夏立鵬，周盛光，李敬華，張黎飛，邸 博，鄭 愚

(1 東莞理工學(xué)院生態(tài)環(huán)境與建筑工程學(xué)院， 東莞 523808； 2 廣東華坤建設(shè)集團(tuán)有限公司， 東莞 523075)

0 引言

隨著裝配式建筑發(fā)展目標(biāo)的提出，工業(yè)集成化的生產(chǎn)方式在建筑業(yè)的開展越來越廣闊，建筑結(jié)構(gòu)中的裝配式預(yù)制構(gòu)件被大力推廣。鋼筋桁架混凝土疊合板是工程中應(yīng)用較為廣泛的一種樓板預(yù)制構(gòu)件，具有機(jī)械化程度高、質(zhì)量易控制、生產(chǎn)速度快、建設(shè)周期短等優(yōu)點[1]。但此類構(gòu)架存在疊合界面混凝土協(xié)同工作的性能[2]和拼縫的有效連接等問題[3-5]，針對以上問題，業(yè)內(nèi)已開展大量相關(guān)研究工作并取得一定進(jìn)展，但針對疊合板開裂后的受力問題相關(guān)研究較少。

近些年隨著預(yù)制工程項目的開展，較多工程施工過程中出現(xiàn)運輸?shù)浆F(xiàn)場后疊合板發(fā)生開裂的現(xiàn)象，導(dǎo)致了施工進(jìn)度的拖延。因此為探究開裂后疊合板的工作性能，本文對已開裂疊合板在施工吊裝工況下裂縫發(fā)展與完成澆筑后的正常使用荷載作用下的板底裂縫、應(yīng)變、位移等指標(biāo)進(jìn)行觀測。通過對比2塊開裂與1塊無裂縫疊合板跨中撓度和裂縫發(fā)展，評價已有裂縫對其工作性能的影響，同時驗證1塊板中開洞的疊合板是否能滿足正常使用狀態(tài)下的使用要求。

1 試驗方案

1.1 模型尺寸

試驗共選取3塊板，其中2塊在運輸過程中因不當(dāng)放置造成板體中部區(qū)域產(chǎn)生貫通裂縫。板編號、尺寸與配筋如表1所示，受力方向配筋位置見圖1。

圖1 板尺寸與桁架筋分布

試驗疊合板編號與尺寸 表1

針對已經(jīng)開裂的疊合板DH2820-1600-D選擇1塊相同尺寸的未開裂疊合板DH2820-1600進(jìn)行對比，分析已有裂縫對疊合板在模擬吊裝工況下和正常使用荷載作用下的受力與變形的影響。由于疊合板板中DH3220-2400-D有洞口且跨度較大，試驗進(jìn)行前，板體已經(jīng)產(chǎn)生較多條裂縫導(dǎo)致受力相對復(fù)雜，在吊裝工況下呈現(xiàn)雙向板受力形態(tài)，選取此板主要探究洞口對疊合板開裂損傷發(fā)展的影響。

疊合板預(yù)制與現(xiàn)澆部分均采用C30混凝土，混凝土材料屬性如表2所示。頂部與底部主要受力鋼筋均為φ8，鋼筋屈服強(qiáng)度475.3MPa，彈性模量211GPa。

混凝土材料屬性 表2

1.2 裂縫分布與測點布置

對于2塊已開裂的疊合板，由于運輸和堆放過程中板體主要為短向受力，因此初始裂縫均為短向彎曲受力導(dǎo)致的沿板體長方向的裂縫。其中疊合板DH3220-2400-D的裂縫由洞口向兩側(cè)板邊輻射發(fā)展，部分裂縫間已產(chǎn)生裂縫交叉，板體損傷較為嚴(yán)重，裂縫觀測點L1-1，L4-2，L5-2，L5-3，L7-2，L7-3的裂縫寬度均已超過《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010)[6](簡稱混規(guī))正常使用極限狀態(tài)的限值0.2mm，裂縫詳細(xì)分布如圖2所示。

試驗開始前通過測量對板底裂縫分布進(jìn)行記錄，為監(jiān)測板底裂縫在吊裝后的開展程度，沿裂縫發(fā)展每隔一定間隔布置裂縫寬度測點，測點分布如圖2所示。同時在板底布置應(yīng)變片監(jiān)測板底應(yīng)變變化，測點主要分布在洞口周邊開裂位置、跨中受力集中區(qū)，具體見圖3。

圖2 板底已有裂縫分布與裂縫測點布置

圖3 板底應(yīng)變測點布置

1.3 吊裝試驗

根據(jù)施工起吊要求，設(shè)置吊點位置如圖1所示，圖4為現(xiàn)場起吊與堆載。根據(jù)混規(guī)疊合板吊裝驗算要求，預(yù)制構(gòu)件吊裝驗算時應(yīng)將構(gòu)件自重乘以1.5的動力系數(shù)，因此對于板厚60mm的疊合板，板自重下的荷載為1.5kN/m2，若考慮吊裝動力系數(shù)1.5，板上需增加0.75kN/m2的荷載。實際加載過程中采用自重每袋0.4kN的膩子作為載重，控制均布荷載為0.768kN/m2，以此作為考慮吊裝工況動力作用對已開裂疊合板的影響。試驗過程如下：疊合板負(fù)重后緩緩起吊，待起吊平穩(wěn)后讀取板底裂縫寬度和應(yīng)變數(shù)值，吊裝完成后將疊合板放回原位，重新讀取裂縫寬度和應(yīng)變數(shù)值。

圖4 現(xiàn)場起吊與堆載

2 吊裝試驗結(jié)果

2.1 裂縫寬度

疊合板DH3220-2400-D與DH2820-1600-D吊裝前后的裂縫寬度變化如圖5所示。負(fù)重起吊后板底裂縫寬度均有不同程度增長，部分區(qū)域裂縫寬度已經(jīng)超過混規(guī)正常使用極限狀態(tài)的限值0.2mm。其中疊合板DH3220-2400-D洞口邊緣的測點L3-1，L3-2，L3-3，L4-2和L4-3裂縫寬度增加幅度較大，說明了板中洞口對疊合板裂縫控制的不利作用。

圖5 初始與吊裝下板底裂縫寬度

試驗過程中對疊合板DH2820-1600板底進(jìn)行觀測，未發(fā)現(xiàn)有肉眼可見的裂縫存在，表面未開裂疊合板在吊裝工況下能夠保證板體的完整良好。

2.2 板底應(yīng)變

吊裝前所有板底初始應(yīng)變均為零，為了觀察一次吊裝對板體的影響，吊裝完成卸掉負(fù)重后的殘余應(yīng)變見圖6。疊合板DH3220-2400-D除跨中測點5以外，其他測點經(jīng)過一次吊裝后均有殘余應(yīng)變產(chǎn)生，且最大殘余應(yīng)變值為1 000με左右。疊合板DH2820-1600-D在裂縫通過位置的測點1和測點8有明顯殘余應(yīng)變產(chǎn)生，而非開裂區(qū)域的測點應(yīng)變值基本無變化，說明一旦疊合板開裂或形成初始損傷，在吊裝作用下會使已開裂或產(chǎn)生損傷的區(qū)域裂縫進(jìn)一步發(fā)展，裂縫寬度增加，形成無法恢復(fù)的殘余應(yīng)變，使板體損傷進(jìn)一步加大。通過圖6(c)的疊合板DH2820-1600板底應(yīng)變值，發(fā)現(xiàn)吊裝后應(yīng)變數(shù)值均有一定增長，但最大值不超過10με，可以看出吊裝會造成未開裂疊合板產(chǎn)生少量殘余應(yīng)變，但相對已開裂疊合板DH3220-2400-D與DH2820-1600-D的殘余應(yīng)變值，基本可忽略。以上結(jié)果分析表明對完好的疊合板DH2820-1600按照設(shè)計吊點設(shè)置進(jìn)行吊裝，板體受力均勻且板底無損傷產(chǎn)生。若在板體已經(jīng)產(chǎn)生初始裂縫的情況下，仍按照傳統(tǒng)吊點設(shè)置，在正常吊裝工況下的板體已有損傷會累積增長，產(chǎn)生不可恢復(fù)的變形和損傷。

圖6 吊裝完成后疊合板板底殘余應(yīng)變

3 堆載試驗

3.1 試驗方案

在完成吊裝試驗后，對3塊疊合板按照設(shè)計與施工要求進(jìn)行上層配筋澆筑，澆筑C30商品混凝土，強(qiáng)度如表2所示?，F(xiàn)澆層厚度為70mm，其中在堆載試驗前觀測到疊合板DH3220-2400-D板體有二次運輸產(chǎn)生的裂縫，裂縫方向多為橫向，疊合板DH3220-2400-D與DH2820-1600-D原有裂縫與受力方向平行，根據(jù)單向板受力特點，此裂縫對截面剛度削弱較少，而疊合板DH3220-2400-D新增加橫向裂縫則對板彎曲剛度有一定影響。因此在新裂縫位置增加應(yīng)變測點，測點詳細(xì)布置如圖7所示。

圖7 DH3220-2400-D板底應(yīng)變跨中新增測點

按照設(shè)計功能要求的正常使用狀態(tài)確定樓面荷載，取附加恒荷載2.0kN/m2，活荷載2.0kN/m2，則根據(jù)荷載基本組合可得樓板總荷載設(shè)計值Sd=1.35×2+1.2×2=5.1kN/m2，依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50152—2012)[7]表7.3.3，計算出試驗時的最大加載量為6.12(1.2倍樓板總荷載設(shè)計值)～8.16kN/m2(1.6倍的樓板總荷載設(shè)計值)?，F(xiàn)場采用0.5kN水泥袋與0.25kN的混凝土長方體配重進(jìn)行堆載試驗，加載共分9次，對應(yīng)每級荷載分別為0.876kN/m2(DH3220-2400-D)和0.884kN/m2(DH2820-1600-D與DH2820-1600)，每級荷載持荷30min后讀取相應(yīng)觀測數(shù)據(jù)。板底位移測點如圖8所示。

圖8 板底位移測點

3.2 試驗結(jié)果

3.2.1 板底撓度

圖9為3塊疊合板試件的荷載-位移曲線，包括加載與卸載過程板底位移變化，3塊疊合板構(gòu)件均滿足混規(guī)對樓蓋正常使用情況下?lián)隙刃∮趌0/200(l0為計算跨度)的要求。其中圖9(a)為疊合板DH3220-2400-D 板底測點V3～V7的荷載-位移曲線，可以發(fā)現(xiàn)，卸載后大部分位置板位移基本可恢復(fù)，而跨中測點V3有較大殘余位移，說明板體局部受力較大區(qū)域仍會發(fā)生不可恢復(fù)變形。圖9(b)為疊合板DH2820-1600-D與DH2820-1600荷載-位移曲線對比，可以發(fā)現(xiàn)，最大試驗堆載荷載下疊合板 DH2820-1600-D 的板底位移略大于疊合板DH2820-1600，說明疊合板DH2820-1600-D的初始裂縫對其在正常使用荷載作用下板體的剛度和撓度有一定影響。卸載后2塊板體均有少量殘余變形，但其值小于疊合板DH3220-2400-D的變形，這主要與疊合板DH3220-2400-D的較大跨度且板中開洞的不利影響有關(guān)。

圖9 疊合板試件荷載-位移曲線

3.2.2 板底應(yīng)變

通過圖10(a)可以看出疊合板DH3220-2400-D在堆載過程中最大應(yīng)變出現(xiàn)在位于跨中與洞口邊緣附近的測點14(位置見圖7)，該位置彎矩較大且洞口邊緣應(yīng)力集中，這與板的單向受力作用和洞口位置影響基本吻合。從圖10(a)中可以看出，卸載后靠近跨中區(qū)域的測點6，7，14均有殘余應(yīng)變產(chǎn)生，測點14產(chǎn)生的殘余應(yīng)變最大，為1 387με，約為極限荷載下的1/2。圖10(b)為疊合板DH2820-1600-D與DH2820-1600的荷載-應(yīng)變曲線(測點位置見圖3)，加載過程中兩個疊合板試件的板底應(yīng)變均小于200με，除個別點位置超過100με，其他測點卸載后殘余應(yīng)變均處于較低水平。說明跨度較大且板中開洞的疊合板試件，在加載前已產(chǎn)生受力方向裂縫，其損傷在加載后產(chǎn)生累積，形成不可恢復(fù)的應(yīng)變和板底位移。而疊合板DH2820-1600-D與DH2820-1600在受力方向無初始損傷產(chǎn)生，因此對其受彎截面基本無削弱，在正常使用荷載加載下影響較小，疊合板仍具有良好的恢復(fù)性能。傳統(tǒng)疊合板在運輸過程中的墊木設(shè)置使其沿短向受力，易形成沿板長方向的裂縫，但大多預(yù)制樓板，由幾塊疊合板拼接安裝形成統(tǒng)一板體，原板長向裂縫與板間拼縫平行，對此類單向板由試驗結(jié)果可知形成的初始縱向裂縫對板體實際剛度和恢復(fù)能力影響較小。

圖10 疊合板試件荷載-應(yīng)變曲線

3.2.3 板底裂縫

圖11(圖中裂縫1表示圖7中測點1處的裂縫，余同)為疊合板荷載-裂縫寬度曲線，隨著荷載的增加，加載中后期裂縫寬度有一定增長，疊合板DH3220-2400-D的測點4裂縫寬度較大，最終接近0.2mm，其余四個測點能夠滿足正常使用狀態(tài)下對裂縫寬度的要求。疊合板DH2820-1600-D加載過程中未發(fā)現(xiàn)新的橫向裂縫產(chǎn)生，測點位置為板原有縱向裂縫，初始裂縫寬度已經(jīng)超過混規(guī)限值0.2mm的要求，裂縫寬度增加相對緩和，僅加載中后期裂縫寬度有小幅增長。

圖11 疊合板試件荷載-裂縫寬度曲線

4 撓度計算

基于本次堆載試驗結(jié)果，結(jié)合當(dāng)前中美兩國規(guī)范(混規(guī)、《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(SL 191—2008)[8](簡稱水工規(guī)范)、美國規(guī)范ACI 318-08[9])中抗彎剛度的計算方法，對本次試驗3塊疊合板在堆載荷載下的撓度進(jìn)行計算，對比其預(yù)測精度。試驗中3塊板均為單向受力，兩端為簡支支撐，其撓度f計算公式如下：

(1)

式中：qk為均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值；l0為計算跨度；B為短期彎曲剛度。

式(1)中對撓度的求解主要體現(xiàn)在彎曲剛度的確定。

混規(guī)對允許出現(xiàn)裂縫的鋼筋混凝土受彎構(gòu)件提出了剛度計算公式：

(2)

式中：Es為鋼筋彈性模量；As為鋼筋截面面積；h0為截面有效高度；ψ為裂縫間縱向受拉普通鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù)；αE=Es/Ec，Ec為混凝土彈性模量；ρ為縱向受拉鋼筋配筋率；γf′為受壓翼緣截面面積與腹板有效截面面積的比值。

水工規(guī)范提出開裂后的鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件的剛度計算公式如下：

(3)

式中：b為截面寬度；γf′,γf分別為受壓和受拉翼緣截面面積與腹板有效截面面積的比值；δ為消壓彎矩與彎矩標(biāo)準(zhǔn)值Mk的比值；其他字符含義同式(2)。

美國規(guī)范ACI 318-08采用有效慣性矩法計算鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的截面計算剛度EcIe，其中Ie為截面有效慣性矩，計算公式如下：

式中：Ig為不考慮鋼筋的混凝土毛截面對其重心軸的慣性矩；Ma為計算撓度時構(gòu)件最大彎矩；Mcr為開裂彎矩；Icr為開裂截面慣性矩。

其中疊合板DH3220-2400-D在計算時為單向受力且有跨中洞口削弱，因此其截面寬度b扣除洞口部分，三種規(guī)范計算結(jié)果與試驗值對比如表3所示。

中美規(guī)范疊合板跨中撓度計算值與試驗值對比 表3

由表3可知，三種規(guī)范計算方法均未能對疊合板撓度有良好的預(yù)測，除美國規(guī)范ACI 318-08對疊合板DH2820-1600與DH2820-1600-D撓度的預(yù)測值小于實際值外，其他規(guī)范計算結(jié)果均大于實際撓度?；煲?guī)的計算公式對本次簡支疊合板在堆載作用下的跨中撓度預(yù)測更加接近實際撓度。水工規(guī)范計算的板體跨中撓度要遠(yuǎn)大于試驗實際結(jié)果，其精度最低。分析認(rèn)為加載前除疊合板DH3420-2400-D有橫向裂縫存在外，其余疊合板初始裂縫均為沿板縱向裂縫，平行于板受力方向，且在整個加載過程都未發(fā)現(xiàn)橫向開裂，導(dǎo)致水工規(guī)范的計算結(jié)果偏大。

5 結(jié)論

通過對3塊疊合板進(jìn)行吊裝與堆載兩種工況下的試驗，分析板體裂縫開裂程度、板底應(yīng)變、板底撓度的變化情況，探究已有裂縫對板體在相應(yīng)工況下的影響以及損傷的發(fā)展情況，對比現(xiàn)有撓度計算方法的準(zhǔn)確性，得到結(jié)論如下：

(1)吊裝工況下疊合板板底已有裂縫寬度增加且跨中和洞口邊緣裂縫寬度增加幅度較大。一次吊裝后板底原有裂縫會形成殘余應(yīng)變造成永久損傷，因此生產(chǎn)與施工中應(yīng)盡量避免多次重復(fù)吊裝。

(2)通過堆載試驗發(fā)現(xiàn)，疊合板在正常使用荷載作用下，板底撓度能夠滿足混規(guī)限值要求。卸載后疊合板大部分區(qū)域表現(xiàn)出良好的變形恢復(fù)能力。其中疊合板DH3220-2400-D洞口與跨中局部區(qū)域有殘余撓度變形，且該區(qū)域裂縫有較大殘余應(yīng)變，原有初始裂縫部分區(qū)域裂縫寬度已經(jīng)超過混規(guī)限值0.2mm，而后期澆筑過程產(chǎn)生的橫向裂縫在加載過程中其寬度能夠滿足混規(guī)裂縫寬度限值要求。

(3)疊合板DH2820-1600-D與DH2820-1600均未發(fā)現(xiàn)橫向彎曲裂縫，在正常使用荷載范圍內(nèi)具有較為接近的受力性能。但通過荷載-位移曲線可以發(fā)現(xiàn)帶有初始裂縫的疊合板變形較大，說明疊合板的初始縱向裂縫對疊合板長方向初始彎曲剛度仍有一定影響。

(4)對比中美規(guī)范中三種針對受彎構(gòu)件的撓度計算方法，發(fā)現(xiàn)混規(guī)對試驗疊合板跨中撓度預(yù)測較為準(zhǔn)確，但現(xiàn)有疊合板撓度計算方法仍需進(jìn)一步研究以提高預(yù)測精度。而由于板體產(chǎn)生的初始縱向裂縫與實際堆載時板體受力方向平行，因此對彎曲受力方向截面無削弱作用，導(dǎo)致水工規(guī)范提出的已開裂彎曲構(gòu)件剛度公式的計算值遠(yuǎn)大于試驗結(jié)果。