在浇筑后浇层之前对预制板的质量进行检验，其中包括外观检测与性能检测。外观质量的检验采用表面观察和测量等方式，检查内容主要为板的厚度，桁架是否定位准确和是否存在偏差，混凝土是否存在蜂窝等振捣不均匀的情况，叠合面是否粗糙，是否存在裂缝等问题。同时在使用本次试验的预埋件时要保证预埋件周围的混凝土振捣充分。

预制板的堆放需要保证地面的平整度，以防止地面不均匀导致预制板在运输与放置过程中断裂，在堆放预制板时应该对地面进行清理，保证地面的基本平整，然后在预制板下部垫上矩形木方，木方最佳高度为桁架露出预制板的高度，使用木方与桁架一同受力保证预制板的安全，如图16所示。除此之外当堆积多块预制板时应将各预制板在竖直方向上保持在同一平面内，避免2块板的桁架相距过远，而板的悬挑端过长导致空间浪费与预制板断裂。

图16 运输堆放示意Fig.16 Diagram of Transportation and Stacking

5 结语

(1)对新型叠合板进行了试验研究，结果表明该板整体性能良好，承载能力较高，刚度大，适用于装配式楼盖体系。

(2)在加载过程中叠合板对角线方向与加载点之间形成了主要裂缝。在加载后期构件的侧面上发现了若干竖向裂缝，停止加载时未发现横向裂缝，说明表面刮毛可以满足叠合面的抗剪要求。停止加载时叠合板跨中挠度达到了2.38 cm，挠度与现浇板相近，板的延性良好。

(3)由于桁架形式、预制板质量、预制板运输等问题都会影响叠合板制作的质量，基于试验提出了圆形预埋件形式、预制板质量检查方法、预制板运输方法，可进一步保证叠合板的质量。