附加钢筋对叠合板拼缝开裂弯矩试验研究

2016-12-05陈旭东

长江大学学报(自科版) 2016年28期

关键词：拼缝示意图裂纹

陈旭东

(安徽建筑大学土木工程学院，安徽合肥 230022)

刘建军

(中铁合肥建筑市政工程设计研究院有限公司，安徽合肥 231609)

韩炎，魏广硕

(安徽建筑大学土木工程学院，安徽合肥 230022)

附加钢筋对叠合板拼缝开裂弯矩试验研究

陈旭东

(安徽建筑大学土木工程学院，安徽合肥 230022)

刘建军

(中铁合肥建筑市政工程设计研究院有限公司，安徽合肥 231609)

韩炎，魏广硕

(安徽建筑大学土木工程学院，安徽合肥 230022)

通过理论分析与试验研究，依据混凝土结构试验方法标准中有关规定，对比了2种不同长度的附加钢筋在荷载作用下的受力特性，分别对应于附加钢筋有无伸出叠合板拼缝两侧的格构钢筋，观察叠合板试件从加载、出现裂缝到破坏的全过程，分析了试件在不同荷载作用下的受力状态。试验结果表明，附加钢筋较长的一组试验构造形式能够增加叠合板拼缝处的承载力，有利于阻止叠合板拼缝处裂缝的开展。最后分析了钢筋混凝土叠合板中附加钢筋对叠合板拼缝开裂弯矩的相关关系，为钢筋混凝土叠合板中附加钢筋的设计计算与结构性能检验提供了新的方法。

叠合板；附加钢筋；拼缝；开裂弯矩

随着我国建筑产业化的发展，叠合板作为一种新型构件被广泛应用于实际工程中，叠合板包含预制部分和现浇部分，附加钢筋布置于预制部分的上层，板面拼缝的两侧。叠合板具有施工便捷、节约材料、减少污染等优点[1，2]。目前，对叠合板的研究已经日趋成熟，在此基础上提出了含有附加钢筋带拼缝的叠合板更有利于增加叠合板拼缝处的受力性能，进一步推动了建筑产业化的进程，具有十分重要的意义。

现阶段，国内学者对叠合板做了大量的研究与探索：翁传阳[3]通过对4块混凝土叠合板试验分析，初步讨论附加钢筋对叠合板承载力的影响，并运用理论公式计算了试验构件的挠度；徐天爽等[4]认为提高附加钢筋搭接长度可以适当的提高叠合板的整体性；沈小璞等[5]运用ABAQUS分析软件对带有拼缝叠合板做有限元非线性模拟分析；吴方伯等[6]对带肋叠合板的研究，提出了一种实用弹性计算方法，简化了带肋叠合板的弹性设计；聂建国等[7]通过对比高强混凝土叠合板和普通混凝土叠合板试验研究,讨论了不同强度等级混凝土、不同截面形式对叠合板抗剪性能的影响。为了进一步研究附加钢筋对叠合板拼缝的受力特性，笔者利用2组含有不同长度附加钢筋的叠合板，采用千斤顶加转换梁的方式形成三点加载的试验方案，加载至破坏，分析了含附加钢筋的钢筋混凝土叠合板中附加钢筋对拼缝处开裂机制的影响，得到了附加钢筋的长度直接影响着叠合板拼缝的受力性能，为实际工程中叠合板的应用提供参考。

1 试件设计

试验制作了2块不同构造形式钢筋混凝土叠合板，研究含有不同长度附加钢筋的叠合板在荷载作用下的受力性能。第1块板S1作为对比组，其附加钢筋仅布置在拼缝两侧格构钢筋内，且附加钢筋长度为500mm浇筑成的构件。第2块板S2内附加钢筋布置在第1组相同的位置，且附加钢筋长度为900mm，且两端均伸出格构钢筋两侧浇筑形成的构件。2块板的各项参数为：预制与现浇层混凝土材料强度均为C30(fcu=32.9N/mm2),其中预制底板分为2块，尺寸为2400mm×880mm×60mm，纵筋配筋为5∅8(fy=358N/mm2，δs=38.7%)构造钢筋为∅8@180，格构钢筋距离端部300mm。钢筋保护层为15mm，后浇混凝土层高度为70mm，将2块预制底板叠合后形成2400mm×880mm×60mm的整块叠合板。

叠合板中附加钢筋布置示意图如图1所示，其中图1(a)为附加钢筋长度500mm的叠合板示意图，图1(b)为附加钢筋长度900mm的叠合板示意图。

图1 叠合板中附加钢筋设置示意图

2 试件加载

图2 试验加载示意图

图2为试验加载示意图，使用吊车将叠合板吊装至预先准备好的2个钢墩上做加载试验，在预先准备钢墩过程中，应先将滚轴和垫板预先放置于钢墩上作为加载中的铰支座使用，采用千斤顶加转换梁的方式形成三点加载的试验方案，对构件进行加载试验。试验使用BNR-4型称重传感器量测并控制加载量[8]，在正式加载之前预加载，采用分级手动加载制度加载。开裂前每级0.5kN的加载荷载，持续时间10min，直至试件破坏后再卸载。加载至极限破坏状态，依据《混凝土结构试验方法标准》(GB/T 50152-2012)[9]加载破坏的有关规定，进一步了解叠合板拼缝处裂纹开展机制和附加钢筋的增强效应。

3 试验结果与分析

表1、表2分别对应于试件S1、S2荷载-裂纹宽度，图3为试件跨中断裂图，其中图3(a)为试件S1跨中断裂图、图3(b)为试件S2跨中断裂图。图4为试件裂纹开展示意图，其中图4(a)为试件S1裂纹开展示意图、图4(b)为试件S2裂纹开展示意图。

由表1、图3(a)、图4(a)知，荷载由0逐级加载至2.5kN时，跨中拼缝处出现裂纹，且随着加载量增加不断变宽；加载至7kN时，裂纹沿着拼缝逐渐向上开展，此时拼缝附近的预制底板开始出现多条细微裂纹；加载至10kN时，裂纹开始沿着叠合面沿水平方向伸展，叠合板出现了水平小裂纹；加载至12kN时，裂纹开展速度增加，直至受压破坏。

表1 试件S1荷载-裂纹宽度

表2 试件S2荷载-裂纹宽度

图3 试件S1、S2跨中断裂图

图4 试件S1、S2裂纹开展示意图

由表2、图3(b)、图4(b)知，荷载由0逐级加载至2.5kN时，跨中拼缝处出现裂缝，且随着加载量增加不断变宽；加载至7kN时，裂纹迅速开展并由拼缝处向上延伸，同时预制底板拼缝处出现多条小裂纹；加载达到10kN时，裂缝沿着叠合板拼缝处由下向上开展至叠合面，并出现沿叠合面水平发展的现象；荷载增加至12kN时，裂纹迅速延伸，超过2mm，此时说明叠合板已经发生破坏。

由上述试验数据及试验图片分析可知，含有附加钢筋的叠合板裂纹开展是由拼缝处向上至叠合面后，沿叠合面水平方向继续伸展，裂缝未伸展至附加钢筋的端部，便由于叠合板的挠度超过正常使用状态的要求而发生破坏。附加钢筋长度为900mm浇筑形成的S2并未如钢筋长度为500mm浇筑形成的S1一样由裂缝开展至附加钢筋端部后延伸至现浇层上部发生破坏，而是构件的裂纹发展至试验设计值而破坏，这是由于构件S2在设计时，叠合面附加钢筋延伸至格构钢筋里，提高了叠合板的整体性，增加了叠合板的承载力。以上特征与文献[10]的结论相符。

4 理论分析

4.1 附加钢筋的阻裂增强机理

对于设置附加钢筋的叠合面施加外荷载，附加钢筋产生极大的拉应力，约束了现浇层混凝土应变的发展，在钢筋应变未达到混凝土的极限拉应变之前，现浇层混凝土不会产生裂纹。对未设置附加钢筋的叠合板施加外荷载时，易出现应力集中现象而破坏[11]。由断裂力学可知，脆性材料裂纹失稳扩展的临界条件为：

K=Kc

(1)

式中，K为裂纹尖端的应力强度因子；Kc是材料常数。式(1)为脆性断裂的K准则。

根据叠加原理，拼缝尖端应力状态可以分解成仅考虑混凝土的作用和钢筋产生阻力q的作用2种受力形式[12]。叠合板拼缝处裂纹尖端的应力强度因子表达为：

(2)

4.2 叠合板拼缝开裂载荷分析

计算试件S1、S2中附加钢筋对钢筋混凝土叠合板拼缝处开裂载荷，对比试验数据分析附加钢筋对叠合板的作用：

Ac=αe1As

(3)

(4)

F(x)=1.122-1.40x+7.33x2-13.08x3+14.0x4

(5)

M=Pl

(6)

式中，Ac为转化后的混凝土截面面积；αe1为转换系数；As为钢筋的截面面积；KI为修正后的叠合板的断裂韧性值; F(x)为拟合公式;P为构件叠合面开裂载荷；l为构件三等分长度; σ为跨中远端的名义应力。

由试验数据及上述计算得出试件S1、S2叠合面开裂荷载的实测值、理论计算值、实测值与理论计算值比值，如表3所示。

表3 试件叠合面开裂荷载

由表3数据及试验结果比较分析可知，试件S2叠合面的开裂荷载实测值大于试件S1叠合面的开裂荷载实测值，试件S2的实测值与理论值的比值大于试件S1，说明附加钢筋的伸出长度越长越有利于阻止叠合面的开裂，附加钢筋的设置也提高了叠合面抗裂性能，增加了构件的承载力。

根据断裂力学原理、脆性材料裂纹失稳扩展的临界条件、叠合板拼缝处裂纹尖端的应力强度因子、最大正应力准则等可知，含附加钢筋较长的钢筋混凝土叠合板，因为附加钢筋产生的增强阻裂机制较大，使得叠合面与拼缝交汇处的最大正应力方向发生改变，其最大正应力方向为沿叠合面水平方向开展，从而使得构件开裂方向发生变化；当裂缝延伸至叠合面后，裂缝方向变为垂直于拼缝方向(叠合面方向)开展，更有利于增强叠合板的抗裂性能，减缓叠合板受力破坏。通过上述试验分析及理论计算得出，当叠合面设置较长的附加钢筋时，可以有效的提高叠合板正常使用的承载力、抗裂度、整体性。