装配式混凝土梁板叠合点受力性能研究

裴俊华

摘要：随着我国城市居民人口的不断增加，各种类型的建筑结构不断涌现，常见的建筑结构主要为装配式建筑，为了解决全预制结构整体性差和现浇结构模板消耗量打、施工工期较长等问题，装配式钢筋桁架混凝土叠合结构也在迅速发展。目前常用的梁边叠合板支座节点主要是带外伸钢筋的预制板、后浇混凝土层与梁整浇。但还存在许多问题，比如板便出筋造成的工厂生产效率较低、运输不方便以及现场施工安装困难等。因此，解决在制作、施工、安装中的困难，规范叠合板在工厂的标准化生产，为工程应用提供参考。本文提出梁板叠合节点构造，设计相关试件进行受力性能分析，运用ABAQUS有限元软件建立预制底板不出筋的梁板叠合节点数值模型，并验证了模型的合理性与有限性，为实际的工程提供一定的参考。

关键词：梁板叠合节点；受弯性能；刚度公式；有限元模拟

Study on Force Performance of Prefabricated Concrete

Beam-Slab Superimposed Point

Abatract：With the continuous increase in the population of urban residents in my country, various types of building structures continue to emerge. The common building structures are mainly prefabricated buildings. In order to solve the problem of poor integrity of the fully prefabricated structure and the consumption of cast-in-place structures, the construction period is relatively long, etc. The problem is that the prefabricated reinforced truss concrete composite structure is also developing rapidly. At present, the commonly used beam-side superimposed slab bearing nodes are mainly precast slabs with overhanging steel bars, post-poured concrete layers and integrally cast beams. However, there are still many problems, such as low production efficiency of the factory caused by the ribs of the board, inconvenient transportation, and difficulty in on-site construction and installation. Therefore, to solve the difficulties in production, construction, and installation, standardize the standardized production of laminated panels in the factory, and provide references for engineering applications. This paper proposes the structure of beam-slab superimposed joints, designs relevant specimens for mechanical performance analysis, and uses ABAQUS finite element software to establish a numerical model of beam-slab superimposed joints without ribs on the prefabricated base plate, and verifies the rationality and finiteness of the model. Provide a certain reference for the actual project. .

Keyword：Beam-Plate Superimposed Node; Bending Performance; Stiffness Formula; Finite Element Simulation

随着建筑行业的快速发展，装配式建筑结构具有成本低廉、环保节能、施工方便等优点被广泛推广。据统计，截至2020年底全国的装配式建筑结构约为新建建筑的16%左右，应用面较为广泛。

装配式混凝土叠合结构是指在梁板上浇筑混凝土形成的两次浇筑结构，其中梁板包括预制的钢筋混凝土梁板及预应力梁板混凝土梁板，按照其受力性能又可以分为一次受力叠合结构与二次受力叠合结构[1,2]。

国外学者对叠合结构的研究非常深入。Rex等对四个足尺叠合板进行受力性能试验，并建立荷载-变形性能模型，结合试验结果，发现该模型可以准确预测叠合板的荷载变形性能[3]。Yardim对两个倒置双向肋预制板和两个由预制底板、砌块、后浇混凝土组成叠合板进行受弯分析，表明这种结构承载力较好，也可当作底模[4]。Rui等提出一种新型的叠合板构造，该构造主要是由一组与压型钢板的板肋交叉的钢筋组成，结果表明这种构造可以提高叠合板的抗剪性能和延性[5]。我国叠合板的使用最早用于民用建筑，1965年，过镇海教授提出考虑了二次受力的正截面配筋计算方法——折减弯矩法[6]。曹高硕研究了桁架钢筋混凝土叠合板的开裂情况，发现脱模起吊、堆放运输和吊放安装是影响开裂的主要因素，并推导出开裂应力计算公式[7]。肖宇对不出筋混凝土叠合板的受弯性能进行研究[8]。

本文根据现有规范，对已有叠合结构进行构造优化，提出一种装配式混凝土梁板叠合节点结构体系，为工程推广应用提供参考。

1 装配式梁板叠合节点试件设计

本文改良了现有叠合结构，提出装配式混凝土梁板叠合（钢筋搭接）节点结构体系，如图1所示。

图1 装配式混凝土梁板叠合节点结构体系

1.1试件设计

在工程中装配式混凝土梁板叠合结构比较复杂，并不适合直接在结构上进行受弯性能试验，因此为了试验简便，本文采用弯矩等效原则对实际工程结构进行设计简化，得出试验模型。图2为试件的设计过程。

图2 试验模型设计过程

在受竖向荷载和恒荷载的情况下其弯矩图为(b)，为简化结构，两边各取半跨结构对其加竖向力P，使得所受弯矩与原模型相等，如图(c)，再根据模型弯矩图情况进行支座转化，如图(d)，最终得出与原模型所受的弯矩相等的实验模型(e)。对该模型进行受弯性能试验能够反应实际工程再正常使用条件下梁板叠合节点的受力和破坏情况，具有一定的适用性。

1.2试件参数

图3为实验模型的几何尺寸与配筋。

图3 试件几何尺寸与配筋图

图4为预制板的尺寸及其配筋。预制板长2300mm，宽1700mm，按照规范设置三品钢筋桁架，并且在表面做拉毛处理。

图4 预制板几何尺寸及配筋

1.3试件类型

本次试验共设计制作5个装配式混凝土梁板叠合节点试件(CBSJ1-5)，1个全现浇试件(XJB)，共计6个试件。图5为节点构造。

(a)叠合试件1

(b)叠合试件2

(c)叠合试件3

(d)叠合试件4

(e)叠合试件5

图5 装配式梁板叠合节点构造

2 装配式梁板叠合节点受弯性能分析

装配式混凝土梁板叠合节点结构体系主要承受的是竖向荷载作用。为了研究其受弯性能，探究叠合节点的刚度和受力性能的影响因素，开展试验分析。

2.1裂缝形态及破坏特征

装配式梁板叠合节点受弯性能试验裂缝形态如图6所示。试验图中仅显示距梁两侧各600mm的距离范围内，虚线矩形框表示梁的位置。

(a)叠合试件1     （b）叠合试件2

(c)叠合试件3    （d）叠合试件4

(e)叠合试件5    （d）全现浇试件

图6 受弯试件裂缝形态

由试验中各个试件的裂缝形态可以看出整体现浇试件破坏时，裂缝分布较为均匀，叠合节点试件因节点处的构造不同，其破坏位置也不尽相同，在加载过程中，各试件破坏形态均为定性弯曲破坏，开裂前的挠度相差不大，当荷载达到各自开裂荷载时，在弯矩较大的区域对称出现第一条裂缝，随后裂缝逐渐从跨中沿纵向向两边扩散，屈服前以裂缝数量增多为主，其宽度基本不变，屈服以后裂缝宽度增大为主，基本不增加新的裂缝，破坏时试件裂缝主要集中在钢筋搭接处节点区域范围内。

2.2 荷载挠度曲线

图7为通过试验得出的受弯试件荷载挠度曲线。

图7 受弯试件荷载挠度曲线

由上图可以看出，试件在开裂之前由受拉钢筋和混凝土共同承受竖向荷载曲线大致呈直线，是弹性方式；达到开裂荷载后，刚度逐渐降低，是由于部分混凝土开裂导致；达到屈服荷载后曲线斜率逐渐向零逼近，达到破坏荷载时的最终水平，是由于钢筋达到屈服，裂缝宽度随之扩展，绝大部分混凝土无法继续工作，挠度持续增加，压碎了受压区混凝土，试件遭到破坏，这时试件可以继续变形，但所受的荷载开始减少。

由荷载挠度曲线可以看出，由于桁架钢筋的存在，装配式叠合节点试件的极限荷载较高。

2.3 混凝土应变分析

混凝土试件的测点H1、H2为压应变，测得其压应变如图8所示。

(a)H1              （b）H2

图8 混凝土压应变

由上图可以看出，各叠合试件的混凝土压应变均大于现浇混凝土试件，说明桁架钢筋的设置能够减少叠合节点试件的应变，提高试件的整体性，减小了压应变。

3 高装配式梁板叠合节点受力性能有限元分析

本文使用ABAQUS有限元软件对试验分析所得性能较好的钢筋搭接、预制板厚30mm的装配式梁板叠合节点模型进行整个加载过程的模拟，将计算结果与试验结果对比。

3.1 有限元模型建立

装配式混凝土梁板列和节点有限元模拟由预制底板、现浇层、钢筋以及刚性垫板组成，受弯试件有限元模型、钢筋及刚性点半有限元模型、面内受剪、面内受低周反复荷载时间及有限元模型如图9、10、11所示。

图9 受弯试件有限元模型

图10 受弯试件钢筋及钢性垫板有限元模型

图11 面内受剪、受低周反复荷载试件及钢筋有限元模型

3.2基本假定

（1）混凝土与钢筋之间无相对滑移。

（2）叠合板预制层与现浇层的叠合面之间协同工作良好，未产生相对滑移，符合小变形理论。

3.3受弯性能分析

受弯性能模拟与试验荷载挠度曲线对比图如图12所示。

图12 受弯性能模拟与试验荷载挠度曲线

对比分析图

可以看出两曲线趋势相同，各特征点挠度基本相同，两者极限荷载也相差不大。有限元模拟设置的材料参数为均匀的各向同性材料，试件连续性较好，而试验所制作的试件由于制作、运输和存放过程中存在提前受力的情况，在试验前试件已经受到一定的作用力，使得试件的短期刚度较小。两曲线从斜率转折点到水平间存在较大的差距，说明试件有较好的延性。试件模拟曲线较试验圆滑，这是因为有限元模拟中材料均匀、加载稳定，所受外界环境影响较小，呈现了完全理想的荷载挠度曲线。

3.4面内受剪性能分析

面内受剪性能模拟与试验荷载位移曲线对比如图13所示。

图13 面内受剪性能模拟与试验荷载位移

曲线对比分析图

可以看出数值模拟和试验得出的曲线变化趋势基本相同，但各特征点挠度有所不同。在荷载一定时，试验位移均比模拟大，这是因为在试验中地梁产生一定的滑移，经过测量虽已抵消一部分，但无法全部消除，造成试验各点位移较模拟大。由于模拟的模型材料较为均匀，加载速率较稳定，环境较为理想，干扰较小，所得极限荷载略大于试验值。

3.5面内受低周反复荷载性能分析

对试件施加低周反复荷载，对比叠合试件1模拟与试验的滞回曲线，如图14所示。

图14 模拟与试验滞回曲线对比

数值模拟和试验得出的滞回曲线形状相似，趋势相同，均存在一定的捏缩现象，但模拟结果曲线更加饱满，这是因为试验与模拟相比存在较大的滑移，反向加载过程中，不需要多大的力，就会产生较大的位移，使的斜裂缝闭合。

4 结论

本文提出一种装配式混凝土梁板叠合节点结构体系，并通过试验与理论分析，证明该结构体系的优势，主要得出以下结论：

（1）在受弯性能方面：带肋、钢筋搭接、桁架钢筋通过肋的节点相比现浇节点能有效改善裂缝发展形态和破坏位置，减小裂缝宽度，提高承载力，相比规范标准（板边出筋）节点可以增加叠合面粘结性，提高抗弯刚度；对承载能力和变形能力的综合性分析，引入延性系数和塑性转角，结果发现带肋、钢筋搭接、桁架钢筋通过肋的节点延性较好；同时通过考虑耦合作用，建立短期刚度公式，把计算值与试验值比较后发现该公式可以良好的反应试件开裂前的刚度，为实际工程提供参考。

（2）运用有限元软件对试验得出的最优装配式梁板叠合节点模型进行对比，发现两者基本吻合。

参考文献

[1]邵旭东.二次预应力梁的徐变和承载力试验研究[J]. 土木工程学报, 2006(08): 81-86

[2]周亚栋.一种新型预应力混凝土叠合梁设计与应力分析[J]. 工业建筑,2010, 40(08): 64-68

[3]Rex C, Easterling W S. Behavior and Modeling of Reinforced Composite Slab in Tension[J]. Journal of Structural Engineering, 2000, 126(7): 764-771

[4]Yardim. Performance of Precast Ferrocement Panel for Composite Masonry Slab System[C]. ICCBT 2008, 2008

[5]Rui S.An innovative system to increase the longitudinal shear capacity ofcomposite slabs[J]. Steel and Composite Structures, 2020, 35(4): 509-525

[6]过镇海.常温和高温下混凝土材料和构件的力学性能[M]. 北京: 清华大学出版社, 2006

[7]曹高硕. 桁架钢筋混凝土叠合板底板开裂影响因素研究[D]. 济南: 山东建筑大学, 2020

[8]肖宇. 预制底板不出筋的混凝土叠合板的受弯性能研究[D]. 徐州: 中国矿业大学, 2020