现浇钢筋混凝土填芯楼板结构受力性能分析研究

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摘要：本文结合笔者多年建筑工程实践，分析介绍了钢筋混凝土填芯楼板结构受力性能测试研究的重要性，并依照相关规范建立结构测试模型，对填芯板结构的荷载-挠度，荷载-应变关系及结构破坏与裂缝进行了详细试验研究，在试验数据的基础上对填芯楼板结构的受力性能进行了详细分析论证，并得出了科学合理的结论。

关键词：现浇钢筋混凝土填芯楼板；结构性能；试验；承载力；分析研究

中图分类号：TU375.2

文献标识码：B

文章编号：1008-0422(2008)09-0132-03

1现浇钢筋混凝土填芯楼板结构测试研究的重要性分析

作为一种新型的结构体系，现浇钢筋混凝土填芯楼板结构采用轻质填芯材料（有管状或球状等）代替厚板中的混凝土，达到减轻楼盖自重而承载力基本不变的力学特性；它具有适应大空间、大跨度柱网的结构要求以及楼板隔热专用效果好的工程应用价值。到目前为止，人们在工程实践中主要提出按单向板计算、按实心双向板计算以及按空间网格梁进行空间计算的3种理论，在设计理念上尚不完全成熟。因此，系统地开展对不等边长的板进行试验研究，对发展现浇钢筋混凝土空心板结构技术和计算理论，加快该结构体系的工程应用，具有重要意义。

本文按照空间网格梁理论设计了长宽比为1.4:1的现浇钢筋混凝土空心板模型，对以下问题进行了研究。

1)通过测得板在两向简支条件下中心点的荷载――挠度关系，分析得到现浇钢筋混凝土空心板纵横两方向的抗弯刚度比，与空间网格梁法所采用的等效刚度比进行比较。

2)通过对试验模型的静载试验，测得板挠度变化、钢筋应变值、裂缝的开展过程、破坏形态和破坏荷载，分析该结构的力学特征。

3)为该现浇钢筋混凝土填芯板的有限元分析提供必要的试验数据。

4)验证计算理论的适用性，为现浇钢筋混凝土填芯板的设计提供依据。

2现浇钢筋混凝土填芯楼板结构性能测试模型的建立

2.1试件的设计与制作

研究模型为：3.44×4.74m（计算跨度3.2m×4.5m）、厚度为110mm（高跨比为1/29.1）的现浇钢筋混凝土空心板，内置DN50UPVC管的51排，管中心距为80mm，按面积等效、抗弯惯性矩等效的原则折算成“工”字形断面。边界条件取板四边简支在240mm厚砖墙上，设计混凝土强度等级为C25，钢筋使用Ⅰ级钢。具体结构配筋详见图1。

2.2材料的力学性能

实测材料的力学性能指标如下：混凝土28d标准养护立方体抗压强度为31.9MPa；φ6钢筋抗拉屈服强度为320MPa，极限抗拉强度为480MPa。

2.3装置及方法

课题研究是在室外进行的，操作过程执行《混凝土结构试验方法标准》GB50152292。主要装置和方法简述如下。

1）数据采集静态数据采集器连接至计算机，适时测量电子位移计和测点钢筋应变片读数，并记录稳定后的数值。

2）挠度测量用5个电子位移计测定试件中心点和支座处的挠度（消除支座沉陷的影响）。

3）钢筋应变测量25个120Ω电阻式钢筋应变片测量各测定点钢筋的应变，将钢筋应变片贴于底部钢筋中间处，长钢筋间距为间隔放置（应变片编号为18～25），短筋每间隔2根放置1个应变片（编号为1～17）。

4）荷载用密度为17kN/m3（现场实测值）的普通粘土砖堆载，后期用铁块加载。

5）试验终止条件当板最大挠度大于1/300或最大裂缝超过0.3mm时，认为结构达到不安全状态，研究停止。

2.4研究的内容

本次测试分5种工况进行，具体内容如下:

1）工况1测试该现浇钢筋混凝土空心板沿布管方向的刚度（横截面抗弯刚度），即在布管方向两端简支，中间加载，加载面积为0.6m×4.74m，每级加载为1.8kN/m2，拟进行5级加载。

2）工况2测试该空心混凝土板垂直于布管方向的刚度（纵截面抗弯刚度），即在垂直于布管方向两端简支（l0=4.06m），中间加载，加载面积为0.72m×3.44m，每级加载为0.9 kN/m2，拟进行4级加载。

3）工况3测试该空心板在四边简支、加载位置和荷载级别同工况1下的挠度变化。

4）工况4测试该空心板在四边简支、加载位置和荷载级别同工况2下的挠度变化。

5）工况5空心板在四边简支、在整个板面上均匀加载、每级加载1.8 kN/m2，出现裂缝后，在中间1/3板域上继续加载为3.6 kN/m2（用铁块加载），测得挠度变化、钢筋应变、裂缝的发展和分布，并记录破坏荷载值。

3现浇钢筋混凝土填芯楼板结构性能测试

3.1楼板结构荷载-挠度关系曲线

试件的荷载一测点挠度关系对该现浇钢筋空心混凝土板分别按5种工况方式加载，得到每一级荷载及其对应的板中心点的挠度值，见图2a，图2b。

对比工况1和3、工况2和4的荷载-挠度曲线，板在四边简支（工况2、工况4）时的最大挠度比单向支承时小，反映出该不等边长的现浇钢筋混凝土空心板具有明显的双向抗弯曲性能；图2a，图2b显示荷载与挠度呈线性关系，说明该现浇钢筋混凝土空心板在较小荷载作用下的变形接近线弹性。

3.2钢筋的荷载――应变关系曲线

在试验过程中测得在工况1、工况2、工况3和工况4的各级荷载作用下，各点钢筋的应变值增量均接近于零，说明此时钢筋基本不受力，板混凝土未开裂，可以近似认为板的挠度变形呈线弹性。考虑试件板的结构对称性，剔除损坏的应变片，得到该试验模型在工况5时钢筋应变值（图3），试验板在前6级荷载作用时钢筋应力值变化很小，均接近于零。

由图3可知，在较大荷载作用下，两方向的钢筋都产生拉应力，位于板跨中的钢筋产生的拉应力大于跨边钢筋，平行于短边的钢筋（测点1～17）受力最大；平行于长边的钢筋（测点18～25）受力较小，各钢筋应变值基本相近；板底出现裂缝后，钢筋应力出现重新分布现象，跨中钢筋应力增加较多，边缘钢筋略有下降；板出现裂缝至破坏前，跨中钢筋应力急速增加，板边钢筋中点应力平稳增长，增幅不大；测点6～12的应力值接近，并一直保持较大值，说明在板中心长度1.44m范围内为最大应力区，与实心等厚钢筋混凝土板的理论最大应力线长度（4.5～3.2=1.3m）相近。

3.3楼板结构的破坏测试

试验模型的裂缝发展和分布因受加载条件的限制，考虑安全因素，本试验没有进行到最终的破坏，仅将该试验模型的最大裂缝宽度大于0.3mm作为终止条件，本试验最大裂缝超过了0.4mm，因此，裂缝的发展和分布成为反映它破坏形态的重要参数。图4为实测的最终裂缝分布图。

裂缝的分布（如图4所示）呈现双向板形式。在第10级荷载作用下，第1条裂缝出现在平行于长边的跨中处，长1310mm，说明该处承受最大正弯矩；在第12级荷载作用时，陆续发现第2条裂缝、第3和第4条裂缝，均为斜向裂缝；现场测量得到，中间平行于长边的裂缝长度在1300mm左右，裂缝带宽度约为1400mm。

4现浇钢筋混凝土填芯楼板结构性能测试结果验算分析

4.1两方向的抗弯刚度比

4.1.1两正交方向抗弯惯性矩的实测值

由图2a，图2b所示的工况1和工况2的荷载-挠度曲线，按照试件在小荷载作用下呈线弹性变形的特性，可以应用线弹性材料挠度公式f=S来表示，故

f1=SM1210/EI1=8.91

qS/ EI1=0.1836m

f2=SM1220/EI2=10

qS/ EI2=0.2133m

由此得I1/ I2=1.035

4.1.2两正交方向抗弯惯性矩比的计算值

折算厚度（80×110-252×3.14）/80=

85.47mm

空心率（110-85.47）/110=22.3%

每米横管方向折算抗弯惯性矩：

每m宽度顺管方向抗弯惯性矩：

折算刚度比I1/ I2=1.065

对此可知，现浇钢筋混凝土空心板两向抗弯刚度实测值与理论计算值相近，说明了在空间网格梁法计算中，对板两正交方向的抗弯刚度采用折算刚度法，计算结果是可靠的。

4.2受力特点与破坏方式

根据四边简支现浇钢筋混凝土空心板在均布荷载下的试验研究结果，可将其受力特点与破坏方式归纳为以下几点。

4.2.1受力特点

①由试件的挠度曲线分析得到，开裂前，板处于近似弹性工作状态。

②无论通过各工况的挠度曲线分析还是板钢筋应力的分布图，都反映该试件板中作用有双向弯矩，短跨方向弯矩较大，最大弯矩发生在短跨跨中截面，其长度约为I长-I短，沿长跨方向的最大正弯矩并不一定发生在跨中截面，而是存在一定的区域内。

4.2.2破坏方式

由试件的受力特点及裂缝出现的位置和顺序，并观察破坏时裂缝的分布图，可以发现，该两向尺寸差异较大的现浇钢筋混凝土空心板具有等厚实心双向板的力学性能。

①试件在第10级加荷后，在板底中部并平行于板长边方向出现第1批裂缝，随荷载渐增，裂缝大致沿45°角的方向逐渐向四角扩展，同时在板平行于板长边方向中心区继续产生平行裂缝，当形成截面塑性铰线后或者裂缝宽度超过规范界限，板即破坏（图4）。

②图4所示试件破坏后，裂缝分布图类似于实心板的塑性破损图。

4.3承载力

工况5的试验结果表明，在荷载达到2.7kN/m2前，挠度和外加荷载基本上呈线性关系，可以认为板处于弹性工作阶段。随着裂缝的开展，板的挠度快速增大，荷载增至第15级时，挠度为11.949mm，为跨度3.2m的1/270，大于混凝土规范规定的1/300；最大裂缝宽度大于0.4mm，大于混凝土规范规定的0.3mm，视为破坏。若按模型板最大弯矩相等的原则将局部荷载等效成板面均布荷载的话，则第15级破坏荷载为21.6 kN/m2，是荷载设计值6.3 kN/m2r 3.43倍，说明此结构的安全储备较高。

5结论

通过以上分析，可以得到以下结论：

5.1在空间网格梁法计算中，对板两正交方向的抗弯刚度采用折算刚度计算，结果是可靠的。

5.2通过对试验构件进行静载测试，试件板的工作性能表现出双向受力的特征。虽然试件空心管按单向布置，但在均布荷载的作用下，实测该板的受力特征和破坏方式仍呈现双向板的性能：①填芯楼板在较小荷载作用下的挠度变形接近线弹性；②在各级荷载作用下，不同位置钢筋应变值体现了板的双向承载能力；③裂缝的发展和分布呈双向板的特征。

5.3在目前排管方式的前提下，对不等边长的现浇钢筋混凝土空心板的承载力设计，我们可以按双向折算刚度采用空间网格梁法计算并配置双向受力钢筋，能够保证结构的安全性。

参考文献：

[1] 大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室.现浇砼圆孔空心楼板在设计中的应用研究与实践[R].2004.

[2] 夏钢.现浇钢筋混凝土无梁空心板楼盖结构设计总结[J].化工设计通讯，2005,(2).

[3] 《混凝土结构设计规范》GB50010-2002；北京,中国建筑工业出版社,2002.

注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”