碳纤维增强复材-混凝土密拼双向叠合楼板静载试验研究*

彭亚萍 王文超 金 鹏 李泓霖 史 垒

(上海应用技术大学城市建设与安全工程学院， 上海 201418)

大力发展装配式建筑是目前我国推动建筑工业化进程、促进建筑业转型升级的重要举措。装配式混凝土结构中，楼盖是最易于实现预制装配化的部分，叠合楼盖兼具装配化的优势和现浇结构良好的整体性能，在装配式混凝土结构中得到广泛应用。

实际工程中，混凝土预制底板的侧向拼缝方式决定着叠合板的整体工作性能，现行的 JGJ 1—2014《装配式混凝土结构技术规程》[1]给出了适用于双向板的“后浇带式拼缝”和适用于单向板的“分离式拼缝”两种形式。“后浇带式拼缝”需要预制底板四周预留外伸钢筋，给生产、堆放、运输和吊装施工造成较大不便，预留后浇带，现场施工需要支设模板，增加成本和工期，且施工质量难以得到保证，不能显现装配式结构的优势。采用“分离式拼缝”的叠合板，板侧无需设外伸钢筋，板缝密拼，施工简便，但难以满足板的双向传力要求。

近年来国内学者对混凝土密拼叠合板的受弯性能开展了试验研究和有限元分析，吴方伯等、颜峰等的研究表明在拼缝处叠合面设置附加筋对提高楼板的承载力、刚度、抗裂性能效果明显[2-3]。恽燕春等研究了桁架钢筋间距、附加筋数量及搭接长度对密拼叠合板承载力的影响[4]。吴方伯等提出了将附加筋做成连续的蛇形，可以起到较好的防裂效果，能使叠合层刚度分布更加均匀[5]。余泳涛等的研究发现在拼缝处设置桁架钢筋可有效控制叠合面的剥离破坏，并提高叠合面垂直于拼缝方向的刚度和承载力[6]。上述研究均表明叠合板通过合理设置桁架筋和附加筋的形式、数量、搭接长度可以实现双向传力，但存在承载能力略有下降、楼板刚度明显降低、裂缝集中、混凝土叠合面易发生剥离破坏的缺陷，难以实现“等同现浇”的效果[2-9]。

为此，作者团队提出纤维增强复材-混凝土双向叠合楼板方案，通过在板底部跨缝粘贴纤维条带来加强预制底板之间的传力，增强密拼连接的整体性。通过合理设置纤维条带及附加筋可以合理控制叠合板的厚度，取消后浇带，减少施工工序，降低建造成本，提高生产效率。

模拟实际工程中楼板多为不等边的矩形，周边均有梁支承，设计了6块四边简支的矩形密拼混凝土双向叠合楼板试件，开展静力加载对比试验，对采用碳纤维条带增强的单缝密拼双向叠合板的受力特点和破坏形态、承载特性、抗弯刚度和裂缝发展等进行了研究，结果证明碳纤维增强复材能在混凝土叠合板中有效发挥作用，碳纤维增强复材-混凝土密拼双向叠合板的受弯承载能力满足要求，抗弯刚度较之普通密拼叠合板明显提高，裂缝开展延缓减小。

1 纤维增强复材-混凝土密拼叠合板复合结构

采用纤维增强复材的双向叠合板密拼接缝构造如图1所示，拼缝处底面粘贴纤维条带，形成纤维增强复材-混凝土双向叠合板复合结构。垂直板缝方向的附加筋与桁架筋绑扎连接，形成空间桁架传力体系。

1—纤维条带； 2—预制底板； 3—后浇混凝土叠合层； 4—板底部纵向受力钢筋； 5—板缝叠合面附加钢筋； 6—桁架钢筋； 7—板顶部纵向受力钢筋。

彭亚萍等的研究[10]表明，将碳纤维条带粘贴在混凝土双向叠合板的拼缝处底面，能补充承受截面拉应力，增加叠合板抗弯时的截面有效高度，提高拼缝截面抗弯承载力，增大楼板刚度，减小变形，延缓拼缝处的裂缝发展，减小叠合面剥离的可能性。碳纤维增强复材可使密拼连接实现叠合板的双向传力。

2 试验研究

2.1 试件设计与制作

为了验证碳纤维增强复材对密拼混凝土双向叠合板受力性能的影响，试验设计制作了6块宽度为1 500 mm、长度为2 400 mm的叠合板，均为沿长边中部有1条拼缝的双拼板，板厚均为120 mm(预制底板和现浇面层厚度均为60 mm)。A组2个普通密拼叠合板对比试件，变化因素是附加筋配置量的大小；B组4个试件均为纤维增强复材-混凝土密拼叠合楼板，变化因素有碳纤维条带的强度和厚度、板缝是否采用聚合物砂浆预先处理两个因素，构件详细参数见表1。

表1 试件主要参数

碳纤维的弹性模量均为2.45×105MPa，延伸率均为1.74。

试件的预制底板配置双向φ8@150受力钢筋，1 200 mm宽的预制底板中设置两道桁架钢筋，间距为(300+600+300) mm，上下弦钢筋为φ8，腹杆钢筋为φ6，实测钢筋抗拉屈服强度为530.6 MPa，混凝土立方体抗压强度为43.10 MPa。现浇面层配置紧贴预制底板的叠合面附加钢筋和板顶面双向φ8@150受力钢筋，实测钢筋抗拉屈服强度为627.8 MPa，混凝土立方体抗压强度为23.19 MPa。混凝土保护层厚度均为15 mm。碳纤维条带的宽度均为100 mm，粘贴间距100 mm，跨缝两侧的锚固长度按GB 50608—2011《纤维增强复合材料建设工程应用技术规范》[11]计算后取为550 mm，端头垂直设置锚固压条，粘贴好碳纤维增强复材的试件如图2所示。

图2 粘贴好纤维增强复材的试件

2.2 加载方案

叠合板试件的四边设置简支支座，支撑于6个支墩之上，板底离地面高度1.2 m左右。使用500 kN集中荷载的电液伺服结构试验系统进行静力加载，借助分配梁来实现沿长跨方向的四点同步加载，每个加载点下设置方形钢板，钢板下放置细砂，使加载效果接近均布面荷载。加载装置如图3所示。

图3 试验加载装置

试验采用荷载控制模式进行分级加载，先进行预加载调试，正式加载时在叠合板试件下表面混凝土开裂前每级加载20 kN，随后每级加载40 kN，接近承载能力极限荷载时每级加载20 kN，直至荷载达到最大值。

2.3 量测方案

量测内容包括荷载、位移、应变、裂缝四个方面：加载控制系统自动量测荷载；试件下表面设置5个位移计,详见图4a，上表面设置4个位移计(试件四周支座的中部位置)来量测板的竖向位移(挠度)；附加钢筋表面预埋4个钢筋应变片测量钢筋应变，详见图4b；B组试件下表面受拉区混凝土和碳纤维条带表面沿长跨方向各设置4个和6个混凝土应变片，沿短跨方向混凝土表面设置4个混凝土应变片，均在板底拼接缝的两侧对称布置，设置于中间三个碳纤维条带和其间隙的条带状混凝土的中部位置，详见图4c。A组试件的14个混凝土应变片均粘贴于对应位置的混凝土表面；裂缝出现结合直接观察法和挠度转折法确定，裂缝宽度采用裂缝测宽仪量测。每级加载持荷阶段观察并描绘裂缝的位置、走向，并记录对应的荷载值和裂缝宽度。

a—板底位移计布置； b—附加筋应变片布置； c—板底混凝土及碳纤维应变片布置。：位移计； ：钢筋应变片； -：应变片。

3 试验结果及分析

3.1 受力过程及破坏形态

6块叠合板试件底部的可见裂缝分布均具有双向板的特征，B组试件更加明显，代表试件A1、B3的板底裂缝分布见图5。所有试件在加载初期板侧底部出现均匀分布的细小受弯裂缝，随荷载增加逐渐向上延伸，穿过预制底板后继续向上，多数试件局部出现叠合面水平滑移裂缝。6个试件均未出现拼缝处裂缝集中的现象。

a—A1； b—B3。

所有试件沿长、短跨方向板侧的裂缝形态如图6所示。从板侧观察裂缝分布显示：

a—长跨方向； b—短跨方向。

1)6个试件沿短跨方向均发生不同程度的叠合面滑移现象，滑移位置均不在跨中但接近跨中，B组试件滑移位置更加远离跨中。

2)除B3以外其余5个试件沿长跨方向均发生了叠合面滑移现象，滑移位置大多不在跨中，B组试件滑移位置多发生在FRP条带约束区以外部位。

3)较之A组试件，B组试件出现叠合面滑移裂缝更晚一些，B3、B4到加载后期才出现。典型试件B1长边及短边的裂缝分布及叠合面滑移裂缝照片如图7所示，滑移面两端斜裂缝是在大位移状态下变形协调引起的。

a—长边板侧滑移裂缝； b—短边板侧滑移裂缝。

碳纤维增强复材有效参与截面工作，应变随荷载持续增加。加载至300 kN时，试件B1跨越板缝的碳纤维条带开始发生剥离，发出响声，460 kN时试件B1和B3的板缝处碳纤维条带局部断裂，端头锚固压条断裂。

3.2 承载特性分析

3.2.1特征荷载值

试验中结合直接观察法和挠度转折法确定试件的开裂荷载Pcr，最大裂缝宽度达到0.3 mm时对应的荷载取为使用状态试验荷载值Pu,c[12]，加载的极限荷载取为承载状态试验荷载值Pu,s。试件的3个特征荷载值及其与试件A1的相对比值列于表2，对比分析可发现：

表2 试件特征荷载值

表中的相对比值是指试件特征荷载实测值相对试件A1的比值。

1)开裂荷载比较：B组试件较之A1提高50%(附加筋配置量相同)，说明板底碳纤维条带在加载初期已开始参与截面受力，延缓了混凝土的开裂；A2较之A1提高20%，说明增加附加钢筋量可提高开裂荷载值；B组试件高于A2，说明板底设置碳纤维条带较之叠合面配置附加钢筋对提高开裂荷载更为有效。

2)使用状态试验荷载值比较：B组试件较之A1提高26.5%～34.9%，A2较之A1提高27.2%，B组试件相对比值平均值高于A2，原因同上，说明碳纤维条带对使用状态试验荷载值的提高贡献明显。

3)6个试件的极限荷载值非常接近，这是因为四边简支板主要沿短跨方向受力，而预制底板的拼缝沿长跨方向设置，对短跨抗弯承载能力几乎没有影响，碳纤维条带沿长跨方向布置(锚固压条短跨方向布置)，对短跨方向抗弯承载力几乎没有贡献。

4)相同截面和配筋整浇楼板的开裂荷载Pcr、极限荷载Pu,s的计算值分别为111.83 kN、424.52 kN，B组试件的相应实测值均大于整浇试件，说明四边简支的矩形混凝土密拼双向叠合板的承载能力达到“等同现浇”。

3.2.2板底碳纤维增强复材受拉应变及应力分析

选取B组试件碳纤维条带上有效应变片测得的应变均值，绘制出B组试件碳纤维条带的荷载-应变关系如图8所示，碳纤维增强复材的拉应变随荷载持续增加，碳纤维复材有效参与截面抗弯，对比分析可见：

图8 碳纤维增强复材荷载-应变关系

1)4个试件的荷载-应变关系早期上升段大致呈线性增长，后期逐渐平缓，碳纤维条带的应力、应变增长速率逐步加大。

2)试件B1、B2的极限应变值较之试件B3、B4相对较大，前者约为后者极限应变均值的1.6倍。极限应变值最大和最小的试件B1、B4碳纤维增强复材极限应力值分别为657 MPa、376 MPa，分别约为其原材抗拉强度的20%和10%，说明碳纤维增强复材的抗拉强度冗余度较高，配置较高强度较多数量的碳纤维增强复材不能充分发挥作用。

3)同级荷载作用下，试件B2、B4的应变略大于B1、B3，说明预先使用聚合物砂浆填充板缝对增强结构整体性、助力碳纤维增强复材充分发挥作用有贡献。

3.2.3叠合面附加筋受拉应变及应力分析

选取试件附加筋上有效应变片测得的应变均值，绘出试件叠合面附加筋的荷载-应变关系如图9所示，对比分析可见：

图9 附加钢筋荷载-应变关系

1)A组试件应变随荷载增大持续呈线性增大，B组试件的应变曲线早期相对陡立，后期逐渐平缓。

2)施加相同荷载时，试件B1～B4的应变明显小于试件A1，说明碳纤维增强复材发挥作用后，截面协调变形分配给附加筋的拉力变小。其中试件B1、B2的极限应变值相差不大，分别约为A1的56%、55%；试件B3、B4的极限应变值比较接近，分别约为A1的 43%和41%。说明随碳纤维增强复材抗力增大，叠合面附加筋应力减小。

3)6个试件在极限荷载作用下，跨越板缝的叠合面附加筋均未发生屈服。极限应变值最大和最小的试件A1、B4附加筋的极限应力值分别为239，91.8 MPa，约为其屈服强度的66%和25%，说明试件A1的附加筋配置量较为合适，B组试件的附加筋配置量相对较多，板底设碳纤维复材后可适当减少附加筋配置量。

3.2.4板底混凝土受拉应变及应力分析

试件下表面混凝土应变沿长跨方向发展较慢，沿短跨方向相对较快，短跨方向应变片较早被拉断，表现出矩形四边简支板的受力特点。试件长、短跨两个方向的荷载与板底跨中混凝土应变关系曲线见图10，对比分析可见：

a—长跨方向； b—短跨方向。

1)同级荷载作用下，长跨方向B组试件混凝土应变明显小于A1，略小于A2，特别是加载后期，说明碳纤维增强复材承担板底拉应力后混凝土应力、应变相应降低。

2)短跨方向混凝土较早承担拉应力，6个试件的曲线形状较为相似，同级荷载作用下B组试件混凝土应变略小于A组，没有长跨方向明显，说明长跨方向设置碳纤维增强复材对短跨方向受力的有利影响较小。

3.3 变形能力分析

3.3.1板的挠度变形

取板底几何中心处的最大挠度值，绘制出附加筋配置量相同的5个试件的荷载-跨中挠度关系曲线见图11，跨中最大挠度值相互比较见表3，分析可见：

表3 试件最大挠度值分析

图11 试件荷载-跨中挠度关系

1)同级荷载作用下，B组试件跨中最大挠度明显小于A1，相对比值在0.66～0.95之间，平均为0.795，说明板底粘贴碳纤维增强复材能将密拼混凝土叠合板的刚度提高1.25倍。

2)试件B2、B4相对B1、B3的比值分别为0.81、0.82，说明板缝预先采用聚合物砂浆处理能使密拼混凝土叠合板的刚度提高1.23倍。

3)试件B3、B4相对B1、B2的比值分别为0.85、0.87，说明采用抗力较大的碳纤维增强复材也能提高密拼混凝土叠合板的刚度，复材设计抗力(复材的强度与厚度相乘)增大1.75倍(B3、B4较之B1、B2)时，叠合板刚度提高1.1倍。

4)碳纤维增强复材抗力较大且板缝预先采用聚合物砂浆处理过的试件B4的后期挠度值相对最小，较之A1挠度比值为0.66，刚度较之A1提高了1.52倍。

3.3.2板底拼缝宽度发展

试验过程中对板底拼缝中点的宽度进行逐级测量，6个试件的拼缝中点宽度增量随荷载增加的变化曲线如图12所示，对比可见：

图12 板底拼缝荷载-缝宽增量关系

1)B组试件的拼缝宽度增量相对A1明显减小，可见碳纤维增强复材有效约束了密拼叠合板底拼缝处裂缝的出现与发展。

2)试件B2、B4的缝宽几乎没有发展，加载中后期只有很小的增大，说明板缝预先采用聚合物砂浆处理过的碳纤维增强复材-混凝土叠合板的整体性更好，受力过程中拼缝宽度几乎没有增加量。

4 结 论

本文对板底粘贴碳纤维增强复材的矩形四边简支密拼混凝土叠合板进行了静载试验，验证了碳纤维增强复材能有效参与截面受力，得到如下结论：

1)四边简支的密拼混凝土叠合板均能实现双向传力，承载能力达到“等同现浇”，试件均未出现拼缝处裂缝集中的现象，碳纤维增强复材-混凝土密拼叠合板的叠合面滑移现象相对普通密拼试件减缓，滑移位置远离跨中靠近板端。

2)板底长跨方向粘贴碳纤维条带可明显降低板底混凝土的应力、应变，碳纤维增强复材对提高试件的开裂荷载、使用状态试验荷载值贡献明显，但对短跨方向受力的有利影响较小，对试件极限荷载没有影响。

3)板底粘贴碳纤维增强复材能显著提高密拼混凝土叠合板的刚度，较之普通密拼能提高1.25倍。碳纤维增强复材设计抗力提高1.75倍时，刚度提高1.1倍。碳纤维增强复材对板底拼缝的约束作用非常明显。

4)使用聚合物砂浆填充板缝对增强结构整体性、助力碳纤维增强复材充分发挥作用有正向影响，但不显著。聚合物砂浆填缝板抗弯刚度较之不填缝时提高1.23倍，受力过程中板底拼缝宽度增加量非常小。

5)随碳纤维增强复材抗力的增大，叠合面附加筋应力减小。板底设置碳纤维增强复材后可适当减小叠合面附加筋用量，但配置抗力较高的碳纤维增强复材不能充分发挥作用。