预应力混凝土空心叠合板结构性能试验研究及影响因素分析

引言：预应力混凝土空心叠合板由预应力混凝土空心板（作为底板）和现浇混凝土叠合层（后浇层）组成。底板在施工阶段承受楼板自重与施工荷载，兼做模板作用；在使用阶段与后浇混凝土叠合层形成整体，兼有预制楼板与现浇板的双重优点。然而，目前空心叠合板及其底板质量与结构性能检验方法尚不完备,空心叠合板破坏性质以及影响因素的试验研究较少。特别是随着人们生活水平提高，对居室大开间及任意开间需求的增加，楼板跨度有增大的趋势，楼板厚度也要相应增加，再加上120mm厚的预应力混凝土空心板结构性能与工程实践应用相对成熟，因此，对以120mm厚预应力混凝土空心板作底板，上面现浇50mm叠合层形成170mm厚预应力混凝土空心叠合板进行结构性能试验研究具有十分重要的理论意义和现实意义。

本文通过对4块170mm厚预应力混凝土空心叠合板和8块120mm厚预应力混凝土空心底板进行结构性能试验研究及对比分析，研究了预应力混凝土空心叠合板的破坏性质和主要影响因素，分析验证了叠合板的抗裂承载力与同材料、同几何尺寸的全预应力构件相比，不会因为现浇了叠合层而下降。提出了预应力混凝土空心板叠合板在实际工程应用的相关建议。为装配整体式叠合楼盖这一先进的技术尽早地转化为现实生产力提供更充分的理论和试验依据。

2  试验方案设计

2.1 试件的设计与制作

参照文献[1]制作型号为YKBa3362、YKBa3662、YKBa3961、YKBa4261的预应力混凝土空心板各3块，其中2块用于空心板的简支结构性能试验，1块作底板用于预应力混凝土空心叠合板简支结构性能试验。制作叠合板时，底板做3~4mm深的划毛处理，浇注叠合层前将底板表面用高压水冲洗润湿，清除明显积水。叠合板叠合层厚度为50mm，混凝土强度等级为C30。预应力混凝土空心叠合板试件参数见表1，截面尺寸如图1所示。

表1  170mm厚预应力混凝土空心叠合板及底板参数表

注：①h2－叠合层混凝土厚度（单位：mm）②fcu2－叠合层混凝土立方体抗压强度标准值

图1  170mm预应力混凝土空心叠合板截面图

2.2  加载方案

试验采用混凝土试块按区格成垛堆放模拟均布荷载加载，垛与垛间隙不宜小于50mm，加载示意图如2所示。试验前取100块混凝土试块测出单块平均重量，以试件正常使用短期荷载值及承载力极限荷载设计值为基础，以试件正常使用短期荷载下的挠度、开裂荷载值、破坏荷载值为基准制定加载程序，加载值通过混凝土试块的块数来控制。

图2  简支空心底板、叠合板加载示意图（A.堆载块，B.百分表）

2.3  量测内容和结构性能检验内容

所有试件一直加载到破坏为止。开裂荷载、破坏荷载的大小通过计算试件上的堆砌的试块重量得到。观察裂缝出现采用放大镜，观测裂缝的宽度采用精度为0.05mm的刻度放大镜。试件反拱值用拉线法测量，支座沉降用3cm量程的百分表量测，跨中挠度用两块5cm量程的百分表对称布置在试件跨中两侧量测。

依据文献[2]的规定分别进行承载力检验、挠度检验和抗裂检验。

3  170mm厚预应力混凝土叠合空心板及其底板破坏过程和破坏形态

根据试验结果绘制叠合板（YKDBa）与其底板（YKBa）的荷载-挠度曲线如图3~图6所示。从荷载-挠度曲线图中可以发现，预应力混凝土空心叠合板及其底板从加载到破坏，工作状态经历了三个阶段：弹性工作阶段、带裂缝工作阶段和破坏阶段。弹性工作阶段对应于试件开裂前的阶段，由于预压应力的存在，试件的弹性工作阶段较长，荷载-挠度曲线基本呈直线变化。随着荷载的增加，裂缝首先在跨中弯矩最大处混凝土的受拉区出现，试件进入带裂缝工作阶段。试件开裂后钢筋和混凝土应变增长较快，裂缝的数量随荷载的增大而增多，但长度和宽度发展较慢，试件的挠度则在开裂后明显增大，荷载-挠度曲线有明显的转折。最后试件进入破坏阶段，裂缝条数、宽度和长度稳定增加，直至破坏。叠合板刚度明显大于其底板。各试件最大挠度、破坏时裂缝分布情况和破坏特征具体见表3。

4  预应力混凝土空心叠合板结构性能及影响因素分析

4.1  170mm厚预应力混凝土空心叠合板抗裂性及极限承载力检验结果分析

将试件的开裂荷载、破坏荷载的实测值与依照文献[3]计算值及相互比值列于表2。从表2中可以发现，170mm厚预应力混凝土空心叠合板实测破坏荷载值与实际参数计算的破坏荷载值的比值平均为1.18，实测开裂荷载值与按实际参数计算的开裂荷载值的比值平均为1.19，说明试验结果与文献[3]计算结果吻合较好，并有一定的安全系数。但叠合板同底板一样，实测破坏荷载值与实测开裂荷载值的平均比值为1.19，试件开裂后再加3~4级荷载就破坏了，延性较差。

4. 2  170mm厚的预应力混凝土空心叠合板破坏性质分析

通过对试件的裂缝条数、裂缝宽度、挠度以及挠跨比几个方面绘制表3分析170mm厚的预应力混凝土空心叠合板破坏性质。

表2     170mm厚预应力混凝土空心叠合板极限承载力及开裂荷载对照表

注：Fk－试件的标准荷载值；Fcrj－试件按实际参数计算的开裂荷载值；Fcrs－试件的实测开裂荷载值；Fuj－试件按实际参数计算的破坏荷载值；Fus－试件的实测破坏荷载值。

表3  170mm预应力混凝土空心叠合板破坏性质分析表

注：l0、fmax裂缝最大宽度单位均为毫米（mm）

    从表3看出，该类试件破坏标志均为跨中纵向受力钢筋被拉断而破坏，试件的挠度检验、抗裂检验、承载力检验等各项指标均符合要求，该批试件结构性能可以判为合格[4]，可以初步确认该类试件可以在工程中应用。试件YKDBa3362、YKDBa3662挠跨比在1/200左右，与延性破坏标志的挠度值l0/50还有很大的差距，试件裂缝条数与预应力混凝土空心底板相比下降很多，仅有3条裂缝，裂缝宽度为0.8~0.9mm，与底板差不多。YKDBa3961及YKDBa4261挠度相对较大，试件YKDBa4261的挠度接近跨度的1/50，但与预应力混凝土空心底板相比，也下降不少。从试验结果来看，叠合板的延性较差，前三块试件破坏时脆性性质明显，只有YKDBa4261接近延性破坏。因此，对于170mm厚预应力混凝土空心叠合板，适用跨度大于4200mm，并宜根据工程需要提高构件的延性。

4.3  170mm厚预应力混凝土空心叠合板破坏性质及影响因素分析

影响预应力混凝土空心叠合板延性的主要因素有预应力钢筋的张拉控制应力、钢筋延性、混凝土强度等级、构件截面几何特征、跨高比和配筋率等（表4）。一般情况下，叠合板的延性会随钢筋延性的提高而提高，随预应力钢筋的张拉控制应力的加大而降低，文献[5]对钢筋张拉控制应力作了具体的分析，当构件标志长度≤3.0m时，取σcon=0.6fptk，当构件标志长度≥3.3m时，取σcon=0.7fptk。为实现延性破坏的目标，依据文献[5]的计算方法，试件YKBa4261张拉控制应力σcon=0.48fptk。

表4  170mm厚的预应力混凝土空心叠合板破坏性质影响因素分析表

本试验4块叠合板试件的混凝土强度等级、钢筋强度类型和钢筋的张拉控制应力都相同，只有跨高比和配筋率发生变化。由表4可以看出，YKDBa3662和 YKDBa3961的配筋率ρ都为0.44，张拉控制应力系数都为0.7的情况下，跨高比由19.79增加至21.55，试件的挠度提高了52%，裂缝增加3条，裂缝最大宽度也有一定程度的增加。随着配筋率的提高，试件的挠度在增大。叠合板与底板相比，延性进一步降低，主要原因是浇注叠合层后叠合板的跨高比、配筋率进一步降低。

4.4  170mm厚预应力混凝土空心叠合板与其底板结构性能对比分析

表5    170mm预应力混凝土空心叠合板与其底板破坏荷载参数值对比分析表

注：表中各符号的具体含义同表1、2、3，其中左上角标志“d”表示是叠合板的相应参数，荷载的单位均为（kN），挠度单位为（mm）。

叠合板与其底板破坏荷载参数值对比分析见表5。叠合板开裂荷载实测值与底板开裂荷载实测值平均比值为1.79，叠合板极限荷载实测值与底板极限荷载实测值平均比值为1.78，说明通过在120mm厚预应力混凝土空心底板上浇注50mm厚的混凝土现浇层后形成170mm厚预应力混凝土空心叠合板，试件的抗裂承载力和极限承载力提高了80％左右，提高效果明显。试件的开裂荷载提高幅度略大极限荷载的提高幅度。

通过计算分析及由表5及图3-图6可知，叠合板跨度小于4.2m时，底板开裂荷载值远远大于叠合板的施工阶段荷载。在浇筑试件的叠合层时，先将底板两端简支，使叠合板处于二次受力状态。所有试件在制作过程中均未发现底板开裂现象，说明跨度小于4.2m时，此类叠合板施工时跨中不加支撑是可行的。当跨度加大或底板厚度变化时，叠合板施工时跨中是否加支撑需验算确定。

5  试验研究结论

5．1  参照文献[6]有关规定，可以判定构件的结构性能检验合格。说明170mm厚预应力混凝土空心叠合板可以应用于工程实践，120mm厚预应力混凝土空心板作为预应力混凝土空心叠合板的底板是可行的。考虑到结构和构件延性，170mm厚预应力混凝土空心叠合板适用跨度大于4.2m。

5．2  影响预应力混凝土空心叠合板的破坏性质的主要因素有预应力钢筋的张拉控制应力、钢筋延性、混凝土强度等级、构件截面几何特征、跨高比和配筋率等。叠合板与底板相比，跨高比的降低是导致叠合板延性进一步降低的主要因素之一。

5．3  170mm厚预应力混凝土空心叠合板与底板开裂荷载比值的提高幅度略大于极限荷载的提高幅度的试验结果验证了叠合板不会因为现浇了叠合层而比同材料，同几何尺寸的全预应力构件的抗裂承载力降低。

6  工程应用建议

6．1  当跨度小于4.2m时，此类叠合板施工时跨中不加支撑是可行的。当跨度加大或底板厚度，材料强度等变化时，叠合板施工跨中是否加支撑需验算确定。

6．2  试件的叠合层与底板结合良好，试验中未发生沿叠合面或斜截面剪切破坏现象，所以可以初步确定只要对叠合板底板做一般的划毛、高压水冲洗润湿的方式处理，叠合面的抗剪能力可以满足要求。

7  结语

采用预应力空心板作底板的装配整体式叠合楼盖，兼有装配式楼盖与整体式楼盖的双重优点，与预应力实心板作底板的装配整体式楼盖相比又可以减轻自重。本文通过试验验证了170mm厚空心叠合板结构性能合格，研究了该类试件的破坏性质和主要影响因素，提出了该类试件在实际工程应用的相关建议。为空心板作底板的装配整体式叠合楼盖这一先进的技术尽早地转化为现实生产力提供更充分的理论和试验依据。