无桁架钢筋叠合楼板面外抗弯性能研究

无桁架钢筋叠合楼板面外抗弯性能研究

孟鹤飞冯波王琦朱禹熹[摘

要]：目前装配式建筑中楼板常用钢筋桁架叠合板，即在预制叠合板底板中加入桁架钢筋以提高截面的刚度和承载力，防止叠合板在生产和施工过程中开裂，同时提高新旧混凝土的结合能力，保证现浇层和预制层共同作用。但是，桁架钢筋增加了楼板的含钢量，从而增加了建造成本。对于跨度不大的叠合板，结合面受力较小，且可通过优化吊点等措施防止楼板开裂，因此该类叠合楼板具备取消桁架钢筋的可能性。经过分析发现，取消桁架钢筋可能对叠合楼板面外抗弯性能造成影响，为此，文章对无桁架钢筋叠合楼板的面外抗弯性能进行了试验研究和理论计算，试验和理论计算结果均表明，对于板跨小于3m的叠合楼板取消桁架钢筋对其面外抗弯性能影响不大。[Key]：叠合楼板;接缝面;抗剪承载力;面外抗弯性能TU317+.2A目前装配式建筑中楼板普遍采用钢筋桁架叠合楼板，该楼板在工厂生产楼板下部底板，底板厚度通常为60mm，现场安装时现浇楼板上部，通过现浇层和预制底板共同工作，抵抗外荷载。叠合楼板底板生产时，通常需要楼板内增设桁架钢筋，其主要目的有2个，一是通过钢筋桁架与底板的组合作用，增大截面惯性矩，从而提高预制底板的面外刚度和强度，防止预制底板在堆放、运输和安装等过程中开裂，二是提高新旧混凝土的结合，保证现浇层和预制底板的共同工作[1]。根据JGJ1-2014《装配式混凝土结构技术规程》第6.6.7的要求[2]，钢筋桁架距离板边不应大于300mm，间距不宜大于600mm，且桁架钢筋弦杆钢筋直径不宜小于8mm，腹杆钢筋直径不应小于4mm。按照上述规定，预制叠合楼板底板的桁架钢筋含量在50kg/m3左右（该数据通过统计某新建装配式住宅项目叠合楼板桁架钢筋含量得到），从而提高了叠合楼板底板的生产成本。对于板跨不大的叠合楼板，在起吊、运输和安装阶段承受荷载较小，并且还可以通过优化吊点等措施，使楼板受力更加均匀，进一步提高楼板的抗裂能力，因此取消桁架钢筋造成叠合楼板底板在生产、运输和安装等阶段开裂的风险并不大。并且，由于板跨不大，楼板承受的剪力较小，因此接缝面的剪应力也较小，叠合楼板的预制层和现浇层在没有桁架钢筋的情况下也可共同工作。T/SSACE007-2020《居住建筑叠合板标准底板图集》和CD2019-PC001-TY《住宅钢筋混凝土叠合板标准底板》中，对于板跨不超过3m的楼板均给出了不设置桁架钢筋的做法。由此可见，对于板跨不大于3m的叠合楼板取消桁架钢筋具有一定的可行性。1叠合楼板受力分析钢筋混凝土结构中，楼板的作用主要有2个，一是承受面外荷载，二是在水平力作用下，利用楼板平面刚度大的特点，协调各竖向构件的變形。叠合楼板与现浇楼板的主要差异在于叠合楼板中存在新旧混凝土的接缝面。在承受面外荷载时，将沿新旧混凝土接缝面产生剪应力，如图1所示，由剪应力互等定理可知，该剪应力大小与楼板横截面上的剪应力相等。若在剪应力的作用下产生沿接缝面的水平裂缝，现浇层和预制层将不能共同工作，按照材料力学的计算方法，开裂前楼板的截面惯性矩为112bh3，式中b为楼板的宽度，h为楼板的厚度，开裂后楼板的截面惯性矩仅为112bh31+112bh32，若假定叠合层和现浇层厚度相同，则开裂后楼板的截面惯性矩仅为开裂前的1/4，由此可见叠合楼板发生沿接缝面的开裂将造成其平面外刚度和强度的大幅降低。对楼板的第二个作用，当叠合楼板沿接缝面发生开裂，楼板在平面内的刚度并不会发生太大变化，因此仍然能够起到协调各竖向构件变形的作用。从上述分析可以看出，在结构服役阶段，叠合楼板在取消桁架钢筋后，由于接缝面抗剪承载力的降低，可能造成的影响仅为面外承载力和刚度的降低，而对平面内楼板性能的影响并不大。为此，本文开展了面外抗弯性能的研究，研究分为2个部分，分别为理论计算和试验研究。2叠合面抗剪承载力计算从上述分析可以看出，对于无桁架钢筋叠合楼板，新旧混凝土结合面抗剪承载力不足将造成无桁架钢筋叠合楼板抗弯强度和刚度大幅降低。换言之，保证了接缝面抗剪承载力即可保证楼板的抗弯刚度和承载力，为此在对无桁架钢筋叠合楼板抗弯性能的研究中，首先开展了接缝面抗剪承载力的计算。现有研究结果表明[3-7]，影响新旧混凝土接缝面抗剪强度的因素主要有接缝面粗糙程度、法向压力、接缝面界面处理方式等，但新旧混凝土接缝面抗剪承载力离散型较大，还并未形成统一的计算理论。本文对新旧混凝土接缝面抗剪承载力的计算依据GB50010-2010《混凝土结构设计规范》[8]H.0.4的相关规定，其计算公式：Vbh0≤0.4（MPa）（1）式中：V为剪力设计值，b为截面宽度，h0为截面有效高度。对于居住建筑，楼板的活荷载[9]为2kN/m2，楼板的恒载主要与楼板厚度，楼面做法等有关系，为使计算结果具有一定代表性，根据工程经验，接缝面抗剪承载力计算时板面的恒荷载取5kN/m2，楼面荷载设计值为1.2×5+1.4×2=8.8kN/m2。楼板的边界条件考虑为两边简支两边自由，此边界条件较实际工程中楼板的边界条件更加不利，由此计算得到的剪力值偏大。本文主要以跨度不大于3m的叠合楼板为研究对象，为此计算时楼板跨度取3m，并取宽度为1m的板带作为典型单元进行计算。计算简图如图2所示。根据图2计算得到的剪力设计值为13.2kN。叠合楼板通常的做法是叠合层厚度60mm，现浇层厚度70mm，本文中取现浇层厚度为60mm，同样为偏不利条件。基于以上假定，可计算得到叠合面的平均剪应力为：τ=Vbh0=13.2×10001000×100=0.13≤0.4MPa由此可见跨度小于3m的叠合楼板，在取消桁架钢筋后，叠合面抗剪承载力可满足工程需要，从而也就保证了楼板平面外的抗弯刚度和强度不会发生明显降低。4无桁架钢筋叠合楼板抗弯性能试验为了进一步验证无桁架钢筋叠合楼板的抗弯性能，本文针对无桁架钢筋叠合楼板、有桁架钢筋叠合楼板以及现浇楼板进行了抗弯性能试验。3.1试件本次试验试件一共3个，分别编号为SJ1，SJ2和SJ3，尺寸为2.82x1.82m（尺寸及配筋取自某新建装配式住宅项目）。其中SJ1和SJ2为叠合楼板，混凝土设计强度等级为C30，配筋情况如图3所示。SJ1为有桁架钢筋的楼板，SJ2为无桁架筋的楼板，上述2个试件生产时首先生产下部高度为60mm的底板层，待达到脱模起吊要求后浇筑60mm上部叠合层。SJ1和SJ2的配筋情况基本一致，主要差别在于SJ1在底板预制时根据GJ1-2014《装配式混凝土结构技术规程》J的相关要求设置了桁架钢筋。SJ3为全现浇楼板，即一次浇筑120mm，其配筋情况与SJ2完全相同。3个试件的详图如图3所示。3个试件养护条件基本相同，混凝土配合比如表1所示。3.2边界条件及加载程序本次试验边界条件为两边简支，支座间距2600mm，需要说明的是该边界条件与实际工程中的边界条件有一定差异，但试验边界条件较工程中的边界条件更加严格，在此边界条件下楼板内力更大，且可以通过最大弯矩值等效的方式推算在其他边界条件下的荷载值。加载采用堆载的方式分级加载，堆载材料选用钢材，钢材单块重量为78.6kg。为了避免用于加载的钢材块约束构件变形，钢材平行于支座摆放，每层钢材块的堆放均从跨中对称向支座摆放。在构件开裂前，单次堆载重量不超过0.5t，构件开裂后单次堆载不超过0.1t，直到构件破坏。堆载时，将堆载钢材均匀、缓慢放置于板面上方，尽可能避免加载时产生冲击荷载。试验装置及加载方式如图4所示。3.3试验现象对于有桁架钢筋叠合楼板试件SJ1，在加载初期构件基本无明显变形，当加载到48kN（均布荷载为10.1kN/m2）时构件跨中底部出现基本垂直于楼板长边的裂缝，该裂缝为弯曲裂缝，且贯通构件底面。构件开裂后刚度有所降低，跨中挠度增大速度明显加快。此时水平接缝面处粘结良好，并未出现开裂滑移等现象，如图5所示。鉴于构件在不利边界条件下，开裂荷载已经达到设计要求的1.94倍（设计外荷载1.2×2+1.4×2=5.2kN/m2），远远高于设计要求，且由于堆载高度较高，考虑加载安全，故停止加载。图6为试件SJ1在开裂荷载下的堆载情况。对于无桁架钢筋叠合楼板试件SJ2，其试验现象与试件SJ1基本相似。开裂前，试件整体刚度较大，试件挠度较小。当加载到56.6kN（均布荷载为11.9kN/m2）时，试件跨中底部开裂且贯通试件底面，裂缝垂直于构件长边，表现为弯曲形裂缝。构件开裂后整个构件刚度降低，挠度增长速度明显加快，此时水平接缝面粘结良好，無开裂、滑移现象，如图7所示。鉴于在不利边界条件下，试件所承受的荷载已经达到设计外荷载（设计外荷载1.2×2+1.4×2=5.2kN/m2）的2.29倍，且考虑试验加载安全方面的问题，故停止加载。图8为试件SJ2在开裂荷载下的堆载情况。对于整体浇筑的楼板试件SJ3，在加载前期，面外刚度较大，整体变形较小，当加载到46.4kN（均布荷载为9.8kN/m2）时构件开裂，裂缝形式同样为垂直于楼板长边的弯曲形裂缝，如图9所示。试件开裂后构件刚度降低，挠度增长速度明显提高。试件开裂时，构件的荷载达到设计外荷载的1.88倍，同样远高于设计外荷载值，故结束加载。图10为试件SJ3在开裂荷载下的堆载情况。3.4试验小结表2为试验结果的统计。从试验结果可以看出，无桁架钢筋叠合楼板和桁架钢筋叠合楼板，当跨度不超过3m，在设计荷载作用下，构件均不会发生沿接缝面发生开裂或者滑移，与理论计算结果一致，从而可以充分保证楼板预制层和现浇层的共同工作。将试件SJ2与试件SJ1对比可知，去除钢筋桁架后，叠合楼板的刚度和强度并不会发生明显降低，且楼板具有较高的安全储备。对比试件SJ2和SJ3可知，无桁架钢筋叠合楼板的刚度和承载力与整体浇筑的楼板并无太大差别，设计时参照整体现浇板设计即可。4结论本文针对跨度在3m以内的无桁架钢筋叠合楼板开展了研究。通过分析桁架钢筋在叠合楼板中的作用，发现取消桁架钢筋仅可能对楼板平面外抗弯性能产生影响，为此本文主要围绕无桁架钢筋叠合楼板的面外抗弯性能开展研究，通过试验和理论计算可得出结论：（1）理论计算和试验研究均表明，对于跨度在3m以内的无桁架钢筋叠合楼板，预制底板和现浇层结合良好，不会沿接缝面开裂或滑移，预制层和现浇层可共同工作。（2）去除钢筋桁架后，叠合楼板平面外的承载力和刚度与现浇结构基本相同，完全可参照整体现浇楼板设计。Reference[1]马祥林.桁架钢筋混凝土叠合板的受力性能研究[D].南京：东南大学，2017.[2]装配式混凝土结构技术规程：JGJ1-2014[S].中国建筑工业出版社，2014.[3]淡浩，吴体，肖承波，等.预制混凝土构件结合面抗剪性能试验及分析[J].建筑科学，2020，36（3）：100-104.[4]张晓光，陈泽赳，刘星，等.新旧混凝土结合面抗剪性能现场试验研究[J].结构工程师，2010（6）：70-75.[5]王振领，林拥军，钱永久.新老混凝土结合面抗剪性能试验研究[J].西南交通大学学报，2005，40（5）：600-604.[6]刘杰，陈娟娟.新老混凝土界面抗剪强度研究现状综述[J].混凝土，2015（1）：62-67.[7]胡忠君，李家祥，王傲，等.不同法向压力条件下新旧混凝土粘结面抗剪性能试验研究[J].