[摘要]针对现有叠合板，研发出一种新型带肋预应力混凝土叠合板，提出该叠合板的构造。通过两个试件的试验，研究了施工阶段受荷下该新型叠合板的受力特征、裂缝开展规律及其变形形态。结果表明：该种新型结构具有良好的抗裂性、刚度及承载力，施工阶段挠度能够满足规范要求，钢筋最大应力值也小于设计强度值。利用有限元程序ABAQUS对试验进行模拟，模拟结果与试验结果吻合较好，可利用有限元数值模拟进行深入研究。
[关键词]预应力叠合板；施工阶段；试验研究；有限元模拟
中图分类号：TU757.4 文献标志码：A
前言
混凝土叠合结构是在预制构件上浇筑混凝土而形成的一种装配整体式结构。与现浇结构相比，可以节省三材，施工简便能够缩短工期。与装配式结构相比，叠合结构的整体刚度好、抗震性能优越。叠合楼板兼具现浇和预制的特点，目前已经广泛应用于装配式结构中。我国相关国家标准[1,2]对叠合板的设计和施工有明确的规定，但仅限于单向叠合板。单向叠合板适用的跨度小，板厚大，裂缝不宜控制，在工程中受到很多限制。不带肋预制叠合板在运输过程中易发生折断破坏，预应力反拱值也难以控制，同时兼具施工时需要设置支撑，构件自重大，施工工艺复杂等缺点。因此，国内学者提出了预应力带肋薄板和空心叠合楼板，并进行了试验研究[3,4]。目前预制带肋板多为单向受力板，由于只能单向配筋，垂直板长度方向的裂缝难以控制。综上，本文提出一种新型带肋预应力混凝土叠合板。其做法是：以预制的预应力带肋板为底板，肋板之间填充保温板；后期浇筑混凝土时以预制肋板为模板。该叠合板的优点是：首先加劲肋提高了预制板的刚度和承载力，并且增加了预制板与叠合层的粘结力，提高了叠合板的抗剪强度；其次聚苯乙烯泡沫板不仅起到保温作用并且减轻构件自重；后期浇筑混凝土时，施工过程中无需设置支撑，简化了施工。
1试验概况
1.1试件设计与制作
试验选用本文提出的新型预应力混凝土叠合板，共2个试件，编号分别为S1、S2。尺寸为2000mm×4640mm×160mm。预制肋板纵筋为预应力钢筋6ΦH7，普通钢筋610；肋梁纵筋为普通钢筋66。混凝土等级为C40，预应力钢筋采用先张法张拉。试件的尺寸见图1，配筋见图2。
1.2试验装置与加载方案
制作预制件时提前将应变片贴在底层钢筋和肋梁钢筋的适当位置；试验前在板底贴应变片并布置位移计。位移计和应变片布置见图3。试验装置如图4所示。试验采用沙袋堆载方式进行加载，模拟施工阶段试件所受的荷载。试验前先计算出预制板件的开裂荷载和极限荷载，以便试验中控制加荷大小，并进行比较。试验开始前对试件预加载，荷载值取计算开裂荷载的20%。正式加载时，达到计算开裂荷载90%前，每级荷载取计算开裂荷载的20%，开裂后，每级荷载取计算开裂荷载的10%；开裂后，达到计算极限荷载的90%前，每级荷载取计算开裂荷载的5%，每级荷载持续10min，待试件稳定后，观察试件的跨中挠度和裂缝，全部荷载施加完毕后依次卸载，观察试件的残余变形。
2试验结果和分析
2.1试验现象
荷载较小时，各测点的挠度和应力均较小，试件开裂前，测点的挠度与荷载近似成线性变化。当荷载达到32.5kN时，跨中位移为9.77mm，试件在肋梁的变截面处板的下表面首次出现微小裂缝，垂直板的长度方向，用裂缝观测仪测得裂缝宽度为0.02mm；继续加载，裂缝的长度和宽度都在不断增大，当达到极限荷载43kN时，跨中位移为13.01mm，裂缝宽度达到最大值0.16mm，裂缝贯通试件。试验过程中，叠合面处没有出现裂缝，说明预制板与后浇混凝土有很好的粘结力，肋板增大了预制板与后浇混凝土之间的摩擦力，增加了抗剪强度。试验结束后试件的残余变形为3.31mm。试件的最终变形图见图5。
2.2试验结果分析
试件的荷载—挠度曲线见图6。由图6可知，试件在加载至开裂荷载前，荷载与挠度成线性关系；随着荷载加大，裂缝也随之加宽加长，试件的极限荷载为43kN，跨中位移为13mm，远小于跨度的1/200[2](即23.2mm)，符合规范要求。肋板变截面处的钢筋荷载—应力曲线见图7。由图7可知，纵筋的最大应力为258Mpa，小于钢筋的强度设计值360Mpa。由数据采集仪得到预应力钢筋的最大拉应力为974.2Mpa，小于预应力钢筋的强度设计值1110Mpa。钢筋产生最大应力点在试件的肋梁变截面处，应是由截面变化引起应力集中所致。
3有限元数值模拟分析
3.1有限元计算模型
本文采用ABAQUS有限元软件[5,6]对试件进行模拟。混凝土采用8节点六面体线性缩减积分单元(C3D8R)；钢筋采用桁架单元，单元类型为2节点线性三维桁架单元(T3D2)。混凝土本构模型采用损伤塑性模型。混凝土的强度等级为C40，弹性模量:E=3.25e4MPa，ν=0.2。钢筋本构模型采用双线性随动强化弹塑性本构模型，采用Von-Mises屈服准则。钢筋采用HRB400级钢筋，弹性模量:E=2.0e5MPa，ν=0.3。钢筋部分通过EmbeddedRegion命令嵌入到混凝土中，使其协同受力变形。试件两端均为铰接，模拟铰支座。模型上施加均布荷载。有限元模型见图8。
3.2有限元计算结果与试验数据对比分析
图9为模型最终变形图：跨中位置处挠度最大，为10.57mm，小于1/200(23.2mm)。图10为模型中普通受拉钢筋的最终变形图：钢筋在跨中位置处的应力最大，为100.5Mpa，小于钢筋的强度设计值360Mpa。图11为模型中预应力钢筋的最终变形图：预应力钢筋的最大应力值为954.3Mpa。图12为模型肋梁中受压钢筋的最终变形图：钢筋在肋梁变截面位置处的应力最大，为118.4Mpa。有限元计算结果与试验值相差不大，具体数值比较见表1。总体来看，有限元模拟结果与试验结果变形趋势一致，数值相差不大，表明有限元数值模拟计算是可靠的。
4结论
(1)叠合板中加入预应力钢筋，使试件产生了反拱，试件的挠度和裂缝均发展缓慢，并提高试件的承载力。正常使用状态下，预应力混凝土叠合板的裂缝和变形均能满足规范要求。(2)试件在肋板变截面处由于截面突变，产生应力集中现象，裂缝也最早在此处出现，关于肋板的设计仍需改进。(3)对叠合板进行加载试验，分析在正常使用状态和极限状态下的受力性能，并用有限元分析软件进行模拟计算，试验结果与模拟结果相差不大，可利用有限元软件对叠合板进行更深入的研究。
参考文献
[1]GB50010-2010混凝土结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2011
[2]JGJ1-2014装配式混凝土结构技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社,2014
[3]吴方伯，刘彪，邓利斌，李均，周绪红.预应力混凝土叠合空心楼板静力性能试验研究.建筑结构学报[J].2014,35(12):10-19
[4]吴方伯，黄海林，陈伟，周绪红.叠合板用预应力混凝土带肋薄板的刚度试验研究与计算方法.湖南大学学报(自然科学版)[J].2014,38(4):1-7
[5]王玉镯,傅传国.ABAQUS结构工程分析及实例详解[M].北京:中国建筑工业出版社,2010
[6]庄茁,由小川等.基于ABAQUS的有限元分析和应用[M].北京:清华大学出版社,2009.
作者：柳旭东 王东辉 刘帅 郭红玲 单位：中国中建设计集团有限公司辽宁分公司
