叠合楼板预制部分的结构性能试验研究

赵国辉，孟祥春，张 峥

(中国十七冶集团有限公司，安徽马鞍山243000)

1 叠合楼板的特点

1.1 叠合楼板的结构特点

叠合楼板是预制和现浇混凝土相结合的一种较好结构形式，其中预制部分配有格构钢筋和非格构钢筋，即格构钢筋为桁架筋，非格构钢筋为纵横向板底筋[1]。上部现浇层混凝土配有负弯矩钢筋和构造钢筋，预制部分和现浇层通过不小于6 mm的凹凸粗糙面连接，增加其抗剪性能，保证两者能形成整体，协同工作[2]。预制部分可作为现浇层的底模，不必为现浇层支撑模板，节省了成本。同时，预制板底光滑平整，板缝经过处理，顶棚可以不用抹灰。这种叠合楼板具有现浇楼板的整体性、刚度大、不增加钢筋消耗、节约模板等优点。由于现浇楼板不需支模，还有大块预制混凝土隔墙板可在结构施工阶段同时吊装，从而可提前插入装修工程，缩短整个工程的工期[3]。

1.2 叠合楼板的受力特点

叠合面的抗剪能力是决定预制部分和现浇层能整体协同工作的关键，因此叠合面要做成凸凹不平的粗糙面、拉毛或预留结合洞，增加其抗剪性能，同时，格构钢筋(桁架筋)增加了叠合板的刚度，减少了施工板底支撑[4]。另外，按其受力性能划分，叠合结构可以分为“一次受力叠合结构”和“二次受力叠合结构”两类[5-6]：(1)一次受力叠合结构：在施工阶段预制构件吊装就位后，在其下设置可靠的支撑，施工阶段的荷载将全部由支撑承受，预制梁板只起到叠合层现浇混凝土模板的作用；(2)二次受力叠合结构：在施工阶段，预制梁板就位后，直接以预制部分的钢筋混凝土或预应力混凝土梁、板作为现浇层混凝土的模板并承受施工期荷载，待其上现浇层混凝土达到一定强度后，再由预制部分和现浇部分形成的叠合截面承受使用荷载。

2 叠合楼板结构性能试验

2.1 叠合楼板概况

本试验以马鞍山市银塘组团公租房74栋楼为基础，任选其中一块叠合楼板为试验对象，进行预制部分结构性能静载荷试验研究。其中叠合楼板规格为3 330 mm×1 830 mm,板内钢筋均采用φ8@180，预制部分厚50 mm，混凝土等级为C30，钢筋保护层厚度为15 mm。预制部分钢筋由非格构钢筋和格构钢筋组成，板面处理成粗糙面，凹凸不小于6 mm，以加强新旧混凝土之间的协同工作，短跨钢筋不出板，长跨出板110 mm,其具体尺寸见图1。

(a)叠合楼板结构

(b)桁架钢筋节点图1 叠合楼板

2.2 试验设计

用砂袋模拟板面所承受的均布荷载，为了充分研究叠合楼板的受力性能，预制部分的承载力，本次试验楼板两端视为简支(单向板)，搁置在具有足够刚度的支架上，两搁置点距离纵向板端均为17.0 cm,而且两支架顶面经水准仪校核，并处在同一水平面上(图2)。在板的背侧面跨中安装2#位移表，右侧靠近板端也安装1#位移表，其位移表均为北京天锐达二贸有限公司生产的MFX-50数显百分表。在正侧面板底棱线处设置平行细铁丝，铁丝两端系重物，纸条上端用胶水粘在板侧面上，并在细铁丝处做标记，待板挠曲后，在纸上画细线，测量起始线与终点线之间的距离极为3#读数。板面加载采用分级加载，每包砂袋25 kg，且经过严格称量,并要对称均匀缓慢加载，防止冲击荷载破坏楼板，每次加载间隔10 min读数。

试验设备:试验支座、10 mm及30 mm百分表、裂缝宽度尺。

2.3 试验结果

每次加载，都要记录板底裂缝开展情况，并要读表，详细内容见表1。

3 试验结果分析

3.1 裂缝发展情况分析

将1 t重物加到叠合楼板表面时，桁架下弦筋和板底纵向非格构钢筋承担主要的拉力。由于叠合楼板预制部分混凝土厚仅有50 mm，板底保护层厚15 mm，且素混凝土抗拉性能极差，因此在第一级加载时，板底就出现裂缝，但早期裂缝宽度比较细微，而且数量少。随着荷载逐步增大，裂缝开始变宽，但裂缝发展受到板底钢筋的限制，裂缝发展缓慢，当板底纵向受力钢筋屈服后，板屈曲变形加大，板跨中产生明显的挠度，同时裂缝开始向上发展。随着荷载继续加大，挠度变形增大，裂缝发展迅速，板底出现大量裂缝，缝较宽且长，贯穿楼板的上下面，标志着楼板已产生贯穿裂缝。为了更形象地表达裂缝的发展情况，在板底裂缝开展处用不用的色彩涂描，经过12级加载，楼板的最终裂缝见图3。

(a)叠合楼板结构性能试验

(b)板跨中安装10 mm百分表图2 叠合楼板试验设计

加载级数砂袋数量重量/kg1#表读数/mm2#表读数/mm3# 读数/mm裂缝情况/mm15125-0.251.952.0产生4条裂缝,最大缝宽0.1525125-0.443.634.035125-0.576.106.54375-0.678.859.9裂缝数量达到6条,最大缝宽0.205250-0.7010.2711.56375-0.7712.5014.27375-0.7914.2116.9共8条裂缝,最大宽0.258375-0.8216.8918.6共8条裂缝,最大宽0.289375-0.8519.4322.0共8条裂缝,最大宽0.310375-0.9121.7724.0发展到10条裂缝,缝宽0.3211250-0.9423.4727.012375-0.9825.7032.0

(a)板跨中裂缝贯穿上下面

(b)板底裂缝图3 叠合楼板加载板底裂缝开展状况

1～3级加载，荷载共3.675 kN(不含板自重)，出现4条裂缝，并全部出现在板底跨中位置处，分布规律，缝间距大致均匀，最大缝宽为0.15 mm，这主要是由于早期荷载主要对称布置在靠近板两端支座处，类似于简支板承受一对对称集中力作用，其跨中呈现纯弯曲受力性能，此时的裂缝主要以板底保护层开裂为主，板底钢筋未屈服；4～6级加载，荷载达到5.635 kN(不含板自重)，裂缝达到6条，跨中裂缝宽度增大，并开始向板顶面发展，最大裂缝宽为0.2 mm，分布靠近跨中,其主要原因是荷载已经布置在跨中，跨中弯矩增大，板底钢筋开始屈服所致；7级加载力增大到6.37 kN(不含板自重)，裂缝变为8条，跨中裂缝最宽达到0.25 mm，跨中及靠近跨中的裂缝迅速向板顶面发展，缝较宽，这主要是因砂袋沿板面布置较均匀，叠合板近似视为受均布荷载作用；经过8级和9级加载，荷载达到7.84 kN(不含板自重)，裂缝也由0.28 mm增大到0.3 mm，此时裂缝都已向板顶发展，但跨中裂缝已发展到板顶面，只是板顶裂缝比较细微；经过10～12级加载，荷载增大到9.8 kN(不含板自重),跨中附近裂缝发展到板顶，而跨中板顶裂缝变宽，其板底裂缝最宽为0.32 mm，板底裂缝分布规律，这与对称加载及板面砂袋均匀分布有关。

3.2 位移值分析

1#表是靠近板右侧支座处读数，2#表是板背面跨中棱线读数，3#测量值是正面跨中棱线位移值。其中3#读数只起校核对比作用，因为手动测量误差较大，仍以仪器值为主。经过12级加载，1#表读数为-0.98 mm,表现为向上的位移，说明加载过程中产生支座负弯矩；2#表读数为25.70 mm，此时均布荷载已经达到2.9 kN/m2，远远超过设计要求(≤2.3 kN/m2)，但挠度值不是很大，仍能继续承受荷载作用，这说明叠合楼板在加入格构钢筋(桁架筋)后，楼板抗弯刚度明显增加。楼板变形图如图4所示，加载力与板跨中挠度曲线如图5所示。

图4 楼板变形

图5 荷载-挠度曲线

3.3 试验值与设计性能对比

根据设计要求，3 330 mm×1 830 mm×50 mm的叠合楼板预制部分承受板面均布荷载，不得超过2.3 kN/m2(含自重),裂缝宽度控制不超过0.2 mm，挠度不超过15 mm。本次试验在第7级就已经达到设计要求，7级荷载重6.37 kN加上板自重7.62 kN,为13.99 kN(近似为2.3 kN/m2)，满足荷载设计要求(≤2.3 kN/m2)；7级裂缝宽度最大为0.25 mm,稍大于设计要求的(0.2 mm)，基本满足；7级加载的位移值为14.21 mm，满足设计要求(≤15 mm)。

由此可见，本试验所用的叠合楼板性能参数基本满足设计要求，结构受力良好。至于出现裂缝宽度稍大于设计要求的情况，原因可能有几种：(1)在早期生产叠合楼板时，在没有达到脱模强度要求下，强行脱模，过早起吊施荷，造成板内部混凝土损伤，发生细微裂缝；(2)生产叠合楼板时，由于各种误差，导致板底钢筋保护层厚度增大，超过设计要求的15 mm；(3)叠合楼板进入成品养护期后，由于养护不到位或存放时板底支撑点设置不合理，因而导致温度应力或受力不均衡，致使板底或板内混凝土产生细裂缝；(4)加载过程中，产生冲击荷载，导致板底混凝土裂缝加大或突然开裂。

3.4 试验结果可靠度分析

根据我国相关规范，用概率极限状态设计方法表示，结构构件完成预定功能的工作状态用作用效应S表示，结构抗力用R表示，结构功能函数用Z表示，即Z=R-S,且Z>0。本实验叠合楼板满足这一要求。

结构可靠度用概率来衡量，服从正态分布，PS表示可靠概率，Pf表示失效概率，PS=1.0-Pf>0，即结构满足正常使用安全要求。

4 结论

(1)叠合楼板加入格构钢筋后，其抗弯承载力大大提高。

(2)叠合楼板受弯进入弹塑性阶段后，裂缝发展迅速，表现为裂缝增多、增宽。

(3)叠合楼板达到了甚至超过设计要求的标准，仍能表现出良好的受力性能，同时结构可靠性满足工程要求。

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[6] GB 50010-2010混凝土结构设计规范[S]