叠合式双向板试验与数值模拟对比分析

计 策， 沈小璞

（安徽建筑大学 土木工程学院 安徽 合肥 230601）

1 引言

我国现阶段施工模式主要是依靠工人现场湿作业，工人劳动强度大，生产效率提高空间不大，随着劳动成本的增加，采取缩短建筑建设周期的方法，会大大节省成本。同时，现场湿作业，需要大量的木模板，会对环境造成破坏，而叠合式剪力墙结构能很大程度上节省模板的使用。混凝土叠合式剪力墙板生产技术从德国引进，这种将现浇式和装配式叠合板优点集一身的生产技术满足了飞速发展中的建筑行业对建筑结构施工技术的更高要求，实现了生产的流水化和施工的便捷化［1］。

两拼式叠合板是预制部分（两块预制板拼接）以及格构钢筋和现浇部分在界面结合，形成整体受力的混凝土叠合式双向板，具有制作速度快，受气候条件制约小，节约劳动力并可提高建筑质量。我国现阶段工程中所使用的叠合式板一般为单向板，对于叠合式双向板的研究还基本处于空白阶段，此次有限元模拟就是要研究探讨这种叠合式双向板与全现浇双向板在受力时的相同和不同点。

2 叠合式双向板试验简介

本次实验共设计6块双向板，所有板的尺寸均为4400mm×3300mm×120mm。板的编号B－1为普通现浇双向板B－2、B－3、B－4为两拼叠合式双向板B－5、B－6为三拼叠合式双向板。

混凝土:采用C30混凝土材料参数见表1。

表1 混凝土材料参数

钢筋:短跨 Ф6＠150长跨Ф6＠250，材料参数见表2。

表2 钢筋材料参数

所有板的支撑条件均为放置在250mm宽的刚性梁上，叠合预制板部分的配筋见图1所示。

图1 叠合预制板部分的配筋

3 ABAQUS有限元数值模拟

3．1 模拟单元的选择与材料本构关系

混凝土单元选择:C3D8R单元，八结点线性六面体减缩积分单元。

钢筋单元的选择:T3D2单元，两结点线性三维桁架单元。

ABAQUS所提供的混凝土损伤塑性模型（CDP模型）是依据Lubliner，Lee与Fenves三人在1998年提出的损伤塑性模型来确定的，CDP模型是假定混凝土材料主要因拉伸开裂和压缩破碎而破坏。屈服或破坏面的演化由拉伸等效塑性应变和压缩等效塑性应变两个变量控制。［2－3］

3．2 模型建立与加载方式

ABAQUS模拟中编号为:MB－1现浇双向板；MB－2两拼叠合式双向板；MB－3三拼叠合式双向板。

模型中钢筋按实际试验钢筋位置进行布置，用Embedded方式将钢筋骨架嵌入到混凝土模型中，板下支座位置设置宽250mm的刚性垫层以模拟试验的边界约束。板上竖向施加的最大活荷载设定为30kN／m2，采用均布线性加载方式。

4 挠度、应变、裂缝开展等方面比较三种板

4．1 板的挠度分析

从图2中可以显示出三种板中心点挠度变化趋势相近，在弹性阶段三块板的挠度变化几乎相同。根据试验结果与有限元模拟结果比较得出:进入塑性后现浇双向板挠度变化最缓慢，即受力情况最好，延性最强；两拼叠合式双向板次之；三拼叠合式双向板挠度最大。从挠度变化的趋势上可以得出，两拼三拼叠合式双向板受力趋势基本与现浇双向板一样，刚度上略有不足。但是当加载仅达到标准荷载与设计荷载时，三种板的挠度差距微小，说明此三种板在正常使用阶段，受力性能差距不大。（图2中标准荷载和设计荷载是根据钢筋配筋由规范［4］计算所得出的承载荷载）

图2 板中心挠度图

4．2 板底混凝土受拉应力分析

从图3中三种板的板底中心点混凝土的受拉塑性应变上看，进入塑性时的荷载大小基本相同，但是MB－3板进入塑性最早，MB－1板次之，MB－2最晚进入塑性。主要由于MB－2中间有拼缝，使得中心点受力减少。MB－3与MB－1比较，由于2条板缝的存在，板的整体刚度有所减弱，所以比MB－1塑性变化趋势要略快些［5］。

图3 板底混凝土塑性应变图

4．3 板的钢筋应力应变分析

从图4中三种板中心点平行于拼缝方向的钢筋应变上看，在弹性阶段，三种板的钢筋应变变化基本相同，但是MB－2的应变变化速率要略大于MB－1，但是进入塑性阶段MB－3板应变变化最大，MB－1次之，MB－2最小。这样的现象说明三种板在平行于拼缝处钢筋的受力情况基本相同，区别与拼缝的影响，但是拼缝对此方向上的钢筋受力影响有限。

图4 板中心点钢筋应变（平行于拼缝方向）

从图5中三种板中心点的平行于拼缝方向的钢筋应力上看，MB－3最先开使受力，MB－2次之，MB－1受力最晚，进而说明拼缝越多，中心点钢筋受力越大。

图5 板中心点钢筋应力（平行于拼缝方向）

以下取两拼叠合式双向板B－3试验数据与MB－2有限元模拟数据进行对比，图6为试验时所贴的钢筋应力片位置。根据图7显示混凝土中的大部分钢筋，试验比模拟更早进入受力状态，而点18为拼缝上方垂直于缝方向的受力钢筋，从试验结果与模拟结果都可以证明拼缝上方垂直于缝方向的钢筋参与受力，但是与板底层的钢筋在数值上进行比较，可以得出点18处的钢筋比底层钢筋受力要小得多。在进入塑性阶段时，中性层开始上移，中缝处的上层沿缝方向钢筋和底层钢筋一起参与受力，但是由于拼缝的存在垂直于缝方向的钢筋无法通长，钢筋仅仅起到连接混凝土作用，由此判断得出，拼缝处的链接钢筋只要保证锚固长度即可，参与受力的能力有限［6－7］。

图6 叠合式双向板（B－3）钢筋应变片布置

图7 B－3与MB－2钢筋应变对比

4．4 板的挠度分析

图8，9，10分别为现浇双向板，两拼和三拼叠合式双向板的模拟与试验的裂缝开展情况对比，由结果对比可以看出，在现浇双向板与叠合式双向板对比时，裂缝上的差异仅仅在于两拼叠合板垂直于拼缝处的裂缝沿着拼缝方向裂缝开展范围略大于现浇双向板，而在垂直于拼缝的裂缝并没有因为拼缝的存在而传递不过去，从裂缝开展图中显示出垂直于拼缝的裂缝反而很好的穿过了拼缝，在试验观察时，我们清晰的发现所有被拼缝隔开的裂缝，在对边叠合式双向板的相应位置都可以找到传递的那条裂缝，这也间接说明这种叠合双向板在受力时并不因为拼缝的隔断而导致受力无法传递。

从图8和图9裂缝开展的走势上看，叠合式双向板与现浇双向板有着很高的相似度，即从裂缝开展的角度，又一次证明它们的受力情况基本相同，这与挠度上得出的结论一致。但是从图10三拼叠合式双向板上的裂缝开展图上可以看出，在同一荷载下三拼叠合式双向板的裂缝开展要快于现浇双向板与两拼叠合式双向板，虽然从挠度数值上显示它们之间的挠度差别不大，但三拼叠合式双向板在裂缝控制上应该比以上两种板更加严格［8－9］。

图8 现浇双向板裂缝开展状况（数值模拟与试验对比）

图9 两拼叠合式双向板裂缝开展状况（数值模拟与试验对比）

图10 三拼叠合式双向板裂缝开展状况（数值模拟与试验对比）

5 结论与建议

（1）由三种板的试验与有限元模拟分别得出的挠度曲线图对比结果，说明这三种板在正常使用荷载下挠度是大小几乎相同，区别主要体现在屈服阶段，由于拼缝的存在使局部刚度有所改变，对板的整体延性有一定的影响，但是在板的正常使用阶段和现浇双向板受力性能上没有显著差别，所以在结构设计时可采用双向板的设计原则进行设计。

（2）综合这三种板的挠度、应力、应变等相关力学指标，得出两拼、三拼叠合式双向板和现浇式双向板的受力情况并无显著区别，在正常使用阶段设计可以等效替代。

（3）从裂缝开展的角度对比，三拼叠合式双向板比另外两种板裂缝开展的较快，裂缝范围也较大，所以如果是工程中的应用应该谨慎处理，加强裂缝控制，或者少用三拼叠合式双向板。

（4）实际工程中这种叠合式双向板分布有格构钢筋，此次模拟试验忽略了格构钢筋对板刚度的加强，这种格构钢筋对混凝土有着一定的约束作用，对板的整体承载力也有部分提高作用，在以后的研究中可以深入探讨。

1 王小男，樊骅．德国钢混叠合楼板和墙板生产和安装工艺［J］．混凝土与水泥制品，2008，（6）:63－65．

2 张劲，王庆扬，胡守营，等．ABAQUS混凝土损伤塑性模型参数验证［J］．建筑结构，2008，38（8）:127－130．

3 过镇海．钢筋混凝土原理［M］．清华大学出版社，1999．

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5 叶献国，华和贵，徐天爽，等．叠合板拼接构造的试验研究［J］．工业建筑 ，2010，40（1）:59－63．

6 黄潇，沈小璞，庞培培．不同轴压比下T型叠合式剪力墙的抗震性能的非线性分析［J］．安徽建筑工业学院学报，2011，19（4）:9－14．

7 DB34 810－2008，叠合板式混凝土剪力墙结构技术规程［S］．

8 江见鲸，陆新征，叶列平．混凝土结构有限元分析［M］．北京，清华大学出版社，2005．

9 郝淑英，刘秀英，张琪昌．钢筋混凝土双向板有限元分析［J］．天津理工大学学报，2008，24（2）:56－58．