预制钢筋混凝土叠合板裂缝分析与抗弯性能试验研究

芦 阳

(鹤壁金衡建材检测有限公司 河南 鹤壁 458030)

装配式建筑在未来工程建设中，会占有越来越重要的位置，各类预制构件在工程建设上的使用会逐渐增多，而各类预制叠合板,是装配式建筑最为主要的混凝土用品。预制钢筋混凝土叠合板相对于传统的现浇混凝土楼板具有良好的经济性、时效性，节省钢材的同时也具有良好抗震性能。但是由于预制混凝土叠合板底板厚度通常在50mm～60mm，部分叠合板的跨度会超过6m，加上由于工期要求下叠合板在生产过程中，需要采用加速养护等手段提高构件的早期强度，多种因素导致叠合板在生产、运输、安装过程中都存在裂缝和底板开裂的风险[1]。因此，研究影响叠合板底板开裂的原因，以及如何进行试验验证叠合板抗弯性能都具有十分重要的现实意义。

1 预制钢筋混凝土叠合板裂缝分析

预制钢筋混凝土叠合板在制作、养护、运输以及施工阶段，都可能出现不同类型的裂缝，例如表面裂缝、深进裂缝以及更为严重的贯穿性裂缝，从裂缝的延展方向可分为横向、竖向、斜向等不同类型裂缝。混凝土配比、浇筑以及后期养护等阶段出现偏差，会引发干缩裂缝、塑性裂缝、稳定裂缝，外力载荷也会引起张拉裂缝，一般发生于脱模吊装、堆放运输、吊装以及预应力张拉阶段[2]。

1.1 干缩裂缝

干缩裂缝通常主要存在于叠合板表面，混凝土在成型阶段水分的突然丧失，或者其他原因造成构件内部的微小形变，叠加的张拉应力超出维持构件整体稳定的限度，从而造成构件表面出现裂缝。混凝土拌和阶段，高标号的硅酸盐水泥掺比过多、水灰比大、砂率过大、掺合料和外加剂掺比不当，都会提高混凝土产生干缩裂缝的概率；混凝土浇筑阶段振捣不均匀会使水泥大量积聚于构件表面形成砂浆层，进而引发干缩裂缝；混凝土养护阶段，温湿度环境发生急剧变化，尤其采用蒸汽氧化过程中，一旦出现高温低湿的环境，预制构件中的水分大量蒸发，进而引起构件内部发生收缩变形开裂现象。

1.2 塑性裂缝

塑性裂缝主要表现为叠合板表面，出现一些发育不规则且不会相互贯通的裂缝，同时构件表面存在较为干燥的泥浆层，其主要原因是作为胶凝材料的水泥，在混凝土成型过程中水化所形成的塑性内聚力，将混凝土中水分析出，混凝土内部形成类似干缩裂缝时的收缩变形从而产生裂缝。为了避免塑性裂缝，需要避免混凝土配比阶段采用高收缩性胶凝材料，同时细骨料的细度模数符合规范要求，并且将水灰比控制在合理范围。由于塑性裂缝主要产生于混凝土终凝阶段，对于预制混凝土叠合板成型后12h的养护十分关键，成型后及时进行表面覆盖，确保构件内的水分不会大量蒸发。

1.3 温度裂缝

温度裂缝主要诱因是预制叠合板表面在养护阶段，遇到急剧的温度变化，而在构件内部出现降温收缩现象，混凝土成型初期自身的抗拉强度较低，一旦降温收缩所形成的拉应力超出同时期混凝土本身抗拉强度的限值，就会产生裂缝现象。温度裂缝正常情况下出现在预制叠合板的表层，以横向裂缝为主，为了避免温度裂缝，除了要注意混凝土拌和物的选取，以及水灰比等问题外，还需要在预制叠合板成型的3～5天内，及时进行覆盖等养护措施，进行室内蒸汽养护时，应避免养护过程中出现温度急剧变化情况。

1.4 张拉裂缝

预制叠合板承受自身重力和外部载荷的共同作用下的张拉力，超出叠合板的混凝土抗压强度的限值后，会引发预制叠合板在底部位置的裂缝。预制叠合板在脱模吊装、堆放运输以及吊装安装阶段最容易出现该类现象。脱模吊装阶段，预制叠合板脱模时混凝土的同条件养护试块，应达到设计强度的75%，方可允许脱模吊装，在此前提下仍出现叠合板的损伤和破坏主要原因是吊装过程的不规范操作，如起吊点的减少导致局部吊点承载力增加，或起吊未使用滑轮，致使局部起吊点局部提前受力。堆放运输过程中，叠合板间通过垫木相互间隔，支点间跨距增加，或者对称垫木尺寸差异过大，导致叠合板堆放过程中形成悬臂结构，都会不同程度增加叠合板承载力的状态，一旦超出叠合板所能承载的混凝土抗拉强度的限值，就会产生裂缝或者断裂。吊装安装阶段，会面临和脱模吊装阶段一样的问题，如吊装方式由六点吊装减少为四点吊装，预制叠合板整体所承受张拉力会有所增加，如果吊装不采用滑轮，钢缆容易出现两侧线缆长度不一致的情况，部分吊点会直接整个叠合板的自重[3]。

2 预制钢筋混凝土叠合板抗弯性能分析

当前预制钢筋混凝土叠合板多为桁架钢筋预制板，这类预制底板通过桁架腹筋将桁架钢筋与混凝土底板联结成为同一整体，同时现行的混凝土设计规范中都是将叠合板作为一个平截面的整体构件，所以根据《混凝土结构设计原理》将桁架钢筋混凝土预制叠合板作为单筋矩形截面，进行抗弯性能的相关计算[4]。

预制叠合板的力矩平衡条件表述为：

α·fc·b·x=fg·Ag

(式1)

式中：α―混凝土等效矩形应力系数；fc―混凝土抗压强度，MPa；b―截面宽度，mm；x―受压区高度，mm；fg―纵向钢筋设计抗拉强度，MPa；Ag―纵向钢筋承压面积，mm2。

由此构成的预制叠合板的承载力计算公式为：

(式2)

式中：M―构件抗弯设计承载力，N·m，h0―截面高度，mm。

GB 50204―2015《混凝土结构工程施工质量验收规范》中附录B给出受弯预制构件结构性能检验的相关要求，钢筋混凝土受弯构件永久载荷组合值下的扰度检验允许值为[5]：

αs=αf·

(式3)

预制叠合板抗裂检验的载荷应满足：

(式4)

3 预制钢筋混凝土叠合板抗弯性能现场试验

选定某装配式建筑工程项目中的预制钢筋混凝土叠合板，进行结构性能检测，分别测试该构件的承载力、抗裂性能以及挠度相关性能。试验选取的预制钢筋混凝土叠合板的尺寸为1320mm×2210mm×60mm，混凝土设计强度为C30，测试时该批混凝土的同条件养护混凝土抗压强度32.1MPa，叠合板中钢筋排布方式为。该构件的设置承载力为6.12kN/m2，裂缝的最大允许宽度为0.3mm，挠度应≤L0/200，其中L0为短向跨度，针对该构件其最大允许挠度为6.6mm。

根据构件尺寸在预制混凝土叠合板两侧及中部位置，布置百分表测量试验加载过程中对应测定的位移变化量。预制混凝土叠合板左侧下方采用角钢对叠合板形成铰支承，右侧下方设置φ48的无缝焊接钢管形成滚动支承。试验负载选取一批尺寸为190mm×90mm×53mm的混凝土实心砖进行加载，该批混凝土实心砖的单块质量约为2.1kg，各级加载前应对加载实心砖进行称量并进行记录。结合叠合板的尺寸，将负载分为2垛进行加载，并确保加载过程均匀进行，每垛的最大宽度控制在500mm以内，每垛间保持100mm的间距。

预制叠合板采用分级加载，各级加载后保持10min，载荷小于标准值的初期，各级加载量为叠合板的标准载荷值的20%，其中第一级加载时应考虑构件自重，载荷大于标准值加载调整为10%的标准载荷值，临近载荷承载力时调整5%的标准载荷值并保持30min，持续对裂缝及其他变化进行观察和记录。分析试件的载荷―挠度曲线(如图1所示)，其中αA、αB为设置预制叠合板两端的位移变化量，α01、α02为设置在构件中部对称布置的测点的位移变化量，α0为预制叠合板的跨中挠度实测值。经检测，该构件在短期正常使用的载荷下的挠度为2.12mm，同时加载至抗裂检测后，经检查该构件未有裂缝新增，说明该构件的挠度和抗裂缝能力符合GB 50204-2015中的相关要求。

图1 试验预制混凝土叠合板载荷―挠度曲线

4 结语

本文根据不同种类的裂缝，对引起预制钢筋混凝土叠合板开裂的原因进行了分析，将叠合板常见的叠合板裂缝根据原因分为干缩裂缝、塑性裂缝、温度裂缝和张拉裂缝，并根据各类自身特点，探讨如果避免叠合板在生产、运输、吊装的过程中，出现裂缝和开裂现象。通过研究《混凝土结构设计原理》与《混凝土结构工程施工质量验收规范》，探讨了叠合板受力特点与抗弯性能测试的方法，并以某装配式建筑中预应力钢筋混凝土叠合板为例，进行现场叠合板的构件承载力试验。现场试验构件经过检测，该构件抗弯性能的挠度、承载力及抗裂能力均能符合《混凝土结构工程施工质量验收规范》的相关要求。