程火焰，丁 浩，屈 鋒，黃 志

(湖南科技大學土木工程學院，湖南 湘潭 411201)

0 引言

隨著我國大力推進裝配式建筑，雙向預應力空心板在大跨度建筑[1]或高層建筑[2]中的應用越來越廣泛。國內(nèi)眾多學者對預應力板展開研究，吳方伯等[3-6]發(fā)現(xiàn)簡支雙向板的整體性、承載力、抗剪性相比現(xiàn)澆板均得到提高，并推導簡支雙向板的剛度、極限承載力計算公式，發(fā)現(xiàn)疊合空心板與現(xiàn)澆整體板的破壞形式相似。王曉東等[7-8]總結柱支承和四邊支承條件下，雙向板中無粘結預應力增量和截面彎矩的計算公式。徐天爽等[9]對疊合板拼縫處的構造形式提出優(yōu)化方案，并提出最佳錨固長度、搭接長度、彎折角度、后澆層厚度的設計方法。宋永發(fā)等[10]通過試驗發(fā)現(xiàn)無粘結雙向板的剛度與結構形式、荷載、支座條件、配筋率等因素有關，且可通過短期剛度計算最大撓度。王慶華等[11]發(fā)現(xiàn)在施工荷載下，長跨雙向板的跨中撓度會超過規(guī)范限值，施工時需增設支撐。預應力樓蓋中預應力筋大部分采用有粘結筋，而目前對無粘結雙向預應力空心板的研究較少。

本文通過靜力試驗，對無粘結預應力混凝土雙向空心板正常荷載和破壞荷載下的受彎性能、受力過程中的變形性能、破壞形態(tài)和裂縫形式進行研究。

1 UPH預應力空心板梁結構體系模型

UPH預應力預制空心板如圖1所示。試驗采用混凝土框架結構，如圖2所示。該結構體系包括5塊3 300mm長、150mm厚的預應力空心樓板，其中2塊邊板寬600mm，1塊中間板寬600mm，2塊中間板寬550mm；4根截面尺寸為200mm×200mm、高1 000mm的柱；2跨150mm×300mm的矩形縱梁，2跨L形橫梁。將5塊板按縱向依次搭接到橫梁上，對齊預留洞后后張?zhí)幚沓? 300mm×2 900mm的整板，再在整板上布置鋼筋網(wǎng)并澆筑混凝土。

圖1 UPH預應力預制空心板模型

圖2 結構體系布置

板的縱向有粘結預應力筋按結構標準圖集03SG435—1進行布置，為直徑5mm、抗拉強度標準值為800N/mm2的低合金冷拔鋼絲，截面總配筋面積為490.75mm2，張拉控制應力為480N/mm2。由原預制空心板中縱向有粘結配筋率根據(jù)正常使用極限狀態(tài)下的承載力要求，以裂縫等級為二級(不出現(xiàn)裂縫)時的配筋要求確定最終配筋總面積，經(jīng)計算可得無粘結預應力筋的鋼筋面積為192.64mm2，設計后張無粘結預應力筋按φ5@300配置。板橫向預留直徑10mm的后張孔洞，孔洞上部距底板30mm，孔洞間距為300mm，板橫向無粘結預應力筋為直徑5mm、抗拉強度標準值為1 570N/mm2的消除應力低松弛螺旋肋鋼絲，截面配筋總面積為 196.34mm2，張拉控制應力為863.5N/mm2。預應力放張驗算只考慮2個預應力損失σl=σl1+σl4，驗算要求為空心板張拉截面不出現(xiàn)裂縫。板截面參數(shù)、預應力筋參數(shù)及預應力放張驗算參數(shù)分別如表1～3所示。

表1 板截面參數(shù)

表2 預應力筋參數(shù) N·mm-2

表3 預應力放張驗算參數(shù)

梁正截面配筋取受彎構件最小配筋率，縱梁跨中正截面配筋取2φ12，實際配筋面積為226mm2；橫梁選用L形梁，橫梁跨中正截面配筋取2φ12+翼緣處φ12，實際配筋面積為339mm2；箍筋均選用雙肢φ6@200。鋼筋保護層厚度為30mm。

柱單側截面配筋取2φ12，實際配筋面積為226mm2，箍筋選用φ6@200。鋼筋保護層厚度為30mm。

本試驗有2種節(jié)點，為保證梁板體系整體性，縱橫方向上的支座均承擔荷載，將各預應力筋預留部分用扎絲錨固在對應梁鋼筋籠上，并在板縱橫方向布置φ8@200的鋼筋，扎成鋼筋網(wǎng)，端頭做80mm彎鉤伸入梁內(nèi)，梁板節(jié)點現(xiàn)澆以防出現(xiàn)脆性破壞。各構件及節(jié)點配筋如圖3所示，試驗材料及性能如表4，5所示。

2 UPH預應力空心板梁結構體系加載及測量

圖3 結構配筋

2.1 試驗荷載加載方案

按GB/T 50152—2012《混凝土結構試驗方法標準》，通過靜力加載試驗，檢驗預制構件結構性能，通過控制水位實現(xiàn)分級均布加載。

表4 混凝土配合比

表5 材料性能指標

正常荷載階段下，活荷載標準值為2.0kN/m2，荷載設計值為5.968kN/m2，取試驗荷載為6kN/m2。破壞階段從8kN/m2開始施加荷載，當出現(xiàn)裂縫后卸載。加載過程如表6所示。

表6 荷載施加方案

2.2 試驗測量方案

本試驗分2個過程，只對混凝土進行應力應變測試，共設置11個測點。在撓度測點的垂直方向貼電阻應變片和應變補償片，加載過程中，應力應變值通過靜態(tài)應變儀測得。樓板裂縫使用裂縫放大鏡進行觀察，并用裂縫寬度檢驗卡測量裂縫寬度。各測點布置如圖4所示。

圖4 構件板底測點布置

3 試驗現(xiàn)象

1)彈性階段 荷載加載至6kN/m2前，此階段撓度變化與荷載呈線性關系，板底部分板與板拼縫處出現(xiàn)細微裂縫，裂縫沿拼縫分布，處于彈性工作狀態(tài)。

2)彈塑性階段 從8kN/m2開始加載，此階段撓度和應變隨荷載增加而增加，但不成比例。

3)塑性階段 荷載加至10kN/m2，撓度及應變明顯增大，板開裂，跨中首先出現(xiàn)0.53mm寬的裂縫，開裂荷載定為10kN/m2。荷載加到14kN/m2時，進入塑性變形階段，變形隨荷載加大呈非線性增大，構件進入帶裂縫工作階段，最大裂縫寬0.83mm，極限荷載為14kN/m2。

4)破壞階段 荷載加至16kN/m2，保持荷載不變，撓度繼續(xù)增加，裂縫沿45°方向發(fā)展，此時最大裂縫寬度為1.32mm。繼續(xù)加大荷載，當荷載達到21kN/m2時，板塊繞屈服線轉動，板被破壞，破壞荷載定為21kN/m2，板裂縫分布及寬度如圖5所示。

圖5 構件板底裂縫分布及寬度

4 UPH預應力空心板梁結構體系試驗結果分析

試驗部分數(shù)據(jù)如表7所示，圖中①，②分別表示正常荷載和破壞荷載條件下，支座或跨中均布荷載、彎矩、剪力計算值，其中橫向為有粘結預應力筋受力截面，縱向為無粘結預應力筋受力截面。計算按雙向板考慮。

表7 試驗結果

4.1 撓度分析

取測點5，7，8，10，本試驗梁板荷載-撓度曲線如圖6a，6b所示，梁板鉸接[12-13]的荷載-撓度曲線如圖6c，6d所示。由圖6a，6c可知，板在正常荷載階段，荷載-撓度大致成線性變化，說明其處于彈性受力狀態(tài)。對比測點10與測點5可知，在同樣的荷載情況下，板的2個方向上撓度相似，說明板在這2個方向上的抗彎剛度接近，即UPH預應力預制空心板在彈性階段屬于雙向受彎構件。板跨中測點7出現(xiàn)最大撓度變形，撓度值為0.985mm，為計算跨度的0.034%，變形遠小于GB 50010—2010對混凝土構件在短期荷載作用下的撓度允許值，說明雙向預應力筋增強板整體性。

由圖6b，6d可知,破壞階段撓度不再與荷載呈線性關系，且隨荷載增大，非線性越明顯。這是由于荷載足夠大后板底開裂，板底受拉區(qū)的混凝土因開裂失去抗拉作用，原混凝土承擔的拉力轉移到鋼筋上，板底剛度隨之降低，撓度隨之增加，板受力狀態(tài)從彈性階段向彈塑性階段過渡。斜對角出現(xiàn)裂縫，且裂縫發(fā)展至完全破壞，此階段曲線出現(xiàn)較大波折，撓度突然增大，此時板斜對角出現(xiàn)大量裂縫，板基本上被破壞。

圖6 荷載-撓度曲線

4.2 裂縫分析

正常荷載階段中(荷載<6kN/m2)，板中心與支座皆未出現(xiàn)受力裂縫，證明UPH預應力預制板具有良好的承載力。試驗樓板拼縫處出現(xiàn)細微裂縫，這是由于拼縫處應力間接傳遞，截面剛度較弱，易形成應力集中，從而導致混凝土發(fā)生受拉破壞。同時可以看出UPH預應力預制板由于橫向預應力筋拉結，樓板體現(xiàn)良好的整體性，且樓板整體上呈良好的抗裂性能。

破壞荷載階段中(荷載>8kN/m2)，當荷載加至10kN/m2時，板底跨中出現(xiàn)平行于有粘結預應力筋方向的細微裂縫，并隨荷載增加，裂縫寬度擴大到0.53mm。預制空心板間的拼縫有效保證剪力傳遞，因此在橫向受力方面，該結構體系表現(xiàn)出共同受力的整體性能。繼續(xù)加大荷載，板正中間的板帶出現(xiàn)裂縫，且裂縫平行于后張無粘結預應力筋方向。這是由于荷載在無粘結后張預應力筋方向為短跨，其方向板底混凝土預壓應力較大，導致在荷載相同的情況下板底混凝土拉應力大于長跨方向，當荷載進一步增加時，該方向裂縫不斷增多、寬度不斷加大，原有裂縫繼續(xù)發(fā)展，且沿對角線方向出現(xiàn)斜向裂縫，最終板整體被破壞。裂縫分布和破壞形態(tài)具有典型的塑性鉸線特征。

4.3 應變分析

取測點7進行分析，該測點正常荷載和破壞荷載橫向、縱向應變曲線如圖7所示。

圖7 應力-應變曲線

由圖7可知，在正?；蚱茐暮奢d下，樓板在橫向和縱向上的應力、應變變化形式基本相同，說明樓板雙向整體受力，同時表明樓板具有較好的整體性。其次，在相同荷載下，先張有粘結預應力配筋方向(縱向)應變相對較小，證明先張有粘結預應力配筋方向的受力性能比后張無粘結配筋方向受力性能強。這是由于后張預應力方向存在拼縫，該方向剛度有所削弱，其次后張預應力方向的保護層厚度比先張預應力鋼筋方向小，對后張預應力方向剛度削弱較多。板受力呈正交構造異性板的特征。

5 結語

1)通過靜力加載試驗，可知施加橫向預應力可提高預應力板的整體性，樓板表現(xiàn)出良好的承載力與抗裂性能，且該結構體系在超出正常承載力情況下，各項力學指標均達到使用和規(guī)范要求，樓板呈整體雙向受力。

2)UPH預應力預制空心板受力呈雙向異性板特征。