装配式钢筋混凝土楼盖竖向受力性能试验研究

装配式钢筋混凝土楼盖竖向受力性能试验研究

0全装配式rc楼盖研究预制钢筋混凝土（rc）覆盖层具有施工速度快、现代预制混凝土技术应用充分、工业化程度高、节能环保效果好等优点。NEHRP2000规定了在中高烈度区采用全干式楼盖的要求,Cleland等提出了高烈度区采用全干式楼盖的设计建议。目前应用最多的全预制装配式RC楼盖是全预制装配式双T形板楼盖体系,该体系存在楼盖结构高度大和板底不平整等缺点。在全装配式RC楼盖研究方面,主要集中在全预制双T形板楼盖的平面内受力性能方面的研究,如双T形板翼缘连接件受力性能的研究、双T形板楼盖平面内变形的研究和全预制双T形板楼盖结构体系抗震设计方法的研究,对于其他形式的全装配式RC楼盖及其竖向受力性能研究较少。文献提出了新型全预制装配式楼盖体系(以下简称“新型楼盖”)及其板缝连接节点。在新型楼盖中,上下企口匹配布置的预埋机械连接件在竖向荷载作用下能传递平面外剪力和垂直于板缝方向的应力,以达到双向受力及优化楼盖设计的目的。为研究新型楼盖竖向受力性能,本文进行了新型楼盖在竖向均布荷载作用下的受力性能试验,对楼盖的竖向承载力、挠曲变形和双向受力性能等进行研究,为全装配式RC楼盖竖向承载力研究、设计和工程应用提供参考。1试验总结1.1梁-板-板连接节点试件为新型楼盖的一个1/2缩尺模型,由5块预制板和预制框架梁拼装而成。楼盖模型柱网尺寸为3500mm×3500mm,平面布置如图1所示。预制框架尺寸、配筋和连接详图见图2。梁-柱连接节点和预埋件构造见图3。新型楼盖的梁-板连接与文献中的连接方法相同,板-板连接采用文献中的发卡-盖板混合式连接节点(HP-CPC)。预制板和预埋件详细尺寸等信息见文献和文献。1.2材料的力学性能预制板内部钢筋和连接件锚筋采用HRB400级钢筋,预埋件锚板采用Q235B级钢(板厚10mm),每种规格的钢筋(板)均进行了3个试样的抗拉强度试验。实测的材料参数如表1所示。混凝土设计强度等级为C35,标准混凝土试块(150mm×150mm×150mm)与混凝土楼盖试件处于同等环境下自然养护,实测材料参数如表2所示。1.3试验加载制度试验在东南大学混凝土与预应力混凝土结构教育部重点实验室进行。采用尺寸为260mm×140mm×85mm的铁块进行堆积加载,每块铁块质量约为20kg。楼板划分为25个区格进行加载,以模拟均布荷载。加载前首先在楼盖上画出方格网,每个方格内每层放置3个质量块,加载装置如图4所示。试验加载程序按GB50152—1992《混凝土结构试验方法标准》,并参照GB50204—2002《混凝土结构工程施工质量验收规范》中有关预制构件结构性能检验方法执行。为观测数据采集仪器的工作状态,在正式加载前,首先进行预加载。正式加载的前4级在每个方格里每级增加2个质量块;从第5级加载开始,在每个方格内每级增加1个质量块。第17级加载完成后,采用混凝土板及钢梁进行加载。加载完成时,折合楼盖均布荷载为14.55kN/m2,如表3所示。加载完成后,持荷12h再采集楼板挠度和应变数据,并观察裂缝发展。试验的卸载分为四级,每级荷载卸载后持续10min,待数值稳定后采集应变和挠度数据。1.4框架梁挠度与应变测试主要观测内容包括楼盖的挠度、钢筋网(混凝土和连接件)应变以及开裂模式等,具体内容如下:1)在试验中使用13个标距为100mm的位移计和6个标距为30mm的百分表来测量楼盖的挠度。由8个位移计(D4～D9、D11、D12)测量预制板的挠度,另外5个位移计(D1、D2、D3、D6、D10、D13)用于测量框架梁的挠度。6个百分表(E1～E6)分别布置于楼盖的东侧、南侧和北侧框架梁的跨中梁底,用于测量框架梁的扭转响应。位移测点布置如图5所示。2)在楼盖顶部主要的应变测试内容有混凝土应变、钢筋网(连接件)应变。为了视图清晰,将所有预埋件锚筋在图中画出。楼盖混凝土应变测点以C表示,板底钢筋网应变测点编号以预制板编号+坐标轴表示(如2-X表示2#板底部x向(垂直板缝方向)钢筋应变测点)、楼盖顶部钢筋网应变测点按预制板编号+坐标轴+方位表示(如2-Y-E表示2#板顶部东侧y向(板缝方向)应变测点),钢板应变测点以K表示。应变测点位置和编号详见图6和图7(注:楼盖底部跨中混凝土应变测点C1、C2位置见图5)。3)试验中采用肉眼观测、放大镜观测和裂缝宽度读取仪测量相结合的方法对楼盖裂缝的出现、发展和宽度进行量测,描绘裂缝走向并记录相应的荷载量值,采用观测和电测相结合的方法确定楼盖的开裂荷载值。2试验结果与分析2.1破坏形式新型楼盖模型在竖向荷载作用下的受力过程可分为3个阶段:弹性阶段、弹塑性阶段和破坏阶段。1楼盖支护应力在楼盖上出现第1条裂缝之前为弹性阶段,此时预制板混凝土、框架梁纵筋、连接件锚筋和开孔盖板应力均很小,楼盖模型基本处于弹性工作阶段,荷载和位移值均较小。23弹塑性阶段试件开裂后,裂缝处钢筋和混凝土应力迅速增大,在预制板上出现多条裂缝,连接件锚筋和开孔盖板开始屈服,进入弹塑性工作阶段。3双向变形特征板底裂缝密布,楼盖发生较大的挠曲变形,试验结束。为方便描述试验现象,把预制板进行了编号,将楼盖模型的方位关系也进行了说明,具体见图5。具体加载和破坏过程如下:加载初期,试件处于弹性工作状态,应变和挠度值均较小。在试验加载过程中楼盖表现出良好的承载性能和刚度,当加载至正常使用荷载6.11kN/m2时,跨中最大挠度为1.54mm,约为楼盖计算跨度的1/2123;而在纵、横两个方向的1/4楼盖跨度处挠度基本相等,纵向1.27mm,横向1.26mm,表明新型楼盖具有一定的双向变形特征。当加载至8.93kN/m2时,在楼盖3#板跨中两个连接件连线处出现两条垂直于板缝方向的裂缝,可认为其前一步荷载8.46kN/m2为开裂荷载,计入自重后开裂荷载为10.96kN/m2。随着加载的进行裂缝在跨中附近沿板缝方向持续增加,已有裂缝也逐渐延伸。当荷载总值达到17.05kN/m2时(为设计荷载的3.79倍),楼盖底部裂缝已经密布,此时楼盖跨中最大挠度为7.40mm,约为楼盖计算跨度的1/473,满足正常使用极限状态限值要求。加载完毕后,进行了持荷试验。持荷12h后再次进行数据采集,此时跨中挠度略有增长,最终挠度为8.20mm(约为楼盖计算跨度的1/426),并且又产生了一批新的裂缝,裂缝分布如图8所示。持荷结束后进行了分级卸载并采集了相关挠度和应变数据。根据GB50152—1992的要求,卸载后45min后进行了数据采集,最终测得跨中残余挠度为2.55mm。2.2楼盖挠度结果分析为分析新型楼盖支撑体系的受力性能,在四边框架梁上共设置6个位移测点,测点荷载-位移关系如图9所示。由图9可知,加载全过程中,框架梁的挠度基本随荷载呈线性增长。持荷12h后,框架梁的挠度略有增长;处于楼盖相似位置处的位移测点(如处于梁1/4跨度处的D2和D3测点,以及处于框架梁跨中位置处的D1、D6、D13和D10测点)挠度基本相同,这说明对于几何尺寸完全对称的新型楼盖,预制板的铺设方向以及装配式梁柱节点对新型楼盖体系中框架梁的挠曲变形影响不大。图10为楼盖垂直板缝方向(x向)跨中位置处5个测点的荷载-挠度关系曲线。图11为平行板缝方向(y向)跨中5个测点(均在3#板上)的荷载-挠度关系曲线。由图10和图11可知:跨中挠度最大,1/4跨度处的挠度次之,靠近框架梁处的挠度最小,且3个位置测点持荷12h后的挠度增量与此具有相同的分布规律;对称位置处的挠度和挠度增长趋势接近,可以认为楼盖的变形情况分别在纵、横两个方向均为对称;在加载全过程中,靠近框架梁处的荷载-挠度关系曲线基本为一条直线,而在1/4跨度处和跨中位置的荷载-挠度曲线的斜率在加载后期因材料进入塑性而发生了不同程度的降低。图12给出了楼盖初裂(开裂荷载为8.93kN/m2)时楼盖各测点挠度。由图可知,新型楼盖在竖向均布荷载作用下,挠曲变形的形状基本呈“碟形”,这与普通现浇混凝土双向板楼盖在竖向均布荷载作用下的变形形状相似,说明新型楼盖具有类似于双向板楼盖的变形特征。2.3突变2.3.1混凝土变形图13为楼盖底部跨中位置混凝土应变测点的荷载-应变关系曲线。由图可知:跨中x向的混凝土应变在整个加载过程中均较小,并且呈线性增长趋势;跨中y向混凝土应变在加载初期呈线性增长趋势,当荷载达到8.46kN/m2时混凝土开裂,导致y向混凝土应变急剧增大,跨中底部应变测点处的混凝土应力瞬间释放,使得x向混凝土的应变略有降低。图14为在竖向荷载作用下楼盖上表面跨中混凝土的荷载-应变关系曲线,由图可知:混凝土应变测点在x和y均处于受压状态;在加载初期2个位置处4个混凝土测点(C4、C5、C8和C9)的应变数值之间相差不大,随着荷载的增加,二者差距明显;从总体上看,x向混凝土应变大于y向混凝土应变,这是因为混凝土应变测点处于中间排板缝连接件附近,在竖向荷载作用下,发卡式连接件锚板后混凝土局部受到较大的压力所致;由混凝土应变曲线可知,在整个加载过程中混凝土的应变水平均较低。2.3.2楼盖钢筋变形分析图15为楼盖底部钢筋网在竖向均布荷载作用下的荷载-应变关系曲线。由图可知:从总体上看y方向的钢筋应变大于x方向的钢筋应变,说明楼盖在平行板缝y向的刚度较大,由于在垂直于板缝方向采用了分布式板缝连接件加以连接,而板缝连接件传递垂直于板缝方向应力的能力有限,不能达到常规现浇楼盖的水平,因此刚度较小;对于预制板底部y向钢筋,3#板的应变最大,2#板(4#板)次之,1#板(5#板)最小。图16为楼盖顶部靠近框架梁处的纵向钢筋在竖向均布荷载作用下的荷载-应变关系曲线。由图可知:在竖向均布荷载作用下楼盖的中间板端部负弯矩钢筋应变最大,常规板端部钢筋次之,边板端部应变最小,且均未屈服;东、西两端的中间板钢筋应变在加载初期差别不大,在加载后期差别较大。2.3.3开孔立柱应变随荷载的变化图17为楼盖底部盖板式板缝连接件中的开孔盖板(KKB)在竖向荷载作用下的荷载-应变关系曲线,图中编号见图7。由图可知:在加载初期,开孔盖板应变随荷载呈线性增长趋势,在加载后期表现出非线性的增长趋势;所检测的两列开孔盖板在竖向均布荷载作用下均处于受拉状态;对于同一排连接件(K11和K12),靠近跨中的开孔盖板(K12)应变大于远离跨中的开孔盖板(K11)应变;对于同一板缝上的开孔盖板,如K12、K22和K32,靠近跨中的开孔盖板(K32)应变大于远离跨中的开孔盖板(K12和K22)应变。2.4板盖挠度特性分析由试验结果分析可知,新型楼盖具有一定的双向受力性能,为了分析新型楼盖的在竖向荷载作用下的双向受力性能,将新型楼盖与同条件下的现浇混凝土楼盖和普通预制楼盖进行对比分析。对于四边简支的双向板,由文献可查得板跨中最大挠度表达式为:ws=0.00406(q0l401/Dx)(1)ws=0.00406(q0l014/Dx)(1)对于两边简支单向板跨中最大挠度为:wd=0.0130(q0l401/Dx)(2)wd=0.0130(q0l014/Dx)(2)由试验得到的荷载-挠度曲线,可计算新型楼盖在弹性阶段跨中最大挠度表达式为:w0=0.00579(q0l401/Dx)(3)w0=0.00579(q0l014/Dx)(3)式中:Dx为楼盖平面外抗弯刚度。表4为新型楼盖与同尺寸普通现浇双向板楼盖以及普通单向板跨中挠度对比。由表4可知,新型楼盖的跨中挠度为相同尺寸普通双向板楼盖跨中挠度的1.426倍,说明全预制装配式楼板具有一定的双向受力性能。而新型楼盖的跨中挠度仅为相同尺寸普通单向板楼盖跨中挠度的0.445倍,说明新型楼盖板缝连接形式可以有效减小楼盖挠度,控制楼盖变形。在弹性工作阶段,由材料力学理论可得新型楼盖跨中两个方向弯矩计算式分别为:Mx=σb,xWz=Ecεb,xWz(4a)My=σb,yWz=Ecεb,yWz(4b)εb,x=εs,x(h0x−h/2)×h2(5a)εb,y=εs,y(h0y−h/2)×h2(5b)Wz=bh26(6)Μx=σb,xWz=Ecεb,xWz(4a)Μy=σb,yWz=Ecεb,yWz(4b)εb,x=εs,x(h0x-h/2)×h2(5a)εb,y=εs,y(h0y-h/2)×h2(5b)Wz=bh26(6)式中:σb,x、σb,y分别为板底x向和y向截面最外边缘应力;εb,x、εb,y分别为板底x向和y向截面最外边缘应变;εs,x、εs,y分别为楼板跨中x向和y向钢筋应变;h0x、h0y分别为楼板x向和y向截面有效高度;h、Wz分别为预制板截面高度和截面弹性抵抗矩。由试验数据可知,在弹性工作阶段εs,x/q0=6.548(N·m-2)-1,εs,y/q0=1.903(N·m-2)-1。将上述数据代入式(4)～式(6),可得新型楼盖在单位荷载作用下跨中x向弯矩Mx=0.731N·m和y向弯矩值My=0.158N·m。可知,x向和y向的弯矩比值Mx/My=4.638,说明新型楼盖板侧埋件承担了一部垂直于板缝方向的弯矩,结合新型楼盖的挠曲变形形状和挠度对比结果,可以发现新型楼盖具有一定的双向变形特征和双向受力性能。但新型楼盖在平行板缝方向和垂直板缝方向的受力性能存在明显差异,因此,本文新型楼盖为具有一定双向工作性能的正交各向异性楼盖。3双向板楼盖挠曲变形特性1)新型楼盖具有较高的竖向承载力。当外荷载达到设计荷载的2.44倍时,楼盖底出现第1条裂缝;试验结束时荷载为设计荷载的3.79倍,尚具有一定的