大跨度预应力混凝土带肋叠合板力学性能试验研究与工程应用*

2021-08-06王洪欣王庆华黄朝俊李晓丽

建筑结构 2021年13期

王洪欣，王庆华，黄朝俊，李晓丽，石磊

(1 中建科技集团有限公司，深圳 518052； 2 中建科技(深汕特别合作区)有限公司，深圳 518200)

0 引言

目前国内装配式混凝土结构的楼板应用以钢筋桁架叠合板居多，由于钢筋桁架对预制带肋底板刚度贡献很小[1]，钢筋桁架叠合板经济适用跨度较小。当跨度大于6m时，构件制作、施工安装和后浇叠合层等均存在较多问题，其经济性不明显[2-3]。吴方伯等[4-7]研发出一种预应力混凝土叠合板，其承载力和适用跨度均好于钢筋桁架叠合板，但由于预制带肋底板较薄(30mm)，因此预制带肋底板反拱值较大，且难以满足防火要求。

基于深圳市长圳公共住房项目的应用需求，笔者研发一种大跨度预应力混凝土带肋叠合板(简称“预应力叠合板”)，又称“倒双T板”。预应力叠合板由预制带肋底板和现浇叠合层组成，预制带肋底板上表面有凹凸差不小于4mm的粗糙面，粗糙面的面积不小于结合面的80%。底板宽度1.2～2.4m，板厚50mm，预应力钢丝布置在预制带肋底板居中位置(图1)。为提高预制带肋底板刚度和叠合板整体性，在预制带肋底板四等分位置设置两个截面为200mm×75mm的矩形肋。采用预应力叠合板的优点如下：承载力较高，极限承载力可达到设计荷载的2倍以上；材料用量节约，节省钢材30%以上；生产高效，采用预应力一次张拉的长线台生产工艺，长线台长度为60～120m，可一次生产15～25块预制板(图2)；施工效率高，施工时免支撑或少支撑；使用性能好，80m2以下户型可不设梁和墙，80m2以上户型设置1道梁或墙，可实现大空间的建筑功能要求，方便用户后期改造。

图1 预应力带肋底板实物

图2 长线台生产线实景

为研究不同支撑条件下预应力叠合板受力性能影响规律，以深圳市长圳公共住房项目典型户型为例，选取板跨度为6.4m的预应力叠合板为研究对象，通过试验研究其两端简支、两端与混凝土梁简支连接和整体大板三种不同支撑条件下的预应力叠合板受力性能，并对3块预应力带肋底板密拼叠合层整体浇筑的整体大板进行长期加载试验。其中，两端简支为理想简支边界条件，两端与混凝土梁简支连接为实际单块板简支边界条件，整体大板更加接近实际工程一个户型内楼板的边界条件。

1 工程应用

深圳市长圳公共住房项目总建筑面积约115万m2，包括4栋高层住宅、19栋超高层住宅和3栋幼儿园。4栋高层住宅的结构高度为103.05m，标准层层高2.8m，共36层；19栋超高层住宅的结构高度为149.5m，标准层层高2.8m，共53层。高层和超高层住宅标准层均采用跨度为6.2～6.4m预应力叠合板。幼儿园2，3层楼板采用跨度为3.9m的预应力叠合板。在该项目中，上述预应力叠合板用量达到25万m2。其中，幼儿园项目已竣工，预应力叠合板施工时免支模、免支撑，施工高效，板底平整、观感效果好(图3)。

图3 预应力叠合板施工现场实景

以4栋高层住宅中的10#住宅楼为例，说明叠合楼板布置情况，该楼由4个65m2户型和2个80m2户型组成(图4)。预制带肋底板和现浇层混凝土强度等级分别为C40和C30。预制带肋底板沿跨度方向布置11根直径为9mm的1570级螺旋肋消除预应力钢丝，张拉控制应力为0.70fptk。在垂直跨度方向布置6@250(HRB400)分布筋(图5)。楼板设计荷载下恒载、活载标准值分别为1.5，3.5kN/m2，基本组合下的设计荷载为6.7kN/m2。

图4 10#楼预应力叠合板平面布置图

图5 长度6.4m的预应力带肋叠合板布置图

2 单块板试验研究

2.1 试验方案

长度6.4m预应力叠合板加载试验的支座形式分为两端简支和两端混凝土梁支座，为防止试验结果的差异性，分别制作了两个相同的试件。前者即预应力叠合板两端搁置于直径为50mm的圆柱形钢棒上，预应力叠合板两端可以自由转动，试件编号为YDB6416-1和YDB6416-2(图6(a))。两端混凝土梁支座接近实际工程情况，预应力叠合板两端钢筋锚入到混凝土梁内，试件编号为YDB6416-3和YDB6416-4(图6(b))。

图6 预应力叠合板加载方案

两个试件均采用500mm×1 200mm×60mm的钢筋混凝土试块进行均布加载。单个荷载块质量为90kg，每组叠放试块的间距150mm[8-10]，加载示意如图7所示。

图7 试件两端简支的加载及破坏情况

2.2 试验结果

(1)以试件YDB6416-1为例，两端简支的预应力叠合板试件加载及破坏情况总结如下：

1)加载至设计荷载6.70kN/m2时，预应力叠合板跨中挠度17.98mm(相当于L/345，L为预应力叠合板的净跨，取6 200mm)，试件表面未出现裂缝。2)加载至9.52kN/m2时，板底跨中处出现3条微裂缝，最大裂缝宽度0.05mm，跨中挠度30.10mm(相当于L/206)。3)继续加载，预应力叠合板板跨中两侧新增数条裂缝，原有裂缝继续发展，裂缝从板底向板顶延伸。当加载至11.10kN/m2时，跨中裂纹延伸至现浇层，最大裂缝宽度0.38mm。4)加载至13.81kN/m2时，板跨中最大裂缝宽度达到1.15mm，跨中挠度131.79mm，大于板跨的1/50，试件达到极限破坏(图7)。

(2)以试件YDB6416-4为例，两端混凝土梁支座的预应力叠合板试件加载及破坏情况总结如下：

1)加载至设计荷载6.70kN/m2时，板跨中挠度13.02mm(相当于L/476)，试件表面未出现裂缝。2)加载至9.22kN/m2时，支座板顶处出现1条微裂纹，裂缝宽度0.06mm。3)加载至10.38kN/m2时，板底跨中处出现2条微裂缝，最大裂缝宽度0.11mm，板跨中挠度35.50mm(相当于L/175)。4)加载至11.70kN/m2时，板跨中两侧新增数条裂缝，原有裂缝继续发展，最大裂缝宽度达到0.49mm，跨中挠度59.83mm(相当于L/104)。由于支撑混凝土梁的混凝土柱墩发生开裂破坏，停止加载(图8)。

图8 试件两端混凝土梁支座的加载及破坏情况

表1为所有试件试验结果数据汇总。设计荷载时，板跨中挠度值约为规范限值31.5mm(相当于L/200)的41%～57%，且预应力叠合板未开裂；预应力叠合板开裂时的荷载为设计荷载的1.42～1.55倍，极限荷载为设计荷载的2.06～2.13倍，说明预应力叠合板的设计具有较高安全储备。

图9为试件荷载-跨中挠度曲线，由图7，8的试验现象和图9的试验数值结果可知：1)各条曲线变形趋势基本一致，各试件刚度均随着荷载增大而减小；2)受压区混凝土完好，未被压碎，预应力底板与后浇面层混凝土交界面接合良好，未出现剪切滑移现象，预应力钢丝没有出现滑移、脆断现象；3)与两端简支的预应力叠合板相比，两端混凝土梁支座的初始刚度大，设计荷载下的挠度值降低27.6%，板底开裂荷载提高7.7%。

试验结果表1

图9 预应力叠合板荷载-跨中挠度曲线

3 整体大板试验研究

3.1 试验方案

整体大板由3块板跨度为6.4m的预应力带肋底板密拼后整体浇筑叠合层，图10为整体大板的平面布置图。预应力叠合板在实际工程中受力状态可称之为“单向受力，双向构造”，即楼板主要受力状态为沿预应力叠合板的板跨方向受力，且叠合板横向密拼处通过钢筋的搭接连接可以提供一定承载力。叠合板板端与混凝土梁连接的节点大样见图11(a)；叠合板板侧与混凝土梁连接的节点大样见图11(b)；叠合板横向密拼连接的节点大样见图11(c)。

图10 整体大板平面布置图

图11 整体大板节点构造

通过在整体大板上堆载550mm×1 100mm×300mm的钢筋混凝土试块进行长期静力均布加载试验，折算的均布荷载为6.48kN/m2，观测周期为28d，试验现场加载情况如图12所示。

图12 整体大板加载试验

3.2 试验结果

整体大板在长期均布荷载作用下，中间板和两边侧板的跨中挠度-时间曲线见图13。通过试验得到：1)加载完成后前5d，叠合板跨中挠度增加最快，约达到最终总挠度的77.4%；2)加载完成后第5～15d，叠合板跨中挠度增加变缓，第15d时板跨中挠度约达到最终挠度的91.9%；3)加载第15～30d，叠合板跨中挠度变化趋于平稳，最终跨中挠度约为2.83mm；4)相同荷载下，整体大板的中间板为两端简支单块叠合板跨中挠度的23.6%，为两端梁支座单块叠合板跨中挠度的30.8%。整体大板呈现出双向受力状态，长期均布荷载作用下整体大板的预制带肋底板与现浇叠合层连接良好，界面未出现裂缝、剪切滑移等破坏现象。