新型预制拼缝楼板受弯性能试验研究*
时间：2023-01-16 10:20:07 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
邓旭华， 廖桢颖， 赵思琪， 赵鑫益， 陈 俊
(1.湘潭大学 土木工程与力学学院，湖南 湘潭 411105；
2.筑友智造建设科技集团有限公司，湖南 长沙 410153)
在大跨度结构中，叠合楼板的质量取决于拼缝处的受力条件，如果拼缝能保证高质量地完成，板与板之间的力能有效传递，就能让叠合楼板达到等同现浇的效果.我国规范[1-2]对叠合板板侧拼缝有一定的构造要求，但对其大跨度叠合板的运用以及力学分析较少.因此，研究叠合板的拼缝构造在大跨度结构中的受力性能具有一定的工程意义.
近年来，国内外学者[3]对叠合板拼缝的受弯性能进行了一些试验研究和理论分析.徐天爽等[4]完成了增强型整体式拼缝叠合板的受弯性能试验，结果表明叠合板拼缝处产生应力集中现象，受弯承载力相对于整浇板降低了15%.叶献国等[5-6]研究叠合板拼缝受力影响，试验结构表明桁架钢筋和格构钢筋的设置能防止拼缝处发生脆性断裂破坏.刘运林等[7]基于对整体式拼缝叠合板力学性能的研究，设计了一种新型的限位器，并通过对6个试件的受弯试验，验证了采用增强型整体式拼缝连接形式，可以提高叠合板的刚度和承载力，实现双向板受力状态.廖智强等[8-9]为研究大跨度双向板的受力状态，进行了不同拼缝构造的非预应力方向的受弯试验并进行了有限元模型验证，结果表明预应力叠合板拼缝钢筋采用斜交叉伸出的构造措施，增强了叠合板拼缝处的整体性，提高其刚度与承载力.何庆峰等[10-11]采用马凳筋替代桁架钢筋，通过对分离式和整体式拼缝形式的受弯性能试验，发现马凳筋可以限制试件裂缝宽度的发展，但在拼缝受力的过程中会造成混凝土强度降低，导致拼缝处极限承载力出现下降.贾非等[12]进行了轻骨料混凝土叠合板二次受力的试验研究，结果表明叠合板具有较大的强度储备，变形满足正常使用要求.Roberts等[13]对采用纤维增强的叠合板与采用焊接钢丝网增强的叠合板进行试验，结果表明，二次增强筋的类型对叠合板的强度、破坏形态、裂缝的产生与发展及荷载-挠度影响不大.余永涛[14]等进行了不同拼缝方式以及叠合面采用不同形式的叠合板静力加载试验，分析出拼缝叠合板的传力机理，并给出双向叠合板的设计建议.
本文在此背景下，为进一步研究预制底板的受力筋伸出预制板并斜向上伸入叠合层，并在拼缝位置布置拼缝钢筋于预制底板顶部，构造出一种新型拼缝形式的叠合板的力学性能.通过改变拼缝处构造参数以及不同厚度的叠合板试验来验证该新型拼缝叠合板的可行性.以预制层为70 mm的新型拼缝叠合板为例，研究拼缝处主要参数对叠合板受弯承载力的影响程度.
本试验研究了5种采用新型拼缝构造的预制混凝土叠合板和1块无拼缝现浇板的受弯性能.通过斜交叉伸出预制底板的钢筋，并在预制板的拼缝位置紧贴预制板顶配置附加钢筋，构造了一种新型拼缝形式.主要考虑叠合楼板厚度、纵向钢筋配筋以及附加钢筋配筋对叠合板受弯性能的影响.试件在筑友智造有限公司工厂制作与加工.
1.1 试验设计
拼缝楼板的设计尺寸和预制底板配筋如图1所示.
图1 试件配筋图Fig.1 Reinforcement diagram of test piece
XJB170为厚度为170 mm的整浇板，DB130与DB-60是预制层为60 mm，叠合层为70 mm及110 mm厚的叠合板.DB-70是预制层为70 mm，叠合层为100 mm厚的叠合板.DB-70P是拼缝处叠合层的拼缝钢筋减少至0.7倍钢筋锚固长度规范值[15]，锚固长度一般取35倍钢筋直径.DB-70W是拼缝处预制层的弯起钢筋，采用隔一布一布置方式.表1给出试件的主要参数.试件所用钢筋为HRB400，其力学性能指标如表2所示，混凝土力学性能指标如表3所示.
表1 试件设计参数
表2 钢筋力学性能
表3 混凝土力学性能
1.2 加载装置与加载方案
本次试验的加载装置由可拆卸式反力门架、200 kN电液伺服作动器、分配梁和加载梁组成，其中加载梁位于分配梁和试件之间，为试验装置的一部分.采用两线集中静力加载，板的净宽为4 500 mm，纯弯段为1 400 mm，如图2所示.本次试验的加载方案依据GB/T50152-2012《混凝土结构试验方法标准》的有关规定进行加载，首先进行预加载，以1 kN/min的速率加载至3 kN，然后卸载为0.5 kN，往复循环3次.然后进行正式加载，具体加载过程如表4所示.每一级加载结束后静载1～2 min，以便观察实验现象.
图2 试验装置布置图Fig.2 Layout of test device
表4 正式加载阶段的加载制度
试件加载过程中，加载试验系统自动采集数据并绘制荷载-挠度曲线，当试件挠度超过L/50或者荷载加至极限荷载的85%以下停止加载.
1.3 量测方案
为便于对测点准确定位，记录裂缝的产生与发展过程，首先对各试件进行刷白和分区.
本试验采用DH3816N静态测试仪进行采集.主要测量内容如下：(1)在支座处、1/4处，以及板中布置位移计(图2(a))，测得各处相对底座的绝对位移，用于计算板跨中相对支座的挠度；
(2)试件开裂后采用北京智博联裂缝宽度观测仪测量板侧受拉纵筋处的裂缝宽度；
(3)为了解预制底板受力筋和附加钢筋拼缝处的受力变化，在钢筋的拼缝位置设置钢筋应变片，测量其应变变化情况，如图3所示.
图3 钢筋应变布置位置Fig.3 Arrangement position of reinforcement strain
本节描述了各个试件在单调静力加载过程中的受力情况，通过对比现浇板和拼缝板的裂缝发展与破坏形态、荷载-挠度曲线、挠度-应变曲线等，分析出试件的承载性能、变形性能，以及裂缝的发展规律.
2.1 裂缝发展与破坏形态
在试件加载过程中，各试件拼缝板的第一条裂缝出现在拼缝处的叠合层上；
随着荷载的增加，裂缝逐渐出现与发展，当位移加载至14 mm时，叠合板拼缝处开始出现横向裂缝，当试件屈服时，除了DB-70W出现拼缝处叠合面的撕裂，其余各板均未出现撕裂破坏.
由图4和图5可知，XJB170和DB-70、DB-60裂缝发展较多，且裂缝发展均匀，其挠度均超过了L/50.DB130、DB-70P与DB-70W裂缝发展较少，开裂后裂缝快速发展，且裂缝分布相对集中.DB-70P是叠合板缩短附加钢筋的锚固长度后的受力状态，可以明显发现叠合板拼缝处产生的裂缝较多，叠合层裂缝先横向后斜向发展，可能是由于附加钢筋锚固长度过短，导致拼缝处应力集中，传力性能较差.DB-70W是预制层采用隔夸布置弯起钢筋的叠合板，可以明显发现拼缝处预制层出现斜向裂缝，说明应力的传递较弱，试件屈服后拼缝处出现了叠合面撕裂的现象，容易出现脆性破坏.
图4 各试件的拼缝破坏Fig.4 Joint failure of each test piece
图5 各试件板侧裂缝分布Fig.5 Distribution of cracks on the plate side of each specimen
2.2 荷载-挠度曲线
采用新型拼缝构造的叠合板的荷载-挠度曲线呈三折线形式，如图6所示。
图6 叠合板荷载-挠度曲线Fig.6 Load deflection curve of laminated plate
随着板的挠度增加，叠合板主要表现为：弹性阶段、弹塑性阶段，以及破坏阶段，如图7所示，其中C为板的开裂状态、Y为板的屈服状态、U为板的极限状态.各块板在开裂前，曲线斜率较大，试件整体刚度越大；
开裂后，试件刚度降低，曲线斜率减小；
在钢筋屈服后，挠度发展很快，曲线斜率进一步减小，试件进入破坏阶段.各板厚相同试件的开裂与屈服荷载大致相同，但极限挠度相差较大.
图7 受力特征荷载-挠度曲线Fig.7 Characteristic load-deflection curve
表5为各个试件的开裂、屈服、极限,以及对应的挠度值，对于超过L/50挠度的叠合板，取L/50作为极限点.从试验现象可知，带拼缝叠合板的破坏形态与现浇板相似，说明采用斜交叉伸出的构造措施能较好地将两侧的预制板结合在一起，有效抑制叠合板拼缝处的裂缝发展，但是叠合板DB-70与试件DB-60在刚度、屈服承载力，以及极限强度方面均低于无拼缝的现浇板XJB170，故仍需进一步改进此种拼缝构造.
表5 各拼缝板特征点荷载与挠度值
通过对比DB-70与DB-60可以看出预制层的减少对叠合板的屈服强度有一定影响，但对其延性与极限强度影响不大.拼缝处钢筋采用隔一布一的分布方式的叠合板DB-70W，以及缩短拼缝钢筋长度的叠合板DB-70P在延性方面远低于叠合板DB-70，说明弯起钢筋采取隔一布一的分布形式以及拼缝钢筋锚固长度主要影响叠合板的极限承载能力和延性.
2.3 钢筋应变
通过叠合板挠度-应变曲线对比可知，如图8所示，各试件拼缝附加钢筋应变变化几乎相同，弹性阶段应变发展较慢，试件屈服后附加钢筋应变突然增大，预制层弯起钢筋应变几乎达到突变拐点值，然后应变持续增长，说明新型拼缝传力有效.
在试件开裂前，拼缝处附加钢筋主要受力，叠合板开裂至附加钢筋屈服前，预制层和叠合层钢筋共同受力，附加钢筋屈服后，拼缝处产生横向裂缝，叠合层受力减少，呈现出底板应变增长趋势减缓的现象，说明弯起钢筋在预制底板和叠合层混凝土中起到了一定的销栓作用.即弯起钢筋抗剪以约束新旧混凝土的脱离，从而限制结合面的撕裂.
通过对1块现浇板和5块不同构造的新型拼缝叠合板的受弯性能试验，进行了拼缝处附加钢筋配筋率、锚固长度和叠合层厚度等参数对新型拼缝叠合板受弯承载力的影响研究，得出结果如下：
(1)各试件破坏形态都属于弯曲破坏，其屈服荷载以及极限荷载与现浇板接近，说明此类拼缝构造可以提高叠合板的整体性能.
(2)减少拼缝处配筋率的叠合板裂缝发展较快，裂缝分布相对集中，其承载力与延性均低于相同尺寸的叠合板.其中DB-70W弯起钢筋采取隔一布一的布置方式导致叠合板受力不均，拼缝处出现叠合面的撕裂.说明减少拼缝处配筋率的方式对叠合板的受力性能影响较大，应考虑其他方法对叠合板含钢率进行调整.
(3)叠合板叠合层厚度的增加能明显地提高叠合板的受力性能，但在实际工程中，叠合层厚度的增加意味着经济成本的增加，以及装配率的减少，故要从多方面考虑选择合理的叠合层厚度.
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