预应力混凝土钢管桁架叠合板底板结构承载力性能试验研究

期刊: 建筑砌块与砌块建筑 DOI: PDF下载

刘志豪1，魏广硕2，张羽1

安徽地平线建筑设计有限公司，安徽 合肥 230000

摘要

近年来，装配式混凝土结构发展迅速，叠合楼板构件在装配式结构中大量应用，而预应力混凝土钢管桁架叠合板相对于传统叠合板，通过在桁架上设置钢管，并注入微膨胀高强砂浆，进一步提高了其受力性能。本文通过对该叠合板底板进行堆载试验得出有关分析和结论，进而为该类板在实际的工程应用中提供试验依据和技术参考。


关键词

装配式结构；堆载试验；预应力混凝土钢管桁架叠合板

正文

[中图分类号]     [文献标识码]   [文章编号]

0 引言

近年来，装配式混凝土结构发展迅速，楼板作为水平构件，是装配式结构设计中优先考虑的构件，目前也在全国进行大面积推广。预应力混凝土是预先将钢筋进行张拉后与混凝土结合在一起的建筑材料，具有抗裂性能好、刚度大、节省材料等诸多优点[1]。而预应力混凝土钢管桁架叠合板在目前实际工程应用中越来越广泛，为检验这种预应力混凝土钢管桁架叠合板底板的结构性能，对板跨中逐级施加静力荷载，通过观察板的变形和裂缝开裂程度及相应破坏形态，对其进行承载力性能分析，本文所提出的设计方法和试验结果为预应力混凝土钢管桁架叠合板在具体工程中的应用提供了试验依据，同时也对装配式结构的发展与应用提供一定的参考。

1 试验方案的设计

1.1 实验的设计和制作

本次试验的预应力混凝土钢管桁架叠合板的型号为 PKB-4，实测试件长度为2.298m，宽度为 1.201m，厚度为 34 mm，截面尺寸如图 1 和图2所示，所测试的楼板混凝土强度等级为 C40，叠合板纵向钢筋配置为8根直径为5.0mm的消除应力螺旋肋钢丝，桁架筋为内部注浆钢管（外径28mm，壁厚1.0mm）。

图片1.png 

图1叠合板实测尺寸及构造筋配置实测（顶视图）

图片2.png 

图2叠合板实测尺寸及构造筋配置实测（侧视图）

1.2静载试验

1.2.1 基本数据

 预应力混凝土钢管桁架叠合板底板加载区域尺寸为1995mm×1200mm。试验按最不利工况（浇筑叠合层后叠合层未达到设计强度同时上人进行上层施工）进行加载，试件永久荷载（含叠合层）SG=3.25kN/m2，施工活荷载SQ=1.5kN/m2，荷载标准组合值Qs=4.75kN/m2。挠度检验允许值[as]=×[af]=0.59×7.98mm=4.74mm，其中θ=2.0。预应力混凝土钢管桁架叠合板抗裂检验系数允许值[γcr]=1.75，具体计算过程见表1[4]。

表1挠度检验允许值[as]、抗裂检验系数允许值[γcr]计算

设计荷载

叠合后自重标准值

3.25kN/m2

活荷载标准值

1.50kN/m2

标准组合值

4.75kN/m2

挠度检验允许值[as]计算

按照荷载标准组合设计值的弯矩值

图片3.png

按照荷载准永久组合设计值的弯矩值

图片4.png

挠度限值[af]

图片5.png

挠度检验允许值[as]

图片6.png

抗裂检验系数允许值计算[γcr]

预制构件计算截面面积

图片7.png

预制构件截面形心位置

图片8.png

预制叠合板底板截面惯性矩

图片9.png 

换算截面抗弯矩系数

图片10.png

预应力钢筋张拉控制应力

图片11.png

下部预应力钢筋重心至换算截面重心的距离

图片12.png

张拉端锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失

图片13.png

预应力筋摩擦引起的预应力损失

图片14.png

温差引起的预应力损失

图片15.png

预应力钢筋的应力松弛引起的预应力损失

图片16.png

预应力钢筋合力点处混凝土法向应力等于零时的预应力钢筋应力

图片17.png


抗裂验算截面边缘混凝土法向应力

图片18.png


受拉区预应力钢筋合力点处的混凝土法向压应力

图片19.png=4.796N/mm2


抗裂检验系数允许值[γcr]

图片20.png


1.2.2 位移计布置及加载方式

叠合板加载示意图见附图3，现场加载见照片4，加载过程中跨中两侧以及板中两侧各布置1个位移计，共6个位移计(UPM-50型容栅位移传感器)，见图5，加载方式采用50kg的袋装水泥均布加载。

1) 荷载分级

当荷载不大于正常使用荷载检验值时，每级荷载不宜大于该荷载值 20%; 当荷载大于该荷载值时，每级荷载不宜大于该荷载值的 10%; 当荷载接近抗裂荷载检验值时，每级荷载不宜大于该荷载值的 5%．当荷载接近承载力荷载检验值时，每级荷载不宜大于承载力检验荷载设计值的 5%［2］。

2) 加荷持续时间的确定

每级加荷完成后，宜持续 10 ～ 15 min; 在正常使用短期荷载检验值下，宜持续 30 min．在持续时间内，可以观察裂缝的出现和开展情况；当持续时间结束时，观测并记录各仪器的读数［3］。

3) 荷载值的确定

加载初期每级加荷控制在 20% Qs 以内，因此加载系数分别取 0．2，0．4，0．6，0．8 后计算加载值．但有的构件自重 Gk1 较大，本身超过 0.2Qs ，当扣除构件的自重时，往往得到负数．因为短期荷载检验值是( Qs － Gk1 ) ，因此，当最初的一、二级荷载不予计入，从下一级荷载开始记录，加载制度见表2。

4) 加载值计算公式

① 跨度和宽度的计算公式: 检验跨度 L0 = L标－180 mm =2295－180 =2277mm; 标志宽度 b = b标 =1200 mm．

② 加载累计值的计算公式: 空心板的总加载自重公式为: W = ( Qs－Gk1 ) L0b ; 正常使用极限状态检验时加载物累计数目的计算公式为n =( KQs－Gk1 )L0b÷每块加载物量;

表2加载制度

抗裂检验

荷载分级

时间（min）

加载系数

Q（不含自重）kN

试验荷载累计值Qu(kN)(含自重)

配重数量

（50kg/袋）

检测内容

0

0

0.00

—

—

—

—

1

0

0.20

—

—

—

—

2

15

0.40

2.5

4.5

5

—

3

15

0.60

4.7

6.8

9

—

4

15

0.80

7.0

9.1

14

—

5

30

1.00

9.3

11.4

19

检验[af]和[wmax]

6

15

1.10

10.4

12.5

21

—

7

15

1.20

11.6

13.6

23

—

8

15

1.30

12.7

14.8

25

—

9

15

1.40

13.8

15.9

28

—

10

15

1.50

15.0

17.1

30

—

11

15

1.60

16.1

18.2

32

—

12

15

1.70

17.2

19.3

34

—

13

15

1.80

18.4

20.5

37

检验是否出现裂缝

 

图片21.png 

图3叠合板加载示意图

 

图片22.png 

图4现场加载照片

图片23.png 

图5叠合板板底位移计布置示意图

2 试验结果

2.1挠度检验

当荷载加载至4.75kN/m2（即试验荷载11.4kN，含自重）时，挠度检验结果见表3。

表3挠度检验结果

测试

部位

外加荷载作用下实测位移(mm)

自重作用下产生位移(mm)

全部荷载作用下跨中挠度(mm)

检验[as]

vl

vm

vr

aq

Mg/Mb

ab

ag

at=aq+ag

第Ⅰ跨

2.23

4.73

2.03

2.60

0.10

6.08

0.61

3.21

≤4.74

评定

受检构件挠度检验结果满足规范要求。

备注

aq=vm-(vl+vr)/2;ag=Mg/Mb×ab; at=aq+ag;具体符号表示意义见国标GB50204-2015第B.2.8条第3款。

6个位移计位移变化随荷载变化的趋势见图6。

图片24.png 

（1）位移计2和位移计5  力-位移图

图片25.png 

（2）位移计1和位移计6  力-位移图

图片26.png 

（3）位移计3和位移计4  力-位移图

图6力-位移图

不难看出，位移随力的变化基本成线性关系，板始终属于属于弹性变化阶段，且中间两个位移计挠度最大，两侧位移计变化位移较小。

 

2.2抗裂检验

当荷载加载至8.6kN/m2（即试验荷载20.5kN）时，构件未开裂，抗裂检验结果见表4。

表4抗裂检验结果

检验内容

试验荷载Qcr (kN)

构件使用状态试验荷载值Qs(kN)

抗裂检验系数允许值[γcr]

抗裂检验荷载[γcr]×Qs(kN)

抗裂

检验

裂缝检验

抗裂检验

20.5

11.4

1.75

19.9

Qcr≥[γcr]×Qs

构件未

开裂

评定

受检构件抗裂检验结果满足规范要求。

备注

 [γcr]=0.95×(σpc+γftk)/ σck，具体符号表示意义见国标GB50204-2015第B.1.4条。

3 结论

1）荷载加载至正常使用极限荷载（标准组合值4.75kN/m2）时，受检构件跨中最大挠度值为3.21mm，检验结果均未超过挠度检验允许值4.74mm，满足规范要求；当荷载加载至抗裂检验荷载（19.9 kN）时，构件未开裂，受检构件抗裂检验指标满足规范要求。

2）试验结果表明，该预应力混凝土钢管桁架叠合板底板（无现浇叠合层）具有良好的承载力性能，其中挠度还具有较大的富裕度，各项指标均满足规范要求，本试验结果可以为预应力混凝土钢管桁架叠合板的应用提供参考依据，尤其对装配式建筑结构的发展具有非常重要的意义。

参考文献

［1］ 朱士涛，陈旭东，魏广硕，等．超大跨度预应力混凝土空心板结构性能试验研究［J］． 兰州工业学院学报，2017，24( 4) : 01-04．

［2］ GB 50010—2010 混凝土结构设计规范［S］．北京: 中国建筑工业出版社，2011．

［3］ 王光煜，王耀明，杨兴华，等．预应力混凝土空心板静载试验方法研究［J］．公路交通科技，2002，19( 6) : 76-79．

［4］ GB550009-2012 建筑结构荷载规范［S］．北京:中国建筑工业出版社，2012．

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


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