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预制带肋薄板混凝土叠合板件受力性能试验研究

2020-04-11 来源:乌哈旅游
第33卷第4期 2011年8月 土木建筑与环境工程 Journal of Civil.Architectural&Environmental Engineering Vo1.33 NO.4 Aug.20ll 预制带肋薄板混凝土叠合板件受力性能试验研究 吴方伯 ,黄海林 。,陈 伟 ,周绪红 (1.湖南大学土木工程学院,长沙410082;2.兰州大学土木工程与力学学院,兰州730000; 3.湖南高岭建设集团股份有限公司,长沙410153) 摘 要:为便于工业化生产及现场拼装,对预制薄板(预制预应力混凝土矩形肋薄板)进行规格设 计。进行2种不同跨度的4块预制薄板的静载试验,重点研究预制薄板的极限承载力、刚度及抗裂 性能,结果表明:预制薄板满足施工阶段承载力要求,可作为无支撑体系模板。进行2块单跨叠合 板件和l块两跨连续叠合板件的静载试验,重点研究叠合板件的整体受力性能、叠合面的抗剪性能 以及连续叠合板件在支座处的弯矩调幅值,结果表明:叠合板件可按整浇板的计算方法进行承载力 计算,连续叠合板件受力性能与现浇板相似。进行混凝土叠合板件两阶段受力截面应变分析,建议 取底板厚度作为预制薄板考虑二次受力影响的计算高度。 关键词:组合结构;预制混凝土;预应力混凝土;叠合板;矩形肋薄板;肋上开孔 中图分类号:TU375.2;TU378.5 文献标志码:A 文章编号:1674 4764(2011)04—0007—06 Experimental Analysis on the M echanical Properties of Concrete Composite Slabs with Precast Prestressed Rectangular Rib Panels WU Fang-bo ,HUANG Hai-lin ,CHEN Wei ,ZHOU Xu-hong ' (1.College of Civil Engineering,Hunan University,Changsha 410082,P.R.China; 2.School of Civil Engineering and Mechanics,I anzhou University,Lanzhou 730000,P.R.China; 3.Hunan Gaolin Construction Group Stock I imited Company,Changsha 410153,P.R.China) Abstract:For the convenience of industrialized production and site operation,specification design of PPCRP (precast prestressed concrete ribbed panels)is discussed.In order to obtain ultimate bearing capacity, bending rigidity and crack resistance,four PPCRP with two types of spans are studied,and the results show that PPCRP can satisfy the requirements of bearing capacity in construction phase and can serve as stay—in place formwork.To verify the mechanical property,shear behavior on contact interface of composite member and moment redistribution factor of continuous composite member,two single—span composite members and one two—span continuous composite member are studied.It is indicated that computational method for bearing capacity of composite member can be the same as cast—in—situ concrete slab.Besides, section strain analysis for composite member in two loading is conducted,which suggests that thickness of bottom board can be used as calculated height with the consideration of two—loading. Key words:composite structures;precast concrete;prestressed concrete;composite slabs;ribbed panels; preformed holes in the rib 预应力混凝土实心平板为不带肋预制板件,在 运输及施工中易折断,预应力反拱度难以控制,施工 过程中需设置支撑、施工工艺复杂。现行国家标准 《叠合板用预应力混凝土底板》GB/T 16727—2007、 收稿日期:2010—12 O7 基金项目:国家自然科学基金项目(50978090);湖南省研究生科研创新项目(CX2010B143) 作者简介:吴方伯(1959),男,教授,博士生导师,主要从事组合结构研究及新型结构体系开发,(E—mail)wfbprof@ 163.com。 8 土木建筑与环境工程 第33卷 国家建筑标准设计图集《预应力混凝土叠合板》 06SG439中叠合板的预制部分均为平板,施工时需 设置支撑,不宜双向配筋,自重大,降低了这种结构 的经济效果,影响了其推广使用。为此,近年来中国 学者在预制实心平板的基础上,针对预制板件的结 构形式作了大量的创新研究,主要有:预制键槽形混 凝土芯板[1]、预制单矩形肋部分叠合混凝土底板[ 、 预制双矩形肋混凝土底板l3]、预制单T形肋混凝土 底板l4]、预制双T肋混凝土底板l5]、预制夹心混凝土 底板 】、预制空腹混凝土底板[7]、自承式钢筋桁架混 凝土底板 、预制波形底板[9]。同时期国外的研究 主要集中于新型材料在叠合板中的应用及不同材料 的组合,如:纤维增强复合材料7昆凝土叠合板[ ]、纤 维增强水泥混凝土叠合板[1 、活性粉末混凝土叠合 板 J、复合砂浆钢丝网混凝土叠合板f1。]、钢纤维混 凝土叠合板 、轻骨料混凝土叠合板【 ]、压型钢板一 混凝土叠合板 、橡胶集料混凝土叠合板 、木一混 凝土叠合板[1副及竹一混凝土叠合板[ ]。 中国学者将预制混凝土实心平板改进为带肋的 薄板,提高了薄板的刚度和承载力,增加了薄板与叠 合层的粘结力,且可将底板变得更薄,减轻自重。但 由于只能单向配筋,垂直于底板板长方向的抗裂性 仍然不好,且荷载采用单向板传力模式,计算模型仍 不合理。为此,文献E2o]提出以预制预应力混凝土 矩形肋薄板(以下简称预制薄板)为永久模板(图 1),在板肋预留矩形孔洞中布设横向穿孔钢筋及在 底板拼缝处布置折线形抗裂钢筋,再浇注混凝土叠 合层形成预制带肋薄板混凝土叠合板(图2)。为了 解这种新型楼板的受力性能,对预制薄板进行规格 设计,从中选取典型跨度进行叠合板件及其连续叠 合板件的试验研究。 肋端 图1预制薄板 横 孔 图2预制带肋薄板混凝土叠合板 1预制薄板规格设计 为便于工业化生产和现场拼装,将预制薄板作 为产业化的产品,进行标准化、定型化,采用1种截 面、2种标志宽度、13种标志跨度。截面形式如图3 所示,2种标志宽度为400 mm与500 mm,预制薄板 几何参数如表1和表2所示。预制薄板混凝土设计 强度不宜小于C50,底板高强预应力钢丝受拉截面 中心距板底17.5 mm,预应力张拉控制系数可取 0.5、0.55、0.60及0.63,矩形肋内普通钢筋截面重 心距上边缘20 mm,钢筋配置情况及力学性能见表 3。预制薄板底板厚度为30 mm,肋端缺口长度为 40 mm l 堡查至 』I ‘———————————————————————————————————]r 图3截面形式 表1 400 mm宽预制薄板几何参数 /ram 长度2 400 2 700 3 ooo 3 300 3 600 3 9oo 4 2oo 4 500 4 800 5 lOO 5 400 5 7oo 6 ooo 长度2 400 2 700 3 ooo 3 300 3 600 3 900 4 200 4 500 4 800 5 1oo 5 400 5 7oo 6 ooo 肋高55 55 5 5 55 55 65 65 75 75 85 85 959,5 肋宽lOO 1oo lOO lOO 12o 1 20 130 14o 14o 14o 1 50 150 150 总厚1lo 1lO 11o 11o 12o 12o 13o 13o 14o 14o 1 50 15o 2预制薄板试验 2.1板件制作及加载方案 1)板件制作:为了研究预制薄板的极限承载力、 10 土木建筑与环境工程 第33卷 3)刚度分析:开裂之前,荷载一挠度曲线近似为 直线,说明刚度几乎不变。挠度实测值比按《混凝土 结构设计规范》公式B 一0.85E 。计算的结果小很 多,构件实际刚度大于0.85E J。接近于E。J。。 3叠合板件试验 3.1 叠合板件制作及加载方案 1)为了研究叠合板件的整体受力性能、叠合面 的抗剪性能以及连续叠合板件在支座处的弯矩调幅 值,对2块单跨叠合板件和1块两跨连续叠合板件 进行静载试验研究,板件设计分别如图9、图1O所 示。预制薄板受力主筋采用6 5,f 一704 MPa,混 凝土采用C50混凝土,后浇混凝土采用C20,连续叠 合板件支座配筋3夺8。板件实际几何参数及材料基 本参数见表6。板件两端简支,采用粘土砖进行均 布加载,单跨叠合板件以及两跨连续叠合板件挠度、 应变测点分别如图11、图12所示。 E三三三江 卜’ — 平【臼『 。 +  I3  I3 赢 3-3剖面图 图9单跨叠合板件设计图 ! ! 一 』_L.一_J量 500} 4—4剖面 图lO 两跨连续叠合板件设计图 图11 单跨叠合板件挠度、应变测点布置 自分表 左跨 应变片9,1o 右跨 玎分表 (D 应变片1,2 q) 应变片5,6 = —i A 应变片3,4 B 11,12应变片7,8 c 图12 两跨连续叠合板件挠度、应变测点布置 表6板件实际几何参数及材料基本参数 『主释:表中支座负筋的屈服强度为250MPa。 3.2试验结果与分析 1)刚度与承载力分析:试验测得的荷载一挠度曲 线如图13所示,加载前期为弹性变形,挠度呈线性 增长,DHB一1与DHB一2荷载一挠度曲线差别不 大,DHB一3左跨与右跨荷载一挠度曲线基本重合。 根据荷载一应变曲线(图14),连续叠合板件在荷载为 12.6 kN/m 时开裂,而单跨叠合板件在荷载为9.1 kN/m 时就开裂了,开裂前挠度均小于3 mm。2块 单跨叠合板件均在15级荷载,即10.5 kN/m 时出现 可见裂缝,裂缝位于跨中截面附近,从预制部分向叠 合面延伸。单跨叠合板件直到破坏,未出现沿叠合面 的水平裂缝,表明叠合面粘结完好,自然粗糙叠合面 完全满足抗剪要求,极限承载力为16.8 kN/m 。两 跨连续叠合板件在荷载为14.0 kN/m 时出现可见裂 缝,极限荷载为20.3 kN/m。,板加载至破坏,未出现 沿叠合面的剪切破坏,表明自然粗糙叠合面具有足 够的抗剪能力,能保证叠合板两部分混凝土共同工 作。单跨叠合板件的荷载一挠度曲线同预应力构件 类似,较好的反映了叠合板件刚度大和延性好的特 点。对于连续叠合板件,支座截面开裂对跨中挠度 的影响很小,跨中截面开裂后,挠曲线出现一个并不 明显的转折,随着荷载继续加大,支座裂缝宽度逐渐 增大,挠度曲线才有所偏转。 2O 16 一 12 主 枨 4 0 0 10 20 30 4f) 50 60 70 挠度/arm 图13叠合板荷载-挠度曲线 第4期 吴方伯,等:预制带肋薄板混凝土叠合板件受力性能试验研究 ~ l1 2()0 350 0 2o0 3o0 250 -400 600 200 800 150 1000 l2o0 l00 l400 5O 16 ) 0 2 o 2 4 6 8 l0 12 l4 50 2 0 2 4 6 8 l0 12 14 荷载/(kN・t31。) 衙载/(kN・rll ) (a) (b) 200 250 0 200 200 l50 400 600 100 800 50 l000 O 1200 2 o 2 4 6 8 1o 12 14 一2 O 2 4 6 8 10 12 l4 衙载/(kN・Ilrl一 荷载/(kN・Ill (c) (d) 800 700 600 500 400 300 2o0 100 0 -2 0 2 4 6 8 l01214 6 1O0 2 O 2 4 6 8 衙载/(kN・m ) 荷载/(kN (e) (f 荷载/(kN・m。) 衙载/(kN・m 1 (g) (b) I400 12()0 l()oO 800 600 { 400 200 0 200 衙载/(kN・in。) 荷载/(kN-m ) (i) (j) 图14各截面荷载一应变曲线 2)截面应变分析:跨中截面的应变基本满足平 截面假定,但是中性轴在一定的范围变动,在开裂前 的低应力状态,拉区、压区的应变较小,基本对称而 压应变稍大,这是由于拉区受到预应力钢丝的约束 作用。根据图14,在13.87 kN/m。荷载作用下,单 跨叠合板件DHB一1、DHB一2跨中截面上边缘测点压 应变分别在1 100 £、1 500 £左右,受压区混凝土 没有被压坏,跨中截面下边缘测点拉应变较小,分别 在300 E、200 £左右。在15.33 kN/m 荷载作用 下,连续叠合板件DHB一3左跨、DHB一3右跨跨中截 面上边缘测点压应变在1 800 £、1 300 £左右,受 一一一一 一 压区混凝土没有被压坏,跨中截面下边缘测点拉应 O 0 O O 0 ㈣泐㈣姗伽O O O O 变较小,分别在700 £、1 200/z ̄左右。可见,连续叠 合板件跨中截面上、下边缘荷载一应变变化情况与单 跨叠合板件相似。 3)抗裂分析:受拉区预压应力使叠合板件的抗 裂性能大大提高。由图13可知,单跨叠合板件开裂 荷载接近承载力设计值,可以认为叠合板在标准荷 载作用下是不开裂的。试验中连续叠合板件在外荷 载作用下,裂缝首先在支座处产生,说明控制支座裂 缝是连续叠合板件抗裂的关键,故应该控制支座的 调幅值,建议支座调幅值取25 ,其目的是为了更 好的控制支座裂缝宽度。叠合板件跨中开裂后,裂 2mⅧ,  4 缝即向后浇层延伸,整个试验过程中,叠合面未出现 6 水平裂缝,说明预制薄板叠合面的粘结和咬合力大。 4)塑性内力重分布规律:当支座与跨中均未出 现裂缝时,连续叠合板件处于按弹性工作状态。当 支座出现裂缝而跨中尚未出现裂缝时,支座因开裂 而刚度下降,因而使支座弯矩增速减慢,跨中弯矩增 速加快;但当跨中出现裂缝,而支座钢筋未达到屈服 时,跨中刚度下降,弯矩增速减慢,使支座弯矩增速 又加快;当支座钢筋达到屈服形成塑性铰时,支座弯 矩基本稳定,弯矩向跨中转移,使跨中弯矩增速加 快,直至跨中钢筋达到流限。试验表明连续叠合板 件塑性内力重分布规律和现浇连续板类似,都是有 裂缝产生而引起的,板随裂缝发展及塑性铰的产生 不断调整各部位的内力。 4叠合板件截面应变分析 叠合板件为2阶段受力,第l阶段是浇注叠合 层混凝土的施工阶段,荷载由预制薄板承担;第2阶 段是叠合层混凝土强度达到设计值之后,荷载由叠 合板件承担。预制薄板在第1阶段荷载作用下和叠 合板件在第2阶段荷载作用下的正截面平均应变均 符合平截面假定,正截面受力也存在“预应力钢筋应 力超前”和“受压混凝土应变滞后”现象。但与一般 叠合板件不同的是,预制薄板采取倒“T”形截面形 式,叠合板件上表面仅比预制薄板矩形肋高出 25 mm,在预制薄板制造完毕后由于预应力大小的 不同,矩形肋上部存在拉应力,在第1阶段弯矩M 作用下预制薄板会出现全截面受压或底板受拉两种 情况,分别见图15、图16,在第2阶段弯矩Mz作用 于全截面时矩形肋大部分或全部会位于截面的受压 区,由于M 和M 各自作用的截面高度不同,导致 M1产生的部分受压区与 产生的部分受拉区重 叠,重叠区的拉压应变及相应的拉压应力相互抵消, 土木建筑与环境工程 第33卷 在第1阶段重叠部分的压应力即为荷载预压力,这 一过程称为叠合截面的内力转移,图15和图16反 映了2种情况下叠合板件2阶段受力截面应变变化 的整个过程。 +—斗+_-+ P El 2 8p+EI- ̄S2 (a) 【l1) (d) e) 图15截面应变分布(I) s0+gi+82 fe1 图16截面应变分布{Ⅱ) 注:a)为预制薄板在预应力N 。作用下,b)为预制薄板 为在第1阶段弯矩M 的单独作用下,c)为第1阶段荷载作 用下应力叠加,d)为叠合截面在第2阶段弯矩增量 M 的作 用下,e)为在第2阶段叠合截面的总应变分布。 对于采用预制实心平板的二次叠合式受弯板 件,二次受力的影响与h /h。(预制实心平板与叠合 后高度之比)、M /[g ]([M1]为预制实心平板的计 算破坏荷载除以强度设计安全因素K)有关,在M / [M ]一定的情况下,叠合截面高度之比h /h。越小, 内力转移系数 越大。与普通预应力混凝土叠合板 不同的是,由于预制薄板带肋,板肋部分伸入后浇层 混凝土,叠合面不是水平面,叠合截面的高度仅高出 矩形肋25 mlTl,矩形肋的截面宽度仅为预制薄板底 板宽度500 ITIITl或400 mm的1/4~1/3,叠合前计 算高度值h 应介于30 lTIm或预制薄板截面总高度 两者之间,因此二次受力对这种叠合板受力的影响 较厚度相等的实心平板叠合板要弱。该文建议取底 板厚度30 FlIn-I作为考虑二次受力影响的预制薄板 计算高度h ,但预制薄板的施工阶段承载力验算仍 按实际截面高度进行。 5 结语 1)采用高强混凝土及施加预应力,预制薄板能 满足施工阶段承载力要求,可作为无支撑体系模板; 叠合板有较好的刚度、裂缝控制能力和承载力。 2)根据试验结果,可按整浇板的计算方法进行 叠合板的承载力计算;连续叠合板件整体受力性能 与现浇板相似,建议按25 进行支座弯矩调幅,以 及在支座处配筋考虑连续板受力,以减小挠度,提高 板件的抗裂能力和承载力。 3)预制薄板带肋,增加了预制薄板与叠合层的 粘结力;肋内设矩形孑L洞,提高了预制薄板与叠合层 的咬合力;试验中没有出现沿叠合面的裂缝和滑移 现象,表明采取自然粗糙面的叠合面具有足够的抗 剪能力,能保证叠合板两部分混凝土共同工作。 4)2次受力对这种新型叠合板受力的影响较厚 度相等的实心平板叠合板要弱,建议取底板厚度作 为预制薄板考虑2次受力影响的计算高度,预制薄 板施工阶段承载力验算按实际截面高度进行。 参考文献: [1]姜忻良,岳建伟.陶粒叠合层叠合板的承载能力研究 [J].四川大学学报:工程科学版,2006,38(6):6 l2. 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