装配式预应力预制空心楼板承载性能实验研究

熊 哲，周 义

（1、广东工业大学土木与交通工程学院 广州510006；2、惠州普瑞康建筑材料有限公司 广东惠州516200）

0 引言

装配式建筑具有环境友好、经济节能、高质量和高效率等特点，已受到国内外广大研究学者的重点关注［1-5］。装配式建筑是我国的重要发展战略目标之一。《十三五“装配式建筑行动方案”》提出：2018 年到2020 年，全国装配式建筑占新建建筑的比例需达到15%以上。现阶段，广大研究学者对装配式结构已有一定的研究成果［6］。施永雷［7］指出装配式建筑存在一定的施工技术缺陷，并基于高层住宅分析其施工工艺。唐和生等人［8］模拟分析了考虑灌浆缺陷的装配式混凝土柱的抗震性能，指出灌浆缺陷会使得柱子刚度退化更加剧烈，延性降低。张开臣等人［9］对整体预应力装配式板柱结构力学性能进行研究。Pavese 等人［10］分析了装配式混凝土墙体系统的抗震性能。然而，目前对于装配式预应力预制空心板（SP 板）承载性能的研究相对较少。基于此，本文对装配式预应力预制空心板的受弯承载性能进行试验研究，分析其破坏模式、荷载-位移曲线、开裂荷载、破坏荷载、裂缝发展和预应力损失，为实际工程的设计和应用提供参考依据。

1 试验概况

1.1 试件尺寸

试验试件为2 块装配式预应力预制空心板SP20A 和SP20C，尺寸为6 000 mm（长）×1 200 mm（宽）×200 mm（厚）。混凝土保护层厚度20 mm，板的混凝土强度等级为C45。装配式预应力预制空心板的截面如图1 所示。板底采用10 根低松弛钢绞线，预应力钢丝fpt=1 860 N/mm2，张拉控制应力σcon=0.65fptk。对于SP20A 板，其钢绞线直径为12.7 mm；对于SP20C 板，其钢绞线直径为9.5 mm。

图1 楼板试件截面Fig.1 Cross Section of Slab Specimens

1.2 加载方法

此次试验采用千斤顶进行分级加载。加载方式如图2 所示。受弯试件支座一端采用铰支承，另一端采用滚动支承。支座与楼板间设置钢垫板。钢垫板与楼板的接触面通过石膏找平，以保持稳定的支撑及均匀受力。采用分配梁系统对楼板进行两点加载。分配梁与受弯试件设置钢垫板，钢垫板与楼板的接触面通过石膏找平，以保证均匀受力。控制截面最大弯矩数值相等，采用集中力模拟均布荷载对简支受弯试件进行加载。

1.3 测点布置及测试方案

采用位移计测量受弯试件的挠度，共布置9 个位移计，如图2、图3 所示，分别布置在支座和跨中的3 个位置，每个位置根据宽度均匀布置3 个位移计。采用电子裂缝观测仪观察裂缝，并且测定裂缝的宽度值。

图2 加载装置Fig.2 Test Setup

图3 加载方式和挠度测点布置示意图Fig.3 Loading Scheme and Arrangement of Deflection Measuring Points

2 试验结果与分析

2.1 试验现象

整个加载过程中，试件的试验现象主要可以分为3 个阶段。在加载初始阶段，随着荷载的增加，试件无明显变形，表现为楼板试件的弹性阶段。当试件板底出现第一条裂缝后，楼板试件随着荷载的增加，变形显著增加，表现为楼板试件的开裂阶段。最后阶段为楼板试件的破坏阶段。对于装配式预应力预制空心板SP20A，其端部发生剪压破坏，如图4a 所示。对于装配式预应力预制空心板SP20C，其跨中位移超过跨度的1/50，故破坏表现为试件的大变形破坏，如图4b 所示。

2.2 荷载-位移曲线

楼板试件的荷载-位移曲线如图5 所示。2 块楼板试件的荷载-位移曲线整体呈现双线性特征。2 块楼板试件的开裂荷载均发生在其荷载-位移曲线转折处。在开裂前，由于混凝土整个截面均参与工作，同时2 块楼板试件的截面形状一致，故其荷载-位移曲线的初始刚度基本相同。在开裂后，SP20A 试件的刚度明显大于SP20C 试件。主要原因在于，混凝土开裂后，拉力主要由预应力钢绞线承受，SP20A 试件的预应力钢绞线截面面积显著大于SP20C 试件。SP20A 试件的破坏荷载为246 kN；SP20C 试件的破坏荷载为156 kN。另外，值得注意的是，2 块楼板试件的荷载-位移曲线均考虑了试验设备和楼板的自重荷载，故曲线的起点位于自重荷载值处。对于自重荷载产生的跨中位移，可以通过曲线的初始刚度进行计算。

图4 楼板试件破坏模式Fig.4 Failure Mode of the Slab Specimen

图5 荷载-位移曲线Fig.5 Load-displacement Curves

2.3 裂缝发展

第一条裂缝出现在2 块楼板试件的跨中板底。随着荷载的增加，第一条裂缝宽度逐渐变大，且向上发展；其它裂缝由跨中向两端逐渐增多，如图6 所示。2 块楼板试件的最大裂缝随荷载的变化曲线如图7 所示。由图8 可知，随着预应力的增加，开裂荷载变大。开裂后，2 块楼板试件裂缝的最大宽度随着荷载的增加均呈线性特征发展。

图6 裂缝分布Fig.6 Distribution of Cracks

2.4 预应力损失

对于预应力试件，通常要考虑预应力损失。本文以SP20A 楼板试件为例，其横截面面积为151 000 mm2，形心到下边缘距离为103 mm，惯性矩为6.810 8 mm4，预应力筋弹性模量为1.95×105MPa。

图7 荷载-裂缝宽度曲线Fig.7 Load-crack Width Curves

采用先张法，张拉控制应力为：

锚具变形损失σl1：

张拉端至锚固端距离100 000 mm，钢绞线内缩值5 mm，σl1=5/100 000Es=5/100 000×1.95×105=9.75 MPa；

孔道摩擦损失σl2：

按照锚固端计算该损失，所以x=100 m，直线配筋φ=0°，k=0.001 5，σl2=σcon（1-1/ekx+μ φ）=1 209×（1-1/e0.0015×100）=168.4 MPa；

温差损失σl3=0；

预应力筋的应力松弛损失σl4：

先张法混凝土第一批损失：

由混凝土第一批损失后预应力钢丝产生的压力NI=［（1 209-200.82）×10×3.14×12.72/4］×10-3=1 277.13 kN；

取偏心距为e=103-20-12.7/2=76.65 mm。

由混凝土第一批损失后预加力产生的构件抗拉边缘混凝土法向应力σpcI值：

混凝土的收缩和徐变损失σl5：

预应力总损失为：

同理，可求得SP20C 楼板试件的预应力总损失为200.82 MPa。

3 结论

装配式预应力预制空心楼板（SP 板）是装配式建筑结构的主要构件之一。本文对装配式预应力预制空心楼板的受弯承载性能进行研究。研究发现：

⑴随着预应力钢绞线截面面积（预应力）的增加，楼板的破坏模式由大变形向端部剪压破坏发生转变；

⑵楼板试件的跨中荷载-位移曲线表现为双线性特征，并且其初始刚度基本相同，而开裂后刚度随着预应力钢绞线截面面积的增加而增加；

⑶随着钢绞线截面面积和预应力的增加，楼板试件的破坏荷载和开裂荷载均增大；

⑷裂缝最先出现在楼板试件的跨中板底。随着荷载的增加，其它裂缝由跨中向两端逐渐增多。