静力荷载下双向预应力空心板受力性能试验*

程火焰，丁 浩，屈 锋，黄 志

(湖南科技大学土木工程学院，湖南 湘潭 411201)

0 引言

随着我国大力推进装配式建筑，双向预应力空心板在大跨度建筑[1]或高层建筑[2]中的应用越来越广泛。国内众多学者对预应力板展开研究，吴方伯等[3-6]发现简支双向板的整体性、承载力、抗剪性相比现浇板均得到提高，并推导简支双向板的刚度、极限承载力计算公式，发现叠合空心板与现浇整体板的破坏形式相似。王晓东等[7-8]总结柱支承和四边支承条件下，双向板中无粘结预应力增量和截面弯矩的计算公式。徐天爽等[9]对叠合板拼缝处的构造形式提出优化方案，并提出最佳锚固长度、搭接长度、弯折角度、后浇层厚度的设计方法。宋永发等[10]通过试验发现无粘结双向板的刚度与结构形式、荷载、支座条件、配筋率等因素有关，且可通过短期刚度计算最大挠度。王庆华等[11]发现在施工荷载下，长跨双向板的跨中挠度会超过规范限值，施工时需增设支撑。预应力楼盖中预应力筋大部分采用有粘结筋，而目前对无粘结双向预应力空心板的研究较少。

本文通过静力试验，对无粘结预应力混凝土双向空心板正常荷载和破坏荷载下的受弯性能、受力过程中的变形性能、破坏形态和裂缝形式进行研究。

1 UPH预应力空心板梁结构体系模型

UPH预应力预制空心板如图1所示。试验采用混凝土框架结构，如图2所示。该结构体系包括5块3 300mm长、150mm厚的预应力空心楼板，其中2块边板宽600mm，1块中间板宽600mm，2块中间板宽550mm；4根截面尺寸为200mm×200mm、高1 000mm的柱；2跨150mm×300mm的矩形纵梁，2跨L形横梁。将5块板按纵向依次搭接到横梁上，对齐预留洞后后张处理成3 300mm×2 900mm的整板，再在整板上布置钢筋网并浇筑混凝土。

图1 UPH预应力预制空心板模型

图2 结构体系布置

板的纵向有粘结预应力筋按结构标准图集03SG435—1进行布置，为直径5mm、抗拉强度标准值为800N/mm2的低合金冷拔钢丝，截面总配筋面积为490.75mm2，张拉控制应力为480N/mm2。由原预制空心板中纵向有粘结配筋率根据正常使用极限状态下的承载力要求，以裂缝等级为二级(不出现裂缝)时的配筋要求确定最终配筋总面积，经计算可得无粘结预应力筋的钢筋面积为192.64mm2，设计后张无粘结预应力筋按φ5@300配置。板横向预留直径10mm的后张孔洞，孔洞上部距底板30mm，孔洞间距为300mm，板横向无粘结预应力筋为直径5mm、抗拉强度标准值为1 570N/mm2的消除应力低松弛螺旋肋钢丝，截面配筋总面积为 196.34mm2，张拉控制应力为863.5N/mm2。预应力放张验算只考虑2个预应力损失σl=σl1+σl4，验算要求为空心板张拉截面不出现裂缝。板截面参数、预应力筋参数及预应力放张验算参数分别如表1～3所示。

表1 板截面参数

表2 预应力筋参数 N·mm-2

表3 预应力放张验算参数

梁正截面配筋取受弯构件最小配筋率，纵梁跨中正截面配筋取2φ12，实际配筋面积为226mm2；横梁选用L形梁，横梁跨中正截面配筋取2φ12+翼缘处φ12，实际配筋面积为339mm2；箍筋均选用双肢φ6@200。钢筋保护层厚度为30mm。

柱单侧截面配筋取2φ12，实际配筋面积为226mm2，箍筋选用φ6@200。钢筋保护层厚度为30mm。

本试验有2种节点，为保证梁板体系整体性，纵横方向上的支座均承担荷载，将各预应力筋预留部分用扎丝锚固在对应梁钢筋笼上，并在板纵横方向布置φ8@200的钢筋，扎成钢筋网，端头做80mm弯钩伸入梁内，梁板节点现浇以防出现脆性破坏。各构件及节点配筋如图3所示，试验材料及性能如表4，5所示。

2 UPH预应力空心板梁结构体系加载及测量

图3 结构配筋

2.1 试验荷载加载方案

按GB/T 50152—2012《混凝土结构试验方法标准》，通过静力加载试验，检验预制构件结构性能，通过控制水位实现分级均布加载。

表4 混凝土配合比

表5 材料性能指标

正常荷载阶段下，活荷载标准值为2.0kN/m2，荷载设计值为5.968kN/m2，取试验荷载为6kN/m2。破坏阶段从8kN/m2开始施加荷载，当出现裂缝后卸载。加载过程如表6所示。

表6 荷载施加方案

2.2 试验测量方案

本试验分2个过程，只对混凝土进行应力应变测试，共设置11个测点。在挠度测点的垂直方向贴电阻应变片和应变补偿片，加载过程中，应力应变值通过静态应变仪测得。楼板裂缝使用裂缝放大镜进行观察，并用裂缝宽度检验卡测量裂缝宽度。各测点布置如图4所示。

图4 构件板底测点布置

3 试验现象

1)弹性阶段 荷载加载至6kN/m2前，此阶段挠度变化与荷载呈线性关系，板底部分板与板拼缝处出现细微裂缝，裂缝沿拼缝分布，处于弹性工作状态。

2)弹塑性阶段 从8kN/m2开始加载，此阶段挠度和应变随荷载增加而增加，但不成比例。

3)塑性阶段 荷载加至10kN/m2，挠度及应变明显增大，板开裂，跨中首先出现0.53mm宽的裂缝，开裂荷载定为10kN/m2。荷载加到14kN/m2时，进入塑性变形阶段，变形随荷载加大呈非线性增大，构件进入带裂缝工作阶段，最大裂缝宽0.83mm，极限荷载为14kN/m2。

4)破坏阶段 荷载加至16kN/m2，保持荷载不变，挠度继续增加，裂缝沿45°方向发展，此时最大裂缝宽度为1.32mm。继续加大荷载，当荷载达到21kN/m2时，板块绕屈服线转动，板被破坏，破坏荷载定为21kN/m2，板裂缝分布及宽度如图5所示。

图5 构件板底裂缝分布及宽度

4 UPH预应力空心板梁结构体系试验结果分析

试验部分数据如表7所示，图中①，②分别表示正常荷载和破坏荷载条件下，支座或跨中均布荷载、弯矩、剪力计算值，其中横向为有粘结预应力筋受力截面，纵向为无粘结预应力筋受力截面。计算按双向板考虑。

表7 试验结果

4.1 挠度分析

取测点5，7，8，10，本试验梁板荷载-挠度曲线如图6a，6b所示，梁板铰接[12-13]的荷载-挠度曲线如图6c，6d所示。由图6a，6c可知，板在正常荷载阶段，荷载-挠度大致成线性变化，说明其处于弹性受力状态。对比测点10与测点5可知，在同样的荷载情况下，板的2个方向上挠度相似，说明板在这2个方向上的抗弯刚度接近，即UPH预应力预制空心板在弹性阶段属于双向受弯构件。板跨中测点7出现最大挠度变形，挠度值为0.985mm，为计算跨度的0.034%，变形远小于GB 50010—2010对混凝土构件在短期荷载作用下的挠度允许值，说明双向预应力筋增强板整体性。

由图6b，6d可知,破坏阶段挠度不再与荷载呈线性关系，且随荷载增大，非线性越明显。这是由于荷载足够大后板底开裂，板底受拉区的混凝土因开裂失去抗拉作用，原混凝土承担的拉力转移到钢筋上，板底刚度随之降低，挠度随之增加，板受力状态从弹性阶段向弹塑性阶段过渡。斜对角出现裂缝，且裂缝发展至完全破坏，此阶段曲线出现较大波折，挠度突然增大，此时板斜对角出现大量裂缝，板基本上被破坏。

图6 荷载-挠度曲线

4.2 裂缝分析

正常荷载阶段中(荷载<6kN/m2)，板中心与支座皆未出现受力裂缝，证明UPH预应力预制板具有良好的承载力。试验楼板拼缝处出现细微裂缝，这是由于拼缝处应力间接传递，截面刚度较弱，易形成应力集中，从而导致混凝土发生受拉破坏。同时可以看出UPH预应力预制板由于横向预应力筋拉结，楼板体现良好的整体性，且楼板整体上呈良好的抗裂性能。

破坏荷载阶段中(荷载>8kN/m2)，当荷载加至10kN/m2时，板底跨中出现平行于有粘结预应力筋方向的细微裂缝，并随荷载增加，裂缝宽度扩大到0.53mm。预制空心板间的拼缝有效保证剪力传递，因此在横向受力方面，该结构体系表现出共同受力的整体性能。继续加大荷载，板正中间的板带出现裂缝，且裂缝平行于后张无粘结预应力筋方向。这是由于荷载在无粘结后张预应力筋方向为短跨，其方向板底混凝土预压应力较大，导致在荷载相同的情况下板底混凝土拉应力大于长跨方向，当荷载进一步增加时，该方向裂缝不断增多、宽度不断加大，原有裂缝继续发展，且沿对角线方向出现斜向裂缝，最终板整体被破坏。裂缝分布和破坏形态具有典型的塑性铰线特征。

4.3 应变分析

取测点7进行分析，该测点正常荷载和破坏荷载横向、纵向应变曲线如图7所示。

图7 应力-应变曲线

由图7可知，在正常或破坏荷载下，楼板在横向和纵向上的应力、应变变化形式基本相同，说明楼板双向整体受力，同时表明楼板具有较好的整体性。其次，在相同荷载下，先张有粘结预应力配筋方向(纵向)应变相对较小，证明先张有粘结预应力配筋方向的受力性能比后张无粘结配筋方向受力性能强。这是由于后张预应力方向存在拼缝，该方向刚度有所削弱，其次后张预应力方向的保护层厚度比先张预应力钢筋方向小，对后张预应力方向刚度削弱较多。板受力呈正交构造异性板的特征。

5 结语

1)通过静力加载试验，可知施加横向预应力可提高预应力板的整体性，楼板表现出良好的承载力与抗裂性能，且该结构体系在超出正常承载力情况下，各项力学指标均达到使用和规范要求，楼板呈整体双向受力。

2)UPH预应力预制空心板受力呈双向异性板特征。