彭亞萍 王文超 金 鵬 李泓霖 史 壘

(上海應用技術(shù)大學城市建設與安全工程學院， 上海 201418)

大力發(fā)展裝配式建筑是目前我國推動建筑工業(yè)化進程、促進建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要舉措。裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中，樓蓋是最易于實現(xiàn)預制裝配化的部分，疊合樓蓋兼具裝配化的優(yōu)勢和現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)良好的整體性能，在裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中得到廣泛應用。

實際工程中，混凝土預制底板的側(cè)向拼縫方式?jīng)Q定著疊合板的整體工作性能，現(xiàn)行的 JGJ 1—2014《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[1]給出了適用于雙向板的“后澆帶式拼縫”和適用于單向板的“分離式拼縫”兩種形式?！昂鬂矌狡纯p”需要預制底板四周預留外伸鋼筋，給生產(chǎn)、堆放、運輸和吊裝施工造成較大不便，預留后澆帶，現(xiàn)場施工需要支設模板，增加成本和工期，且施工質(zhì)量難以得到保證，不能顯現(xiàn)裝配式結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。采用“分離式拼縫”的疊合板，板側(cè)無需設外伸鋼筋，板縫密拼，施工簡便，但難以滿足板的雙向傳力要求。

近年來國內(nèi)學者對混凝土密拼疊合板的受彎性能開展了試驗研究和有限元分析，吳方伯等、顏峰等的研究表明在拼縫處疊合面設置附加筋對提高樓板的承載力、剛度、抗裂性能效果明顯[2-3]。惲燕春等研究了桁架鋼筋間距、附加筋數(shù)量及搭接長度對密拼疊合板承載力的影響[4]。吳方伯等提出了將附加筋做成連續(xù)的蛇形，可以起到較好的防裂效果，能使疊合層剛度分布更加均勻[5]。余泳濤等的研究發(fā)現(xiàn)在拼縫處設置桁架鋼筋可有效控制疊合面的剝離破壞，并提高疊合面垂直于拼縫方向的剛度和承載力[6]。上述研究均表明疊合板通過合理設置桁架筋和附加筋的形式、數(shù)量、搭接長度可以實現(xiàn)雙向傳力，但存在承載能力略有下降、樓板剛度明顯降低、裂縫集中、混凝土疊合面易發(fā)生剝離破壞的缺陷，難以實現(xiàn)“等同現(xiàn)澆”的效果[2-9]。

為此，作者團隊提出纖維增強復材-混凝土雙向疊合樓板方案，通過在板底部跨縫粘貼纖維條帶來加強預制底板之間的傳力，增強密拼連接的整體性。通過合理設置纖維條帶及附加筋可以合理控制疊合板的厚度，取消后澆帶，減少施工工序，降低建造成本，提高生產(chǎn)效率。

模擬實際工程中樓板多為不等邊的矩形，周邊均有梁支承，設計了6塊四邊簡支的矩形密拼混凝土雙向疊合樓板試件，開展靜力加載對比試驗，對采用碳纖維條帶增強的單縫密拼雙向疊合板的受力特點和破壞形態(tài)、承載特性、抗彎剛度和裂縫發(fā)展等進行了研究，結(jié)果證明碳纖維增強復材能在混凝土疊合板中有效發(fā)揮作用，碳纖維增強復材-混凝土密拼雙向疊合板的受彎承載能力滿足要求，抗彎剛度較之普通密拼疊合板明顯提高，裂縫開展延緩減小。

1 纖維增強復材-混凝土密拼疊合板復合結(jié)構(gòu)

采用纖維增強復材的雙向疊合板密拼接縫構(gòu)造如圖1所示，拼縫處底面粘貼纖維條帶，形成纖維增強復材-混凝土雙向疊合板復合結(jié)構(gòu)。垂直板縫方向的附加筋與桁架筋綁扎連接，形成空間桁架傳力體系。

1—纖維條帶； 2—預制底板； 3—后澆混凝土疊合層； 4—板底部縱向受力鋼筋； 5—板縫疊合面附加鋼筋； 6—桁架鋼筋； 7—板頂部縱向受力鋼筋。

彭亞萍等的研究[10]表明，將碳纖維條帶粘貼在混凝土雙向疊合板的拼縫處底面，能補充承受截面拉應力，增加疊合板抗彎時的截面有效高度，提高拼縫截面抗彎承載力，增大樓板剛度，減小變形，延緩拼縫處的裂縫發(fā)展，減小疊合面剝離的可能性。碳纖維增強復材可使密拼連接實現(xiàn)疊合板的雙向傳力。

2 試驗研究

2.1 試件設計與制作

為了驗證碳纖維增強復材對密拼混凝土雙向疊合板受力性能的影響，試驗設計制作了6塊寬度為1 500 mm、長度為2 400 mm的疊合板，均為沿長邊中部有1條拼縫的雙拼板，板厚均為120 mm(預制底板和現(xiàn)澆面層厚度均為60 mm)。A組2個普通密拼疊合板對比試件，變化因素是附加筋配置量的大?。籅組4個試件均為纖維增強復材-混凝土密拼疊合樓板，變化因素有碳纖維條帶的強度和厚度、板縫是否采用聚合物砂漿預先處理兩個因素，構(gòu)件詳細參數(shù)見表1。

表1 試件主要參數(shù)

碳纖維的彈性模量均為2.45×105MPa，延伸率均為1.74。

試件的預制底板配置雙向φ8@150受力鋼筋，1 200 mm寬的預制底板中設置兩道桁架鋼筋，間距為(300+600+300) mm，上下弦鋼筋為φ8，腹桿鋼筋為φ6，實測鋼筋抗拉屈服強度為530.6 MPa，混凝土立方體抗壓強度為43.10 MPa。現(xiàn)澆面層配置緊貼預制底板的疊合面附加鋼筋和板頂面雙向φ8@150受力鋼筋，實測鋼筋抗拉屈服強度為627.8 MPa，混凝土立方體抗壓強度為23.19 MPa?；炷帘Ｗo層厚度均為15 mm。碳纖維條帶的寬度均為100 mm，粘貼間距100 mm，跨縫兩側(cè)的錨固長度按GB 50608—2011《纖維增強復合材料建設工程應用技術(shù)規(guī)范》[11]計算后取為550 mm，端頭垂直設置錨固壓條，粘貼好碳纖維增強復材的試件如圖2所示。

圖2 粘貼好纖維增強復材的試件

2.2 加載方案

疊合板試件的四邊設置簡支支座，支撐于6個支墩之上，板底離地面高度1.2 m左右。使用500 kN集中荷載的電液伺服結(jié)構(gòu)試驗系統(tǒng)進行靜力加載，借助分配梁來實現(xiàn)沿長跨方向的四點同步加載，每個加載點下設置方形鋼板，鋼板下放置細砂，使加載效果接近均布面荷載。加載裝置如圖3所示。

圖3 試驗加載裝置

試驗采用荷載控制模式進行分級加載，先進行預加載調(diào)試，正式加載時在疊合板試件下表面混凝土開裂前每級加載20 kN，隨后每級加載40 kN，接近承載能力極限荷載時每級加載20 kN，直至荷載達到最大值。

2.3 量測方案

量測內(nèi)容包括荷載、位移、應變、裂縫四個方面：加載控制系統(tǒng)自動量測荷載；試件下表面設置5個位移計,詳見圖4a，上表面設置4個位移計(試件四周支座的中部位置)來量測板的豎向位移(撓度)；附加鋼筋表面預埋4個鋼筋應變片測量鋼筋應變，詳見圖4b；B組試件下表面受拉區(qū)混凝土和碳纖維條帶表面沿長跨方向各設置4個和6個混凝土應變片，沿短跨方向混凝土表面設置4個混凝土應變片，均在板底拼接縫的兩側(cè)對稱布置，設置于中間三個碳纖維條帶和其間隙的條帶狀混凝土的中部位置，詳見圖4c。A組試件的14個混凝土應變片均粘貼于對應位置的混凝土表面；裂縫出現(xiàn)結(jié)合直接觀察法和撓度轉(zhuǎn)折法確定，裂縫寬度采用裂縫測寬儀量測。每級加載持荷階段觀察并描繪裂縫的位置、走向，并記錄對應的荷載值和裂縫寬度。

a—板底位移計布置； b—附加筋應變片布置； c—板底混凝土及碳纖維應變片布置。：位移計； ：鋼筋應變片； -：應變片。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 受力過程及破壞形態(tài)

6塊疊合板試件底部的可見裂縫分布均具有雙向板的特征，B組試件更加明顯，代表試件A1、B3的板底裂縫分布見圖5。所有試件在加載初期板側(cè)底部出現(xiàn)均勻分布的細小受彎裂縫，隨荷載增加逐漸向上延伸，穿過預制底板后繼續(xù)向上，多數(shù)試件局部出現(xiàn)疊合面水平滑移裂縫。6個試件均未出現(xiàn)拼縫處裂縫集中的現(xiàn)象。

a—A1； b—B3。

所有試件沿長、短跨方向板側(cè)的裂縫形態(tài)如圖6所示。從板側(cè)觀察裂縫分布顯示：

a—長跨方向； b—短跨方向。

1)6個試件沿短跨方向均發(fā)生不同程度的疊合面滑移現(xiàn)象，滑移位置均不在跨中但接近跨中，B組試件滑移位置更加遠離跨中。

2)除B3以外其余5個試件沿長跨方向均發(fā)生了疊合面滑移現(xiàn)象，滑移位置大多不在跨中，B組試件滑移位置多發(fā)生在FRP條帶約束區(qū)以外部位。

3)較之A組試件，B組試件出現(xiàn)疊合面滑移裂縫更晚一些，B3、B4到加載后期才出現(xiàn)。典型試件B1長邊及短邊的裂縫分布及疊合面滑移裂縫照片如圖7所示，滑移面兩端斜裂縫是在大位移狀態(tài)下變形協(xié)調(diào)引起的。

a—長邊板側(cè)滑移裂縫； b—短邊板側(cè)滑移裂縫。

碳纖維增強復材有效參與截面工作，應變隨荷載持續(xù)增加。加載至300 kN時，試件B1跨越板縫的碳纖維條帶開始發(fā)生剝離，發(fā)出響聲，460 kN時試件B1和B3的板縫處碳纖維條帶局部斷裂，端頭錨固壓條斷裂。

3.2 承載特性分析

3.2.1特征荷載值

試驗中結(jié)合直接觀察法和撓度轉(zhuǎn)折法確定試件的開裂荷載Pcr，最大裂縫寬度達到0.3 mm時對應的荷載取為使用狀態(tài)試驗荷載值Pu,c[12]，加載的極限荷載取為承載狀態(tài)試驗荷載值Pu,s。試件的3個特征荷載值及其與試件A1的相對比值列于表2，對比分析可發(fā)現(xiàn)：

表2 試件特征荷載值

表中的相對比值是指試件特征荷載實測值相對試件A1的比值。

1)開裂荷載比較：B組試件較之A1提高50%(附加筋配置量相同)，說明板底碳纖維條帶在加載初期已開始參與截面受力，延緩了混凝土的開裂；A2較之A1提高20%，說明增加附加鋼筋量可提高開裂荷載值；B組試件高于A2，說明板底設置碳纖維條帶較之疊合面配置附加鋼筋對提高開裂荷載更為有效。

2)使用狀態(tài)試驗荷載值比較：B組試件較之A1提高26.5%～34.9%，A2較之A1提高27.2%，B組試件相對比值平均值高于A2，原因同上，說明碳纖維條帶對使用狀態(tài)試驗荷載值的提高貢獻明顯。

3)6個試件的極限荷載值非常接近，這是因為四邊簡支板主要沿短跨方向受力，而預制底板的拼縫沿長跨方向設置，對短跨抗彎承載能力幾乎沒有影響，碳纖維條帶沿長跨方向布置(錨固壓條短跨方向布置)，對短跨方向抗彎承載力幾乎沒有貢獻。

4)相同截面和配筋整澆樓板的開裂荷載Pcr、極限荷載Pu,s的計算值分別為111.83 kN、424.52 kN，B組試件的相應實測值均大于整澆試件，說明四邊簡支的矩形混凝土密拼雙向疊合板的承載能力達到“等同現(xiàn)澆”。

3.2.2板底碳纖維增強復材受拉應變及應力分析

選取B組試件碳纖維條帶上有效應變片測得的應變均值，繪制出B組試件碳纖維條帶的荷載-應變關(guān)系如圖8所示，碳纖維增強復材的拉應變隨荷載持續(xù)增加，碳纖維復材有效參與截面抗彎，對比分析可見：

圖8 碳纖維增強復材荷載-應變關(guān)系

1)4個試件的荷載-應變關(guān)系早期上升段大致呈線性增長，后期逐漸平緩，碳纖維條帶的應力、應變增長速率逐步加大。

2)試件B1、B2的極限應變值較之試件B3、B4相對較大，前者約為后者極限應變均值的1.6倍。極限應變值最大和最小的試件B1、B4碳纖維增強復材極限應力值分別為657 MPa、376 MPa，分別約為其原材抗拉強度的20%和10%，說明碳纖維增強復材的抗拉強度冗余度較高，配置較高強度較多數(shù)量的碳纖維增強復材不能充分發(fā)揮作用。

3)同級荷載作用下，試件B2、B4的應變略大于B1、B3，說明預先使用聚合物砂漿填充板縫對增強結(jié)構(gòu)整體性、助力碳纖維增強復材充分發(fā)揮作用有貢獻。

3.2.3疊合面附加筋受拉應變及應力分析

選取試件附加筋上有效應變片測得的應變均值，繪出試件疊合面附加筋的荷載-應變關(guān)系如圖9所示，對比分析可見：

圖9 附加鋼筋荷載-應變關(guān)系

1)A組試件應變隨荷載增大持續(xù)呈線性增大，B組試件的應變曲線早期相對陡立，后期逐漸平緩。

2)施加相同荷載時，試件B1～B4的應變明顯小于試件A1，說明碳纖維增強復材發(fā)揮作用后，截面協(xié)調(diào)變形分配給附加筋的拉力變小。其中試件B1、B2的極限應變值相差不大，分別約為A1的56%、55%；試件B3、B4的極限應變值比較接近，分別約為A1的 43%和41%。說明隨碳纖維增強復材抗力增大，疊合面附加筋應力減小。

3)6個試件在極限荷載作用下，跨越板縫的疊合面附加筋均未發(fā)生屈服。極限應變值最大和最小的試件A1、B4附加筋的極限應力值分別為239，91.8 MPa，約為其屈服強度的66%和25%，說明試件A1的附加筋配置量較為合適，B組試件的附加筋配置量相對較多，板底設碳纖維復材后可適當減少附加筋配置量。

3.2.4板底混凝土受拉應變及應力分析

試件下表面混凝土應變沿長跨方向發(fā)展較慢，沿短跨方向相對較快，短跨方向應變片較早被拉斷，表現(xiàn)出矩形四邊簡支板的受力特點。試件長、短跨兩個方向的荷載與板底跨中混凝土應變關(guān)系曲線見圖10，對比分析可見：

a—長跨方向； b—短跨方向。

1)同級荷載作用下，長跨方向B組試件混凝土應變明顯小于A1，略小于A2，特別是加載后期，說明碳纖維增強復材承擔板底拉應力后混凝土應力、應變相應降低。

2)短跨方向混凝土較早承擔拉應力，6個試件的曲線形狀較為相似，同級荷載作用下B組試件混凝土應變略小于A組，沒有長跨方向明顯，說明長跨方向設置碳纖維增強復材對短跨方向受力的有利影響較小。

3.3 變形能力分析

3.3.1板的撓度變形

取板底幾何中心處的最大撓度值，繪制出附加筋配置量相同的5個試件的荷載-跨中撓度關(guān)系曲線見圖11，跨中最大撓度值相互比較見表3，分析可見：

表3 試件最大撓度值分析

圖11 試件荷載-跨中撓度關(guān)系

1)同級荷載作用下，B組試件跨中最大撓度明顯小于A1，相對比值在0.66～0.95之間，平均為0.795，說明板底粘貼碳纖維增強復材能將密拼混凝土疊合板的剛度提高1.25倍。

2)試件B2、B4相對B1、B3的比值分別為0.81、0.82，說明板縫預先采用聚合物砂漿處理能使密拼混凝土疊合板的剛度提高1.23倍。

3)試件B3、B4相對B1、B2的比值分別為0.85、0.87，說明采用抗力較大的碳纖維增強復材也能提高密拼混凝土疊合板的剛度，復材設計抗力(復材的強度與厚度相乘)增大1.75倍(B3、B4較之B1、B2)時，疊合板剛度提高1.1倍。

4)碳纖維增強復材抗力較大且板縫預先采用聚合物砂漿處理過的試件B4的后期撓度值相對最小，較之A1撓度比值為0.66，剛度較之A1提高了1.52倍。

3.3.2板底拼縫寬度發(fā)展

試驗過程中對板底拼縫中點的寬度進行逐級測量，6個試件的拼縫中點寬度增量隨荷載增加的變化曲線如圖12所示，對比可見：

圖12 板底拼縫荷載-縫寬增量關(guān)系

1)B組試件的拼縫寬度增量相對A1明顯減小，可見碳纖維增強復材有效約束了密拼疊合板底拼縫處裂縫的出現(xiàn)與發(fā)展。

2)試件B2、B4的縫寬幾乎沒有發(fā)展，加載中后期只有很小的增大，說明板縫預先采用聚合物砂漿處理過的碳纖維增強復材-混凝土疊合板的整體性更好，受力過程中拼縫寬度幾乎沒有增加量。

4 結(jié) 論

本文對板底粘貼碳纖維增強復材的矩形四邊簡支密拼混凝土疊合板進行了靜載試驗，驗證了碳纖維增強復材能有效參與截面受力，得到如下結(jié)論：

1)四邊簡支的密拼混凝土疊合板均能實現(xiàn)雙向傳力，承載能力達到“等同現(xiàn)澆”，試件均未出現(xiàn)拼縫處裂縫集中的現(xiàn)象，碳纖維增強復材-混凝土密拼疊合板的疊合面滑移現(xiàn)象相對普通密拼試件減緩，滑移位置遠離跨中靠近板端。

2)板底長跨方向粘貼碳纖維條帶可明顯降低板底混凝土的應力、應變，碳纖維增強復材對提高試件的開裂荷載、使用狀態(tài)試驗荷載值貢獻明顯，但對短跨方向受力的有利影響較小，對試件極限荷載沒有影響。

3)板底粘貼碳纖維增強復材能顯著提高密拼混凝土疊合板的剛度，較之普通密拼能提高1.25倍。碳纖維增強復材設計抗力提高1.75倍時，剛度提高1.1倍。碳纖維增強復材對板底拼縫的約束作用非常明顯。

4)使用聚合物砂漿填充板縫對增強結(jié)構(gòu)整體性、助力碳纖維增強復材充分發(fā)揮作用有正向影響，但不顯著。聚合物砂漿填縫板抗彎剛度較之不填縫時提高1.23倍，受力過程中板底拼縫寬度增加量非常小。

5)隨碳纖維增強復材抗力的增大，疊合面附加筋應力減小。板底設置碳纖維增強復材后可適當減小疊合面附加筋用量，但配置抗力較高的碳纖維增強復材不能充分發(fā)揮作用。