装配式钢筋混凝土部分叠合板受力性能试验研究

赵培莉 ，邓志恒

(1.广西建设职业技术学院， 广西 南宁 530007；2.广西大学 土木建筑工程学院， 广西 南宁 530004)

0 引言

装配式钢筋混凝土结构是现行建筑产业化发展方向[1-2]，钢筋混凝土叠合结构是装配式钢筋混凝土结构中最具代表性的一种形式。国内外学者对钢筋混凝土叠合结构，已进行大量的试验研究与理论分析[3-6]。学者对叠合结构叠合面[7]、拼缝构造[8-12]的受力性能进行了分析研究。文献[13-15]中设计研究了倒“T”型叠合整体楼板，聂建国等[16]通过试验叠合面不同的处理做法，研究高强混凝土叠合楼板的抗剪强度。这些研究表明，装配式钢筋混凝土结构整体性能较好，可用于地震设防区。

由于先预制一定厚度的楼板需要支撑施工荷载和现浇部分混凝土自身的重量，因此预制部分厚度设计规范规定最小为60 mm。为了使楼板现浇部分与预制部分良好的结合，现浇部分的厚度设计规范规定不小于60 mm，叠合板厚度最小为120 mm。预制部分板底钢筋在一阶段受力时还存在钢筋应力超前现象。

在已有的理论研究成果基础上，结合目前装配整体式结构存在的不足，本文提出一种新型装配式钢筋混凝土部分叠合板。开展其受弯性能的分析，并对其进行试验研究。本文所研究的新型钢筋混凝土部分叠合板受力可行，叠合面性能良好，没有剪切破坏现象，与全现浇混凝土结构性能差异很小。独特的带孔结构设计，对构件受弯性能影响很小，不仅减少了混凝土施工工作量，进一步降低构件的自重荷载，还为房屋水电预埋敷设施工带来了便利。具有施工工艺较简单，建造难度较低，节省施工材料，提高劳动工效，缩短施工工期等优势。减小板厚到100 mm，预制板采用部分叠合方式，仅在支座1/4范围采用叠合，中间部分全预制，板中间部分预留管道孔洞方便管线通过并价低结构自重，节省材料。这种新型叠合板结构受力合理，提高刚度，优化设计，保证整体性，自重轻，节省材料，降低建造成本，工厂制造比例高，是一种有应用前景的新型装配整体式叠合楼板结构体系。本文通过3块简支部分叠合板和2块连接跨部分叠合板，开展受力性能试验研究，验证可行性，供工程设计参考使用。

1 试验概况

1.1 试验设计

依据《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)进行试验试件设计，共设计5块装配式钢筋混凝土部分叠合板，板厚H为100 mm，编号分别为ZPB1、ZPB2、ZPB3、ZPB4、ZPB5，其中：试件ZPB1、ZPB2、ZPB3为简支部分叠合板，试件ZPB4、ZPB5为连续跨部分叠合板，其设计形式如图1—4所示。试件支座搁置端及连续跨连接区设计尺寸为150 mm，试件尺寸参数及形式见表1。

图1 部分叠合板设计平面示意图Fig.1 Schematic diagram of partial composite plate design

图2 部分叠合板1-1示意图Fig.2 Schematic diagram of partial composite plate 1-1

1.预制叠合板；2.空心结构；3.钢筋应变片测点；4.现浇混凝土；5.负筋

表1 试件尺寸参数及形式Tab.1 Size parameters and forms of specimens

试验中预制底板和后浇叠合板的制作，均采用现场搅拌混凝土，预制和叠合后浇混凝土的强度等级均为C30。实测每批次混凝土立方体试块(150 mm×150 mm×150 mm)的抗压强度结果，取其平均值：预制叠合板为32.20 MPa，现场叠合板为32.53 MPa。

1.2 加载方案及试验测量方案

试件加载采用逐级静力加载方案，直至达到受弯构件破坏状态。以试件受拉钢筋屈服作为节点，屈服前采用力控加载，屈服后采用每级约5 mm的位控加载。试件首条裂缝出现前，采用每级约5%限值荷载加载，开裂后，采用每级约10%限值荷载加载，直到受拉钢筋屈服，每级荷载持续10 min时间。

试验主要研究和测量内容包括：叠合板试件钢筋的应变、跨中挠度、连接叠合面中点挠度、裂缝的宽度、开裂荷载值、屈服荷载值以及试件破坏的极限荷载值。根据实测数据，绘制钢筋的应力-应变曲线，以及试件荷载-挠度曲线。

试件ZPB1、ZPB3在板底钢筋的跨中位置，布置钢筋应变片测点，共5处。试件ZPB4、ZPB5钢筋应变片测点布置：每跨跨中板底钢筋，以及两跨连接叠合面中点处、左右两侧板面负筋上。试件ZPB4、ZPB5配筋率不同，分别布置20处、22处测点。

试件ZPB1、ZPB2、ZPB3分别在两侧支座、跨中3处，对称布置6个位移计，试件ZPB4、ZPB5，分别在两侧支座、连接叠合面支座、跨中5处，对称布置10个位移计。试件加载时，布置分配梁在叠合板每跨三分点处，实现对叠合板跨中静力加载。5个试件ZPB1、ZPB5加载装置图及照片分别如图5、6所示。

(a)试件ZPB1(ZPB2、ZPB3)简支叠合板

(b)试件 ZPB4(ZPB5)连续跨叠合板

(a)试件ZPB1(ZPB2、ZPB3)简支叠合板

(b)试件 ZPB4(ZPB5)连续跨叠合板

2 试验结果及分析

2.1 裂缝分布与宽度分析

两组新型钢筋混凝土部分叠合板试件破坏形态基本一致，试件ZPB1，ZPB2，…，ZPB5在正常使用阶段下的裂缝宽度见表2。其裂缝展开分布形态如图7所示。现以试件ZPB3(简支部分叠合板)、ZPB5(连续跨部分叠合板)为例，分别详细介绍试件裂缝分布情况以及宽度分析。

表2 试件ZPB1，ZPB2，…，ZPB5裂缝宽度Tab.2 Crack width of the test piece ZPB1，ZPB2，…，ZPB5 mm

试件ZPB3的裂缝分布与宽度：荷载从0开始加载，当荷载加载到10.70 kN时，试件板底跨中出现首条裂缝。首条裂缝与板跨中线基本平行，且向板的两侧边延展，距离板跨中线两端距离为70 mm，试件ZPB1，ZPB2，…，ZPB5裂缝展开分布如图7所示，试件ZPB3裂缝分布照片如图8所示。

(a)试件ZPB1 (b)试件ZPB2 (c)试件ZPB3

(d)试件ZPB4

(e)试件ZPB5

图8 试件ZPB3裂缝分布照片Fig.8 Photo of crack distribution of specimen ZPB3

继续加载到12.65 kN，出现两条新裂缝，此两条裂缝位于板跨中线的另一侧，距离中线位置分别为100、260 mm。随后的几级加载，原有裂缝继续延伸发展，新裂缝陆续出现，依次交替着出现在板跨中线两侧，仍以板跨中线为界左右两侧水平方向分布。裂缝宽度增幅较匀速，平均每级荷载增长为0.04 mm。当加载到30.38 kN时，试件呈现向下弯曲形态。当荷载值为32.65 kN时，板底裂缝平面分布左右延伸到最远端，距离板跨中心分别约为750、700 mm，此时试件弯曲现象明显。随后，荷载值继续增加，但板底裂缝平面分布不再延伸，原有裂缝不断滋生分支的细裂缝，并迅速向板侧面方向延伸。加载到34.96 kN时，主裂缝最大宽度已经达到3.2 mm，试件被压坏，停止加载。此时板底裂缝很丰富，主裂缝贯穿板底，且延伸至侧面，主裂缝旁边出现多条细微裂缝。

试件ZPB5的裂缝分布与宽度：试件ZPB5由ZPB5-A、ZPB5-B这2单跨叠合板拼接装配制成，加载过程中分别对ZPB5-A、ZPB5-B两跨的板面及板底进行裂缝观测，并记录裂缝宽度数值。

由图7可见，荷载从0开始缓慢加载，当荷载加载到16.78 kN时，试件ZPB5-A与ZPB5-B连接区的板面首先开裂。开裂裂缝呈两段分布：一段基本与连接区板面中线重合，长度为500 mm；另一段呈弧线状，在板面直线长度为300 mm，弧线两端距离板面中线为80 mm，弧线中点距离板面中线为135 mm。

继续加载到18.84 kN，ZPB5-B板底开始出现裂缝，此裂缝与ZPB5-B板跨中线基本重合，长度为600 mm，且向板的两侧边延展。荷载值为21.8 kN时，ZPB5-A板底开始出现裂缝，此裂缝出现在ZPB5-A板跨中线附近，有一段为300 mm的长度基本与板跨中线重合，随之呈半边“八”字倾斜发展，但并未延伸到板边，距离板边为50 mm处结束，曲线最远端距离板底跨中中线为150 mm。

随着每级加载工作的继续，原有裂缝随之继续延伸发展，新裂缝陆续出现。ZPB5-A、ZPB5-B两跨板底裂缝发展较迅速，依次交替着出现在板跨中线两侧，以板跨中线为中心向左右两侧发展。连接区板面裂缝宽度增长速度较均匀，平均每级荷载增幅为0.05 mm，裂缝较ZPB4板面丰富。加载到31.64 kN时，试件呈现向下弯曲形态。荷载值增加到38.05 kN时，ZPB5-A、ZPB5-B板底裂缝平面分布左右延伸到最远端，ZPB5-A距离板跨中心分别为375、600 mm(靠近连接区一侧)，ZPB5-B距离板跨中心分别为250、775 mm(靠近连接区一侧)，连接区板面已无新裂缝出现，裂缝区域距离板面中线分别为225 mm(连接ZPB5-A端)、325 mm(连接ZPB5-B端)，此时试件弯曲现象明显。

荷载值继续增加，板底裂缝平面分布已不再延伸，原有裂缝不断滋生分支的细裂缝，并迅速向板侧面方向延伸发展。加载到43.49 kN时，板面主裂缝贯穿发展至板侧面，构件跨中的挠度值为100.66 mm，试件被压坏，停止加载。此时ZPB5-A、ZPB5-B板底以及连接叠合区板面裂缝均很丰富，主裂缝贯穿板底，且延伸至侧面，最大裂缝宽度超过3.0 mm，主裂缝旁边出现多条细微裂缝。

2.2 部分叠合板钢筋荷载—应变曲线

依据试件ZPB1,ZPB2,…,ZPB5实验数据结果，得到试件ZPB1,ZPB2,…,ZPB5开裂屈服荷载及极限荷载数值见表3。

表3 试件ZPB1,ZPB2,…,ZPB5开裂屈服荷载及极限荷载数值Tab.3 Cracking yield load and ultimate load value of the test piece ZPB1,ZPB2,…,ZPB5

根据《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)混凝土正截面极限荷载公式计算，可得构件ZPB1、ZPB2、ZPB3、ZPB4弯矩设计值Mu=13.10 kN·m，ZPB5弯矩设计值Mu=16.38 kN·m。试验值与设计值接近1，部分叠合板内力计算数值见表4。

表4 部分叠合板内力计算数值一览表Tab.4 A list of internal force computed values of partial lamination plate

根据实测试件ZPB1,ZPB2,…,ZPB5实验分级加载数值，以及钢筋应变值，分别绘制钢筋荷载-应变曲线，试件ZPB1,ZPB2,…,ZPB5钢筋荷载-应变曲线如图9所示。

(a)单跨钢筋荷载-应变曲线

(b)跨中板底钢筋应变曲线

(c)连接区板面钢筋应变

依据施工阶段无需支撑条件下，叠合式受弯构件内力计算公式(H.0.2-1～H.0.2-3)，以及结构力学知识，分别计算单向部分叠合板在预制和叠合2个阶段的受弯承载力。预制阶段，单向钢筋混凝土部分叠合板构件简支承载，双拼叠合后，连续跨承载，受弯承载力发生了变化，先简支后连续，形成内力重分布现象。

试验结果表明：试件ZPB1,ZPB2,…,ZPB5均出现屈服现象，说明试件叠合效果良好，钢筋混凝土能够共同工作。叠合面整体性良好，预埋孔洞对构件受力性能影响很小，没有剪切破坏现象，与全现浇混凝土结构性能差异很小。

2.3 部分叠合板荷载-挠度曲线

试件的挠度数值，取跨中位移计读数与支座处位移计读数的差值。各处位移计的读数，取平均值进行分析研究。试件ZPB1,ZPB2,…,ZPB5荷载-挠度曲线如图10所示。

试验结果表明：在相同位置叠合，钢筋率相同、内部结构不同的3块简支钢筋混凝土部分叠合板，以及内部结构相同、连接区分布钢筋配筋率不同的2 块连续跨钢筋混凝土部分叠合板，均能正常工作，连接区钢筋连接形式有效，且叠合面整体性良好。加载过程，挠度变化差异不大，稳定增长，试件内部的空心结构对挠度变形无明显影响。

从开裂荷载、屈服荷载以及加载至极限承载力荷载，3个阶段的数值对比分析来看，ZPB1>ZPB2>ZPB3。说明受拉钢筋相同配置，受压区混凝土内部结构从实心变化到空心结构时，其受力变形符合正常规律。ZPB5曲线处于ZPB4上方，说明ZPB5在连接区板面受力钢筋进行加强后，受力性能比ZPB4更强些。

3 结论

① 新型装配式钢筋混凝土部分叠合板受力性能良好。叠合面整体性结合良好，结构受力较稳定，没有剪切破坏。设计的预埋孔洞结构，通过改变空心率，研究构件承受荷载、挠度以及裂缝情况，结果表明，预埋孔洞对构件受力性能影响很小。

② 连续跨双拼叠合板连接区钢筋连接形式合理有效。通过改变叠合区板面受拉钢筋配筋率，对比连续跨双拼叠合板试件承受荷载、挠度以及裂缝情况，钢筋均出现屈服现象。构件连接叠合后，结构整体性能良好，钢筋能正常与混凝土共同工作。

③ 新型装配式钢筋混凝土部分叠合板刚度、挠度、裂缝宽度均满足要求。具有二阶段受力特征，先简支后连续，缓减了全叠合板的跨中应力超前现象，对内力重分布有利，具有在工厂生产本系列产型产品的推广价值。