拼接叠合楼板抗弯性能研究

拼接叠合楼板抗弯性能研究

翟伟，张伟林,沈小璞

(安徽建筑大学土木工程学院，合肥230022)

摘要：为研究拼接叠合楼板的抗弯性能，制作了两块预制板拼接、上面现浇叠合层的楼板进行实验研究，并与混凝土材料、配筋率和尺寸相同的现浇楼板进行试验对比。通过静力试验，获得了两种楼板的挠度和抗弯刚度，通过两种楼板的试验数据比较，得出拼接叠合楼板在采取构造措施后可作为双向板设计。利用matlab软件计算了现浇楼板弹性阶段的挠度，与实验数据对比结果表明，在弹性阶段现浇钢筋混凝土现浇板与双拼叠合楼板变形基本一致。

关键词：装配式钢筋混凝土结构；拼接叠合楼板；抗弯刚度；静力加载试验；双向板设计

收稿日期：2014-10-16

作者简介：翟伟(1989-)，男，硕士研究生，主要研究方向为混凝土结构安全理论与应用。

中图分类号：TU375.2

Study on Flexural Stiffness of Splicing Superimposed Slabs

ZHAI Wei,ZHANG Wei-lin,SHEN Xiao-pu

(School of Civil Engineering, Anhui Jianzhu University, Anhui, Hefei , 230601, China)

Abstract:To study the bending properties of two plates of stitching laminated spliced composite slab, we compared them by producing the same material of concrete, reinforcement ratio, size of slab and the cast-in-place board . We gained the deflection and bending stiffness of the two different slabs and compared the test data of stitching laminate floor with that of cast-in-place board through the static experiment of the two floors. The results shows that the splicing laminated floor can be designed as two-way slab by taking construction measures. The software of MATLAB was used to calculate the deflection of reinforced concrete slab, which shows that the deformation and the rigidity of cast-in-place reinforced concrete slab and splicing laminated floor concrete slab are basically consistent in elastic stage.

Key words:reinforced concrete structure, splicing superimposed floor slabs, bending stiffness, static loading test, two-way slabs' designing

0引言

现浇钢筋混凝土结构是工程中的常用形式,这种现浇式结构具有整体性好、刚度较大等优点,但也存在诸多如工人劳动强度大、模板需求量多、工序相对繁琐、施工周期长、生产难以形成工业化等缺点。为顺应现代工程施工的发展需求,装配式钢筋混凝土结构已展现其卓越性能。装配式钢筋混凝土结构可以使结构设计标准化、工业化;构件生产不受季节影响,施工进度快;同时提高了结构的质量、减少了模板的使用量,大大节约了钢材或木材。然而这种结构也存在诸多缺点,如整体性不足,抗渗性、抗震性较差。为了提高结构抗震性能,满足结构整体性,各种装配式结构体系应运而生,叠合式结构就是其中之一。叠合楼板是叠合式结构中的主要构件,拼接叠合楼板的整体性能与抗震性能是叠合式结构的研究热点[1-2]。本文针对钢筋混凝土拼接叠合楼板进行静力试验分析,并与现浇钢筋混凝土板进行实验对比,分析拼接叠合楼板的抗弯性能,为拼接叠合楼板设计提供依据.

1拼接叠合板与现浇板的对比实验

制作两块4150mm×3050mm钢筋混凝土楼板，钢筋混凝土现浇板记为B1，板厚120mm；两块预制板(2075mm×3050mm，厚度50mm)拼接成叠合楼板(以下简称为双拼叠合板)记为B2，现浇厚度70mm。B1、B2配筋率相同，两块板短向3050mm钢筋，28根；长向4150mm钢筋，13根。所有钢筋为6(HRB400)混凝土强度等级为C30，钢筋HRB400，钢筋直径为6mm，而叠合板拼接处钢筋布置采用HRB400直径为6mm的钢筋[3]。

试验采用堆载法，试验时将板四边简支在四条刚性梁上，梁支撑在四个角柱上。应变片与位移计布置如图1所示。加载时，将荷载分为20级，如图2所示。

实验采用铁块加载,每个铁块为10.2kg,加载分为20级,第一至第二级加载为288块,第三到第四级为144块,第五到第六级为96块,第七级至第二十级为288块,荷载(含板自重)与级数图如图2所示。试验现场如图3所示。

根据实验数据,现浇楼板以及叠合楼板中测点1～5荷载位移试验曲线如图4、5所示。

如图4所示,钢筋混凝土现浇板在加载到10.37kN/m2之前处于弹性状态,荷载位移曲线基本成一条直线,加载至17级荷载即13.67kN/m2之前处于弹塑性状态,荷载位移曲线近似为直线,而荷载增加到16.37 kN/m2之后,钢筋混凝土现浇板进入塑性状态。

如图5所示,双拼叠合板在第6级荷载即10.37kN/m2之前基本处于线弹性状态,荷载位移变化是一个线性增长过程,抗弯刚度基本不变;自第七级荷载开始,由于荷载不断加大,叠合板拼缝处的薄弱特点,导致双拼叠合板的抗弯刚度急剧下降,叠合板进入塑性状态,破坏开裂情况加大。

将B1和B2的荷载试验数据进行比较得出其曲线如图6～10所示。

如图6-10所示, 由于B1板是现浇钢筋土板,B2板为双拼叠合板,双拼叠合楼板在第7级加载之前,叠合楼板几乎处于弹性抗弯阶段,刚开始和现浇钢筋混凝土板的抗弯刚度比较接近,但是在第7级加载之后,双拼叠合板拼缝处是通过连接钢筋连接的,整个板进入弹塑性阶段,抗弯刚度开始急剧下降,而B1板抗弯则刚度变化不大。

2钢筋混凝土现浇板的弹性阶段抗弯刚度及挠度分析研究

在各向异性板中只有各向同性和正交各向异性材料是可能用经典方法求解的[4]。假定薄板的弹性主向和边界平行,取坐标轴长边为x轴，短边为y轴。定解方程为

(1)

其中

u为混凝土泊松比;Es、Ec分别为钢筋和混凝土的弹性模量;Icx、Isx分别为钢筋和混凝土截面对于x轴为常量的中和轴的惯性矩;Icy、Isy分别为钢筋和混凝土截面对于y轴为常量的中和轴的惯性矩;Dx、Dy钢筋混凝土板的弯曲刚度。

将挠度和横向荷载展开为双三角函数形式

当D1=D2=D3时,上式可以简化为

经过计算得到

得到挠度为[5]

实验中的板边长为a=4150mm,b=3050mm。根据材料模量,计算出主轴刚度D1D2D3分别为D1=4519055967N/mm,D2=4481867477N/mm,D3=4500423309N/mm。

运用Matlab计算了在四边简支板均布荷载作用下各测点的挠度大小[6],将计算结果与试验结果进行对比,如图11～15所示。由于理论计算时边界条件设为理想铰接状态,但试验时,四边支撑的边梁并非完全刚性,支撑梁可能发生微小挠度和扭转,所以钢筋混凝土板实测挠度较理论结果有所偏大。

3钢筋混凝土叠合板的弹性阶段抗弯刚度及挠度分析研究

由于拼接叠合板的中间缝隙影响导致抗弯刚度在两个方向均有一定程度的降低,导致内力重新分布,运用有限元软件ansys对拼接叠合板两个方向弹性阶段的抗弯刚度进行有限元分析研究,分别在配筋率相同的现浇板和叠合板的长边方向和短边方向进行支撑,分析其挠度大小,运用结构力学公式反算其主轴抗弯刚度D1、D2。具体得出的挠度大小如表1所示,有限元分析如图16-23所示。

表1　Ansys挠度分析图

图16荷载为0.001N/mm2挠度图短边支撑(叠合板)

表2　oringe拟合斜率表

由于叠合板拼缝的影响导致叠合板刚度折减从而使叠合板的弯矩计算长度即等效计算长度有所变化,假定叠合板的等效厚度与现浇板的一样均为120mm。那么在此情况下,等效计算长度可以通过计算得知

Lx=4400 ly=3300由上式计算得知

经过计算得到

D1=4417580159N/mm,D2=4104887970N/mm,D3=4258364903N/mm

运用Matlab计算了在四边简支叠合板均布荷载作用下各测点的挠度大小,将计算结果与试验结果进行对比,如图24～28所示。由于理论计算时边界条件设为理想铰接状态,但试验时,四边支撑的边梁并非完全刚性,支撑梁可能发生微小挠度和扭转,所以钢筋混凝土双拼叠合板实测挠度较理论结果有所偏大。

4钢筋混凝土叠合板内力重分布

由于钢筋混凝土叠合板等效计算长度的变化和等效弯矩计算系数的变化影响导致弯矩变化,经过分析知

Mx=[mx*(lx)2+0.2*my*(ly)2]*q=797922.4q

My=[my*(ly)2+0.2*mx*(lx)2]*q=748748q

Mx′=[mx*(lx′)2+0.2*my*(ly′)2*q=772654.9994q

My′=[my*(ly′)2+0.2*mx*(lx′)2*q=822028.7811q

将其与规格相同的现浇板比较得到叠合板x方向的弯矩减少3.16%y方向的弯矩增加12%,所以相同规格的叠合板与现浇板在配筋的时候,叠合板的配筋应该在x方向的配筋减少3.19%y方向的配筋增加12%,由于长度方向刚度减小幅度大于短方向减小幅度从而导致短方向受力增大长方向受力减小所致。

5结论

(1)通过对双拼叠合楼板与现浇钢筋混凝土板荷载位移曲线分析比较,可以看出在弹性阶段,两种楼板挠度基本一致,且叠合楼板稍微偏大。在进入塑性阶段后,随着荷载的增加,叠合楼板挠度增加很快,抗弯刚度大幅度降低,这是由于拼缝处刚度削弱在荷载加大时混凝土加速开裂造成的。

(2)通过对现浇钢筋混凝土板的理论分析与实验对比可知,实验结果和理论计算有一定误差,原因是理论计算取的是理想铰接状态,未考虑四边支撑梁的挠度和扭转因素对板位移的影响。

(3)相对于相同规格的现浇板,叠合板长方向的弯矩减少3.16%短方向的弯矩增加12%,所以相同规格的叠合板与现浇板在配筋的时候,叠合板的配筋应该在长方向的配筋减少3.16%短方向的配筋增加12%,这是由于长方向刚度减小幅度大于短方向减小幅度从而导致短方向受力增大长方向受力减小所致。

参考文献

1张伟林,沈小璞,吴志新,等.叠合板式剪力墙T 型、L 型墙体抗震性能试验研究[J].工程力学,2012,29(6):196-201.

2吴志新,张伟林,沈小璞.新型叠合式剪力墙试验研究及抗震性能分析[J].安徽理工大学学报(自然科学版),2010,30(2):8-12.

3徐芝纶.弹性力学下册[M].北京:高等教育出版社,1986:5-36.

4姜荣桂.钢筋混凝土矩形板挠度的计算[J].重庆交通学院学报,1994,13(2):40-44.

5何仁斌.MATLAB6工程计算及应用[M].重庆:重庆大学出版社,2001.

6叶献国,华和贵,徐天爽王,等,叠合板拼接构造的试验研究[J].工业建筑,2010,40(1):59-63.