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無(wú)桁架鋼筋疊合樓板面外抗彎性能研究

孟鶴飛馮波王琦朱禹熹[摘

要]:目前裝配式建筑中樓板常用鋼筋桁架疊合板,即在預(yù)制疊合板底板中加入桁架鋼筋以提高截面的剛度和承載力,防止疊合板在生產(chǎn)和施工過(guò)程中開(kāi)裂,同時(shí)提高新舊混凝土的結(jié)合能力,保證現(xiàn)澆層和預(yù)制層共同作用。但是,桁架鋼筋增加了樓板的含鋼量,從而增加了建造成本。對(duì)于跨度不大的疊合板,結(jié)合面受力較小,且可通過(guò)優(yōu)化吊點(diǎn)等措施防止樓板開(kāi)裂,因此該類(lèi)疊合樓板具備取消桁架鋼筋的可能性。經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn),取消桁架鋼筋可能對(duì)疊合樓板面外抗彎性能造成影響,為此,文章對(duì)無(wú)桁架鋼筋疊合樓板的面外抗彎性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究和理論計(jì)算,試驗(yàn)和理論計(jì)算結(jié)果均表明,對(duì)于板跨小于3m的疊合樓板取消桁架鋼筋對(duì)其面外抗彎性能影響不大。[Key]:疊合樓板;接縫面;抗剪承載力;面外抗彎性能TU317+.2A目前裝配式建筑中樓板普遍采用鋼筋桁架疊合樓板,該樓板在工廠生產(chǎn)樓板下部底板,底板厚度通常為60mm,現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)現(xiàn)澆樓板上部,通過(guò)現(xiàn)澆層和預(yù)制底板共同工作,抵抗外荷載。疊合樓板底板生產(chǎn)時(shí),通常需要樓板內(nèi)增設(shè)桁架鋼筋,其主要目的有2個(gè),一是通過(guò)鋼筋桁架與底板的組合作用,增大截面慣性矩,從而提高預(yù)制底板的面外剛度和強(qiáng)度,防止預(yù)制底板在堆放、運(yùn)輸和安裝等過(guò)程中開(kāi)裂,二是提高新舊混凝土的結(jié)合,保證現(xiàn)澆層和預(yù)制底板的共同工作[1]。根據(jù)JGJ1-2014《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第6.6.7的要求[2],鋼筋桁架距離板邊不應(yīng)大于300mm,間距不宜大于600mm,且桁架鋼筋弦桿鋼筋直徑不宜小于8mm,腹桿鋼筋直徑不應(yīng)小于4mm。按照上述規(guī)定,預(yù)制疊合樓板底板的桁架鋼筋含量在50kg/m3左右(該數(shù)據(jù)通過(guò)統(tǒng)計(jì)某新建裝配式住宅項(xiàng)目疊合樓板桁架鋼筋含量得到),從而提高了疊合樓板底板的生產(chǎn)成本。對(duì)于板跨不大的疊合樓板,在起吊、運(yùn)輸和安裝階段承受荷載較小,并且還可以通過(guò)優(yōu)化吊點(diǎn)等措施,使樓板受力更加均勻,進(jìn)一步提高樓板的抗裂能力,因此取消桁架鋼筋造成疊合樓板底板在生產(chǎn)、運(yùn)輸和安裝等階段開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)并不大。并且,由于板跨不大,樓板承受的剪力較小,因此接縫面的剪應(yīng)力也較小,疊合樓板的預(yù)制層和現(xiàn)澆層在沒(méi)有桁架鋼筋的情況下也可共同工作。T/SSACE007-2020《居住建筑疊合板標(biāo)準(zhǔn)底板圖集》和CD2019-PC001-TY《住宅鋼筋混凝土疊合板標(biāo)準(zhǔn)底板》中,對(duì)于板跨不超過(guò)3m的樓板均給出了不設(shè)置桁架鋼筋的做法。由此可見(jiàn),對(duì)于板跨不大于3m的疊合樓板取消桁架鋼筋具有一定的可行性。1疊合樓板受力分析鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中,樓板的作用主要有2個(gè),一是承受面外荷載,二是在水平力作用下,利用樓板平面剛度大的特點(diǎn),協(xié)調(diào)各豎向構(gòu)件的變形。疊合樓板與現(xiàn)澆樓板的主要差異在于疊合樓板中存在新舊混凝土的接縫面。在承受面外荷載時(shí),將沿新舊混凝土接縫面產(chǎn)生剪應(yīng)力,如圖1所示,由剪應(yīng)力互等定理可知,該剪應(yīng)力大小與樓板橫截面上的剪應(yīng)力相等。若在剪應(yīng)力的作用下產(chǎn)生沿接縫面的水平裂縫,現(xiàn)澆層和預(yù)制層將不能共同工作,按照材料力學(xué)的計(jì)算方法,開(kāi)裂前樓板的截面慣性矩為112bh3,式中b為樓板的寬度,h為樓板的厚度,開(kāi)裂后樓板的截面慣性矩僅為112bh31+112bh32,若假定疊合層和現(xiàn)澆層厚度相同,則開(kāi)裂后樓板的截面慣性矩僅為開(kāi)裂前的1/4,由此可見(jiàn)疊合樓板發(fā)生沿接縫面的開(kāi)裂將造成其平面外剛度和強(qiáng)度的大幅降低。對(duì)樓板的第二個(gè)作用,當(dāng)疊合樓板沿接縫面發(fā)生開(kāi)裂,樓板在平面內(nèi)的剛度并不會(huì)發(fā)生太大變化,因此仍然能夠起到協(xié)調(diào)各豎向構(gòu)件變形的作用。從上述分析可以看出,在結(jié)構(gòu)服役階段,疊合樓板在取消桁架鋼筋后,由于接縫面抗剪承載力的降低,可能造成的影響僅為面外承載力和剛度的降低,而對(duì)平面內(nèi)樓板性能的影響并不大。為此,本文開(kāi)展了面外抗彎性能的研究,研究分為2個(gè)部分,分別為理論計(jì)算和試驗(yàn)研究。2疊合面抗剪承載力計(jì)算從上述分析可以看出,對(duì)于無(wú)桁架鋼筋疊合樓板,新舊混凝土結(jié)合面抗剪承載力不足將造成無(wú)桁架鋼筋疊合樓板抗彎強(qiáng)度和剛度大幅降低。換言之,保證了接縫面抗剪承載力即可保證樓板的抗彎剛度和承載力,為此在對(duì)無(wú)桁架鋼筋疊合樓板抗彎性能的研究中,首先開(kāi)展了接縫面抗剪承載力的計(jì)算?,F(xiàn)有研究結(jié)果表明[3-7],影響新舊混凝土接縫面抗剪強(qiáng)度的因素主要有接縫面粗糙程度、法向壓力、接縫面界面處理方式等,但新舊混凝土接縫面抗剪承載力離散型較大,還并未形成統(tǒng)一的計(jì)算理論。本文對(duì)新舊混凝土接縫面抗剪承載力的計(jì)算依據(jù)GB50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]H.0.4的相關(guān)規(guī)定,其計(jì)算公式:Vbh0≤0.4(MPa)(1)式中:V為剪力設(shè)計(jì)值,b為截面寬度,h0為截面有效高度。對(duì)于居住建筑,樓板的活荷載[9]為2kN/m2,樓板的恒載主要與樓板厚度,樓面做法等有關(guān)系,為使計(jì)算結(jié)果具有一定代表性,根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),接縫面抗剪承載力計(jì)算時(shí)板面的恒荷載取5kN/m2,樓面荷載設(shè)計(jì)值為1.2×5+1.4×2=8.8kN/m2。樓板的邊界條件考慮為兩邊簡(jiǎn)支兩邊自由,此邊界條件較實(shí)際工程中樓板的邊界條件更加不利,由此計(jì)算得到的剪力值偏大。本文主要以跨度不大于3m的疊合樓板為研究對(duì)象,為此計(jì)算時(shí)樓板跨度取3m,并取寬度為1m的板帶作為典型單元進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖2所示。根據(jù)圖2計(jì)算得到的剪力設(shè)計(jì)值為13.2kN。疊合樓板通常的做法是疊合層厚度60mm,現(xiàn)澆層厚度70mm,本文中取現(xiàn)澆層厚度為60mm,同樣為偏不利條件?;谝陨霞俣ǎ捎?jì)算得到疊合面的平均剪應(yīng)力為:τ=Vbh0=13.2×10001000×100=0.13≤0.4MPa由此可見(jiàn)跨度小于3m的疊合樓板,在取消桁架鋼筋后,疊合面抗剪承載力可滿足工程需要,從而也就保證了樓板平面外的抗彎剛度和強(qiáng)度不會(huì)發(fā)生明顯降低。4無(wú)桁架鋼筋疊合樓板抗彎性能試驗(yàn)為了進(jìn)一步驗(yàn)證無(wú)桁架鋼筋疊合樓板的抗彎性能,本文針對(duì)無(wú)桁架鋼筋疊合樓板、有桁架鋼筋疊合樓板以及現(xiàn)澆樓板進(jìn)行了抗彎性能試驗(yàn)。3.1試件本次試驗(yàn)試件一共3個(gè),分別編號(hào)為SJ1,SJ2和SJ3,尺寸為2.82x1.82m(尺寸及配筋取自某新建裝配式住宅項(xiàng)目)。其中SJ1和SJ2為疊合樓板,混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30,配筋情況如圖3所示。SJ1為有桁架鋼筋的樓板,SJ2為無(wú)桁架筋的樓板,上述2個(gè)試件生產(chǎn)時(shí)首先生產(chǎn)下部高度為60mm的底板層,待達(dá)到脫模起吊要求后澆筑60mm上部疊合層。SJ1和SJ2的配筋情況基本一致,主要差別在于SJ1在底板預(yù)制時(shí)根據(jù)GJ1-2014《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》J的相關(guān)要求設(shè)置了桁架鋼筋。SJ3為全現(xiàn)澆樓板,即一次澆筑120mm,其配筋情況與SJ2完全相同。3個(gè)試件的詳圖如圖3所示。3個(gè)試件養(yǎng)護(hù)條件基本相同,混凝土配合比如表1所示。3.2邊界條件及加載程序本次試驗(yàn)邊界條件為兩邊簡(jiǎn)支,支座間距2600mm,需要說(shuō)明的是該邊界條件與實(shí)際工程中的邊界條件有一定差異,但試驗(yàn)邊界條件較工程中的邊界條件更加嚴(yán)格,在此邊界條件下樓板內(nèi)力更大,且可以通過(guò)最大彎矩值等效的方式推算在其他邊界條件下的荷載值。加載采用堆載的方式分級(jí)加載,堆載材料選用鋼材,鋼材單塊重量為78.6kg。為了避免用于加載的鋼材塊約束構(gòu)件變形,鋼材平行于支座擺放,每層鋼材塊的堆放均從跨中對(duì)稱(chēng)向支座擺放。在構(gòu)件開(kāi)裂前,單次堆載重量不超過(guò)0.5t,構(gòu)件開(kāi)裂后單次堆載不超過(guò)0.1t,直到構(gòu)件破壞。堆載時(shí),將堆載鋼材均勻、緩慢放置于板面上方,盡可能避免加載時(shí)產(chǎn)生沖擊荷載。試驗(yàn)裝置及加載方式如圖4所示。3.3試驗(yàn)現(xiàn)象對(duì)于有桁架鋼筋疊合樓板試件SJ1,在加載初期構(gòu)件基本無(wú)明顯變形,當(dāng)加載到48kN(均布荷載為10.1kN/m2)時(shí)構(gòu)件跨中底部出現(xiàn)基本垂直于樓板長(zhǎng)邊的裂縫,該裂縫為彎曲裂縫,且貫通構(gòu)件底面。構(gòu)件開(kāi)裂后剛度有所降低,跨中撓度增大速度明顯加快。此時(shí)水平接縫面處粘結(jié)良好,并未出現(xiàn)開(kāi)裂滑移等現(xiàn)象,如圖5所示。鑒于構(gòu)件在不利邊界條件下,開(kāi)裂荷載已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求的1.94倍(設(shè)計(jì)外荷載1.2×2+1.4×2=5.2kN/m2),遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)要求,且由于堆載高度較高,考慮加載安全,故停止加載。圖6為試件SJ1在開(kāi)裂荷載下的堆載情況。對(duì)于無(wú)桁架鋼筋疊合樓板試件SJ2,其試驗(yàn)現(xiàn)象與試件SJ1基本相似。開(kāi)裂前,試件整體剛度較大,試件撓度較小。當(dāng)加載到56.6kN(均布荷載為11.9kN/m2)時(shí),試件跨中底部開(kāi)裂且貫通試件底面,裂縫垂直于構(gòu)件長(zhǎng)邊,表現(xiàn)為彎曲形裂縫。構(gòu)件開(kāi)裂后整個(gè)構(gòu)件剛度降低,撓度增長(zhǎng)速度明顯加快,此時(shí)水平接縫面粘結(jié)良好,無(wú)開(kāi)裂、滑移現(xiàn)象,如圖7所示。鑒于在不利邊界條件下,試件所承受的荷載已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)外荷載(設(shè)計(jì)外荷載1.2×2+1.4×2=5.2kN/m2)的2.29倍,且考慮試驗(yàn)加載安全方面的問(wèn)題,故停止加載。圖8為試件SJ2在開(kāi)裂荷載下的堆載情況。對(duì)于整體澆筑的樓板試件SJ3,在加載前期,面外剛度較大,整體變形較小,當(dāng)加載到46.4kN(均布荷載為9.8kN/m2)時(shí)構(gòu)件開(kāi)裂,裂縫形式同樣為垂直于樓板長(zhǎng)邊的彎曲形裂縫,如圖9所示。試件開(kāi)裂后構(gòu)件剛度降低,撓度增長(zhǎng)速度明顯提高。試件開(kāi)裂時(shí),構(gòu)件的荷載達(dá)到設(shè)計(jì)外荷載的1.88倍,同樣遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)外荷載值,故結(jié)束加載。圖10為試件SJ3在開(kāi)裂荷載下的堆載情況。3.4試驗(yàn)小結(jié)表2為試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出,無(wú)桁架鋼筋疊合樓板和桁架鋼筋疊合樓板,當(dāng)跨度不超過(guò)3m,在設(shè)計(jì)荷載作用下,構(gòu)件均不會(huì)發(fā)生沿接縫面發(fā)生開(kāi)裂或者滑移,與理論計(jì)算結(jié)果一致,從而可以充分保證樓板預(yù)制層和現(xiàn)澆層的共同工作。將試件SJ2與試件SJ1對(duì)比可知,去除鋼筋桁架后,疊合樓板的剛度和強(qiáng)度并不會(huì)發(fā)生明顯降低,且樓板具有較高的安全儲(chǔ)備。對(duì)比試件SJ2和SJ3可知,無(wú)桁架鋼筋疊合樓板的剛度和承載力與整體澆筑的樓板并無(wú)太大差別,設(shè)計(jì)時(shí)參照整體現(xiàn)澆板設(shè)計(jì)即可。4結(jié)論本文針對(duì)跨度在3m以內(nèi)的無(wú)桁架鋼筋疊合樓板開(kāi)展了研究。通過(guò)分析桁架鋼筋在疊合樓板中的作用,發(fā)現(xiàn)取消桁架鋼筋僅可能對(duì)樓板平面外抗彎性能產(chǎn)生影響,為此本文主要圍繞無(wú)桁架鋼筋疊合樓板的面外抗彎性能開(kāi)展研究,通過(guò)試驗(yàn)和理論計(jì)算可得出結(jié)論:(1)理論計(jì)算和試驗(yàn)研究均表明,對(duì)于跨度在3m以內(nèi)的無(wú)桁架鋼筋疊合樓板,預(yù)制底板和現(xiàn)澆層結(jié)合良好,不會(huì)沿接縫面開(kāi)裂或滑移,預(yù)制層和現(xiàn)澆層可共同工作。(2)去除鋼筋桁架后,疊合樓板平面外的承載力和剛度與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)基本相同,完全可參照整體現(xiàn)澆樓板設(shè)計(jì)。Reference[1]馬祥林.桁架鋼筋混凝土疊合板的受力性能研究[D].南京:東南大學(xué),2017.[2]裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程:JGJ1-2014[S].中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2014.[3]淡浩,吳體,肖承波,等.預(yù)制混凝土構(gòu)件結(jié)合面抗剪性能試驗(yàn)及分析[J].建筑科學(xué),2020,36(3):100-104.[4]張曉光,陳澤赳,劉星,等.新舊混凝土結(jié)合面抗剪性能現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究[J].結(jié)構(gòu)工程師,2010(6):70-75.[5]王振領(lǐng),林擁軍,錢(qián)永久.新老混凝土結(jié)合面抗剪性能試驗(yàn)研究[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),2005,40(5):600-604.[6]劉杰,陳娟娟.新老混凝土界面抗剪強(qiáng)度研究現(xiàn)狀綜述[J].混凝土,2015(1):62-67.[7]胡忠君,李家祥,王傲,等.不同法向壓力條件下新舊混凝土粘結(jié)面抗剪性能試驗(yàn)研究[J].

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