楊 帆，張 童,2

(1.遼寧科技學(xué)院 資源與土木工程學(xué)院，遼寧 本溪 117004；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

0 前言

隨著人們生活質(zhì)量的提高，國家大力提倡綠色、環(huán)保、低碳的“雙碳”生活生產(chǎn)方式，促使建筑行業(yè)隨之轉(zhuǎn)型發(fā)展。建筑施工中的現(xiàn)澆整體式結(jié)構(gòu)工藝復(fù)雜、施工工期長(zhǎng)等缺點(diǎn)逐漸顯現(xiàn)，而裝配式結(jié)構(gòu)的節(jié)能環(huán)保、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)受到行業(yè)一致好評(píng)，但裝配式結(jié)構(gòu)整體性較差，特別是構(gòu)件與構(gòu)件之間的連接部位是裝配式結(jié)構(gòu)施工的最大難點(diǎn)，為了彌補(bǔ)二者不能忽略的劣勢(shì)，疊合結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生[1]。疊合結(jié)構(gòu)不僅具有良好的整體性能和抗震性能，同時(shí)能夠保證施工速度，節(jié)省人力物力財(cái)力，實(shí)現(xiàn)預(yù)制和現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，更有利于實(shí)現(xiàn)國家碳達(dá)峰和碳中和的“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)。

疊合結(jié)構(gòu)是一種新型的裝配整體式結(jié)構(gòu)，疊合板是重要的疊合構(gòu)件，國內(nèi)外對(duì)疊合板的研究包括疊合板面的抗剪性能，疊合板的整體性能以及不同節(jié)點(diǎn)處的抗震性能等。預(yù)制混凝土疊合板可按施工方法、受力過程、接觸面處理方式及預(yù)制底板與后澆層材料的不同進(jìn)行多種分類[2]。有的學(xué)者研究表明，疊合板具有整體性好、施工效率高和節(jié)約施工模板材料等明顯優(yōu)勢(shì)，發(fā)展前景較好[3]。

1 疊合板抗剪性能研究

混凝土疊合板是在預(yù)制底板上疊加一層現(xiàn)澆混凝土形成的一種分期澆筑的整體式結(jié)構(gòu)，預(yù)制底板與現(xiàn)澆板疊合面的受力性能對(duì)整體性能的影響起著至關(guān)重要的作用。早在1973年，國外學(xué)者Scott等[4]通過試驗(yàn)得到疊合板的極限承載力，進(jìn)而分析疊合面的抗剪強(qiáng)度，預(yù)制底板采用空心板，試驗(yàn)既沒有對(duì)疊合面進(jìn)行磨面處理，也沒有布置結(jié)合筋，但是研究結(jié)果表明，疊合板的上下結(jié)合面相互作用良好，即使在試驗(yàn)中加載到極限狀態(tài)，疊合板也沒有發(fā)生剪切破壞，具有良好的抗剪強(qiáng)度。同期國內(nèi)學(xué)者也對(duì)疊合面的處理方式進(jìn)行了研究，分別采用預(yù)留結(jié)合筋、毛面和刻槽面的處理方式[5]，與表面光滑的接觸面進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，接觸面粗糙或預(yù)留結(jié)合筋的方式的破壞強(qiáng)度均與同尺寸的整體現(xiàn)澆板相近，預(yù)留結(jié)合筋的抗剪強(qiáng)度更是高于整體現(xiàn)澆板，效果最好。而疊合面光滑的破壞強(qiáng)度極低，在試驗(yàn)過程中發(fā)生上下構(gòu)件脫離現(xiàn)象，效果最差。

在此基礎(chǔ)上，聶建國，等[6]嘗試研究疊合板面內(nèi)抗剪強(qiáng)度的影響因素，他們?cè)谠囼?yàn)中的疊合面采用了不同的黏結(jié)方式，在高強(qiáng)混凝土疊合板和普通混凝土之間進(jìn)行相互關(guān)聯(lián)的靜力加載試驗(yàn)，在這種構(gòu)造措施下得到地最終結(jié)果是疊合板依然能夠有效地避免剪切破壞，從而保證疊合面的完整性。同年李耀莊，等[7]提出一種新型疊合板形狀—倒T形，疊合面相較于矩形小了很多，接觸面是倒T形的翼緣部分。試驗(yàn)結(jié)果表明，該試件具有良好的整體性能，延性較好，但疊合面產(chǎn)生裂縫，抗剪強(qiáng)度計(jì)算還有待研究。

在研究疊合式結(jié)構(gòu)的影響時(shí)，除了疊合板面內(nèi)因素，亦可從外在角度入手，虞建成，等[8]不僅考慮混凝土收縮和徐變方向，也同樣研究了二期恒載以及活荷載效應(yīng)，包括溫度方面的因素等一系列的影響條件。試驗(yàn)結(jié)果表明，疊合面的黏聚力和表面粗糙程度比設(shè)置抗剪鋼筋影響更大，因此通過一定的界面處理，就能夠克服以上因素帶來的剪應(yīng)力影響。為了推動(dòng)疊合結(jié)構(gòu)的發(fā)展，山東大學(xué)的高云[9]分別對(duì)普通鋼桁架混凝土疊合板和預(yù)應(yīng)力帶肋混凝土疊合板做出理論分析及有限元分析，得到混凝土黏結(jié)-滑移本構(gòu)模型，疊加彎起鋼筋對(duì)普通鋼桁架混凝土疊合板抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)，證明其可用于不同強(qiáng)度混凝土疊合面的可行性。

2 疊合板整體性能

為了分析預(yù)應(yīng)力混凝土帶肋疊合板，且肋上設(shè)有孔洞的預(yù)制薄板的相關(guān)性能，學(xué)者們主要從承載力、剛度以及它的主要抗震性能方面進(jìn)行判斷，吳方伯，等[10]的預(yù)制板靜載試驗(yàn)可得到結(jié)論：預(yù)制帶肋的薄板和整澆板的受力性能基本一致，可將整澆板的計(jì)算方法應(yīng)用于疊合板計(jì)算。在進(jìn)行二次受力時(shí)，預(yù)制帶肋薄板的承載力影響小于實(shí)心平板。同年，吳方伯，等[11]又推導(dǎo)出了等效剛度公式和跨中撓度公式，兩端簡(jiǎn)支的預(yù)制帶肋薄板在均布荷載作用下，短期剛度可按0.85倍等效剛度取值。周緒紅，等[12]同樣認(rèn)為該結(jié)構(gòu)的預(yù)制薄板能夠與現(xiàn)澆板黏結(jié)良好，使疊合結(jié)構(gòu)具有較好的整體性能和抗震性能，是災(zāi)后重建的較好選擇。

20世紀(jì)60年代德國成功研制鋼筋桁架疊合板[13]，預(yù)制底板中鋼架桁架的存在，間接提高混凝土疊合板的整體性能。馬祥林[14]利用有限元分析軟件，完成了桁架鋼筋混凝土疊合板的受力性能研究。結(jié)果表明，桁架鋼筋的存在可以有效地提高疊合底板的整體剛度，進(jìn)而提高疊合底板的開裂荷載，降低撓度極值。同時(shí)也探究桁架鋼筋混凝土疊合底板受力機(jī)理的影響因素，其中影響較大的是底板厚度和混凝土強(qiáng)度，由此提出桁架鋼筋支撐的設(shè)置原則。近幾年，聶建國，等[15]進(jìn)一步研究桁架鋼筋對(duì)預(yù)制底板受力性能的影響，通過彎曲試驗(yàn)證明60 mm預(yù)制鋼筋桁架底板較薄，會(huì)降低疊合板受彎承載力，建議取消鋼筋桁架，增加底板厚度，從而提高預(yù)制底板剛度和承載力，減少鋼筋用量約26%，達(dá)到較好的經(jīng)濟(jì)效果。

鋼筋桁架混凝土疊合板經(jīng)濟(jì)適用跨度較小，王洪欣等[16]研發(fā)一種大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土帶肋疊合板并研究不同支撐條件下的力學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn)，由三塊預(yù)制帶肋底板密拼、疊合層整體澆筑的大型疊合板在相同荷載作用下，整體大板的跨中撓度是兩端簡(jiǎn)支單塊疊合板23.6%，兩端梁支座支撐形式的疊合板剛度和開裂荷載大于兩端簡(jiǎn)支的疊合板。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的呂雪原研究一種新型混凝土疊合板，配置預(yù)應(yīng)力鋼絲的活性粉末混凝土(RPC)疊合板[17]，這種疊合板有著開裂應(yīng)變大和抗壓強(qiáng)度高的優(yōu)勢(shì)，可廣泛應(yīng)用于我國大跨度結(jié)構(gòu)。相較于普通混凝土疊合板，RPC疊合板具有較好的整體工作性能，受壓和受彎極限應(yīng)變也遠(yuǎn)高于普通混凝土疊合板，受力性能良好。

3 疊合板節(jié)點(diǎn)抗震性能

疊合板節(jié)點(diǎn)連接處是結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，地震無規(guī)律的往復(fù)作用，極易導(dǎo)致建筑物承載力不足或節(jié)點(diǎn)部位較差的連接可靠性發(fā)生嚴(yán)重破壞甚至是連續(xù)倒塌[18]。陳適才，閆維明，王文明等[19-21]在2010-2012年間做了大量的低周反復(fù)加載試驗(yàn)，試驗(yàn)對(duì)象分別是疊合板-梁-柱的邊節(jié)點(diǎn)和中節(jié)點(diǎn)，試驗(yàn)?zāi)康氖潜容^疊合板節(jié)點(diǎn)和現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的抗震性能。試驗(yàn)采用控制力的加載方式對(duì)實(shí)際工程的現(xiàn)場(chǎng)試塊進(jìn)行加載。試驗(yàn)結(jié)果表明，邊節(jié)點(diǎn)和中節(jié)點(diǎn)的抗震性能良好，在節(jié)點(diǎn)耗能能力及剛度退化速度上表現(xiàn)稍優(yōu)于現(xiàn)澆混凝土，但其剪切面滑移和拼縫處寬度會(huì)對(duì)其性能造成影響，應(yīng)采取有效措施保證節(jié)點(diǎn)處強(qiáng)度。陳娟，等[22]對(duì)疊合板組合梁-鋼柱節(jié)點(diǎn)試件進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)處的連接件采用開孔鋼板具有較好的延性和抗震性能，現(xiàn)澆層應(yīng)用纖維抗裂高性能混凝土也可以提高疊合板組合梁-鋼柱節(jié)點(diǎn)處的抗震性能，為大跨度疊合板組合梁在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供設(shè)計(jì)依據(jù)。湖南大學(xué)謝鈺[23]以4個(gè)疊合梁柱節(jié)點(diǎn)和2個(gè)現(xiàn)澆梁柱節(jié)點(diǎn)為研究對(duì)象進(jìn)行低周反復(fù)加載試驗(yàn)。結(jié)果表明，在相同的條件下進(jìn)行承載力試驗(yàn)，兩種節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)結(jié)果相差非常小。但是在結(jié)構(gòu)一體性、剛度，以及耗能能力等參數(shù)方面現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)更優(yōu)越，但是疊合結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)一樣符合抗震要求，適用于抗震設(shè)計(jì)要求嚴(yán)格的區(qū)域。

除了水平疊合構(gòu)件，豎向承重疊合構(gòu)件近些年也在實(shí)際工程中得到廣泛應(yīng)用，清華大學(xué)的錢煒武[24]對(duì)鋼管混凝土疊合柱和鋼梁的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了抗震性能研究。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)主要在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)發(fā)生剪切破壞，但節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)出較好的耗能能力及抗震延性，有限元分析模型可以較好地預(yù)測(cè)鋼管混凝土疊合柱和鋼梁的節(jié)點(diǎn)的極限承載力和破壞形態(tài)，以此為基礎(chǔ)提出核心區(qū)變形恢復(fù)力模型。張文瑩，等[25]研究雙面疊合剪力墻水平節(jié)點(diǎn)的抗震性能，采用對(duì)比分析的研究方法，對(duì)疊合剪力墻節(jié)點(diǎn)構(gòu)件和現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)進(jìn)行豎向加載和循環(huán)剪切加載。試驗(yàn)結(jié)果表明雙面疊合剪力墻水平連接節(jié)點(diǎn)的抗剪承載力和現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)較為接近，剛度及耗能能力等各項(xiàng)抗震性能指標(biāo)較好。隔年吳曦，汪夢(mèng)甫[26]對(duì)疊合剪力墻三種新型節(jié)點(diǎn)的抗震性能進(jìn)行研究，連接處的節(jié)點(diǎn)鋼筋采用U型和螺旋箍筋，還有一種鋼板連接方式。三種新型節(jié)點(diǎn)都能夠?qū)B合剪力墻有效連接為一個(gè)整體，總體抗震性能良好，其中用鋼板連接疊合墻節(jié)點(diǎn)的傳力方式效果更好。

4 發(fā)展趨勢(shì)及展望

綜上所述，近年疊合結(jié)構(gòu)特別是疊合板在受力機(jī)理和抗震性能方面的研究及設(shè)計(jì)方法取得了一定成果，針對(duì)不同預(yù)制底板與現(xiàn)澆板的疊合面提出合理的界面處理措施，疊合板二次受力構(gòu)件的承載力計(jì)算及變形計(jì)算模型不斷成熟，疊合板梁板節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)安全可靠，能夠滿足工程需要，極大地促進(jìn)我國裝配式結(jié)構(gòu)和大跨度結(jié)構(gòu)的發(fā)展。雖然混凝土疊合板研究成果顯著，但是仍然有很多問題需要進(jìn)一步研究，目前疊合板的研究大多按照單向板進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)果配筋過大，導(dǎo)致資源浪費(fèi)、造價(jià)過高，實(shí)際工程中雙向受力疊合板更加普遍，計(jì)算模型有待完善。疊合結(jié)構(gòu)的抗震性能研究多采用低周反復(fù)加載試驗(yàn)方法，本質(zhì)上屬于靜力加載試驗(yàn)，不能完全反映疊合板在地震下的動(dòng)力性能，對(duì)于合理的抗震試驗(yàn)方法，需要進(jìn)一步研究。應(yīng)用新型智能材料和新型構(gòu)造形式的新型疊合板的受力計(jì)算及經(jīng)濟(jì)性問題，也是今后研究的重要方向。