轻钢龙骨架叠合楼板基本力学性能研究

王莘晴 杜佳芝 孟锦根 迟亚海

摘要：本文以叠合楼板为研究对象，采用轻钢龙骨作配筋受力件，对其力学性能进行初步探讨，根据构件受荷后的挠度变形与承载力变化关系，将P-S曲线进行拟合，确定构件极限承载力，并对影响构件承载力的因素进行了简要分析，得到一种受力情况较为良好的新型叠合楼板配筋方案，旨在为装配式建筑构件轻钢肋混凝土叠合楼板优化设计提供科学借鉴。

关键词：叠合楼板;极限承载力;挠度变形;轻钢龙骨

1.研究背景及意义

近年来，随着装配式技术发展日趋成熟，我国装配式建筑行业迎来快速发展新阶段。2014-2018年，我国新建装配式建筑面积每年均保持24%以上的增速，到2018年，我国新建装配式建筑面积已经达到1.9亿平方米。仅装配式建筑PC构件的市场规模就从2014年的4.2亿元增长到2019年的325.0亿元。叠合楼板是装配式结构中重要的一个预制构件。相较于传统现浇构件，叠合楼板免模板安装，施工速度快，楼板上层结构采用混凝土整浇成型，抗震性良好，在装配式建筑中得到广泛应用。

2.叠合楼板研究现状

国内外关于混凝土叠合结构的研究很多，多集中于新旧混凝土叠合面研究，主要专注于叠合面应力分布及抗剪问题的研究。2004年，周绪红、吴方伯等研发了预制带肋底板叠合楼板。2010年，由湖南大学吴方伯教授等以及山东万斯达集团有限公司历经七年时间研究完成了PK预应力混凝土叠合板（PK板）技术。2013年，山东大学侯和涛在PK板基础上研究了钢腹板预应力混凝土叠合板，2014年吴方伯等人对一个四边简支单向预应力双向配筋混凝土叠合楼板的大比例模型进行了试验，并对其变形特征、裂缝分布、破坏形态和极限承载力等进行了研究。上述研究表明，提高叠合楼板极限承载力的有效构造措施是增加地板刚度，即在底板上或下增加加强肋。现在的型式有钢筋桁架肋、倒T形混凝土带肋（PK板）、混凝土钢管桁架肋等。

3.试验研究内容及要点

本文拟采用轻钢龙骨作为加强肋，对叠合楼板受力性能进行研究。

尝试通过优化调整龙骨的间距，使得轻钢与混凝土组合的楼板承载力能大于施工荷载3.5KN/m2，满足工程实际需求。对轻钢混凝土叠合楼板进行抗弯力学性能试验，验证轻钢肋混凝土叠合楼板优劣。以期为轻钢肋混凝土叠合楼板设计提供科学参考。

4.轻钢龙骨骨架试验过程及数据分析

4.1轻钢龙骨骨架构造设计

型式一，普通轻钢龙骨叠合底板，布置纵横φ8@200底板钢筋;轻钢龙骨架采用纵向C100轻钢龙骨和横向U50轻钢龙骨;底板为厚度60mm 强度C40混凝土板。型式二，预应力轻钢龙骨叠合底板，布置纵向预应力钢筋，轻钢龙骨架采用纵向C100轻钢龙骨和横向U50轻钢龙骨;底板为厚度60mm 强度C40混凝土板。

確定构造设计后，进而对轻钢龙骨架试验件设计。基于市场调研结果，在生产厂家购买了C1OO×0.6×3000mm龙骨、C100×0.7×3000mm龙骨、U50×1.0×3000mm龙骨及支撑卡。因此根据龙骨的实际尺寸和胶合板尺寸设计了长3000mm宽1200mm以内的骨架。

骨架型式一：

轻钢龙骨骨架3000×1000mm，纵向龙骨布置采用C1OO×0.6×3000mm间距250mm，横向龙骨采用U50×1.0×3000mm间距250mm，纵向龙骨按照间距250mm在腹部人工开孔，横向龙骨穿孔后用螺栓固定。纵向龙骨开口方向在横向龙骨交接处加了支撑卡。

由于生产厂家对纵向龙骨只能按最小500mm间距在龙骨腹部开孔，所以龙骨腹部间距250mm的孔只能采用人工切割机切割开孔。因开孔不规则，横向龙骨穿孔后很松动，又用螺栓连接固定，但纵横龙骨交接处仍不紧密。

骨架型式二：

轻钢龙骨骨架3000×1000mm，纵向龙骨布置采用C1OO×0.6×3000mm间距250mm，横向龙骨采用U50×1.0×3000mm间距500mm，纵向龙骨生产制作时按照间距500mm在腹部机械冲孔。纵向龙骨开口方向每间距150加支撑卡。

骨架型式三：

轻钢龙骨骨架3000×1200mm，纵向龙骨布置采用C1OO×0.7×3000mm间距300mm，横向龙骨采用U50×1.0×3000mm间距500mm，纵向龙骨生产制作时按照间距500mm在腹部机械冲孔。纵向龙骨开口方向每间距150加支撑卡。

4.2轻钢龙骨架承载力试验

本试验目的是为了初探不同壁厚及间距的轻钢龙骨架的承载能力有何不同，以便选取其中一个轻钢龙骨骨架型式与混凝土底板组合成叠合底板。

试验方案：支座采用红砖摆放三层，上面放置预制混凝土梁，两个支座表面调平在一个标高，轻钢龙骨骨架放置在两支座上，支座净间距2500mm。

加载方式：轻钢龙骨骨架上面放置2400×1200mm胶合板，板重25KG。采用胶合板上均匀加载的方式，每次加载25KG，静置5分钟，再加载。

数据监测：轻钢龙骨跨中的下面安置千分表测挠度，每加载25KG静置5分钟，进行测量挠度。

骨架型式一试验：

在胶合板上放置荷载，由两边对称向跨中逐步加载，每次加载25kg，两边加载时变形小，中间加载时变形大，伴随着骨架变形挤压的嘎嘎响声，加载到450KG时挠度25mm，加载到475KG时纵向龙骨在中间位置瞬间发生弯折而破坏，纵向龙骨弯折处没有出现拉裂的现象，弯折处呈现腹部上部侧向及上翼边挤压扭曲变形状态。

骨架型式二试验：

在胶合板上放置荷载，由两边对称向跨中逐步加载，每次加载25kg，两边加载时变形小，中间加载时变形大，伴随着骨架变形挤压的嘎嘎响声，并且跨中的支撑卡逐渐发生崩掉现象，加载到600KG时挠度26mm，加载到625KG时纵向龙骨在中间位置瞬间发生弯折而破坏，纵向龙骨弯折处没有出现拉裂的现象，弯折处呈现腹部上部侧向及上翼边挤压扭曲变形状态。

骨架型式三试验：

在支座及胶合板上均放置荷载，由两边对称向跨中逐步加载，每次加载25kg，两边加载时变形小，中间加载时变形大，伴随着骨架变形挤压的嘎嘎响声，并且跨中的支撑卡发生松动现象，但并未崩掉，加载到1225KG时挠度26mm。本次试验并未继续加载到破坏。

4.3轻钢龙骨架试验结果分析

骨架型式一试验分析：①贯穿孔部分是自己人为手工开孔，贯穿孔部分纵横龙骨接触不好，仅靠螺栓传力，受力不均匀。②由于机械螺栓连接不紧密，横向龙骨处于可松动状态。③本次试验只在胶合板上加载，支座处没有加载。破坏时加载475KG，加上胶合板自重25KG，破坏荷载为2.04KN/m2。

骨架型式二试验分析：纵向龙骨腹部采用厂家冲压成孔，横向龙骨与纵向龙骨贯穿处接触紧实，此处安装支撑卡进一步固定。由于厂家技术所限开孔距离最小为500mm，横向龙骨数量为5根。破坏时加载625KG，加上胶合板自重25KG，破坏荷载为2.65KN/m2。本次试验虽然横向龙骨间距增加一倍、数量减少一半，但破坏荷载却增加了30%，说明横向龙骨贯穿纵向龙骨处接触紧实，能使横向龙骨很好地分担纵向龙骨的受力，增强了结构的整体性，会大大加强骨架的承载力。上述两次骨架破坏试验在破坏时，骨架均没有被拉裂，弯折处呈现腹部上部侧向及上翼边挤压扭曲变形状态，说明骨架是纵向龙骨失稳破坏。

骨架型式三试验分析：骨架型式三相较于型式一和二，纵向龙骨间距增加了50mm，纵向龙骨的壁厚增加了0.1mm。试验数据拟合曲线（P1=0.979 P2=1.025 P3=11.191）如图1所示，挠度与荷载重量显著正相关，但受弯破坏过程，未见明显屈服流幅，受荷过程轻钢龙骨表现硬钢特性。挠度为26mm时，加载1225KG，加上胶合板自重25KG，平均荷载为3.40KN/m2，本次不是破坏试验。即使不算支座处的荷载，只计算胶合板内的荷载，平均荷载3.23KN/m2。骨架型式三试验中最大非破坏荷载比骨架型式一和二试验的破坏荷载分别增加了58%和22%。说明纵向龙骨壁厚增加了16.7%（即0.1mm），在间距增大20%情况下（即50mm），单位面积实际用钢量减少情况下，荷载增幅较大。壁厚增加使纵向龙骨侧向稳定增强，抗失稳能力增强，其次支座加载荷载抵抗了支座反向弯矩，使得骨架承载能力加强。

根据以上三个试验分析，我们决定后面的轻钢龙骨叠合楼板承载力试验中，叠合楼板中的轻钢骨架选择轻钢骨架型式三。

5.轻钢龙骨叠合板承载力试验研究

5.1轻钢龙骨叠合板试验件设计制作

由于试验条件所限，本文试验只进行普通轻钢龙骨叠合楼板试验，并只对叠合底板进行承载力试验。叠合底板型式：轻钢龙骨骨架3000×1200mm，纵向龙骨布置采用C1OO×0.7×3000mm间距300mm，横向龙骨采用U50×1.0×3000mm间距500mm，纵向龙骨生产制作时按照间距500mm在腹部机械冲孔。纵向龙骨开口方向每间距150加支撑卡。底板为厚度60mm 强度C40混凝土板，其中布置纵横φ8@200底板钢筋。纵向龙骨腹部靠下翼边处按照间距200mm钻直径10mm圆孔，底板横向钢筋横穿此原孔。

支座采用红砖摆放三层，上面放置预制混凝土梁，两个支座表面调平在一个标高，支座净间距2500mm。支座上铺放塑料薄膜，两支座间支设模板，表面与支座面齐平，放置轻钢龙骨及底板钢筋网，保护层厚度为15mm再支侧模。混凝土配合比为水泥：砂：石为1：1.22：2.48，水泥采用42.5Mpa普通硅酸盐水泥，聚羧酸减水剂掺量为水泥用量的1%，水灰比0.4，采用人工搅拌，振捣器振捣。浇筑振捣后养护七天拆模。

5.2轻钢龙骨叠合板承载力试验

本试验目的是为了初探轻钢龙叠合底板的承载能力，以验证轻钢龙骨作为加强肋的可行性。加载方式：从两侧支座向跨中依次加载，每次加载50KG，静置5分钟，再加载。加载一层后再加载第二层。数据监测：轻钢龙骨跨中的下面安置千分表测挠度，每加载50KG静置5分钟，进行测量挠度。

叠合底板加载试验第一天，加载至28.91KN混凝土底板跨中出现裂纹，跨中饶度是12.75mm。继续加载至34.3KN，挠度21.6mm，因条件所限，停止加载。静置十天后叠合底板饶度稳定，继续加载至44.59KN（即4.55T）挠度59.1mm，静置第二天断裂。断裂处纵向轻钢龙骨下翼板及腹部下部已经被拉裂，纵向底板钢筋也被拉断。底板混凝土除中间断裂处外出现了12条横向裂缝。

5.3轻钢龙骨叠合板试验结果分析

根据试验记录结果，将叠合板荷载重量与变形量进行拟合，得图2（P1=1.109 P2=-3.525 P3=-29.368），可见在荷载重量不超过2000Kg时，叠合板变形量较小，超过2000Kg后，变形量急剧增加，尤其在4000Kg时，叠合板裂缝快速贯通，达到极限承载力。《混凝土结构设计规范》GB50010-2010中第3.3.2条规定，跨度小于7m的挠度限值不能超过跨度的1/200。本试验净跨2500mm，则挠度限值为12.5mm。查荷载与挠度对应曲线，加载是28.42KN时挠度是11.5mm。那么对应的平均荷载是7.894KN/m2。破坏时加载为44.59 KN，对应的平均荷载是14.863KN/m2。试验加载过程中，出现可见裂纹时荷载是28.91KN，开裂荷载达到了9.64KN/m2，抗裂性能较好。

6.结论

根据轻钢龙骨骨架及轻钢龙骨叠合楼板承载力试验结果及分析，可得结论如下：

1.轻钢龙骨骨架与钢筋混凝土结合的叠合底板承载力达到了7.894KN/m2，承载力增加了132%。即轻采用轻钢龙骨作为叠合底板的加强肋可行。

2.根据试验结果，轻钢龙骨骨架与轻钢叠合板受荷P-S曲线，均可用表达式y=（p1+p2*sqrt（x））^p3拟合表示，相关性强。叠合板出现可见裂缝时对应荷载9.64KN/m2，抗裂性能较好。

3.为提高工程经济效益，可考虑加大纵向轻钢龙骨的间距。對于大跨度的叠合楼板，可增大轻钢龙骨抗弯截面系数。

参考文献：

[1]侯和涛马天翔叶海登吕忠珑李国强波纹钢腹板预应力混凝土叠合板的抗弯性能试验研究[J].建筑钢结构进展，2013，15（06）：42-45;

[2]孟宪宏沙连凯佟林杨学会预应力带肋板与叠合板抗弯性能试验[J].沈阳建筑大学学报（自然科学报）2017，33（1）：77-85。

基金项目：四川交通职业技术学院院级科研项目“轻钢混凝土叠合楼板抗弯性能研究”项目编号：2019-560-09。

作者简介：

王莘晴（1988.9.4-），女，汉族，河南新乡人，硕士研究生，四川交通职业技术学院，讲师，研究方向为结构设计、灾害治理。

杜佳芝（1989.1.9），女，汉族，成都温江人，本科，四川交通职业技术学院，讲师，研究方向为建筑工程技术。

孟锦根（1970.5.5），男，汉族，四川中江人，本科，四川交通职业技术学院，副教授，研究方向为建筑工程技术。

迟亚海（1989.2.26），男，汉族，辽宁辽阳人，本科，四川交通职业技术学院，讲师，研究方向为机械制造与自动化。