轻钢保温叠合混凝土楼板静力荷载试验研究

陈建中， 王腾飞*， 张永举

(1.河南省第二建设集团有限公司， 河南 新乡 453002； 2.河南清水建设科技有限公司， 河南 新乡 453002)

随着社会的进步和发展，农村住房的舒适性和节能性要求也越来越高，各类轻钢别墅建筑也纷纷呈现。与这些轻钢别墅建筑相配套的楼板，基本还是普通钢筋混凝土或轻钢梁加薄混凝土板结构，普遍存在隔音、保温、节能、居住舒适性差等问题。新型轻钢保温叠合混凝土楼板是新型复合材料楼板，与传统的全现浇或预制楼板相比，结构自重轻，施工方便，节省钢筋、混凝土和模板用量，制作工业化，施工装配化。因此，新型轻钢保温叠合混凝土楼板既具有预制板施工快速和缩短工期的优点，又具有现浇板整体刚度大、抗裂、抗震性能好的优点，同时还具有保温节能、隔音等优点。

国内学者对钢筋混凝土叠合楼板进行了大量研究。聂建国等对4块高强混凝土叠合板和6块普通混凝土叠合板进行了试验研究，讨论了不同叠合面作法对叠合板抗剪性能的影响[1]。韩菊红等通过对13块钢筋混凝土叠合板在集中荷载作用下的受冲切试验研究[2]，分析了板的受力机理及破坏形态。赵国辉等对叠合楼板进行了施工阶段的均布荷载试验研究[3]，对叠合板的受力开裂状况和挠度变化规律进行了分析。余泳涛等通过对10块简支板的静力加载试验，研究了单缝密拼钢筋混凝土叠合板的破坏形态、刚度、裂缝和承载力。Varthananthan等[4]对用于轻钢框架结构中的一种内衬石膏板，以焊接卷边槽钢为承重骨架的轻质组合楼板进行了研究，并与传统结构进行了比较。Wellman等[5]对薄型组合楼板体系(由一组钢梁、带肋钢板和轻质混凝土组合而成)进行了负重下的结构响应试验研究。

验证结构安全性能最为直观、可靠、稳定的检测方法是荷载试验[6]。本文以实际工程项目为背景，针对新型轻钢保温叠合混凝土楼板承载能力、抗弯性能开展研究，采用最为直观、可靠、稳定的荷载静力试验来研究此楼板的受力性能。

1 试验概况

1.1 试验试件

新型轻钢保温叠合混凝土楼板为非均质材料，试件比例过小会导致失真，而且构造也很难模拟，为了使试验更加真实，试验采用了等比例的试件。

试验楼板的长度为3.9 m，宽度为1.2 m，板厚为200 mm。楼板上层为60 mm厚钢筋混凝土，混凝土强度等级为C30；下层板厚140 mm，由1 mm厚镀锌钢板轧制而成的C型钢与EPS泡沫复合而成。楼板横截面如图1所示。该楼板主要用于低层住宅建筑，恒载设计值为2 kN/m2，板的自重为750 kg。

图1 楼板横截面图

1.2 试验方案

在楼板上表面混凝土层贴混凝土应变片，用于测试各级荷载作用下和卸载后楼板混凝土应变的变化情况。试件采用均布荷重块堆载法，荷重块按区格成垛堆放，一层12个荷重块(其中单个荷重块23 kg)，楼板加载采用荷重块直接加载来模拟荷载，第一级荷载放12块荷重块，此后每级加12块，到10级以后，每级加6块荷重块。在楼板上表面贴上9个混凝土应变片，分别布置在板跨中、双向四分点位置处，每个位置布置3个应变片。在楼板下表面C型钢处贴钢筋应变片，用于测试各级荷载作用下和卸载后楼板应变的变化情况。采用电阻式应变片和静态应变仪测试，共布置12个应变测试点，分别布置在板跨中、双向四分点位置与C型钢交叉处，每个位置布置1个应变片，所有的应变测点均布置在楼板C型钢的下表面。在楼板四周边缘处设置10个位移计，用于测试在各级荷载作用下和卸载后楼板挠度的变化情况。测试仪表为精密百分表，共布置10个挠度测点，分别布置在板跨中、双向四分点位置处。具体布置情况如图2和图3所示。

图2 楼板顶板位移计应变片及底面钢筋应变片分布图

图3 应变片布置现场图

2 试验结果和分析

2.1 主要受力情况

载荷实验现场如图4所示。试验结果如表1所示。

图4 荷载试验现场图

加载等级分级荷载/N各测点变形值 /mm1#2#3#4#5#6#7#8#9#10#最大挠度/mm12 698.92-0.10-0.80-1.00-0.80-0.10-0.10-0.80-1.00-0.80-0.10-0.9025 397.84-0.20-1.60-2.10-1.50-0.20-0.20-1.50-2.00-1.60-0.30-1.9038 096.76-0.30-2.50-3.30-2.40-0.30-0.30-2.50-3.30-2.60-0.50-3.00410 795.68-0.60-3.50-4.70-3.50-0.60-0.50-3.60-4.80-3.80-0.80-4.15513 494.60-0.90-5.10-6.80-5.00-0.80-0.80-5.20-7.00-5.50-1.20-6.00616 193.52-1.30-6.70-9.00-6.60-1.10-1.00-6.90-9.30-7.20-1.70-7.95718 892.44-1.60-8.40-11.40-8.40-1.30-1.20-8.70-11.90-9.20-2.20-10.20821 591.36-2.00-10.80-14.80-10.70-1.60-1.50-11.20-15.40-11.80-2.80-13.25924 290.28-2.50-13.30-18.30-13.10-1.80-1.80-13.90-19.20-14.60-3.30-16.651026 989.20-3.20-15.40-21.30-15.20-1.90-2.10-16.10-22.40-16.90-3.80-19.451128 338.66-4.00-16.90-23.40-16.80-2.20-2.30-17.70-24.60-18.60-4.30-21.301229 688.12-4.30-18.00-25.00-17.90-2.30-2.50-18.90-26.00-20.00-4.50-22.501331 037.58-4.50-19.00-26.60-19.00-2.40-2.70-20.10-27.80-21.20-4.80-24.051432 387.04-4.70-20.70-29.10-21.00-2.50-2.90-21.90-30.30-23.30-5.10-26.301533 736.50-5.00-22.30-31.20-22.40-2.60-3.10-23.30-32.40-24.90-5.30-28.201635 085.96-5.20-23.60-33.10-23.80-2.90-3.40-24.70-34.20-26.20-5.40-29.801736 435.42-5.50-25.10-34.90-25.00-2.90-3.60-26.00-36.10-27.60-5.70-31.451837 784.88-5.80-26.30-36.60-26.30-3.20-3.90-27.40-38.00-29.00-6.00-33.05

续表1 持荷后各测点变形值及最大挠度汇总表

当加载到最后一个等级，即22级时，荷载为43.18 kN，试验结束。此时，该楼板状况良好，但楼板边缘C钢板发生变形，具体情况如图5所示。

图5 试验完成现场图

2.2 板上跨中荷载-挠度曲线的分析

选择图3中从左到右5个位置的位移计数据平均值，根据各个位置的挠度画出荷载挠度曲线，如图6所示。

图6 荷载挠度曲线

加载过程中，荷载和挠度基本呈线性变化，轻质楼板基本处于弹性工作状态。但是根据混凝土结构设计规范GB 50010—2010可计算此楼板的最大挠度限值为19.5 mm，从表1中可以得到，其设计正常使荷载下(2 000 N/m2，合计荷载8 784 N)所对应的楼板最大挠度为3.32 mm(利用差分法计算)，达到正常使用极限状态挠度限值19.5 mm时，所对应的荷载等级为10级(26 989.20 N),以后随着荷载的不断增加，楼板跨中最大挠度也呈线性增大，直至试验停止。

2.3 荷载-应变的关系

试件混凝土的荷载应变曲线如图7所示，数据来自混凝土应变片的平均值。钢板的荷载应变曲线如图8所示，数据来自跨中4个应变片的数值。

图7 混凝土的荷载应变

图8 钢板荷载应变图

图7和图8表明，荷载应变曲线基本上是线性变化的，这个特点在钢板及混凝土上都有表现。混凝土的荷载应变曲线显示为负值，所以受压，但在9级到10级时，中间的混凝土荷载突然加大，随后又恢复正常，这个试验阶段中试验楼板发出了劈裂声。钢板的荷载应变曲线显示应变为正值，所以为受拉，而且各应变测点的应变数据随着荷载的增加整体呈线性增长趋势，但曲线中存在少许测点数据不稳定的现象，比如应变突然增大或者减小，可能是由于轻钢保温叠合楼板的整体刚度较小，加载上不完全均匀或者外界扰动，都可能对其造成影响。

3 结 语

(1)新型轻钢保温叠合楼板的破坏为弯曲破坏，其正常使用的极限承载力远远大于住宅工程楼板的设计承载能力，叠合板在破坏前能充分变形，属于大挠曲塑性破坏，能够保证结构使用的安全性。

(2)新型轻钢保温叠合楼板叠合面能提供足够的抗剪强度，充分发挥了上部混凝土的抗压性能和下部C型钢的抗拉性能，具有较好的协调变形共同受力特点。

(3)在加载至22级时，试验楼板没有发生明显的裂纹，只是局部C型钢变形过大，抗弯性能良好。