预制混凝土叠合板钢筋黏结性能的研究.pdf

2 0 1 6年 第 2期 2月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 C HI NA C ONCRE T E AND C EME NT P R0DUC T S 2 01 6 No 2 F e b r u a r y 预制混凝土叠合板钢筋黏结性能的研究 侯和涛， 陈 磊， 程佑东， 朱文灿 ( 山东大学土建与水利学院， 济南 2 5 0 0 6 1 ) 摘要 ： 通过钢筋 的拉拔试验研 究了预制 混凝 土叠合板 内钢筋 的黏 结性能。设计 3 0个预 制板 与后 浇混凝土的 叠舍板 试件 ， 主要研究混凝土强度 、 钢筋锚 固长度 、 钢筋位置 、 钢 筋直径四个 因素对黏 结性能的影响。 并设计 1 2个混 凝 土现 浇试件作 为对 比， 以研究两种试件钢筋与混凝土黏结强度的差异。试验结果表 明 ： 叠合试件发 生剥 离破 坏和 劈 裂一 剥 离破 坏， 现浇试件均发生劈裂破坏 ； 叠舍试件 内钢筋的黏 结强度随钢筋直径和锚 固长度 的减小、 混凝土强度 和钢 筋至预制板距 离的增 大而增大 并且 明显 小于现浇试件 中钢筋的黏结 强度 。根据试验 结果 ， 统计 回归 出预 制混 凝 土叠合板钢 筋的极 限黏 结强度计 算公 式， 并 由此推 出钢筋锚 固长度的计算公式以指导工程应用。 关键词 ： 预制混凝土叠合板 ； 黏 结性 能 ； 拉拔试验 ； 锚 固长度 Ab s t r a c t ： T h i s p a p e r i n v e s t i g a t e s t h e b o n d b e h a v i o r o f s t e e l b a r s i n p r e c a s t c o n c r e t e c o mp o s i t e s l a b s t h r o u g h p u l l - o u t t e s t s A t o t a l o f 3 0 s p e c i me n s r e p r e s e n t i n g s t e e l r e b a r s e mb e d d e d i n p r e c a s t c o n c r e t e c o mp o s i t e s l a b s w e r e p r e p a r e d f o r e - v a l u a t i n g t h e i n fl u e n c e s o f c o n c r e t e s t r e n g t h ， a n c h o r a g e l e n g t h ， e mb e d d e d l o c a t i o n a n d r e b a r d i a me t e r o n b o n d i n g s t r e n g t h o f t h e r e h a r s F o r c o mp a r i s o n p u r p o s e ， a n o t h e r 1 2 s p e c i me n s o f t h e s t e e l r e b a r s e mb e d d e d i n c a s t - i n p l a c e c o n c r e t e we r e a l s o t e s t e d T e s t r e s u l t s s h o w t h a t t h e r e b a r s e mb e d d e d i n p r e c a s t c o n c r e t e c o mp o s i t e s l a b s e i t h e r e x h i b i t d e b o n d i n g f a i l u r e s o r c a u s e s p l i t t i n g f a i l u r e s i n t h e s u r r o u n d i n g c o n c r e t e w h i l e t h e r e b a r s e mb e d d e d i n c a s t - i n ： p l a c e c o n c r e t e c o n s i s t e n t l y f a i l e d d u e t o s p l i t t i n g f a i l u r e s o f t h e c o n c r e t e Ad d i t i o n a l l y ，i t i s f o u n d t h a t b o n d i n g s t r e n g t h o f t h e r e b a r s e mb e d d e d i n p r e c a s t c o n c r e t e c o mp o s i t e s l a b s i n c r e a s e s wh e n t h e r e b a r d i a me t e r a n d a n c h o r a g e l e n gth r e d u c e Mo r e o v e r ,b o n d i n g s t r e n gth o f t h e r e b a r s e mb e d d e d i n p r e c a s t c o n c r e t e c o mp o s i t e s l a b s t e n d s t o b e h i g h e r wh e n c o n c r e t e s t r e n g t h i s h i g h e r a n d t h e d i s t a n c e b e t w e e n s t e e l r e b a r s a n d p r e c a s t p a n e l s b e c o me s l a r g e r F u r t h e r , t e s t r e s u l t s r e v e a l t h a t b o n d i n g s t r e n g t h o f t h e r e b a r s e mb e d d e d i n p r e c a s t c o n c r e t e c o mp o s i t e s l a b s i s r e ma r k a b l y l o w e r t h a n t h a t o f t h e r e b a r s e mb e d d e d i n c a s t i n p l a c e c o n c r e t e B a s e d u p o n r e g r e s s i o n a n aly s i s o f t h e t e s t d a t a ， a n a n a l y t i c a l mo d e l wa s p r o p o s e d for c alc u l a t i n g b o n d i n g s t r e n gth o f t h e r e b a r s e mb e d d e d i n p r e e a s t c o n c r e t e c o mp o s i t e s l a b s I e mo d e l c a n b e u s e d t o d e t e r mi n e t h e r e q u i r e d a n c h o r a g e l e n g t h o f t h e r e b a r s e mb e d d e d i n c a s t - i n - l l a c e c o n c r e t e i n d e s i g n Ke y wo r d s ： P r e c a s t c o n c r e t e c o mp o s i t e s l a b ； Bo n d p r o p e r t i e s ； P u l l - o u t e x p e r i me n t ； An c h o r i n g l e n g t h 中图分类号 ： T U 5 2 2 文献标识 码 ： A 文章编 号： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 6) 0 2 6 3 0 6 O 前 言 预制带肋 混凝 土叠合 板 由实心平板与设有 预 留孔洞 的板肋组成 ，可在板上铺设横 向穿孔钢筋 、 拼缝防裂钢筋 以及配置在叠合层上部的受力钢筋 等 ， 再浇筑混凝土形成混凝土叠合板 ， 见图 1 。预制 带肋混凝土叠合板既可以满足施工期间的荷载要 求 ， 也可以作为现浇混凝 土的模 板 ， 具有整体性好 、 施工方便 、 工期短 、 成本低的优势【 。 图 1 混凝土叠合板示 意图 预制混凝土叠合板通过两端预留 1 5 0 mI n的“ 胡 子筋 ” 与梁或墙 进行锚 固连接 ， 在实际应用 中， “ 胡 子筋” 对预制混凝土叠合板的制作 、 运输 、 安装 等造 成 了不便 ； J G J r 2 5 8 2 0 1 1 预制带肋底板混凝土 叠合楼板技术规程 规定 ， 可在 预制混凝土叠合板 一 端上方设置端部连接钢筋替代胡子筋圆 。端部连 接钢筋位于预制叠合板和后浇 昆凝土之间的叠合 面处 。 不同于现浇混凝土。为研究 叠合面处钢筋与 混凝土 的黏结性能 ， 本文通过 拉拔试验 ， 探讨混凝 土强度、 钢筋锚固长度、 钢筋位置、 钢筋直径对叠合 板 内钢筋与混凝土黏结性能的影响。 1 试验方案 1 1 试件设计 拉拔试验共设计 A F六组 4 2个试件 ，具体参 数见表 1 。 A E组试件是混凝土叠合板试件 ， 由预制 板与后浇混凝土叠合而成 ：F组试件为现浇混凝土 一 6 3 2 0 1 6年第 2期 混凝土与水泥制品 总第 2 3 8期 较大的环 向拉应力使预制板 和后 浇混凝土剥离分开 ， 发生破坏。 2 4 试验参数分析 2 4 1 混凝土强度 的影响 图 6 ( a ) 为混凝土强度不 同时 拉拔试件 的黏结一 滑移 曲线 ，图 6 ( b ) 为混凝土抗拉强度 ( ) 与黏结 强度 ( 7 - ) 的拟合曲线。 由图 6 ( a ) 可 以发现 混凝 土的强度越高 。 曲线 在滑移段 的斜率就越大。 A组试件 ( a ) 黏结一 滑移曲 线 的混凝土强度最高 呈现出 良好 的黏结 性能 ，其 极 限黏结强度 比 C I组试 件高 2 0 8 ， 比 C 一组试件高 3 1 4 。由此可知 ， 叠合板 试件 的黏结强度随混凝土强度的提高而提高 ， 并 由 图 6 ( b ) 知其与混凝土的抗拉强度基本成线性关系。 根据 2 1节的分析 ，发生剥离破坏的原因是预 制板与后浇混凝土叠合面处 的开裂。而叠合面处的 黏结强度和预制板与后浇混凝土 的强度有关 ， 并且 后浇混凝土强度越高 ， 叠合面的黏结强度也越高嘲 。 所 以， 提 高后 浇混凝 土的强度 等级 ， 可增大叠合面 处的黏结强度 ， 从 而提高叠合板钢筋与混凝 土的黏 结强度。 2 4 2 钢筋锚 固长度的影响 P a 一 试 验值 ： 回归曲线 ( b ) f 与 拟合曲线 图 6 混 凝 土 强 度 与 黏 结 强 度 的关 系 移 曲线 ， 图 7 ( b ) 是相对黏结强度 ( r ) 与相对锚 固 长度( Ud ) 的拟合曲线。由图 7 ( a ) 及表 4可以看 出， 随钢筋锚 固长度 的减小 。 拉拔力逐渐减小 ， 但钢筋 与混凝土的黏结强度逐渐增大 。并且 由试验得到的 试件相对极 限黏结强度 ( ) 与相对锚 固长度 ( d ) 近似成反 比关系( 图 7 b ) 。 拉拔试件 黏结应力在钢 筋的锚 固区段 内呈不 均匀分布 ， 且 主要集中在加载端附近。钢筋的锚 固 长度越大 ，拉拔试件 的黏结应力分布就越不均匀 ， 平均的黏结应力就越小 。因此 ， 拉拔试件的黏结强 度随钢筋锚 固长度的增大而降低。 2 4 3 钢筋外边缘至预制叠合板面距离 的影响 图 7 ( a ) 是钢筋不同锚固长度下试件 的黏结一 滑 图 8 ( a ) 是钢筋外 边缘 至叠合板 面不 同距离试 誉 6 h O O O 4 O - 8 1 2 1 6 S mm 一 66一 l d ( b ) 回归 曲线 图 7 钢筋锚 固长度 与黏结强度 的关 系 芝 b ( a ) 黏结一 滑 移曲线 ( b ) 回归 曲线 图 8 钢筋外边缘至叠合板面距离与黏结强度 的关系 侯和涛 ， 陈磊 ， 程佑东 ， 等 预制混凝土叠合板钢筋黏结性能的研究 件的黏结一 滑移曲线， 图 8 ( b ) 是相对黏结强度( ) 与相对距离 ( c d ) 的拟合曲线。由图 8 ( a ) 可见 ， 试件 的黏结强度 随钢筋外边缘至叠合板面距离的增大 而提高。并且 由图 8 ( b ) 发现 ， 试件的相对极限黏结 强度 ( ) 与钢筋外边缘至叠合板面相对距离( c d ) 基本呈线性关系。 2 - 4 4 钢筋直径的影响 图 9为不 同钢筋 直径下试 件 的黏结 一 滑 移 曲 线 。从图 9可见 。 随着钢筋直径的增加 ， 钢筋与混凝 土的黏结强度降低。因为钢筋与混凝土的黏结强度 与两者之间的相对黏结 面积成正 比。 当黏结长度一 定 时 ，钢筋 与混凝土 的黏结面积与钢筋周长成正 比， 而施加的拉拔荷载与钢筋截面积成正 比， 所以 ， 钢筋周长与截面积的比值 ( 4 d ) 反映相对黏结面积。 钢筋 的直径越大 ， 相对黏结面积越小 ， 黏结强度就 越低。 麟 ( a ) 示 意图 ( b ) 示意 图 图 1 0 混凝土握 裹钢筋的有效 面积 表 5 叠合板试件与现浇混凝土试 件钢筋黏结强度对 比 注： f ： 、 r ： 分 别 是 叠合 试 件和 现 浇 试件 内 钢 筋的 平 均 极 限黏结强度 ； 、 S m 分别是叠合试件和现浇试件 中混凝 土握 裹钢筋 的有效面积 。 位置的钢筋 ， 叠合板试件 由于预制板 的存在 ， 后 浇 混凝土握裹钢筋的有效面积减小 。相 同位 置的钢 筋 ， 叠合板试件和现浇混凝土试件 内混凝土握裹钢 筋有效面积之 比列于表 5 。 由表5 可见，黏结强度之比 ： 和有效握 裹面积之比 S C S “ 基本呈线性 ， 拟合公式为 ： 丁 = 1 0 5 S S - 0 0 4 ( 5 ) 由式 ( 5 ) 可见 ： 钢筋的黏结性能与握裹钢筋的混 凝土面积有关。随着钢筋外边缘至预制板面距离 c 的减小 ，混凝土握裹钢筋的有效面积比 S C S ” 也减 小， 黏结强度比丁 ： r 也减小， 由 此可知， 叠合板试 件黏结强度的降低是由混凝土握裹钢筋有效面积的 减少导致 。 3 相关计算公式 3 1 预制混凝 土叠合板钢筋的极 限黏结强度计 算 公式 参考月牙肋外形热轧钢筋 的极 限黏结锚 固强 度( 不配箍筋) 的计算公式 9 1 ， 根据 2 4部分 的参数分 析和 4 2个试件 的试验数据 统计 回归出叠合板钢 筋的极限黏结强度计算公式 ： = 0 4 1 + 8 3 6 寺 ) ( 1 1 8 + U 0 3 7 子 ( 6 ) 式中： d为钢筋直径 ， m m； 为钢筋 的锚固长度 ， m m； c为钢筋外边缘至预制板顶面的距离 ， m m tt 为 混凝土抗拉强度 ， MP a 。 按公式 ( 6 ) 计算得到 的极 限黏结强度 ， 和实测 得到的极限黏结强度 ： 列于表6 中。由表6 可见， 试验结果与公式计算结果最大差异为 1 9 ， 下 的 平均值 u = O 9 9 7 ， 变异系数 3 = 0 1 4 1 ， 吻合较好 。因 此 ， 根据本次试验提 出的公式 ( 6 ) 可适用 于计算 预 制混凝土叠合板钢筋的极限黏结强度 。 一 6 7 2 0 1 6年第 2期 混凝土与水泥制品 总第 2 3 8期 表 6 叠合板 钢筋 黏结 锚固强度分析 注 ： 表中 f 是试验结果值 ， Jr 是式 ( 6 ) 的计 算值 。 3 2 预制混凝土叠合板钢筋的锚固长度计算公式 根据锚 固力等 于屈 服力 的平衡条件可得钢筋 锚 固承载力极限状态方程为 ： f , a s = 1 r 砒 ( 7 ) 式中 ： 是钢筋 的屈服强度 ， MP a ； A 是钢筋截 面面积 ， mm ； 7 u 是钢筋与混凝土的极限黏结强度 ， MP a ； d是钢筋直径 ， m m； l a 是钢筋的锚固长度 ， m m。 将式 ( 6 ) 带人到式 ( 7 ) 中得 到预制混凝土叠合 板钢筋的锚 固长度计算公式为 ： f 0 2 5 ： 一( 9 8 7 d + 3 0 9 c ) ： LL一 ( 8 ) 0 4 8 + 0 1 5 口 按照 J G J T 2 5 8 2 0 1 1的规定 ，端部连接钢筋 直接铺设在预制叠合板面上 ， 取钢筋外边缘至预制 板面的距离 c = 0 m m， 式 ( 8 ) 化简得 ： f f d = l o 5 2 争一 2 o 3 9 ( 9 ) t 以 H R B 4 0 0级钢筋为 例 ，取混凝土 强度等 级 C 2 5 、 C 3 5 、 C 4 5 。 按规 范内普通 钢筋混凝土钢筋 的 锚 固长度( ) 和式( 9 ) 计算得出的锚 固长度 ( ) 列 入表7中。由表 7可见 ， 按本文式( 9 ) 计算的预制混 凝 土叠合板钢筋锚 固长度与钢筋锚 固长度规 范值 表 7 H R B 4 0 0级钢筋锚 固长度计算 比较 一 6 8一 的比值 在 2 9 9 3 2之间 ，说明叠合板 内钢筋 所需锚 固长度大大增加。 、 4结论 ( 1 ) 叠合板试件的破坏形态包括剥离破坏和劈 裂一 剥离破坏 ；现浇试件 的破坏形态为典型的劈裂 破 坏 。 ( 2 ) 预制混凝土叠合板钢筋的黏结强度随混凝 土强度的提高而提高，随锚固长度的增加而降低， 随钢筋与预制叠合板顶面之间距离的增大而增 大 ， 随钢筋直径的增大而减小。 ( 3 ) 根据试验研究提出的预制混凝土叠合板钢 筋极限黏结强度计算公式与试验结果吻合 良好。 ( 4 ) 根据本文提 出的锚固长度计算公式所计算 出的钢筋锚 固长度 约是普通混凝土 中钢筋锚 固长 度 的 3倍 ， 所 以需大大增加叠合板内钢筋锚固长度 以满足要求。 参 考文献 ： 【 1 】 陈璐， 吕忠珑， 侯 和涛， 等 钢结构住宅预应力混凝 土叠 合板 ( P K板 ) 现场抗 弯性 能研究 J 钢结构， 2 0 1 2 ， 2 7 ( 2 ) ： 6 2 】中华人 民共和 国住房 和城 乡建设部 J G J T 2 5 8 2 0 l 1预 制带肋底板混凝土叠合楼板技术规程 S 】 北京： 中国建 筑工业 出版社 2 0 1 1 【 3 】中华人 民共和 国住房 和城乡建设 部 G B 5 0 1 5 2 -2 0 1 2混 凝 土结 构试验方法标 准 S 】 北京： 中国建筑工业 出版社， 2 0 1 2 4 徐有邻， 邵卓民， 沈文都 钢筋与混凝土的粘结锚固强度 J 建 筑科学， 1 9 8 8 f 4 1 ： 8 一 1 0 【 5 中华人 民共和 国建设 部， 国家质量监督检验 检疫总局 G B T 5 0 0 8 l 一 2 0 0 2普通混凝 土力学性能试 验方法标准【 S 北 京： 中国建 筑工业 出版社。 2 0 0 3 【 6 山东大学 拉拔装置及包含该拉拔装置的粘结滑移试验系 统 ： 中国， Z L 2 0 1 4 2 0 8 1 3 2 9 6 4 P 2 0 1 5 0 4 1 5 【 7 】 石建军， 孙冰， 杨晓峰， 等 叠合构件结合面的粘结性能探讨 J 混凝土与水泥制品， 2 0 0 4 ( 5 ) ： 5 1 5 2 【 8 】 赵志方， 赵国藩， 刘健， 等 新老混凝土粘结抗拉性能的试验 研究【 J 建筑结构学报， 2 0 0 1 ， 2 2 ( 2 ) ：5 4 5 5 9 】 徐有邻 变形钢筋一 混凝土粘结锚 固性能的试验研究【 D 北 京： 清华大学， 1 9 9 0 l O 中华人 民共 和国住房和城乡建设部 G B 5 0 0 1 O 一2 0 1 0混 凝土结构设 计规 范 S 】 北京 ： 中国建筑 工业 出版 社 ， 2 0 1 1 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 9 1 7 作者简介 ： 侯 和涛( 1 9 7 0 一 ) ， 男 ， 副教授 、 硕士生导师。 联 系电话 ：1 3 9 6 9 0 3 6 4 8 3 E- ma i J ： h o u h e t a os d u e d u C n 通讯作者 ： 陈磊 ( 1 9 9 1 一 ) ， 男 ， 硕士研究生 。 联 系电话 ： 1 8 7 6 9 7 8 5 5 8 3 E- ma i l ： s d u C l 1 6 3 c o rn