混凝土叠合板受力性能研究综述

杨 帆，张 童,2

(1.辽宁科技学院 资源与土木工程学院，辽宁 本溪 117004；2.辽宁工程技术大学 土木工程学院，辽宁 阜新 123000)

0 前言

随着人们生活质量的提高，国家大力提倡绿色、环保、低碳的“双碳”生活生产方式，促使建筑行业随之转型发展。建筑施工中的现浇整体式结构工艺复杂、施工工期长等缺点逐渐显现，而装配式结构的节能环保、施工速度快等优点受到行业一致好评，但装配式结构整体性较差，特别是构件与构件之间的连接部位是装配式结构施工的最大难点，为了弥补二者不能忽略的劣势，叠合结构应运而生[1]。叠合结构不仅具有良好的整体性能和抗震性能，同时能够保证施工速度，节省人力物力财力，实现预制和现浇结构的优势互补，更有利于实现国家碳达峰和碳中和的“双碳”战略目标。

叠合结构是一种新型的装配整体式结构，叠合板是重要的叠合构件，国内外对叠合板的研究包括叠合板面的抗剪性能，叠合板的整体性能以及不同节点处的抗震性能等。预制混凝土叠合板可按施工方法、受力过程、接触面处理方式及预制底板与后浇层材料的不同进行多种分类[2]。有的学者研究表明，叠合板具有整体性好、施工效率高和节约施工模板材料等明显优势，发展前景较好[3]。

1 叠合板抗剪性能研究

混凝土叠合板是在预制底板上叠加一层现浇混凝土形成的一种分期浇筑的整体式结构，预制底板与现浇板叠合面的受力性能对整体性能的影响起着至关重要的作用。早在1973年，国外学者Scott等[4]通过试验得到叠合板的极限承载力，进而分析叠合面的抗剪强度，预制底板采用空心板，试验既没有对叠合面进行磨面处理，也没有布置结合筋，但是研究结果表明，叠合板的上下结合面相互作用良好，即使在试验中加载到极限状态，叠合板也没有发生剪切破坏，具有良好的抗剪强度。同期国内学者也对叠合面的处理方式进行了研究，分别采用预留结合筋、毛面和刻槽面的处理方式[5]，与表面光滑的接触面进行对比分析。结果表明，接触面粗糙或预留结合筋的方式的破坏强度均与同尺寸的整体现浇板相近，预留结合筋的抗剪强度更是高于整体现浇板，效果最好。而叠合面光滑的破坏强度极低，在试验过程中发生上下构件脱离现象，效果最差。

在此基础上，聂建国，等[6]尝试研究叠合板面内抗剪强度的影响因素，他们在试验中的叠合面采用了不同的黏结方式，在高强混凝土叠合板和普通混凝土之间进行相互关联的静力加载试验，在这种构造措施下得到地最终结果是叠合板依然能够有效地避免剪切破坏，从而保证叠合面的完整性。同年李耀庄，等[7]提出一种新型叠合板形状—倒T形，叠合面相较于矩形小了很多，接触面是倒T形的翼缘部分。试验结果表明，该试件具有良好的整体性能，延性较好，但叠合面产生裂缝，抗剪强度计算还有待研究。

在研究叠合式结构的影响时，除了叠合板面内因素，亦可从外在角度入手，虞建成，等[8]不仅考虑混凝土收缩和徐变方向，也同样研究了二期恒载以及活荷载效应，包括温度方面的因素等一系列的影响条件。试验结果表明，叠合面的黏聚力和表面粗糙程度比设置抗剪钢筋影响更大，因此通过一定的界面处理，就能够克服以上因素带来的剪应力影响。为了推动叠合结构的发展，山东大学的高云[9]分别对普通钢桁架混凝土叠合板和预应力带肋混凝土叠合板做出理论分析及有限元分析，得到混凝土黏结-滑移本构模型，叠加弯起钢筋对普通钢桁架混凝土叠合板抗剪强度的贡献，证明其可用于不同强度混凝土叠合面的可行性。

2 叠合板整体性能

为了分析预应力混凝土带肋叠合板，且肋上设有孔洞的预制薄板的相关性能，学者们主要从承载力、刚度以及它的主要抗震性能方面进行判断，吴方伯，等[10]的预制板静载试验可得到结论：预制带肋的薄板和整浇板的受力性能基本一致，可将整浇板的计算方法应用于叠合板计算。在进行二次受力时，预制带肋薄板的承载力影响小于实心平板。同年，吴方伯，等[11]又推导出了等效刚度公式和跨中挠度公式，两端简支的预制带肋薄板在均布荷载作用下，短期刚度可按0.85倍等效刚度取值。周绪红，等[12]同样认为该结构的预制薄板能够与现浇板黏结良好，使叠合结构具有较好的整体性能和抗震性能，是灾后重建的较好选择。

20世纪60年代德国成功研制钢筋桁架叠合板[13]，预制底板中钢架桁架的存在，间接提高混凝土叠合板的整体性能。马祥林[14]利用有限元分析软件，完成了桁架钢筋混凝土叠合板的受力性能研究。结果表明，桁架钢筋的存在可以有效地提高叠合底板的整体刚度，进而提高叠合底板的开裂荷载，降低挠度极值。同时也探究桁架钢筋混凝土叠合底板受力机理的影响因素，其中影响较大的是底板厚度和混凝土强度，由此提出桁架钢筋支撑的设置原则。近几年，聂建国，等[15]进一步研究桁架钢筋对预制底板受力性能的影响，通过弯曲试验证明60 mm预制钢筋桁架底板较薄，会降低叠合板受弯承载力，建议取消钢筋桁架，增加底板厚度，从而提高预制底板刚度和承载力，减少钢筋用量约26%，达到较好的经济效果。

钢筋桁架混凝土叠合板经济适用跨度较小，王洪欣等[16]研发一种大跨度预应力混凝土带肋叠合板并研究不同支撑条件下的力学性能。研究发现，由三块预制带肋底板密拼、叠合层整体浇筑的大型叠合板在相同荷载作用下，整体大板的跨中挠度是两端简支单块叠合板23.6%，两端梁支座支撑形式的叠合板刚度和开裂荷载大于两端简支的叠合板。哈尔滨工业大学的吕雪原研究一种新型混凝土叠合板，配置预应力钢丝的活性粉末混凝土(RPC)叠合板[17]，这种叠合板有着开裂应变大和抗压强度高的优势，可广泛应用于我国大跨度结构。相较于普通混凝土叠合板，RPC叠合板具有较好的整体工作性能，受压和受弯极限应变也远高于普通混凝土叠合板，受力性能良好。

3 叠合板节点抗震性能

叠合板节点连接处是结构的薄弱环节，地震无规律的往复作用，极易导致建筑物承载力不足或节点部位较差的连接可靠性发生严重破坏甚至是连续倒塌[18]。陈适才，闫维明，王文明等[19-21]在2010-2012年间做了大量的低周反复加载试验，试验对象分别是叠合板-梁-柱的边节点和中节点，试验目的是比较叠合板节点和现浇结构节点的抗震性能。试验采用控制力的加载方式对实际工程的现场试块进行加载。试验结果表明，边节点和中节点的抗震性能良好，在节点耗能能力及刚度退化速度上表现稍优于现浇混凝土，但其剪切面滑移和拼缝处宽度会对其性能造成影响，应采取有效措施保证节点处强度。陈娟，等[22]对叠合板组合梁-钢柱节点试件进行拟静力试验，研究发现节点处的连接件采用开孔钢板具有较好的延性和抗震性能，现浇层应用纤维抗裂高性能混凝土也可以提高叠合板组合梁-钢柱节点处的抗震性能，为大跨度叠合板组合梁在实际工程中的应用提供设计依据。湖南大学谢钰[23]以4个叠合梁柱节点和2个现浇梁柱节点为研究对象进行低周反复加载试验。结果表明，在相同的条件下进行承载力试验，两种节点的试验结果相差非常小。但是在结构一体性、刚度，以及耗能能力等参数方面现浇节点表现更优越，但是叠合结构的节点一样符合抗震要求，适用于抗震设计要求严格的区域。

除了水平叠合构件，竖向承重叠合构件近些年也在实际工程中得到广泛应用，清华大学的钱炜武[24]对钢管混凝土叠合柱和钢梁的节点进行了抗震性能研究。试验结果发现主要在节点核心区发生剪切破坏，但节点表现出较好的耗能能力及抗震延性，有限元分析模型可以较好地预测钢管混凝土叠合柱和钢梁的节点的极限承载力和破坏形态，以此为基础提出核心区变形恢复力模型。张文莹，等[25]研究双面叠合剪力墙水平节点的抗震性能，采用对比分析的研究方法，对叠合剪力墙节点构件和现浇节点进行竖向加载和循环剪切加载。试验结果表明双面叠合剪力墙水平连接节点的抗剪承载力和现浇节点较为接近，刚度及耗能能力等各项抗震性能指标较好。隔年吴曦，汪梦甫[26]对叠合剪力墙三种新型节点的抗震性能进行研究，连接处的节点钢筋采用U型和螺旋箍筋，还有一种钢板连接方式。三种新型节点都能够将叠合剪力墙有效连接为一个整体，总体抗震性能良好，其中用钢板连接叠合墙节点的传力方式效果更好。

4 发展趋势及展望

综上所述，近年叠合结构特别是叠合板在受力机理和抗震性能方面的研究及设计方法取得了一定成果，针对不同预制底板与现浇板的叠合面提出合理的界面处理措施，叠合板二次受力构件的承载力计算及变形计算模型不断成熟，叠合板梁板节点设计安全可靠，能够满足工程需要，极大地促进我国装配式结构和大跨度结构的发展。虽然混凝土叠合板研究成果显著，但是仍然有很多问题需要进一步研究，目前叠合板的研究大多按照单向板进行设计，设计结果配筋过大，导致资源浪费、造价过高，实际工程中双向受力叠合板更加普遍，计算模型有待完善。叠合结构的抗震性能研究多采用低周反复加载试验方法，本质上属于静力加载试验，不能完全反映叠合板在地震下的动力性能，对于合理的抗震试验方法，需要进一步研究。应用新型智能材料和新型构造形式的新型叠合板的受力计算及经济性问题，也是今后研究的重要方向。