預(yù)應(yīng)力混凝土空心疊合板結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)研究及影響因素分析-土木工程論文

引言：預(yù)應(yīng)力混凝土空心疊合板由預(yù)應(yīng)力混凝土空心板（作為底板）和現(xiàn)澆混凝土疊合層（后澆層）組成。底板在施工階段承受樓板自重與施工荷載，兼做模板作用；在使用階段與后澆混凝土疊合層形成整體，兼有預(yù)制樓板與現(xiàn)澆板的雙重優(yōu)點(diǎn)。然而，目前空心疊合板及其底板質(zhì)量與結(jié)構(gòu)性能檢驗(yàn)方法尚不完備,空心疊合板破壞性質(zhì)以及影響因素的試驗(yàn)研究較少。特別是隨著人們生活水平提高，對(duì)居室大開(kāi)間及任意開(kāi)間需求的增加，樓板跨度有增大的趨勢(shì)，樓板厚度也要相應(yīng)增加，再加上120mm厚的預(yù)應(yīng)力混凝土空心板結(jié)構(gòu)性能與工程實(shí)踐應(yīng)用相對(duì)成熟，因此，對(duì)以120mm厚預(yù)應(yīng)力混凝土空心板作底板，上面現(xiàn)澆50mm疊合層形成170mm厚預(yù)應(yīng)力混凝土空心疊合板進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)研究具有十分重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。

本文通過(guò)對(duì)4塊170mm厚預(yù)應(yīng)力混凝土空心疊合板和8塊120mm厚預(yù)應(yīng)力混凝土空心底板進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)研究及對(duì)比分析，研究了預(yù)應(yīng)力混凝土空心疊合板的破壞性質(zhì)和主要影響因素，分析驗(yàn)證了疊合板的抗裂承載力與同材料、同幾何尺寸的全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件相比，不會(huì)因?yàn)楝F(xiàn)澆了疊合層而下降。提出了預(yù)應(yīng)力混凝土空心板疊合板在實(shí)際工程應(yīng)用的相關(guān)建議。為裝配整體式疊合樓蓋這一先進(jìn)的技術(shù)盡早地轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力提供更充分的理論和試驗(yàn)依據(jù)。

2  試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 試件的設(shè)計(jì)與制作

參照文獻(xiàn)[1]制作型號(hào)為YKBa3362、YKBa3662、YKBa3961、YKBa4261的預(yù)應(yīng)力混凝土空心板各3塊，其中2塊用于空心板的簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)，1塊作底板用于預(yù)應(yīng)力混凝土空心疊合板簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)。制作疊合板時(shí)，底板做3~4mm深的劃毛處理，澆注疊合層前將底板表面用高壓水沖洗潤(rùn)濕，清除明顯積水。疊合板疊合層厚度為50mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。預(yù)應(yīng)力混凝土空心疊合板試件參數(shù)見(jiàn)表1，截面尺寸如圖1所示。

表1  170mm厚預(yù)應(yīng)力混凝土空心疊合板及底板參數(shù)表

注：①h2－疊合層混凝土厚度（單位：mm）②fcu2－疊合層混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值

圖1  170mm預(yù)應(yīng)力混凝土空心疊合板截面圖

2.2  加載方案

試驗(yàn)采用混凝土試塊按區(qū)格成垛堆放模擬均布荷載加載，垛與垛間隙不宜小于50mm，加載示意圖如2所示。試驗(yàn)前取100塊混凝土試塊測(cè)出單塊平均重量，以試件正常使用短期荷載值及承載力極限荷載設(shè)計(jì)值為基礎(chǔ)，以試件正常使用短期荷載下的撓度、開(kāi)裂荷載值、破壞荷載值為基準(zhǔn)制定加載程序，加載值通過(guò)混凝土試塊的塊數(shù)來(lái)控制。

圖2  簡(jiǎn)支空心底板、疊合板加載示意圖（A.堆載塊，B.百分表）

2.3  量測(cè)內(nèi)容和結(jié)構(gòu)性能檢驗(yàn)內(nèi)容

所有試件一直加載到破壞為止。開(kāi)裂荷載、破壞荷載的大小通過(guò)計(jì)算試件上的堆砌的試塊重量得到。觀察裂縫出現(xiàn)采用放大鏡，觀測(cè)裂縫的寬度采用精度為0.05mm的刻度放大鏡。試件反拱值用拉線法測(cè)量，支座沉降用3cm量程的百分表量測(cè)，跨中撓度用兩塊5cm量程的百分表對(duì)稱布置在試件跨中兩側(cè)量測(cè)。

依據(jù)文獻(xiàn)[2]的規(guī)定分別進(jìn)行承載力檢驗(yàn)、撓度檢驗(yàn)和抗裂檢驗(yàn)。

3  170mm厚預(yù)應(yīng)力混凝土疊合空心板及其底板破壞過(guò)程和破壞形態(tài)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制疊合板（YKDBa）與其底板（YKBa）的荷載-撓度曲線如圖3~圖6所示。從荷載-撓度曲線圖中可以發(fā)現(xiàn)，預(yù)應(yīng)力混凝土空心疊合板及其底板從加載到破壞，工作狀態(tài)經(jīng)歷了三個(gè)階段：彈性工作階段、帶裂縫工作階段和破壞階段。彈性工作階段對(duì)應(yīng)于試件開(kāi)裂前的階段，由于預(yù)壓應(yīng)力的存在，試件的彈性工作階段較長(zhǎng)，荷載-撓度曲線基本呈直線變化。隨著荷載的增加，裂縫首先在跨中彎矩最大處混凝土的受拉區(qū)出現(xiàn)，試件進(jìn)入帶裂縫工作階段。試件開(kāi)裂后鋼筋和混凝土應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)較快，裂縫的數(shù)量隨荷載的增大而增多，但長(zhǎng)度和寬度發(fā)展較慢，試件的撓度則在開(kāi)裂后明顯增大，荷載-撓度曲線有明顯的轉(zhuǎn)折。最后試件進(jìn)入破壞階段，裂縫條數(shù)、寬度和長(zhǎng)度穩(wěn)定增加，直至破壞。疊合板剛度明顯大于其底板。各試件最大撓度、破壞時(shí)裂縫分布情況和破壞特征具體見(jiàn)表3。

4  預(yù)應(yīng)力混凝土空心疊合板結(jié)構(gòu)性能及影響因素分析

4.1  170mm厚預(yù)應(yīng)力混凝土空心疊合板抗裂性及極限承載力檢驗(yàn)結(jié)果分析

將試件的開(kāi)裂荷載、破壞荷載的實(shí)測(cè)值與依照文獻(xiàn)[3]計(jì)算值及相互比值列于表2。從表2中可以發(fā)現(xiàn)，170mm厚預(yù)應(yīng)力混凝土空心疊合板實(shí)測(cè)破壞荷載值與實(shí)際參數(shù)計(jì)算的破壞荷載值的比值平均為1.18，實(shí)測(cè)開(kāi)裂荷載值與按實(shí)際參數(shù)計(jì)算的開(kāi)裂荷載值的比值平均為1.19，說(shuō)明試驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)[3]計(jì)算結(jié)果吻合較好，并有一定的安全系數(shù)。但疊合板同底板一樣，實(shí)測(cè)破壞荷載值與實(shí)測(cè)開(kāi)裂荷載值的平均比值為1.19，試件開(kāi)裂后再加3~4級(jí)荷載就破壞了，延性較差。

4. 2  170mm厚的預(yù)應(yīng)力混凝土空心疊合板破壞性質(zhì)分析

通過(guò)對(duì)試件的裂縫條數(shù)、裂縫寬度、撓度以及撓跨比幾個(gè)方面繪制表3分析170mm厚的預(yù)應(yīng)力混凝土空心疊合板破壞性質(zhì)。

表2     170mm厚預(yù)應(yīng)力混凝土空心疊合板極限承載力及開(kāi)裂荷載對(duì)照表

注：Fk－試件的標(biāo)準(zhǔn)荷載值；Fcrj－試件按實(shí)際參數(shù)計(jì)算的開(kāi)裂荷載值；Fcrs－試件的實(shí)測(cè)開(kāi)裂荷載值；Fuj－試件按實(shí)際參數(shù)計(jì)算的破壞荷載值；Fus－試件的實(shí)測(cè)破壞荷載值。

表3  170mm預(yù)應(yīng)力混凝土空心疊合板破壞性質(zhì)分析表

注：l0、fmax裂縫最大寬度單位均為毫米（mm）

    從表3看出，該類試件破壞標(biāo)志均為跨中縱向受力鋼筋被拉斷而破壞，試件的撓度檢驗(yàn)、抗裂檢驗(yàn)、承載力檢驗(yàn)等各項(xiàng)指標(biāo)均符合要求，該批試件結(jié)構(gòu)性能可以判為合格[4]，可以初步確認(rèn)該類試件可以在工程中應(yīng)用。試件YKDBa3362、YKDBa3662撓跨比在1/200左右，與延性破壞標(biāo)志的撓度值l0/50還有很大的差距，試件裂縫條數(shù)與預(yù)應(yīng)力混凝土空心底板相比下降很多，僅有3條裂縫，裂縫寬度為0.8~0.9mm，與底板差不多。YKDBa3961及YKDBa4261撓度相對(duì)較大，試件YKDBa4261的撓度接近跨度的1/50，但與預(yù)應(yīng)力混凝土空心底板相比，也下降不少。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，疊合板的延性較差，前三塊試件破壞時(shí)脆性性質(zhì)明顯，只有YKDBa4261接近延性破壞。因此，對(duì)于170mm厚預(yù)應(yīng)力混凝土空心疊合板，適用跨度大于4200mm，并宜根據(jù)工程需要提高構(gòu)件的延性。

4.3  170mm厚預(yù)應(yīng)力混凝土空心疊合板破壞性質(zhì)及影響因素分析

影響預(yù)應(yīng)力混凝土空心疊合板延性的主要因素有預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉控制應(yīng)力、鋼筋延性、混凝土強(qiáng)度等級(jí)、構(gòu)件截面幾何特征、跨高比和配筋率等（表4）。一般情況下，疊合板的延性會(huì)隨鋼筋延性的提高而提高，隨預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉控制應(yīng)力的加大而降低，文獻(xiàn)[5]對(duì)鋼筋張拉控制應(yīng)力作了具體的分析，當(dāng)構(gòu)件標(biāo)志長(zhǎng)度≤3.0m時(shí)，取σcon=0.6fptk，當(dāng)構(gòu)件標(biāo)志長(zhǎng)度≥3.3m時(shí)，取σcon=0.7fptk。為實(shí)現(xiàn)延性破壞的目標(biāo)，依據(jù)文獻(xiàn)[5]的計(jì)算方法，試件YKBa4261張拉控制應(yīng)力σcon=0.48fptk。

表4  170mm厚的預(yù)應(yīng)力混凝土空心疊合板破壞性質(zhì)影響因素分析表

本試驗(yàn)4塊疊合板試件的混凝土強(qiáng)度等級(jí)、鋼筋強(qiáng)度類型和鋼筋的張拉控制應(yīng)力都相同，只有跨高比和配筋率發(fā)生變化。由表4可以看出，YKDBa3662和 YKDBa3961的配筋率ρ都為0.44，張拉控制應(yīng)力系數(shù)都為0.7的情況下，跨高比由19.79增加至21.55，試件的撓度提高了52%，裂縫增加3條，裂縫最大寬度也有一定程度的增加。隨著配筋率的提高，試件的撓度在增大。疊合板與底板相比，延性進(jìn)一步降低，主要原因是澆注疊合層后疊合板的跨高比、配筋率進(jìn)一步降低。

4.4  170mm厚預(yù)應(yīng)力混凝土空心疊合板與其底板結(jié)構(gòu)性能對(duì)比分析

表5    170mm預(yù)應(yīng)力混凝土空心疊合板與其底板破壞荷載參數(shù)值對(duì)比分析表

注：表中各符號(hào)的具體含義同表1、2、3，其中左上角標(biāo)志“d”表示是疊合板的相應(yīng)參數(shù)，荷載的單位均為（kN），撓度單位為（mm）。

疊合板與其底板破壞荷載參數(shù)值對(duì)比分析見(jiàn)表5。疊合板開(kāi)裂荷載實(shí)測(cè)值與底板開(kāi)裂荷載實(shí)測(cè)值平均比值為1.79，疊合板極限荷載實(shí)測(cè)值與底板極限荷載實(shí)測(cè)值平均比值為1.78，說(shuō)明通過(guò)在120mm厚預(yù)應(yīng)力混凝土空心底板上澆注50mm厚的混凝土現(xiàn)澆層后形成170mm厚預(yù)應(yīng)力混凝土空心疊合板，試件的抗裂承載力和極限承載力提高了80％左右，提高效果明顯。試件的開(kāi)裂荷載提高幅度略大極限荷載的提高幅度。

通過(guò)計(jì)算分析及由表5及圖3-圖6可知，疊合板跨度小于4.2m時(shí)，底板開(kāi)裂荷載值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于疊合板的施工階段荷載。在澆筑試件的疊合層時(shí)，先將底板兩端簡(jiǎn)支，使疊合板處于二次受力狀態(tài)。所有試件在制作過(guò)程中均未發(fā)現(xiàn)底板開(kāi)裂現(xiàn)象，說(shuō)明跨度小于4.2m時(shí)，此類疊合板施工時(shí)跨中不加支撐是可行的。當(dāng)跨度加大或底板厚度變化時(shí)，疊合板施工時(shí)跨中是否加支撐需驗(yàn)算確定。

5  試驗(yàn)研究結(jié)論

5．1  參照文獻(xiàn)[6]有關(guān)規(guī)定，可以判定構(gòu)件的結(jié)構(gòu)性能檢驗(yàn)合格。說(shuō)明170mm厚預(yù)應(yīng)力混凝土空心疊合板可以應(yīng)用于工程實(shí)踐，120mm厚預(yù)應(yīng)力混凝土空心板作為預(yù)應(yīng)力混凝土空心疊合板的底板是可行的?？紤]到結(jié)構(gòu)和構(gòu)件延性，170mm厚預(yù)應(yīng)力混凝土空心疊合板適用跨度大于4.2m。

5．2  影響預(yù)應(yīng)力混凝土空心疊合板的破壞性質(zhì)的主要因素有預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉控制應(yīng)力、鋼筋延性、混凝土強(qiáng)度等級(jí)、構(gòu)件截面幾何特征、跨高比和配筋率等。疊合板與底板相比，跨高比的降低是導(dǎo)致疊合板延性進(jìn)一步降低的主要因素之一。

5．3  170mm厚預(yù)應(yīng)力混凝土空心疊合板與底板開(kāi)裂荷載比值的提高幅度略大于極限荷載的提高幅度的試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了疊合板不會(huì)因?yàn)楝F(xiàn)澆了疊合層而比同材料，同幾何尺寸的全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的抗裂承載力降低。

6  工程應(yīng)用建議

6．1  當(dāng)跨度小于4.2m時(shí)，此類疊合板施工時(shí)跨中不加支撐是可行的。當(dāng)跨度加大或底板厚度，材料強(qiáng)度等變化時(shí)，疊合板施工跨中是否加支撐需驗(yàn)算確定。

6．2  試件的疊合層與底板結(jié)合良好，試驗(yàn)中未發(fā)生沿疊合面或斜截面剪切破壞現(xiàn)象，所以可以初步確定只要對(duì)疊合板底板做一般的劃毛、高壓水沖洗潤(rùn)濕的方式處理，疊合面的抗剪能力可以滿足要求。

7  結(jié)語(yǔ)

采用預(yù)應(yīng)力空心板作底板的裝配整體式疊合樓蓋，兼有裝配式樓蓋與整體式樓蓋的雙重優(yōu)點(diǎn)，與預(yù)應(yīng)力實(shí)心板作底板的裝配整體式樓蓋相比又可以減輕自重。本文通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了170mm厚空心疊合板結(jié)構(gòu)性能合格，研究了該類試件的破壞性質(zhì)和主要影響因素，提出了該類試件在實(shí)際工程應(yīng)用的相關(guān)建議。為空心板作底板的裝配整體式疊合樓蓋這一先進(jìn)的技術(shù)盡早地轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力提供更充分的理論和試驗(yàn)依據(jù)。