叠合式双向板钢筋受力性能的试验分析与研究

2014-12-16沈小璞

安徽建筑大学学报 2014年3期

吴松，沈小璞

（安徽建筑大学土木工程学院，安徽合肥 230022）

0 引言

二十一世纪以来，我国的经济发展突飞猛进，进一步加大了对房屋住宅的建造需求。现场浇筑的构件具有抗震性能好、结构整体性好的优点，但是对模板的用量特别大，而且施工周期很长，使生产很难实现工业化，严重阻碍和影响了住宅建设的发展，根本不能满足现阶段人们对住房的需求。预制构件倒是能够实现建筑构件的工业化，构件的制作不受季节和气候的限制，也可以提高构件的质量，并且施工的速度很快，可以节省大量的模板和支撑，但是整体性比较差、不利于抗震、抗渗性差。怎样才能合二为一？应对于这种要求，应运而生的就出现了叠合结构，其中叠合板结构就是属于其中的一种，叠合板兼有传统现浇板和预制板的优点，分为预制、现浇二部分组合而成，预制部分在预制构件加工厂完成，施工时吊装就位，现浇部分则是在预制板面上完成，预制板既作为永久模板而无需木模板，又作为楼板的一部分共同承担使用荷载［1］。叠合结构的出现使模板的用量大大减少，但是随着科技的腾飞，房屋的建造如雨后春笋，这样一来，钢筋用量又面临着一个新的挑战。怎样才能合理的使用钢筋、节省钢筋用量？本文一方面通过叠合板与现浇板的对比，得出此类叠合板类似于现浇双向板，另一方面，也验证了此种叠合板的配筋是合理的，满足规范要求的。

1 试验研究概况

针对三组双向板在均布荷载下的验证性实验，即普通全现浇双向板B－1作为对照，B－3、B－4为两拼叠合式双向板（B－2板由于没有捕捉到与现浇板对应的钢筋应变，所以没有采用），采用两块厚6cm的预制板拼接后现浇而成，所有板均为足尺板，其尺寸是考虑到实际应用需要来确定的。

1．1 试验尺寸形状

1．2 试件材料性能

预制板混凝土性能参数见附表，现浇板的制作采用商品混凝土，混凝土强度等级为C25，所使用钢筋均为HRB400钢筋，混凝土的性能参数和钢筋性能参数见表1和表2所示。

表1 混凝土性能参数

表2 钢筋性能参数

1．3 加载制度

试验板四周简支于实验台座上，试件加载荷载采用重10Kg的铸铁块，钢筋应变数据采集采用泰斯特静态数据采集仪。加载方案:B－1、B－3、B－4第一级和第二级每级加载2．02kN／m2，第三极和第四级每级加载1．01kN／m2，以后每级加载0．673kN／m2，第十二级开始使用每袋重20kg的沙袋，平铺于铁块上，每级仍为0．673kN／m2，直至破坏［4］。

1．4 钢筋的应力——应变曲线

图1 钢筋应力——应变曲线

钢筋的应力——应变曲线如图1所示，钢筋单调加载的应力——应变本构关系按下列公式确定［2］:

式中，Es——钢筋的弹性模量；

σs—— 钢筋应力；

εs—— 钢筋应变；

fy，r—— 钢筋的屈服强度代表值，其值可根据实际结构分析需要分别取fst、fyk或fym；

fst，r——钢筋的屈服强度代表值，其值可根据实际结构分析需要分别取fst、fstk或fstm；

εy—— 与fy，r相应的钢筋屈服应变，可取fy，r／Es；

εuy——钢筋硬化起点应变；

εu—— 与fst，r相应的钢筋峰值应变；

κ——钢筋硬化段斜率，即

2 钢筋应变片布置

钢筋应变片的布置根据所做试验构件（即全现浇双向板和叠合式双向板），以及板上作用荷载的对称性来考虑的。同时，考虑到在板底可能出现裂缝的位置（如双向板塑性铰线）也布置了钢筋应变片，本文中选取的测点为跨中、离跨中稍远的点来对比分析（因为这些点的应变数据正好是应变片能够捕捉到的），具体板中的钢筋应变片布置详见如下图2～图4所示。

图2 现浇板（B－1）应变片布置图

图3 叠合板（B－3）应变片布置图

图4 叠合板（B－4）应变片布置图

3 板钢筋应变的试验现象与分析

现象:（B－3板测点7与现浇板测点9为相应板的跨中测点），由图5可以看出，当荷载加到第十级13KN／m2时，现浇板9号测点和叠合板7号测点都出现拐点，但9号测点应变递增的较快，当荷载达到第十二级14．35KN／m2时，9号测点先屈服，在此荷载作用下，7号测点还没有达到屈服强度，当荷载达到第十五级16．37KN／m2时，7号测点屈服。

图5 （B－3）板测点7与现浇板测点9对比分析

分析:在弹性阶段，现浇板和叠合板（B－3）的受力大小基本上差不多，都呈线性关系；在弹塑性阶段，由于拼缝对叠合板的影响，使叠合板的局部承载力降低［5］，所以叠合板比现浇板所受的应力略大，先进入弹塑性阶段；在塑性阶段，现浇板出现拐点，应变递增较快，先达到屈服，而叠合板虽然受拼缝的影响，但是影响不大，荷载——应变曲线的变化趋势一致，该阶段，在相同荷载情况下，叠合板钢筋所受的应力比现浇板小，本块叠合板的强度比现浇板要高。

由配筋反算出现浇板所能承受的荷载标准值为7．07KN／m2，对应的9号测点的应变为68．4，由（1）式算出相应的应力为13．68MPa；叠合板（B－3）所能承受的荷载标准值为8．51KN／m2，对应的7号测点的应变为123．3，由（1）式算出相应的应力为24．7MPa。

图6 （B－4）板测点3与现浇板测点9对比分析

现象:B－4板测点3与现浇板测点9为相应板的跨中测点（测点3为正跨中旁边的测点，离跨中特别近，我们认为此测点能够捕捉到跟跨中测点相差不大的钢筋应变，所以选取3号测点来对比分析），由图6可以看出，当荷载加到第十级13KN／m2时，现浇板9号测点出现拐点，应变递增的较快，当荷载达到第十二级14．35KN／m2时，9号测点先屈服，在此荷载作用下，3号测点还没有达到屈服强度，当荷载达到第十六级17．05KN／m2时，3号测点屈服。

分析:在弹性阶段，叠合板（B－4）和现浇板的受力基本上差不多，都呈线性关系；在弹塑性阶段，现浇板的钢筋应力比叠合板略大，说明本块板的拼缝对叠合板刚度的影响不大；塑性阶段，现浇板出现大的拐点，应变递增较快，先达到屈服，叠合板进入塑性阶段比现浇板要慢，能够承受更大的荷载，荷载——应变曲线的变化趋势一致，该阶段，在相同荷载情况下，叠合板钢筋所受的应力比现浇板小，本块叠合板的强度比现浇板要高。

由配筋反算出现浇板所能承受的荷载标准值为7．07KN／m2，对应的9号测点的应变为68．4，由（1）式算出相应的应力为13．68MPa；叠合板（B－4）所能承受的荷载标准值为8．51KN／m2，对应的3号测点的应变为23．7，由（1）式算出相应的应力为4．74MPa。

图7 （B－4）板测点15与现浇板测点3对比分析

现象:B－4板测点15与现浇板测点3为相应板的离跨中较远的测点（位置上是对应的，都在板的45度正塑性铰线上）由图7可以看出，当荷载加到第十级13KN／m2时，现浇板3号测点和15号测点都出现拐点，但是3号测点应变递增的较快，15号测点应变递增的较慢，当荷载达到第十三级15．02KN／m2时，3号测点先屈服，在此荷载作用下，15号测点还没有达到屈服强度，当荷载达到第十九级19．3KN／m2时，15号测点屈服。

分析:在弹性阶段，叠合板（B－4）和现浇板的受力基本上差不多，都呈线性关系；在弹塑性阶段，叠合板由于受拼缝的影响，刚度减弱，先进入弹塑性阶段，所受的钢筋应力比现浇板略大；塑性阶段，现浇板出现拐点，应变递增较快，先达到屈服，叠合板应变递增的速率较小，能够承受更大的荷载，荷载——应变曲线的变化趋势一致，该阶段，在相同荷载情况下，叠合板钢筋所受的应力比现浇板小，本块叠合板的强度比现浇板要高。

由配筋反算出现浇板所能承受的荷载标准值为7．07KN／m2，对应的3号测点的应变为87．6，由（1）式算出相应的应力为17．5MPa；叠合板（B－4）所能承受的荷载标准值为8．51KN／m2，对应的15号测点的应变为109，由（1）式算出相应的应力为21．8MPa。

图8 （B－4）板测点10与（B－3）板测点18对比分析

现象:B－4板测点10为长方向上的跨中测点，B－3板测点18为拼缝处现浇层构造钢筋上的测点，（位置上是对应的，一个在预制板的长方向上跨中，一个在上部现浇层的拼缝跨中）。由图8可以看出，B－3板的18号测点在荷载达到第十一级13．67KN／m2时，出现拐点，应变递增；而10号测点应变很小，几乎不受力。

分析:在弹性阶段，二个测点的受力基本上差不多，都呈线性关系；在弹塑性阶段，拼缝上部构造钢筋较先受力，而预制板长方向跨中的钢筋应力很小，在塑性阶段，拼缝上部构造钢筋应变递增，应力增大，下部预制板长方向钢筋应力依然很小，由此说明在拼缝处的应力传递是通过上部构造钢筋来传递的［6］，叠合板在长方向上也是受力的，故而叠合板是双向受力的。

由配筋反算出叠合板（B－3）所能承受的荷载标准值为8．51KN／m2，对应的18号测点的应变为89，由（1）式算出相应的应力为17．8MPa；叠合板（B－4）所能承受的荷载标准值为8．51KN／m2，对应的10号测点的应变为－53，由（1）式算出相应的应力为10．6MPa。

总述，上图各条曲线对应的荷载标准值，由（1）式算出相应的应力。很显然标准值下对应的应力很小，远远小于《混凝土结构设计规范》中要求的钢筋的屈服强度标准值400MPa，因此在配筋设计时，是满足规范设计要求的。

由上述各图对比可以看出:现浇板9号测点比3号测点受力大、（B－4）板3号测点比15号测点受力大、（B－4）板3号测点比（B－3）板7号测点受力略小（7号测点位于跨中拼缝旁，受力大），即板跨中受力比板四周受力要大；B－3板跨中7号测点、（B－4）板3号测点应力比现浇板9号测点要小，说明叠合板承载能力较强。