装配式铝合金复合楼板的承载性能试验研究*

白志强， 周 彬， 潘月月， 刘晓东， 高继亭， 孙自超

(1 潍坊学院建筑工程学院， 潍坊 261061；2 山东酷屋网络科技有限公司， 潍坊 261061)

0 概述

近年来，铝合金材料在建筑领域中的应用越来越广泛[1]。铝合金结构具有强质比高、耐腐蚀、易于装配、便于运输等优点，但同时铝合金材料的力学性能易受到周围环境温度的影响，且不同结构铝合金材料之间差异性较大。郭小农等[2-4]针对铝合金结构构件在常温状态下的力学性能开展了一系列的研究。为了研究火灾状态下铝合金材料的力学性能，郭小农等[5-8]还对铝合金在高温下的力学性能展开了一系列的研究。铝合金材料性能除了受温度影响显著外，还与构件连接方式有关系。铝合金构件的连接主要有焊接、机械连接和粘结三种[9]，其中机械连接是铝合金构件连接中较为普遍的一种方式。铝合金板式节点是铝合金空间结构中最具代表性的机械连接方式，朱劭骏、郭小农、熊哲等[10-14]对该类节点做了系统的研究。总体来看，以上研究成果多数适用于展览馆、体育馆、桥梁等公共大空间结构领域，而用于居住建筑的铝合金结构还不多见[1]。

装配式铝合金复合板结构是一种以标准化制作的铝合金复合板作为基本装配单元，同时兼作受力单元的，适用于小型居住型建筑的新型结构体系，如图1所示。装配式铝合金复合板即充当楼板受力体系又充当墙板受力体系，是该新型结构体系的关键受力构件。本文主要对该类复合板作为楼板受力体系时的整体承载性能开展试验研究。

图1 装配式铝合金民居建筑

1 试验方案

1.1 试件尺寸及连接构造

装配式铝合金复合楼板(简称复合板)由铝合金边框和复合材料面板组成，其中复合材料面板由镀锌板、保温板、铝制分隔板组成。复合板长度为2.5m，宽度为1.25m，厚度为0.1m。为了方便复合板的装配连接，铝合金边框四壁设计四个内凹式的工形卡槽。复合板的中间铝制分层隔板的四边做成十字形定位卡条，十字形卡条的纵向端部做成L形与铝合金边框的工形卡槽对位连接，再用L形紧固卡条固定连接；十字形卡条的两个横向伸臂分别与两个“带弧形撑杆的卡扣件”对位卡住后，再用粘合卡条与铝制分隔板卡住并用结构胶粘合。保温板、铝制分隔板和镀锌板的接触面均用结构胶粘合，具体构造如图2(a)所示。铝合金边框在角部连接时，在接触面的铝合金边框侧壁对位开孔后，通过铆钉和L形卡扣紧固连接，如图2(b)所示。

图2 复合板的连接构造示意图

如图3所示，采用烟台某试验技术有限公司的双向铰支座，放置于四个钢墩的顶面上，双向铰支座的支撑托板通过与短钢柱端部凹槽的半圆球接触形成转动约束，钢柱通过与轮辐式力传感器连接后固定在钢支墩上，形成复合板的简支约束。

图3 复合板简支约束方案

1.2 测点布置

图4(a)给出了复合板支座传感器和位移测点布置平面图，板底位移传感器布置实景见图4(b)。为了防止加载进程中位移传感器探针随复合板挠曲过程发生偏移，在测点处粘贴限制性圆环，如图4(c)所示。

图4 复合板支座传感器及位移测点布置图

图5给出了铝合金边框跨中应变监控区域编号(S1～S4)及贴片示意。本试验主要对长边和短边的铝合金边框的跨中区域进行了应变监测，通过应变状态评估边框的受力水平。

图5 铝合金边框跨中应变监控区域编号及贴片示意

由于四角简支的复合板是对称结构，本次试验仅对S1和S4区域进行了上表面、侧面、下表面贴片，监控铝合金边框跨中截面的应变分布；对S2和S3区域进行了校核性贴片，仅在边框上表面和下表面各设置了一个应变测点。

1.3 加载方式

1.3.1 粘土砖均布加载和卸载

采用特制恒密度粘土砖作为加载试块。经计算，满铺一层粘土砖面荷载共需100块粘土砖，数值为1.12kN/m2。第一级荷载为满铺一层粘土砖(面荷载1.12kN/m2)，为了获取较为精确的挠度曲线分布点，之后每级荷载采用均匀对称平铺50块粘土砖均匀递增(增幅为0.56kN/m2)。每级荷载加载完毕静置30s后读数并做记录，跨中各测点读数减去支座测点读数即得各测点挠度值，直到加载至复合板破坏或者出现不适于继续承载的变形为止。

为了考察复合板的装配式连接构造的连接性能，当复合板达到极限承载状态后，静置承载持续15d后，开始逐级卸载(降幅为1.12kN/m2)，观察关键测点的挠度及应变在卸载过程中的变化情况，借以推测装配式构造连接的性能。

1.3.2 楼板集中荷载模拟

为了比较复合板在承载均布荷载和集中荷载时的不同受力性能，采用人体体重模拟集中荷载，在复合板中心区域进行逐级加载。集中荷载加载方式通过人体体重分级加载实现，每级荷载增加一个人体重量，遵循“对称集中”的布载方案。随机选取了8名志愿者，对测试人员进行体重测量及编号，并换算成等效面荷载，如表1所示。

集中荷载参数 表1

以复合板面中心区域半径约400mm的圆形区域作为多人集中加载区域，如图6所示。

图6 人体集中荷载加载照片

2 试验现象

2.1 楼板整体承载状态

在加载初期(面荷载为2.23kN/m2)，楼板出现轻微挠曲下凹，此时跨中位移达到了9.825mm，已经超出了《铝合金结构设计规范》(GB 50429—2007)[15](简称铝合金规范)中有关受弯构件的挠度限值(主体结构构件L/250,横隔板L/200，L为结构构件跨度)。荷载加至8.94kN/m2时，复合板整体下挠程度明显增大，呈现明显的“碗状”变形，板的整体变形幅度较大,满载后平铺砖块中间区域有明显的下凹变形，如图7所示。整个加载过程中间复合材料面板与铝合金边框的连接以及铝合金边框角部连接始终保持完好。

图7 复合板整体变形实景

2.2 细部受力特征

观察复合板细部连接构造，由于板材下表面受拉，复合材料面板与铝合金边框的连接缝隙变大，但缝隙变形仍然处于观感可接受的范围之内，见图8(a)，楼板仍然保持较好的整体性，无明显坍塌破坏征兆。加载至6.70kN/m2时，复合板上表面角部翘起约3mm，铝合金边框与复合板接缝盖条斜向缝隙张开约3mm，见图8(b)。

图8 铝合金边框与复合材料面板的连接接缝

加载状态下铝合金边框角部节点接缝如图9所示。从图9中可以看出，铝合金短边框与长边框的连接接缝下部由于受拉作用处于明显张开状态，最下边张开宽度约5mm。当加载至8.94kN/m2时，连接接缝处的某个铆钉有“凸起松动”的现象，说明连接处铆孔孔壁变形明显，铝合金边框连接强度达到了承载极限。

图9 加载状态下铝合金边框角部节点接缝

通过图9还可以看出，铝合金边框受到复合材料面板的“挤压”作用，方形截面有变成“菱形”截面的趋势。经过15d的持续承载后卸载，观察到装配式接缝缝隙宽度明显变小，且有明显的残余变形。

3 试验数据分析

3.1 挠度分析

铝合金规范4.4.1条规定受弯构件挠度容许值不超过L/250。《装配式铝合金低层房屋及移动屋》(JG/T 570—2019)[16]同样规定主体受力构件的挠度限值为L/250。参考《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)[17]B.2.4条对受弯构件的挠度容许值，屋盖为L/250，楼盖为L/300。综合选取L/250作为本文复合板的挠度限值。

图10(a)给出了不同荷载下复合板跨中区域各测点的挠度。由图10(a)可以看出，测点2和测点3的挠度大致处于同一挠度水平上，板面中心处的测点6挠度最大，符合经验判断。

测点6为板跨中心测点，其变形程度反映复合板的刚度；测点2和测点3均为铝合金长边框跨中测点，其变形程度反映长边框的刚度，且由于二者互为对称点，故绘于同一图中；测点1的变形程度反映了短边框的刚度。

测点6荷载-挠度曲线如图10(b)所示。由图10(b)可知，测点6的荷载-挠度曲线整体上呈现出非线性变化趋势。值得注意的是：在前三级加载水平下，荷载水平与测点挠度近似成线性关系，第三级面荷载为2.23kN/m2，此时挠度值已经超过了规范限值L/300。从曲线走势可以看出，当挠度水平低于规范限值L/300时，测点6荷载-挠度曲线近似成线性关系，当超过该限值时，荷载-挠度曲线呈现出较为明显的非线性关系。继续加载至第四级荷载时，复合板跨中挠度超过了限值L/250。

在四角简支撑约束条件下，该复合板满足正常使用状态的面荷载为2.23kN/m2(挠度L/300对应的荷载值)，作为平屋面使用时面荷载须控制在2.79kN/m2以内(挠度L/250对应的荷载值)。需要说明的是，实际结构中复合板四周的铝合金边框通常具有较大的约束刚度，本试验所测得的挠度是在楼板四角完全简支约束条件下的测试结果。实际结构中较强的楼板周边约束刚度可作为楼板结构的安全储备。

图10(c)和图10(d)分别给出了铝合金长边框跨中和短边框跨中的荷载-挠度曲线。由图10(c)，(d)可知，测点1～3的挠度与荷载接近线性变化，说明铝合金边框处于弹性变形阶段，几何非线性变形不明显。

图10 加载进程中跨中区域的挠度分布及各测点挠度曲线

为了便于进行直观对比，将加载和卸载过程中位移传感器测得的挠度数据绘制于同一坐标系下，其中加载和卸载过程中测点6挠度变化曲线见图11。从图11可知，卸载过程中，复合板的可恢复变形仍然具有几何非线性特点。加载至6.70kN/m2时，测点6的总挠度为22.42mm；而当卸载达到6.70kN/m2，测点6挠度恢复了13.48mm，约占总挠度的60.1%。图11给出了各级卸载对应的可恢复挠度在总挠度中的占比，各级卸载的可恢复挠度处于对应加载复合板挠度的40%～60%范围内，平均占比为49.9%。由此可知，复合板的跨中总挠度变形中有一半左右的变形为不可恢复变形。

图11 加载和卸载过程中测点6挠度变化曲线

图12给出了均布荷载和人体集中荷载作用下，复合板跨中测点6的挠度变化情况。从图12中可以看出，同等荷载水平下，人体集中荷载的挠度曲线与面荷载的挠度曲线基本重合，复合板弹性阶段的变形受不同荷载类型的影响较小。

图12 均布荷载与集中荷载作用下测点6跨中挠度对比

3.2 铝合金边框的受力分析

图13给出了两组测点的应变水平。第一组为S1和S3区域测点，为短边铝合金跨中测点；第二组为S2和S4区域测点，为长边铝合金跨中测点。第二组测点的应变明显大于第一组测点的应变，说明在四角简支条件下，铝合金长边框分担了大部分承载任务，在复合板受力边框中起控制作用，在设计该楼板时应根据长边框跨中受力水平进行边框截面设计。

从图13(a)，(b)可以看出，上表面和下表面的测点应变普遍大于侧面的测点，且应变分布沿高度方向并不成线性比例关系，这说明铝合金边框由于侧边开槽的影响，其应变分布与常规矩形截面的应变分布具有一定的差异。S1和S4区域的上表面两测点的拉应变也具有一定的差异，这可能是因为边框由于受到复合材料面板的拉拽作用向内扭转，使得上表面的应变分布趋于复杂化；从图13(c)，(d)可以看出，S2和S3区域的上下表面测点应变水平大致相同，且分别与对应的S4和S1区域的测点应变水平相当，说明本文试验测得的数据具有较高的可信度。

图13 各级荷载下铝合金边框的测点应变

图14给出了S1区域上表面测点、S2区域上表面测点、S3区域下表面测点、S4区域下表面测点的应变随着加卸载进程的变化情况。从图14中可以看出，在加卸载进程中，应变曲线均趋于一致，说明在整个承载过程中，铝合金边框构件均处于弹性受力阶段，复合板的不可恢复变形一部分来源于复合材料面板的变形，另一部分来源于装配式构造连接。

图14 加载与卸载过程中各测点应变变化对比

3.3 承载力评估

常规楼板的装修面层荷载通常按2kN/m2计算，楼板活载按疏散荷载3.5kN/m2计算，考虑分项系数后楼板的设计荷载约为7.85kN/m2。在8.94kN/m2的面荷载静载作用15d后观察复合板整体受力状态，板材整体变形状态无明显变化，构件之间连接无异常。复合板材与铝合金边框接缝无进一步扩大的趋势，铝合金边框角部的连接件和多数铆钉均保持完好(铆钉在加载后期有松动的迹象，过载静置后状态无变化)，无剪切撕裂的痕迹。说明该复合板的装配式连接构造具有过载状态下的持续承载能力。

参考铝合金规范中4.3.7条对6063-T6结构用铝合金物理性能指标的规定，同时根据最后一级加载的最大应变状态(最大压应变位于图5所示铝合金长边框S4区域上表面测点处，为945με)估算铝合金边框的应力σ=70 000×945/1 000 000=66.15MPa,该计算结果明显低于铝合金规范中6063-T6结构用铝合金强度设计值150MPa的规定，说明铝合金边框的承载能力具有较大的安全储备。

3.4 铝合金复合板的设计建议

3.4.1 铝合金边框的简便设计方法

铝合金边框是该类板材的主要受力骨架，铝合金边框侧壁上的装配凹槽对复合板受力不利，但复合材料面板与铝合金边框形成的有效连接对复合板整体承载是有利的。为了便于评估铝合金边框的受力水平，本节同时忽略铝合金边框凹槽的不利因素和复合材料面板有效连接的有利因素，将铝合金边框视作两端简支的普通铝合金方管受弯构件，利用下式计算铝合金边框翼缘的应变：

(1)

式中：ε为铝合金边框上翼缘或者下翼缘的应变；M为铝合金边框跨中最大弯矩，kN/m2；E为铝合金材料弹性模量，按铝合金规范取70GPa；W为忽略装配凹槽的铝合金方管截面抵抗矩，m3。

图15给出了根据式(1)计算所得和试验测得的铝合金边框翼缘应变值，其中试验值为上翼缘和下翼缘应变的平均值。由图15可知，式(1)计算值普遍高于试验值，说明公式计算结果偏于安全。

图15 铝合金边框的应变对比

同理将铝合金边框视为普通铝合金方管，复合板跨中挠度Δ计算公式如下：

(2)

式中：q为作用于复合板的均布荷载，kN/m2；L为复合板跨度，m；I为忽略装配凹槽的铝合金方管截面惯性矩，m4，I=b4/12，其中b为普通铝合金方管的截面宽度(高度)，m。

根据式(2)计算所得和试验测得的铝合金边框跨中挠度如图16所示。由图16可以看出，尽管在计算时忽略了装配凹槽对铝合金边框的削弱作用，但按式(2)计算所得的挠度值仍然普遍比试验值大。

图16 铝合金边框的跨中挠度对比

综合以上分析可知，在实际受力中复合材料面板很大程度上参与了铝合金边框的受力，复合材料面板对铝合金边框的刚度贡献足以弥补装配凹槽的刚度削弱。按普通铝合金边框进行复合板的挠度计算结果是偏于安全的。

3.4.2 铝合金复合板的抗弯刚度估算

为了定量评估复合板的抗弯能力，基于实测试验数据，在式(2)的基础上反推了复合板在各级荷载下的截面抗弯刚度EI，如图17所示。由图17可以看出，加载初期，由于装配式构件之间的连接间隙，使得初始荷载有所波动，此时复合板最小截面抗弯刚度为144.6kN·m2；随着荷载的增加，复合板截面抗弯刚度从144.6kN·m2逐步增加至190kN·m2。考虑到挠度在面荷载加载至2.23kN/m2时达到了规范正常使用极限状态下的挠度限值，本文建议该复合板在四角简支条件下的截面抗弯刚度EI偏保守地取140kN·m2。

图17 复合板截面抗弯刚度随加载进程的变化曲线

4 结论

通过对装配式铝合金复合楼板进行试验研究可知，复合板的装配式构造连接具有足够的承载能力，但抵抗变形的刚度偏弱，具体结论如下：

(1)在四角简支约束条件下，装配式铝合金复合楼板能够承载正常使用状态下约2.23kN/m2面荷载的作用，能够承载极限状态下8.94kN/m2面荷载的作用，该复合楼板能够满足在常规荷载作用下的设计要求。

(2)在四角简支约束条件下，卸载试验表明，装配式铝合金复合楼板跨中挠度的可恢复变形占总变形的40%～60%。在正常使用状态下，集中荷载作用与面荷载作用时的挠度差异可以忽略。

(3)在8.94kN/m2面荷载作用下，复合材料面板与铝合金边框的连接以及复合板角部连接均具有足够的承载能力，铝合金边框与复合材料面板的连接缝无明显扩展趋势，铝合金边框具有较大的安全储备；在较大的面荷载作用下，铝合金边框四角的连接接缝的下部张开幅度较大，当楼板设计荷载较大时，建议改进铝合金边框的连接构造方式。

(4)基于试验实测结果，装配式铝合金复合楼板的整体抗弯刚度建议按140kN·m2取值。将铝合金边框视作普通铝合金方管按常规受弯构件的应变公式和挠度公式进行应变和挠度评估是偏于安全的。