現(xiàn)澆混凝土疊合板受彎性能試驗(yàn)研究

現(xiàn)澆混凝土疊合板受彎性能試驗(yàn)研究

混凝土覆蓋層的預(yù)制部分剛性小，施工方便。因此開(kāi)發(fā)剛度較大的新型疊合預(yù)制底板具有實(shí)際意義。本次試驗(yàn)帶格構(gòu)鋼筋的預(yù)制疊合底板,是利用一根鋼筋上弦桿、兩根鋼筋下弦桿和兩片蛇形鋼筋斜撐組成的具有一定抗彎能力的格構(gòu)鋼筋梁,并在預(yù)制廠中澆筑混凝土而形成的預(yù)制底板(圖1)。預(yù)制底板在施工階段能夠承受后澆混凝土的重量及施工荷載;混凝土凝結(jié)以后,即形成共同受力的疊合樓蓋,而格構(gòu)鋼筋梁就成為樓板的配筋而參與承載受力。在工程中往往還要將兩塊底板在跨度方向或側(cè)邊拼接,在拼縫處采取加強(qiáng)配筋的構(gòu)造措施,以加大跨度或形成雙向受力,擴(kuò)大疊合樓蓋的應(yīng)用范圍。通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比整體板和拼接疊合板的受彎性能,并在非線性數(shù)值分析模擬的基礎(chǔ)上,提出改進(jìn)拼接疊合板的設(shè)計(jì)建議。1試驗(yàn)計(jì)劃1.1測(cè)試方案1整幅22連接板3錨固長(zhǎng)度的確定B-4:預(yù)制板2塊同前,后澆混凝土相同,連接鋼筋改為(fy=391.4MPa),兩側(cè)伸入預(yù)制部分錨固長(zhǎng)度490mm(35d),如圖2a、圖2c所示。1.2單獨(dú)靜力加載試件三分點(diǎn)集中加載,千斤頂-分配梁系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)單調(diào)靜力加載,荷載傳感器控制加載值。位移測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示,試驗(yàn)數(shù)據(jù)全部由計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集、整理,并對(duì)荷載-撓度曲線進(jìn)行全過(guò)程監(jiān)控。2試驗(yàn)總結(jié)2.1錨固鋼筋引起裂縫整澆板B-1﹑B-2為典型的受彎構(gòu)件受力形態(tài)。初加載時(shí)撓度較小且呈線性增長(zhǎng)。10kN時(shí)開(kāi)裂,撓度增長(zhǎng)轉(zhuǎn)快。隨荷載增加,板底出現(xiàn)新的裂縫且長(zhǎng)度﹑寬度逐漸增長(zhǎng)。加載到鋼筋屈服(B-1:38kN;B-2:42kN)時(shí),跨中屈服處1~2條裂縫寬度增長(zhǎng)轉(zhuǎn)快,撓度劇增。最后(B-1:48.5kN、B-2:54kN)鋼筋應(yīng)變達(dá)到0.01,試件撓度接近或超過(guò)跨度的1/50,試件板破壞。破壞后卸載,試件留下了殘余撓度及裂縫(圖4、圖5)。拼接板B-3、B-4在開(kāi)裂前與整澆板一樣,但裂縫均在跨中拼縫兩側(cè)產(chǎn)生,且寬度較大,發(fā)展很快。試件B-3到32kN,試件B-4到36kN時(shí),跨中2條裂縫寬度增長(zhǎng)轉(zhuǎn)快,表明該處錨固鋼筋已開(kāi)始滑移或屈服。試件B-3到34kN,試件B-4到45.5kN時(shí),鋼筋應(yīng)變達(dá)到0.01,跨中拼縫處裂縫寬度達(dá)到或超過(guò)1.5mm而破壞。拼接疊合板由于跨中拼縫處有效高度減小了35mm,截面相對(duì)削弱,且應(yīng)變集中,故裂縫控制性能及承載能力均有降低,往往裂縫寬度較早達(dá)到1.5mm而提前破壞(圖4、圖5)。2.2試驗(yàn)分析的結(jié)論試驗(yàn)分析表明,由于拼縫處截面有效高度減小及受力鋼筋通過(guò)錨固兩次傳力,故抗彎承載力有不同程度的降低。表1為以整澆板的平均值為基準(zhǔn),各試驗(yàn)板承載力的比較。由試驗(yàn)分析可得以下結(jié)論:1)拼接疊合板拼縫處裂縫集中較大,承載能力降低30﹪以上,整體性較差。2)加強(qiáng)配筋后的拼接疊合板受力性能顯著提高,承載力較整澆板降低僅10%左右。3)疊合板破壞原因?yàn)槠唇犹幖械牧芽p寬度達(dá)到1.5mm,從而喪失承載力。4)針對(duì)上述情況,可以通過(guò)增加拼縫處連接鋼筋的配筋量及錨固長(zhǎng)度,或降低配筋位置,提高有效高度等構(gòu)造措施,來(lái)彌補(bǔ)構(gòu)件在該處的局部承載能力的降低。3測(cè)量分析3.1拼接板與整澆板撓度比較各試件的荷載-撓度(F-a)曲線如圖4所示。試件開(kāi)裂前變形均呈線性,撓度很小且差別不大。開(kāi)裂后撓度增長(zhǎng)趨勢(shì)則有明顯差別。表2列出加載到32kN(破壞荷載的2/3,相當(dāng)于使用狀態(tài))時(shí),拼接板與作為基準(zhǔn)的整澆板撓度平均值的比較。由分析比較可以看出:拼接疊合板由于跨中拼縫處剛度被削弱,撓度大幅度增加。而在拼縫處加強(qiáng)配筋以后,撓度減小,已與整澆板基本相當(dāng)。加載到破壞前,由于鋼筋屈服或跨中裂縫過(guò)大,截面轉(zhuǎn)動(dòng)(塑性鉸),故撓度迅速增加。B-1、B-2板為撓度接近或超過(guò)l0/50而破壞;B-3板則為裂縫寬度超過(guò)1.5mm而破壞,B-4板為裂縫寬度達(dá)到1.5mm而破壞,但為典型的延性破壞。破壞后卸載,撓度及裂縫寬度均有恢復(fù),但都留存了相當(dāng)大的殘余值(圖4、圖5)。3.2跨中撓度計(jì)算方法對(duì)撓曲變形的影響在試件跨中及1/4跨度處布置位移計(jì),量測(cè)各級(jí)荷載下的變形曲線(圖6)。表3為使用狀態(tài)(32kN)及接近破壞時(shí),跨中撓度與1/4跨度處撓度的比值(a′/a),其反映了試件撓曲的形狀。當(dāng)數(shù)值較大時(shí)撓度曲線豐滿;數(shù)值為0.5時(shí),已退化為二折線狀態(tài)。由表3可見(jiàn),拼接板的比值已接近0.5,即彎曲變形的曲率集中在跨中拼縫處,已接近塑性鉸狀態(tài);而拼縫加強(qiáng)后,則基本與整澆板相當(dāng)。3.3區(qū)域界面裂縫整澆板、拼接板以及加強(qiáng)拼接板的裂縫狀態(tài)如圖7所示。所有的試件均在8~10kN時(shí)開(kāi)裂,并隨荷載增大裂縫寬度增加。但整澆板裂縫較細(xì)且分布均勻。而拼接板均首先在拼縫處預(yù)制板邊出現(xiàn)垂直裂縫,且裂縫向上延伸,寬度迅速加大,最后寬度達(dá)到或超過(guò)1.5mm而破壞。拼縫外預(yù)制底板范圍內(nèi)的裂縫數(shù)量相對(duì)較少,且較細(xì)。B-3板最為明顯,拼縫加強(qiáng)以后的B-4板,裂縫狀態(tài)有所改善。由于疊合面經(jīng)粗糙處理且有格構(gòu)鋼筋穿越,預(yù)制底板與后澆混凝土之間的咬合比較充分,整體性很好,直至破壞均未發(fā)現(xiàn)界面裂縫。這說(shuō)明預(yù)制板疊合面做法及格構(gòu)鋼筋保證了疊合面有足夠的抗剪能力,故疊合結(jié)構(gòu)有很好的整體性。4拼接板受彎性能測(cè)定結(jié)果試驗(yàn)中只通過(guò)增加拼縫處連接鋼筋配筋量及錨固長(zhǎng)度的措施來(lái)提高拼接板的承載力,并未考慮拼縫處截面有效高度對(duì)拼接板承載力的影響。下面通過(guò)理論分析來(lái)探討拼縫處截面有效高度對(duì)拼接板承載力的影響程度。由于拼縫是拼接板的薄弱部位,因此在計(jì)算拼接板受彎承載力時(shí),可以按拼縫處配筋(圖2c)的實(shí)際位置來(lái)計(jì)算其受彎承載力?，F(xiàn)分別以拼接板、加強(qiáng)拼接板拼縫處截面有效高度ho為基準(zhǔn),將基準(zhǔn)有效高度分別提高20,35mm,根據(jù)鋼筋混凝土的實(shí)測(cè)強(qiáng)度,分別計(jì)算3種情況下的受彎承載力,并與基準(zhǔn)值比較。計(jì)算結(jié)果如表4所示。由分析計(jì)算可看出:拼縫處截面有效高度是影響拼接板受彎承載力的重要因素。如能通過(guò)構(gòu)造措施(圖8)增加拼縫處截面的有效高度,則提高拼接板的承載力是有潛力的。5數(shù)值模擬為了進(jìn)一步分析拼接疊合板的受力性能,采用了大型有限元分析程序ANSYS對(duì)各試驗(yàn)板進(jìn)行了比較分析。5.1土單元節(jié)點(diǎn)的連接與約束采用Solid65單元模擬混凝土,Link8模擬鋼筋,整澆板采用整體式模型,即將鋼筋彌散于整個(gè)Solid65單元中,將加筋混凝土視為連續(xù)均勻材料,求出的是一個(gè)統(tǒng)一的剛度矩陣,這種方法對(duì)于鋼筋混凝土中均勻分布的鋼筋設(shè)置比較適合。疊合板中的格構(gòu)梁上弦鋼筋,下弦鋼筋,斜向鋼筋,拼縫處連接鋼筋采用分離式模型(圖9),混凝土單元與鋼筋單元通過(guò)共同的節(jié)點(diǎn)連接,即不考慮鋼筋與混凝土之間的滑移,其余鋼筋采用整體式模型。材料:C40混凝土E=3.3×1010Pa,ν=0.2,ft=1.71MPa,fc=19.1MPa,裂縫張開(kāi)傳遞系數(shù)0.5,裂縫閉合傳遞系數(shù)0.95,開(kāi)裂軟化參數(shù)1,關(guān)閉壓碎開(kāi)關(guān)。鋼筋Es=2.0×1011Pa,ν=0.3?；炷敛捎肎B50010—2002《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的曲線關(guān)系,為多線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型;縱筋的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系按雙線型隨動(dòng)強(qiáng)化模型定義。約束條件:在板兩端底邊施加約束,左側(cè)約束所有平動(dòng)位移,右側(cè)僅約束z向位移,未模擬簡(jiǎn)支約束(圖10)。荷載施加:豎向荷載(考慮重力荷載的影響)采用力的方式。分析表明,直接施加豎向集中荷載時(shí),混凝土單元節(jié)點(diǎn)容易在整個(gè)構(gòu)件破壞前先破壞(應(yīng)力集中),而使計(jì)算中斷。豎向集中荷載按模型三分點(diǎn)所在位置局部單元面節(jié)點(diǎn)數(shù)平均后直接施加在單元節(jié)點(diǎn)上,即作為均布荷載施加,然后再加載。采用牛頓-拉普森迭代方法,線性搜索(LineSearch)on,激活,自適應(yīng)下降,增強(qiáng)收斂性,這樣處理后程序運(yùn)行較好(圖10)。5.2拼接疊合板撓度各試件的極限承載力、跨中撓度分析結(jié)果見(jiàn)表5。從表5看出,應(yīng)用ANSYS軟件進(jìn)行仿真計(jì)算的結(jié)果與試驗(yàn)值比較接近,拼接疊合板撓度試驗(yàn)值與計(jì)算值誤差12.7%,其余的均小于12%,基本吻合。由于混凝土在開(kāi)裂后,與錨固鋼筋之間會(huì)產(chǎn)生相對(duì)滑移,模型中并未考慮這種影響,導(dǎo)致開(kāi)裂后計(jì)算值有較大誤差。在以后的分析中將考慮鋼筋-混凝土粘結(jié)鍵的影響,可使計(jì)算結(jié)果更加精確。6試驗(yàn)結(jié)果分析1)疊合板在拼接處采取配筋構(gòu)造措施以后,能夠保證通過(guò)拼縫有效地傳遞內(nèi)力(彎矩和剪力等)。進(jìn)一步加強(qiáng)拼縫處的配筋、錨固措施或改變鋼筋位置提高有效高度,則還可以提高拼縫板的承載能力,使其接近整澆板的抗力。2)拼縫處截面有效高度是影響拼接板受彎承載力的重要因素,可以通過(guò)適當(dāng)?shù)臉?gòu)造措施提高拼縫處截面的有效高度,提高拼接板的承載能力,改善其裂縫狀態(tài)。3)試驗(yàn)的疊合板均未出現(xiàn)沿疊合面的水平裂縫及剪切破壞,說(shuō)明按規(guī)范要求的疊合面做法及格構(gòu)鋼筋可以保證疊合構(gòu)件有足夠的整體性能。4)疊合板與整澆板比較,如采用適當(dāng)?shù)钠唇哟胧?受彎承載力僅降低10%左右。如采取更強(qiáng)的措施,還可能有提高的潛力。5)拼接板破壞前拼縫處裂縫寬度較大,撓度有較大增長(zhǎng)。這是由于預(yù)制底板中格構(gòu)筋的存在提高了其剛度,故應(yīng)變向拼縫處集中的緣故。6)依靠拼縫傳力,疊合板可以按雙向板受力。在設(shè)計(jì)中還可將拼縫設(shè)置在受力較小部位,則撓度和裂縫還可以大幅度減小,工程應(yīng)用前景巨大。7)疊合板具有節(jié)省模板、方便施工、縮短工期、環(huán)保節(jié)材以及經(jīng)濟(jì)方面的優(yōu)勢(shì),是一種值得在實(shí)際工程中推廣應(yīng)用