一种装配式建筑板材结构性能检测加载系统的设计与应用方案

王凯翀 林鹏 李学文 林建辉

（广东省建筑材料研究院有限公司）

0 引言

随着《国务院办公厅关于大力发展装配式建筑的指导意见》[1]等一批文件的出台，近年我国装配式建筑进入快速发展阶段。装配式建筑是指由预制部品部件在工地装配而成的建筑。装配率是评价装配式建筑应用效果的重要指标。装配率指单位建筑室外地坪以上的主体结构、维护墙和内隔墙、装修和设备管线等采用预制部品部件的综合比例[2]。

装配式建筑板材广泛用于装配式建筑围护结构和楼板等主体结构，一般由工厂根据工程对板材尺寸和结构性能设计指标进行定制化生产。其中，结构性能是装配式建筑板材生产、建筑设计和建筑施工各阶段重要的应用指导依据，包括板材初裂、破坏时的承载力和挠度等指标。通过力学加载进行检测是判断建筑板材结构性能指标是否达标的重要方法。

1 技术背景

1.1 建筑板材结构性能检测方法

常见的检测方法有均布荷载法和集中力四分点法等，具体实施方法如图1 和图2 所示。均布荷载法一般通过累叠砝码重物，产生近似均布荷载来实现。集中力四分点法通过分荷梁把集中力转换为分布力实现加荷。常见的的产品标准与检测方法标准如GB/T 40399-2021[3]和GB/T 15762-2020[4]等。

图1 均布荷载法示意图

图2 集中力四分点法示意图

GB/T 40399-2021《装配式混凝土建筑用预制部品通用技术条件》对装配式部件的结构性能检测方法按GB 50204-2015[5]《混凝土结构工程施工质量验收规范》附录B 进行。加载方式可为累叠砝码的均布荷载加荷或千斤顶集中力加荷。采用分级加载，每级荷载按标准荷载或荷载设计值一定的百分比计算得出。每级加载完成后，荷载应维持一定的时间。同时需测量部件的跨中挠度和裂缝宽度。

GB/T 15762-2020《蒸压加气混凝土板》对板材结构性能的检测方法与旧版GB/T 15762-2008 相比，取消了以累叠砝码加载的均布荷载试验法，统一采用了集中力四分点法进行加荷。同样，试验过程中需要测量板材的承载力、挠度和裂缝宽度。

1.2 现有技术的问题与局限性

随着装配式建筑板材生产技术不断发展和建筑设计应用要求的不断提高，行业上板材的生产长度已从原来的3m 以内，发展到长度可达6m 或以上的水平。基于行业发展现状，现有的累叠砝码和常规加载设备等加荷手段对于装配式建筑板材结构性能的检测存在缺陷和局限性。其主要体现在：①累叠砝码重物模拟均布荷载的方法人为影响因素大，累叠过程繁琐且不连续，荷载成阶梯式增长。②采用常规加载设备产生荷载，仪器一般形式为反力架基座台结构，仪器承压基座大小限制了受测板材的尺寸。由于基座台的存在，对地面起重工具的使用造成不便，对一些大型板材的试验安装就位通常需要使用大型吊装机械，造成了检测成本的增加。

2 加载系统的设计

2.1 加载系统的设计要求

针对现有检测技术的问题与局限性，并考虑装配式建筑板材结构性能检测所需的条件，本文提出一种适用于装配式建筑板材结构性能检测的加载系统方案。

本加载系统满足以下设计要求：①满足装配式板材结构性能检测中对加载过程的控制、承载力的测量、挠度的测量和裂缝观测的要求。②设计同时考虑加载系统的使用效率、适用性和经济性。加载系统应便于各种检测场地和辅助工具的使用。③设计应方便加载系统的日常维护。

2.2 加载系统的组成

加载系统的组成设计如图3 所示。该加载系统由上横梁、立柱、地面平台预埋件、加载油缸、力传感器、位移传感器、液压系统、电气控制系统、计算机数据处理系统、加载板和支撑座组成。

图3 加载系统剖面图

2.3 设计关键点

本加载系统设计的关键点为：

⑴由上横梁、立柱、地面平台预埋件、加载油缸组成地面双柱式加载框架。地面平台预埋件和上横梁用立柱相联，形成门式自平衡式反力架结构。地面平台预埋件是预先挖地基后，先放入工字钢焊接的预埋件，然后浇筑混凝土硬化而成。此做法能保证立柱的垂直度及龙门架的强度，适应装配式建筑板材对检测空间的要求，加载框架空间效果如图4 所示。

图4 加载系统空间效果图

⑵根据建筑板材结构性能检测对测量板材中部变形挠度的要求，加载系统中部下方位移传感器采用下沉式设计，保证地面平台的平整，预留板材变形空间。使用金属框架支撑，保护传感器不受板材破坏时的撞击造成损坏。

⑶板材试样安放在支撑座上进行试验，支撑座的设计使其具有一定的高度，以方便检测人员观测板材试样的裂缝。

2.4 设计优点

本加载系统设计方案有以下优点：

⑴采用电气控制集中力加荷系统，可通过分荷梁多级分配荷载，避免人为因素对测试产生影响。

⑵加载油缸采用与加载框架一体化连接设计，无需人工搬动加载油缸，且加载油缸重量不会施加到板材上。

⑶地面平台使用预埋件混凝土基础一体化连接，此设计可利用场地地面的长度，解决常规加载设备因所检测的板材长度过长，无法放在其基座台上的问题，可检测的板材长度从现有仪器基座台长度扩展到场地的长度，可对各种长度的板材进行检测。

⑷常规加载设备的占地面积为仪器基座台面积，基座台面积需要大于受检样品的投影面积；本加载系统占地面积实际只有双柱式加载框架部分需要占地面积，加载系统的其余占地的地面与实验室原有的地面高度相同，大大减少场地使用的压力。

⑸常规加载设备因为存在基座台，阻碍了起重工具的使用，样品往往只能通过大型机械吊装；本加载系统由于用地面预埋件混凝土基础代替现有仪器的基座台，并采用下沉式位移传感器设计，地面平坦使得如叉车等地面起重工具的使用变得容易，大大提高了样品安装就位的效率，同时也降低了样品安装就位成本。

⑹本加载系统设计采用可移动快接式液压油站系统，油站与油缸升降系统采用专用快接接头，使用时能快速连接，不使用时可以快速拆卸，并移动到其他位置放置，进一步提高了实验场地的使用率和灵活性。由于采用了可移动快接设计，油站及其电控系统不使用时可拆卸安放以方便日常维护。

3 检测应用实施方法

下面以本加载系统在蒸压加气混凝土楼板结构性能检测中的应用为例，进一步说明加载系统各组成之间的联动工作原理。

检测实施工作步骤为：

⑴用钢卷尺测量并记录板的规格，包括长度、宽度、厚度；用电子秤测量并记录板的自重；用电子秤测量并记录加载板的重量；在计算机数据处理系统中输入板的规格与自重、加载板的重量和承载力检验系数。

⑵将板材试样放到支撑座上。在计算机数据处理系统的测控软件中对位移传感器与力传感器发出“读数归零”指令。

⑶把加载板搁置在板材试样上。

⑷在计算机数据处理系统输入“加载”指令，使电气控制系统控制液压系统推动加载油缸向下运动；加载油缸驱动力传感器的压板压在加载板上面，板材试样开始受到荷载。

⑸位移传感器反馈数据给电气控制系统，控制加载油缸以板材试样跨中弯曲变形达到0.05mm/s 的等位移速率加载。

⑹加载到板材试样出现第一条裂缝时，在计算机数据处理系统输入“初裂标记”指令；计算机数据处理系统记录板材试样的初裂时集中力荷载实测值；此时加载油缸继续保持等位移速率加载。

⑺用刻度放大镜观察裂缝宽度变化和板其他破坏情况；裂缝宽度达到1.5mm 或出现其他破坏标志时，在计算机数据处理系统输入“结束”指令；位移传感器和力传感器通过电气控制系统反馈数据给计算机数据处理系统，得出板材试样的短期挠度实测值和破坏时集中力荷载实测值。

⑻在计算机数据处理系统输入“复位”指令使电气控制系统控制液压系统收回加载油缸压板。

⑼在计算机数据处理系统输入楼板的荷载标准值、荷载设计值、结构安全重要性系数；计算机数据处理系统自动计算板材的初裂与破坏荷载检验值、初裂荷载实测值、短期挠度允许值、破坏荷载实测值；当初裂荷载实测值≥初裂荷载检验值，破坏荷载实测值≥破坏荷载检验值，并且短期挠度实测值≥短期挠度允许值时，计算机数据处理系统自动给出合格结论；检测结束。

4 结语

本加载系统具体加载量程、外形尺寸可根据实际使用情况进行定制化设计，能满足多种装配式建筑板材结构性能的检测要求。通过对计算机测控软件的试验控制程序编写，可以实现多种加载控制效果。在实际应用中，本加载系统具有空间适应性强、使用维护方便灵活、检测样品就位便捷等优点，适合装配式建筑前期设计、材料生产、后期验收测试等各环节相关机构使用，能很好地配套装配式建筑行业的发展。