布置筒芯的现浇混凝土空心板受弯性能试验研究.pdf

第 5卷第 1期 2 0 0 8年 2月 铁道科学与工程学报 J OUR NAL OF R AI l W A Y SCl EN CE AND E NGI NE E RI NG Vo1 5 NO 1 F e b2 0 0 8 布置筒芯的现浇混凝土空心板 受弯性能试验研究 杨建军 一 ， 金灵芝 ， 王茂 。 杨承惩 ( 1 湖南大学 土木工程学院， 湖南 长沙 4 1 0 0 8 2 ； 2 中南大学 土木建筑学院， 湖南 长沙 4 1 0 0 7 5 ) 摘要 ： 通过一组纵 、 横 向布置筒芯的现浇混 凝土空心板荷 栽试验 ， 研 究 了该 空心板抗 弯承载 力、 裂 缝分布 与发展 、 变形及 破坏形态等。试验结果表明： 纵、 横向布置筒芯的现浇混凝土空心板的抗弯刚度、 抗弯承栽力和破坏形态非常相似， 筒芯的 布置方式对现浇混凝土空心板的受弯性能没有明显影响； 利用现行规范计算其开裂弯矩和极限弯矩是偏于安全的。 关键词 ： 筒芯 ； 现浇混凝 土空心板 ； 受弯性能 中图分类号： T U 3 7 5 2 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 2 7 0 2 9 ( 2 0 0 8 O 1 0 0 2 8 0 5 E x p e r i me n t a l s t u d y o n b e n d i n g b e h a v i o r o f c a s t i n s i t u c o n c r e t e h o l l o w s l a b l a y i n g t u b e f i l l e r Y A N G J i a n j u n ， J I N l i n g z h i ，WA N G M a o 2 ， Y A N G C h e n g - x i 2 ( 1 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， H u n a n U n i v e r s i ty ， C h a n g s h a 4 1 0 0 8 2 。 C h i n a ； 2 S c h o o l o f C i v il a n d A r c h i t e c t u r a l E n gin e e ri n g 。C e n t r a l S o u t h U n i v e rsi ty ， C h ang s h a 4 1 0 0 7 5 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e e a s ti ns i t u c o n c r e t e h o l l o w s l a j ) S l a y i n g l o n g i t u d i n a l a n d t r a n s v e r s e t u b e f i l l e r we r e t e s t e dTh e c a p a e i t y o f b e n d i n g ， c r a c k，d e fle c t i o n an d f a i l u r e mo d e l we r e s t u d i e dTe s t r e s u l t s s h o w t h a t t h e be n d i n g r i g i d i t y ，the c a p a c i t y o f be n d i n g an d the f ail u re mo d e l o f t h e c a s t i n s i t u c o n c ret e h o l l o w s l a b s l a y i n g l o n g i t u di n al an d t r a n s v e r s e t u be f i l l e r a r e v e r y s i mi l a r e mod e o fl a y i n g t u b e f i l l e r h as almo s t n o i n f l u e n e e o n t h e be n d i n g b e h a v i o r I t i S s a f e t o u s e c u r r e n t c od e t o c alc u l a t e the c r a c k b e n d i n g mo me n t an d u l t i ma t e be n d i n g mo me n t Ke y wo r d s： t u b e f i l l e r ； e asti ns i t u c o n c ret e h o l l o w s l a j ) S； be n d i n g b e h a v i o r 现浇混凝 土空心楼盖 由于具 有 自重轻 、 刚度 大、 整体性能好、 施工方便 、 保温隔热隔声效果好等 优点 ， 已广泛应用于建筑工程 中， 其 中布置筒芯 的 现浇混凝土空心楼盖的研究应用最早 、 最广【 1 J 。 由 于筒芯是长条形 ， 在空心楼盖中往往是单方向布 置 ， 设计人员往往直观地认为顺筒方向是主受力方 向， 横筒方向是次受力方 向， 人为地将 空心楼盖的 板格按单 向板设计 ， 而在空心楼盖的相邻板格筒芯 呈相互垂直布置 。这一方面增加了施工时布置钢 筋的难度 ， 另一方面还可能使空心楼盖出现顺筒方 向的裂缝 。 为了了解纵向布筒芯空心板与横 向布筒芯空 心板抗弯性 能的差 异程度 ， 本 文作者通过对一组 纵 、 横 向布筒芯混凝土空心板 的抗弯试 验， 研究其 抗弯承载力、 裂缝分布与发展 、 变形 以及破坏形态 等。有关结论 可为现浇混凝土空心楼盖的结构分 析与设计提供参考。 1 试验方案 1 1 试件设计 试验设计 了 2 块混凝土空心板， 其 中试件 B一 1 为纵向布筒芯板 ， B一2为横 向布筒芯板 。试件的 几何尺寸均为 7 5 0 0 n l lT t 1 0 5 0 n l lT t 2 5 0 m i l l ， 筒芯 收稿 日期 ： 2 0 0 7 一o 9 一 2 0 基金项目： 湖南省建设科技项目( 2 0 0 1 0 2 ) 作者简介 ： 杨建军( 1 9 6 4一) ， 男 ， 湖南醴陵人， 博士研究生 ， 副教授 ， 从事混凝土及钢结 构理论 与应用研究 维普资讯 第 1 期 杨建军 ， 等： 布置简芯的现浇混凝土空心板受弯性能试验研究 2 9 I I 截面 2 = z o q 目 卫皿 z 皿 钢筋网片应变片布置 ： Q * Z ： 兰 ： ! ! 7 2 图 1 试件 B一1 结构示意 图 Fi g 1 St r u c t u r e o f s p e c i me n B一 1 甲H R B 4 0 0 8 = I 1 8 7 5 = z o q 目 = I 皿 垒8 z o g 钢筋网片应变片布置 ： ! 二 兰 二 7 2 图 2试 件 B一2结构 示 意 图 Fi g 2 S t r u c t u r e o f s pe c i me n B一2 直径均 为 1 5 0 n l T l ， 板 顶厚 度和板 底厚 度均 为 5 0 试验所用混凝土设计强度等级为 C 2 5 ， 受力主 IT ff n ， 肋宽均为 5 0 IT ff n ， 空心率为 3 5 3 ， 试件 B一1 筋 、 分布筋 以及钢筋 网片筋 均选用 H R B 4 0 0级 钢 和 B一2配筋完全相同 ， 试件图如图 1 和图 2所示 ， 筋。实测t 昆 凝土立方体抗 压强度如下： 试件 B一1 试件照片见图 3 。 为 3 2 0 9 MP a ， 试件 B一2为 3 0 5 5 MP a ； 混凝土弹性 图 3试件 B一2照片 Fi g 3 P h o t o o f s pe c l me n t B一2 模量为 3 0 6X l O 4 M P a 。实测钢筋屈服强度如下 ： 中l 2为 4 9 5 4 MP a ， 中 8为 4 8 0 7 MP a 。 1 2 加载 方 案 试验采用多点集 中加载 ， 集 中力用手动千斤顶 及反力架和分配梁实现 ， 通过压力传感器及电子秤 控制荷载值 ， 开裂前荷载每级加载 1 k N， 开裂后荷 载每级加载 2 5 k N， 当荷载达到 2 0 k N时， 每级加 载 5 k N， 直到破坏 ， 每级荷载之间的时间间隔为 l 5 m i n 。试验加载示意图如图 4所示。 1 3 量 测方 案 采用应变片测量试件混凝土和钢筋应变， 分别 在试件 B一1和 B一2跨 中上表面各布置混凝土应 维普资讯 3 0 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 0 8 年 2月 变片 3片和 6片， 在 B一1 板侧跨 中截面沿截面高 度均匀布置混凝土应变片 5片 ， 并分别在 B一1和 B一2 底部纵筋上布置钢筋应变片 9片， 钢筋网片 上布置钢筋应变片 1 2片 ， 混凝土和钢筋应变通过 数据采集仪 自动采集 ； 采用百分表 测量试件 的挠 度 ， 在试件支座和四分点沿试件两侧各布置百分表 5 块 ； 使用刻度放大镜观测试件混凝土裂缝开展情 况。试验照片见图 5 。 图 4 试验加载示意 图 Fi g 4 L o a d i n g a r r a n g e me n t 图 5 试验 室照片 r i g 5 P h o t o o f l a b o r a t o r y 2 试验结果及分析 2 1 试件破坏过程 加载之初试件变形呈线性， 无裂缝出现。当外 加荷载 P达到 2 5 k N后试件 B一1 和 B一2 均开裂。 试件 B一1 首先在跨 中附近开裂， 随着荷载的增加 ， 裂缝向上延伸并且不断出现新的裂缝 ， 钢筋屈服前 ， 裂缝数量达到 4 0 5 0条 ， 裂缝 宽度一般不超过 0 2 0 mm； 加载到钢筋屈服时 ， 跨 中附近的裂缝 已接 近板顶受压 区， 当荷载 P加至 3 4 8 k N时， 挠度急 剧增加 ， 裂缝宽度达到 1 5 m m以上 ， 荷载再也加不 上去， 此时认为试件已破坏。 试件 B一2 首先在跨中 附近的筒底开裂 ， 且一出现裂缝即贯穿整个板底厚 度 ， 随着荷载的增加 ， 裂缝沿筒芯壁延伸并且不断 出现新的裂缝 ， 钢筋屈服前裂缝的数量和宽度与试 件 B一1 基本相同； 加载到钢筋屈服时 ， 跨 中附近的 裂缝 已延伸至肋中部 附近， 当荷载 P加至 3 2 5 k N 时， 挠度急剧增加 ， 裂缝宽度达到 1 5 I B IT I 以上， 荷 载再也加不上去 ， 此时认为试件已破坏。 纵 向布筒 芯试件 B一1 及横 向布筒芯试件 B一2的最后破坏 形态基本相同 ， 均表现出受弯破坏形态 ， 裂缝分布 如 图6 和图7 所示 。 根据试验现象 ， 试件的加载过程 大致可分为 3个主要受力阶段 ： 弹性 阶段 ， 带裂缝 工作阶段及破坏阶段。 2 2 混凝土和钢筋的应变 2 2 1 混凝 土 应 变 试 件 B一1 上表面的混凝土应变见图 8 。 试件 B 一 2 上表面的混凝土应变与试件 B一1 的相似 ， 说 明 空心板上表面混凝土应变基本一致 ， 混凝土均匀受 压 ； 试件 B一1 侧面跨中混凝土沿板厚方 向的混凝 土应变见图 9 。 在荷载作用下 ， 试件在弹性阶段 、 带 裂缝工作阶段直至试件破坏的各个 阶段 ， 板侧沿板 厚方向的混凝土应变分布基本呈线性关系 ， 符合平 截面假定。 2 2 2 底部 受拉 钢 筋应 变 试件 B一1 和试件 B一2底部受拉钢筋上的应 变如图 1 0 和图 1 1 所示 。 混凝土开裂之前 ， 钢筋应变 很小 ； 在开裂荷载作用下 ， 受拉区混凝土开裂 ， 钢筋 应变产生突变； 试件处于带裂缝工作阶段 ， 钢筋仍 表现出较强的弹性性能 ； 继续加载至钢筋屈服 ， 应 变急剧增加。 试件破坏时， 受拉钢筋 的应变值一般 达到 4 1 0 I 3以上 ， 部分钢筋应 变已经溢出。 图 6 试件 B一1 裂缝分布 图 Fi g 6 Cr a c k o f s p e c i me n B 一 1 图 7 试件 B一2裂缝 分布 图 Fi g 7 Cr a c k o f s p ec i me n B -2 维普资讯 第 1 期 杨建军 ， 等 ： 布置筒芯 的现浇混凝 土空心板受 弯性 能试验 研究 3 1 冒 i 廷 Z 嬗 混 凝土应变， ( 图 8 试件 BI 上表面混凝土应 变 Fi g 8 S t r a i n o f up p e r s n r f a c e c o n c r e t e i n s p e c i me n B I b a r 0 5 0 1 00 1 50 2 0 0 2 5 0 截面高度 ， m m 图 9 试件 B一1 板侧 沿高度 方向混凝 土应 变 Fi g 9 S t r a i n o f s i d e c o n c r e t e i n s p e ci me n B 1 Z 鄢 糖 Z 鄢 嬗 图 1 0 试件 B一1 板底受拉钢筋应 变 Fi g 1 0 S t r a i n o f s p e c i me n B 1 b a r 受拉钢筋应变， ) 图 1 1 试件 B一2 板底 受拉钢 筋应 变 Fi g 1 0 St r a i n o f s pe c i me n B 一 2 ba r 2 2 3 钢 筋 网片应 变 空心板中的钢筋网片主要起抗剪作用。 试件 B 一 1 和试件 B一2长度较长 ， 破坏 由抗弯承载力控 制 ， 实测钢筋网片上 的应变很小 ， 远未达到屈服。 因 此 ， 在实际工程 中， 对剪力较小的部位无需配置受 力的钢筋 网片。 2 3 变形 试件 B一1 和试件 B2 跨中的荷载 一挠度曲 线如图 1 2所示 。 可见 ， 无论在弹性阶段 、 带裂缝工 作阶段还是破坏阶段 ， 纵向布筒芯试件 B一1 和横 向布筒 芷 ： 板筒芯试件 B一2 的荷载 一挠度曲线均非 常接近， 说 明筒芯的布置方式对其抗弯刚度影 响很 小。 因此 ， 设计时不能仅仅根据筒芯的布置方式认 为顺筒方向是 主受 力方 向， 横 筒方 向是次受力方 向， 人为地将空心 楼盖 的板格按单向板设计 ， 也没 有必要刻意地要求空心楼盖的相邻 板格筒芯呈相 互垂直布置。 试件 B一1 和 B一2 发生受弯破坏时的 跨 中最大挠度分别为 8 0 6 9 7 m m和 7 8 8 0 9 mm， 与 跨度的比值分别为 1 9 2 9和 1 9 5 2 ， 说明纵 、 横向 布置筒芯的现浇混凝土空心板均具有 良好的变形 性能 Z 钆 嬗 图 1 2 试件 B一1 和 B一2挠度 Fi g 1 2 De fle c t i o n o f s p ec i me n B 1 a n d B 2 3 试验结果与理论计算结果对 比 按面积、 惯性矩相等的原则将试件 B一1 等效 为“ 工” 字型截面 ， 试件 B一2 取最不利截面按“ ：” 型截面考虑， 如图 1 3 和图 1 4 所示。 混凝土轴心抗压 强度取实测立方体强度 的 0 7 6倍 ， 轴心抗拉强度 由轴心抗压强度按现行混凝土结构设计规范 内 插求得 ， 钢筋 弹性模量取 2 0 x 1 ( ) 5 MP a ， 根据混凝 土结构设计规范计算得到的试件开裂弯矩 、 极限弯 矩及与试验结果的对 比见表 1 。 表 中的试验结果考 虑了试件 自重产生的弯矩 。 维普资讯 3 2 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 0 8 年 2月 噩 3)纵 、横 向布 筒 芯 现 浇 混凝 土空 心 板 的开 裂 弯矩 和抗 弯承 载 力均 可 按 现行 混 凝 土 结 构设 计 规 范 进行 计算 ，计 算 时可将 纵 向布筒 芯空心 板截 面等 效 为“I”字 型截 面 ，将 横 向布简 芯 空心 板 截 面取 为 l z 墨 z 曼 l l 鲮 J丝 J| l “ = ” 型 截 面 。 I 星 Q Q ， 星 单位 ：1 11 11 11 图 l 3 试件 B一1 等效为“ 工”字型截面 F 唔 1 3 E q u i v a l e n t s e c t i o n o f s p e c i m e n B一1 耋 l 墨 Q Q 单位 ： 11 11 11 1 图 l 4 试件 B一2取为“ =”型截面 1 4 Eq u i v a l e n t s e ct i o n o f s p e c i me n B 一2 表 1 试件 试验 结果与理论计 算结果比较 Ta b l e 1 C o mp a ris o n b e t w e e n t e s t r e s u l t s a n d c a l c u l a t i o n r e s u l t s o f s p e c i me n 可见 ， 筒芯现浇混凝土空心板的开裂弯矩和极 限弯矩可按现行规范计算， 且有一定 的安全储备。 试验结果表明： 纵 、 横向布筒芯的现浇混凝土 空心板的抗弯承载力相当， 筒芯布置方式对试件 的 抗弯承载力影响不大。事实上 ， 由试件的抗弯承载 力计算公式可知 ， 当受弯构件配筋量与受压区高度 相等， 且受压区高度位于混凝土空心板的板顶厚度 内时 ， 纵 、 横 向布筒芯的混凝土空心板 的抗弯承载 力相等。 4 结论 1 ) 纵 、 横向布筒芯现浇混凝土空心板在荷载作 用下的破坏形态基本相同， 抗弯承载力相近； 2 )纵 、 横向布简芯现浇混凝土空心板具有 良 好的变形能力。筒芯的布置方式对其抗弯刚度影 响很小， 设计时不能仅仅根据筒芯的布置方式认为 顺简方向是主受力方 向， 横筒 方向是次受力方 向， 人为地将空心楼盖的板格按单向板设计， 也没有必 要刻意地要求空心楼盖的相邻板格筒芯呈相互垂 直布置 ； 致谢 ： 湖南立信建材实业有限公 司给本文的试 验工作提供 了大力支持 ， 在此深表谢意。 参考文献： 1 杨建军， 成洁筠 布置筒芯的现浇混凝土空心楼盖的试 验研究 J 建筑结构， 2 0 0 6 ， 3 6 ( 3 ) ： 7 1 7 4 Y A N G J i a n - j u n ， C H E N G J i e - y l m E x p e ri m e n t a l s t u d y O n e a s t i n s i t u e O r l e r e t e h o l l o w fl o o r l a y i g t u b e fi U e r J B u i l d i n g S t ruc tu r e ， 2 O O 6 ， 3 6 ( 3 ) ： 7 1 7 4 2 赵勇， 程志军， 王晓锋 带托板的现浇混凝土空心板 一 柱结构分析方法 J 建筑结构 ， 2 O O 6 ， 3 6 ( 3 ) ： 7 5 7 7 Z H A O Y o n g ， C H E N G Z h i - j u n ， V ,A N G X i a o - f e n g A r l y s i s m e t h o d f o r e a s t i n s i t u c o n c r e t e h o l l o w s l a b c o l t m s ll u e t u r e s w i t h d r o p p a n e l s J B u i l d i n g S tr u c t u r e ， 3 3 O 6 ， 3 6 ( 3 ) ： 7 5 7 7 3 张洪学， 张云龙 ， 白成祥 边支承现浇空心板设计计算 与软件实现 J 建筑结构， 2 0 0 6 ， 3 6 ( 3 ) ： 9 1 9 3 Z HA NG Ho r lg - x u e ， Z HA NG Yu n l o n g ，B A I C h e r l g - x i a n g De s i g n c a l c u l a t i o n a n d s o f t wa r e r e a l iz a t i o n f o r s i d e s u p p o r t i n g o f r e i n f o r c e d e O r l e r e t e e a s t i ns i t u h o l l o w f l o o r J B u i l d i n g S t r u c t u r e ， 2 0 0 6 ， 3 6 ( 3 ) ： 9 1 9 3 4 王茂， 杨建军 现浇钢筋混凝土空心无梁楼盖的虚拟 交叉梁分析方法 J 长沙铁道学院学报， 2 0 0 3 ， 2 1 ( 2 ) ： 4 04 4 WA N G M a o ， Y A N G J i a n - j u n T h e m e t h o d o f v i r t r a l i n t e r s e c t i o n g i r d e r t o a n a l y s i e t h e e a s t i n s i t r e i n f o r c e d e O r l e r e t e h o l l o w g i r d e r l e s s f l o o r J J J o u ma l o f C h a n g s h a R a i l w a y U n i v e r s i t y ， 2 0 0 3 ， 2 1 ( 2 ) ： 4 0 4 4 5 杨建军， 王金 ， 王茂， 等 现浇钢筋混凝土空心无梁 楼盖在不同荷载工况下受力性能的试验研究 J 铁道 科学与工程学报 ， 2 0 0 4 ， 1 ( 2 ) ： 8 8 9 1 Y A N G J i a n - j u , ， WA N G J i n ， WA N G M a o ， e t a 1 E x p e ri m e n t a l r e s e a r c h O n me c h a n i c a l b e h a v i o r o f t h e e a s t i n s i t u r e i n f o r c e d c o n c r e t e h o l l o w g i r d e r l e s s fl o o r u n d e r d i ffe r e n t l o a d e a s e J J o u r n a l o f R a i l w a y S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 4 ， 1 ( 2 ) ： 8 8 9 1 6 王茂 薄壁筒芯现浇混凝土空心楼盖受力性能研究 D 长沙： 中南大学土木建筑学院， 2 0 0 3 WA NG Ma o S t u d i e s O n b e h a v i o r s o f th i n w a l t c o r e tu b e e a s t i n s i t u r e i n f o r c e d e O r l e r e t e h o l l o w fl o o r D C h a n g s h a ： S c h o o l o f C i v i l a n d A r c h i t e c t u r a l E n g i n e e r i n g ，C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y ，2 0 0 3 7 G B 5 0 0 1 0 2 0 0 2 ， 混凝土结构设计规范 s G B 5 0 0 1 0 2 0 0 2 ， C o d e f o r d e s i g n o f e O r l e r e t e s t r u c t u r e S 维普资讯