拼接疊合樓板抗彎性能研究

翟偉，張偉林,沈小璞

(安徽建筑大學土木工程學院，合肥230022)

摘要：為研究拼接疊合樓板的抗彎性能，制作了兩塊預制板拼接、上面現(xiàn)澆疊合層的樓板進行實驗研究，并與混凝土材料、配筋率和尺寸相同的現(xiàn)澆樓板進行試驗對比。通過靜力試驗，獲得了兩種樓板的撓度和抗彎剛度，通過兩種樓板的試驗數(shù)據(jù)比較，得出拼接疊合樓板在采取構(gòu)造措施后可作為雙向板設計。利用matlab軟件計算了現(xiàn)澆樓板彈性階段的撓度，與實驗數(shù)據(jù)對比結(jié)果表明，在彈性階段現(xiàn)澆鋼筋混凝土現(xiàn)澆板與雙拼疊合樓板變形基本一致。

關(guān)鍵詞：裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；拼接疊合樓板；抗彎剛度；靜力加載試驗；雙向板設計

收稿日期：2014-10-16

作者簡介：翟偉(1989-)，男，碩士研究生，主要研究方向為混凝土結(jié)構(gòu)安全理論與應用。

中圖分類號：TU375.2

Study on Flexural Stiffness of Splicing Superimposed Slabs

ZHAI Wei,ZHANG Wei-lin,SHEN Xiao-pu

(School of Civil Engineering, Anhui Jianzhu University, Anhui, Hefei , 230601, China)

Abstract:To study the bending properties of two plates of stitching laminated spliced composite slab, we compared them by producing the same material of concrete, reinforcement ratio, size of slab and the cast-in-place board . We gained the deflection and bending stiffness of the two different slabs and compared the test data of stitching laminate floor with that of cast-in-place board through the static experiment of the two floors. The results shows that the splicing laminated floor can be designed as two-way slab by taking construction measures. The software of MATLAB was used to calculate the deflection of reinforced concrete slab, which shows that the deformation and the rigidity of cast-in-place reinforced concrete slab and splicing laminated floor concrete slab are basically consistent in elastic stage.

Key words:reinforced concrete structure, splicing superimposed floor slabs, bending stiffness, static loading test, two-way slabs' designing

0引言

現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是工程中的常用形式,這種現(xiàn)澆式結(jié)構(gòu)具有整體性好、剛度較大等優(yōu)點,但也存在諸多如工人勞動強度大、模板需求量多、工序相對繁瑣、施工周期長、生產(chǎn)難以形成工業(yè)化等缺點。為順應現(xiàn)代工程施工的發(fā)展需求,裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)已展現(xiàn)其卓越性能。裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)可以使結(jié)構(gòu)設計標準化、工業(yè)化;構(gòu)件生產(chǎn)不受季節(jié)影響,施工進度快;同時提高了結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、減少了模板的使用量,大大節(jié)約了鋼材或木材。然而這種結(jié)構(gòu)也存在諸多缺點,如整體性不足,抗?jié)B性、抗震性較差。為了提高結(jié)構(gòu)抗震性能,滿足結(jié)構(gòu)整體性,各種裝配式結(jié)構(gòu)體系應運而生,疊合式結(jié)構(gòu)就是其中之一。疊合樓板是疊合式結(jié)構(gòu)中的主要構(gòu)件,拼接疊合樓板的整體性能與抗震性能是疊合式結(jié)構(gòu)的研究熱點[1-2]。本文針對鋼筋混凝土拼接疊合樓板進行靜力試驗分析,并與現(xiàn)澆鋼筋混凝土板進行實驗對比,分析拼接疊合樓板的抗彎性能,為拼接疊合樓板設計提供依據(jù).

1拼接疊合板與現(xiàn)澆板的對比實驗

制作兩塊4150mm×3050mm鋼筋混凝土樓板，鋼筋混凝土現(xiàn)澆板記為B1，板厚120mm；兩塊預制板(2075mm×3050mm，厚度50mm)拼接成疊合樓板(以下簡稱為雙拼疊合板)記為B2，現(xiàn)澆厚度70mm。B1、B2配筋率相同，兩塊板短向3050mm鋼筋，28根；長向4150mm鋼筋，13根。所有鋼筋為6(HRB400)混凝土強度等級為C30，鋼筋HRB400，鋼筋直徑為6mm，而疊合板拼接處鋼筋布置采用HRB400直徑為6mm的鋼筋[3]。

試驗采用堆載法，試驗時將板四邊簡支在四條剛性梁上，梁支撐在四個角柱上。應變片與位移計布置如圖1所示。加載時，將荷載分為20級，如圖2所示。

實驗采用鐵塊加載,每個鐵塊為10.2kg,加載分為20級,第一至第二級加載為288塊,第三到第四級為144塊,第五到第六級為96塊,第七級至第二十級為288塊,荷載(含板自重)與級數(shù)圖如圖2所示。試驗現(xiàn)場如圖3所示。

根據(jù)實驗數(shù)據(jù),現(xiàn)澆樓板以及疊合樓板中測點1～5荷載位移試驗曲線如圖4、5所示。

如圖4所示,鋼筋混凝土現(xiàn)澆板在加載到10.37kN/m2之前處于彈性狀態(tài),荷載位移曲線基本成一條直線,加載至17級荷載即13.67kN/m2之前處于彈塑性狀態(tài),荷載位移曲線近似為直線,而荷載增加到16.37 kN/m2之后,鋼筋混凝土現(xiàn)澆板進入塑性狀態(tài)。

如圖5所示,雙拼疊合板在第6級荷載即10.37kN/m2之前基本處于線彈性狀態(tài),荷載位移變化是一個線性增長過程,抗彎剛度基本不變;自第七級荷載開始,由于荷載不斷加大,疊合板拼縫處的薄弱特點,導致雙拼疊合板的抗彎剛度急劇下降,疊合板進入塑性狀態(tài),破壞開裂情況加大。

將B1和B2的荷載試驗數(shù)據(jù)進行比較得出其曲線如圖6～10所示。

如圖6-10所示, 由于B1板是現(xiàn)澆鋼筋土板,B2板為雙拼疊合板,雙拼疊合樓板在第7級加載之前,疊合樓板幾乎處于彈性抗彎階段,剛開始和現(xiàn)澆鋼筋混凝土板的抗彎剛度比較接近,但是在第7級加載之后,雙拼疊合板拼縫處是通過連接鋼筋連接的,整個板進入彈塑性階段,抗彎剛度開始急劇下降,而B1板抗彎則剛度變化不大。

2鋼筋混凝土現(xiàn)澆板的彈性階段抗彎剛度及撓度分析研究

在各向異性板中只有各向同性和正交各向異性材料是可能用經(jīng)典方法求解的[4]。假定薄板的彈性主向和邊界平行,取坐標軸長邊為x軸，短邊為y軸。定解方程為

(1)

其中

u為混凝土泊松比;Es、Ec分別為鋼筋和混凝土的彈性模量;Icx、Isx分別為鋼筋和混凝土截面對于x軸為常量的中和軸的慣性矩;Icy、Isy分別為鋼筋和混凝土截面對于y軸為常量的中和軸的慣性矩;Dx、Dy鋼筋混凝土板的彎曲剛度。

將撓度和橫向荷載展開為雙三角函數(shù)形式

當D1=D2=D3時,上式可以簡化為

經(jīng)過計算得到

得到撓度為[5]

實驗中的板邊長為a=4150mm,b=3050mm。根據(jù)材料模量,計算出主軸剛度D1D2D3分別為D1=4519055967N/mm,D2=4481867477N/mm,D3=4500423309N/mm。

運用Matlab計算了在四邊簡支板均布荷載作用下各測點的撓度大小[6],將計算結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比,如圖11～15所示。由于理論計算時邊界條件設為理想鉸接狀態(tài),但試驗時,四邊支撐的邊梁并非完全剛性,支撐梁可能發(fā)生微小撓度和扭轉(zhuǎn),所以鋼筋混凝土板實測撓度較理論結(jié)果有所偏大。

3鋼筋混凝土疊合板的彈性階段抗彎剛度及撓度分析研究

由于拼接疊合板的中間縫隙影響導致抗彎剛度在兩個方向均有一定程度的降低,導致內(nèi)力重新分布,運用有限元軟件ansys對拼接疊合板兩個方向彈性階段的抗彎剛度進行有限元分析研究,分別在配筋率相同的現(xiàn)澆板和疊合板的長邊方向和短邊方向進行支撐,分析其撓度大小,運用結(jié)構(gòu)力學公式反算其主軸抗彎剛度D1、D2。具體得出的撓度大小如表1所示,有限元分析如圖16-23所示。

表1　Ansys撓度分析圖

圖16荷載為0.001N/mm2撓度圖短邊支撐(疊合板)

表2　oringe擬合斜率表

由于疊合板拼縫的影響導致疊合板剛度折減從而使疊合板的彎矩計算長度即等效計算長度有所變化,假定疊合板的等效厚度與現(xiàn)澆板的一樣均為120mm。那么在此情況下,等效計算長度可以通過計算得知

Lx=4400 ly=3300由上式計算得知

經(jīng)過計算得到

D1=4417580159N/mm,D2=4104887970N/mm,D3=4258364903N/mm

運用Matlab計算了在四邊簡支疊合板均布荷載作用下各測點的撓度大小,將計算結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比,如圖24～28所示。由于理論計算時邊界條件設為理想鉸接狀態(tài),但試驗時,四邊支撐的邊梁并非完全剛性,支撐梁可能發(fā)生微小撓度和扭轉(zhuǎn),所以鋼筋混凝土雙拼疊合板實測撓度較理論結(jié)果有所偏大。

4鋼筋混凝土疊合板內(nèi)力重分布

由于鋼筋混凝土疊合板等效計算長度的變化和等效彎矩計算系數(shù)的變化影響導致彎矩變化,經(jīng)過分析知

Mx=[mx*(lx)2+0.2*my*(ly)2]*q=797922.4q

My=[my*(ly)2+0.2*mx*(lx)2]*q=748748q

Mx′=[mx*(lx′)2+0.2*my*(ly′)2*q=772654.9994q

My′=[my*(ly′)2+0.2*mx*(lx′)2*q=822028.7811q

將其與規(guī)格相同的現(xiàn)澆板比較得到疊合板x方向的彎矩減少3.16%y方向的彎矩增加12%,所以相同規(guī)格的疊合板與現(xiàn)澆板在配筋的時候,疊合板的配筋應該在x方向的配筋減少3.19%y方向的配筋增加12%,由于長度方向剛度減小幅度大于短方向減小幅度從而導致短方向受力增大長方向受力減小所致。

5結(jié)論

(1)通過對雙拼疊合樓板與現(xiàn)澆鋼筋混凝土板荷載位移曲線分析比較,可以看出在彈性階段,兩種樓板撓度基本一致,且疊合樓板稍微偏大。在進入塑性階段后,隨著荷載的增加,疊合樓板撓度增加很快,抗彎剛度大幅度降低,這是由于拼縫處剛度削弱在荷載加大時混凝土加速開裂造成的。

(2)通過對現(xiàn)澆鋼筋混凝土板的理論分析與實驗對比可知,實驗結(jié)果和理論計算有一定誤差,原因是理論計算取的是理想鉸接狀態(tài),未考慮四邊支撐梁的撓度和扭轉(zhuǎn)因素對板位移的影響。

(3)相對于相同規(guī)格的現(xiàn)澆板,疊合板長方向的彎矩減少3.16%短方向的彎矩增加12%,所以相同規(guī)格的疊合板與現(xiàn)澆板在配筋的時候,疊合板的配筋應該在長方向的配筋減少3.16%短方向的配筋增加12%,這是由于長方向剛度減小幅度大于短方向減小幅度從而導致短方向受力增大長方向受力減小所致。

參考文獻

1張偉林,沈小璞,吳志新,等.疊合板式剪力墻T 型、L 型墻體抗震性能試驗研究[J].工程力學,2012,29(6):196-201.

2吳志新,張偉林,沈小璞.新型疊合式剪力墻試驗研究及抗震性能分析[J].安徽理工大學學報(自然科學版),2010,30(2):8-12.

3徐芝綸.彈性力學下冊[M].北京:高等教育出版社,1986:5-36.

4姜榮桂.鋼筋混凝土矩形板撓度的計算[J].重慶交通學院學報,1994,13(2):40-44.

5何仁斌.MATLAB6工程計算及應用[M].重慶:重慶大學出版社,2001.

6葉獻國,華和貴,徐天爽王,等,疊合板拼接構(gòu)造的試驗研究[J].工業(yè)建筑,2010,40(1):59-63.