14江峰竖向荷载作用下带边梁和异形柱的无粘结预应力平板试验分析.doc

中国预应力技术五十年暨第九届后张预应力学术交流会议 2006年 竖向荷载作用下带边梁和异形柱的无粘结预应力平板试验分析 江峰 李唐宁 秦士洪 （重庆大学土木工程学院 重庆 400045） 摘 要 大跨度预应力住宅结构为灵活隔断住宅提供了一个更加丰富的空间，而其结构的可靠性也是人们关注的重点。作为国家十五科技攻关课题“高性能混凝土大跨度预应力住宅结构体系”子课题，通过缩尺比例为12.4的模型试验，对无粘结预应力平板－异形柱结构竖向荷载一板八柱试验进行了初步研究，并同以往几个相同类型构件进行比较，对构件基本试验现象作了初步探讨。 关键词 预应力混凝土 边梁 异形柱 节点 1 引言 随着社会与经济的发展，人们对住宅的要求也越来越高，在购买和装修房屋时更注重居住环境的个性化追求。大开间预应力平板－异型柱（短肢剪力墙）结构是将无粘结预应力楼盖与异型柱或短肢剪力墙相结合，并在平板周边设置边梁以加强共同工作性能。这种结构形式一方面采用预应力平板，满足了大开间的要求；另一方面，采用异型柱或短肢剪力墙将建筑中的明柱、明梁改为暗柱、暗梁，在灵活处理平面较为复杂的建筑时具有优越性。 过去关于预应力平板的试验构件也比较多[1] [2]，但基本上均未设置边梁，支承形式也未涉及到异型柱或者短肢剪力墙，而无粘结预应力混凝土结构技术规程（JGJ/T92.93）和建筑抗震设计规范（GB50011-2001）中都指出应在平板的边缘和拐角处设置暗圈梁，或者设置钢筋混凝土边梁，所以为了研究带边梁和异形柱的无粘结预应力板的受力特征，更好地弄清边梁与预应力平板的相互影响关系，我们进行了本次试验。 2 试验概况 本次无粘结预应力平板－异形柱结构竖向荷载一板八柱试验通过16点加载模拟均布面荷载作用，研究结构的整体受力性能，试件分为基础和上部结构两个部分，基础采取预制基座，主体制作在实验室完成，现场绑扎钢筋，现场浇筑混凝土。 图1 试验鸟瞰图 2.1 加载装置 采用两根自制 [ 22槽钢焊接反力梁，将千斤顶安装在反力梁上，每根反力梁安装4个千斤顶，然后用1500mm长的I25工字钢作为分配梁分配为八点加载于板面。每根反力梁设置四根28mm的拉杆，并穿过预应力板上预留的50mm孔洞，一端固定于实验室地槽内，另一端用螺帽固定在反力梁顶部。八个同步千斤顶由两个油泵控制，油管采用二个五通分油器分配给8个千斤顶。 图2 试验加载装置图 2.2 加载等级 预应力板加载装置的重量约为0.53kN/m2，混凝土容重取，100mm厚板的自重为2.5 kN/m2，所以实际等效面荷载为。 表1 试验构件加载等级 荷载等级 外加荷载 （kN/mm2） 实际荷载 （kN/mm2） 荷载等级 外加荷载 （kN/mm2） 实际荷载 （kN/mm2） 1 3.20 6.233 11 11.52 14.553 2 3.84 6.873 12 12.16 15.193 3 4.80 7.833 13 12.8 15.833 4 5.76 8.793 14 13.44 16.473 5 6.40 9.433 15 14.08 17.113 6 8.00 11.033 16 14.72 17.753 7 8.96 11.993 17 15.36 18.393 8 9.60 12.633 18 16．00 19.033 9 10.24 13.273 19 16.64 19.673 10 10.88 13.913 2.3 测试方法及内容 试验所采数据通过平衡箱接入7V14型Data logger数据采集系统后，传输给控制计算机保存。试验共用了三台平衡箱、两台7V14数据采集系统、两台电脑对约600个点的应力应变进行监控。针对本次试验主要内容是研究带异形柱预应力双向板结构体系在竖向荷载作用下的受力性能，所以要在不同竖向荷载级别作用下对以下内容进行测试 ①．电测柱、边梁、预应力板内非预应力筋和预应力筋墩头处传感器的应力变化情况； ②．电测板和梁的挠度、边梁的扭转角； ③．观测柱、边梁、板变形情况与裂缝情况； 3 试验现象描述 通过对构件的观察和测试，得到其裂缝的开裂顺序为一字柱梁底横向裂缝板底受弯裂缝板顶受弯裂缝边梁与角柱相交处受扭裂缝边梁与一字柱相交处受扭裂缝角部异形柱横向受弯裂缝。下面试验现象从试件各个部位进行描述。 图3 试验构件各部位裂缝展开图 3.1板底 板底裂缝总的来说呈现一种带状分布，但板中部区域分布比较紊乱，在加载点附近由于受到局部受压出现一些毛细裂缝，较为规则向板角发展，在加载后期裂缝逐渐同时向边梁内侧方向扩展趋势，但不是特别明显。在加载到第6级荷载时，实际荷载为11.03 kN/m2，接近标准荷载12.0 kN/m2，板底出现了第一条裂缝，位置在跨中附近，之后向两边发展，延伸向异形柱角部的裂缝主要沿45方向，而在跨中则出现了与四边垂直的裂缝，发展到后来，跨中的裂缝相互交错形成了一个宽约1.2m的矩形裂缝分布区域。而在四周角部分布的裂缝，在沿45方向出现了多条与第一条裂缝平行的裂缝，并且和边梁的扭转裂缝相互拉通。在第10级荷载时，板底裂缝最宽处为0.1mm，第14级荷载裂缝宽度达到0.5mm，第18级荷载时裂缝宽度到1.2 mm，此时沿板底塑性铰线出现了众多裂缝，主裂缝已比较明显，板跨中附近矩形区域的混凝土已脱落，露出了里面的板筋。试验卸载结束后，板底裂缝已不能完全闭合，尤其是主裂缝处。 3.2板顶 板顶裂缝的分布在板顶角部呈圆弧形走势。第一条板顶裂缝也出现在第6级荷载，且在与异形柱和一字柱相交部位均出现了裂缝，之后沿板边向两边发展，并不断分支，与边梁的扭转裂缝贯通。在荷载达到第19级时，沿板边的主裂缝已基本形成，且开展充分，最宽处裂缝宽度达到0.5mm。 3.3 边梁 由于对称，各边梁的边界条件及内力都具有很大的相似性，因而其裂缝的开展也比较类似。在第2级荷载时，出现了第一根裂缝，沿竖直方向，之后不再发展，不应是受扭裂缝。在第5级荷载时，第一根受扭裂缝出现在在靠近角柱的梁端内侧，大致沿45方向，属于受扭裂缝。在第6级荷载时，靠近角柱的边梁外侧也出现了受扭裂缝，之后沿箍筋间距出现了众多相互平行与纵向成45夹角的扭转裂缝，随着荷载的加大，这些裂缝向上与板顶裂缝连通，向下与内侧的受扭裂缝连通。靠近一字柱的梁外侧受扭裂缝出现在第7级荷载，角柱端梁底在第8级开裂，“一字柱”端梁底在第14级开裂。加载过程中在梁跨中没有发现受弯裂缝。角柱端梁侧裂缝主要分布在梁端800～850 mm的范围内，“一字柱”端梁侧受扭裂缝主要分布在柱边300mm～500mm的范围内。角柱端底部裂缝主要分布在梁端400mm的范围内，而“一字柱”端梁底裂缝分布范围则较小，离柱边150mm左右。宽度最大的梁侧受扭裂缝在角柱端，第6级为0.06 mm，第9级为0.15 mm，第19级为0.2 mm。 3.4 一字柱 试验构件中的四个一字柱外侧是整个试验中最先开裂部位。在荷载等级加至第2级时，距一字柱柱顶550～650mm区域处出现沿柱宽通长的横向裂缝，宽度约为0.05mm，随着荷载的增加，新增裂缝区域逐渐扩充到距一字柱柱顶三分之二柱高范围内，并在梁、柱、板的节点部位逐渐发育开来。加载至第12级荷载后，一字柱内侧柱底部位出现裂缝，但没有贯穿整个柱截面，宽度约为0.03mm，随着荷载增加，柱内侧裂缝没有柱外侧那样发展迅速。在16级荷载后，一字柱就已经没有新裂缝出现了，只是原有裂缝加宽而已。 3.5 L形柱 L形柱的裂缝不是特别明显，预应力平板四角异形柱的施工缝位置在加载至第14级荷载时出现横向微裂缝，随着荷载的增加，横向裂缝逐步向下发展，在第24级时发展充分，裂缝数量不是很多，每个异形柱只有3～5根呈水平方向裂缝，由于变梁受扭比较严重，使得梁、板、柱节点处斜裂缝扩充至异形柱柱顶部位，主裂缝已经穿过柱端附加锚固混凝土端块，在旁边还出现了新的毛细斜裂缝。值得注意的是在异形柱的内侧，在第13级荷载时，在柱阴角处出现长度约为1.2m的竖直裂缝，宽度约为0.4mm，可能是由于异形柱在墙肢两个方向弯矩使得阴角开裂。 4 试验构件破坏形态 在第19级荷载时，边梁的扭转裂缝开展较充分，但最宽处约0.2mm，梁筋未屈服，显然仍未受扭破坏，而竖向构件除一字柱平面外受弯开裂较充分外，角柱的裂缝出现较少。但板底、板顶沿塑性铰线处裂缝开展充分，裂缝最宽处都已超过1.5mm，且这些位置的非预应力筋大部分已屈服，因此可以认为试件已经接近破坏,此时实际荷载为19.67kN/m2，大于计算极限承载力18.65kN/m2，归纳得到下列主要特点 ①. 本试件设计时梁板为等强设计，但梁由于协调扭转的原因受扭成为其设计的主要控制因素，而柱子的设计也有意加强。经承载力验算，双向板受弯破坏时，梁和柱的承载力均有较大富余，而试验现象也和当初的设想一致，双向板跨中受弯破坏时，除了边梁受扭开裂，一字柱平面外受弯开裂外，其他构件均无破坏征兆。这一设计思想可以用于这种结构中复杂的协调受力弯剪扭构件的强度设计，即对边梁进行弯剪扭复合受力开裂验算，并复核其受扭承载力，保证在板破坏之前边梁不受力破坏。 ②. 双向板的开裂荷载为11.03kN/m2，相比较设计时采用的使用荷12kN/m2（恒载7.5 kN/m2活载4.5kN/m2）要小一些，这可能和一字柱附近的应力集中有关系，且裂缝仅为0.05mm，因而仍可认为，预应力的设计满足正常使用的要求。 ③. 双向板的破坏荷载为19.67kN/m2，大于计算的极限承载18.65kN/m2，且比设计荷载组合值14.85kN/m2大，说明基于有限元分析结果的混凝土板带设计法是安全可靠的，而且预应力筋跨中板带集中布置也提高了预应力筋的利用效率。 图4 双向板板底破坏示意图 ④. 在构件破坏时平板塑性铰线已基本形成，类似于双向板倒幂破坏图式。板底裂缝在双向预应力筋重叠的范围内形成了一个矩形区域，并且出现正交裂缝；裂缝分布呈带状，沿矩形区域四边主裂缝明显。这应该是和矩形四边位置处预应力筋的矢高变化大有关。 ⑤. 一字柱开裂较早，说明其平面外受弯能力仍有待加强。此外，由于一字柱的开裂，其刚度降低，使得边梁与角柱相交部位的扭矩增长较快，扭转裂缝开展充分，且分布范围较一字柱端的大。 ⑥. 边梁的剪扭开裂荷载值接近美国ACI318范公式、同济大学所提出公式的计算结果。 ⑦. 跨中板带预应力钢筋集中布置有效提高了板的极限承载力和刚度，使得板在正常使用荷载下的挠度大幅下降，仅为8mm。 5 同过去试验现象比较 参照过去试验两个尺寸均为5m6m的构件[3] [4] [5]，一个为双向均匀布置预应力筋方案，另一个为双向集中布置预应力筋方案相对集中布置预应力筋方案，把本次5m5m集中布置预应力筋方案绝对集中布置预应力筋方案试验进行对比。 5m6m均布布置方案 5m6m相对集中布置方案 5m6m绝对集中布置方案 图5 不同预应力筋布置方案 均匀布置预应力筋方案中，5m6m构件板底和板顶裂缝最宽处都超过2.5mm，板跨中央的挠度接近80mm，达到了1/75板跨度，此时平板塑性铰已经基本形成，主要表现为板底裂缝在加载点范围内形成了一个具有正交裂缝的矩形区域，裂缝仍然是呈带状分布，但是主裂缝并不特别明显，板顶裂缝在6m长边方向边梁处开展较充分，在5m短边方向处并未开裂，由于构件6m长边方向布置了一字柱，在增大了板的抗弯刚度同时，在一字柱柱顶出现应力集中问题，使得板面的柱裂缝宽度要大于板底，从这些分析可以得出均匀布置预应力筋方案破坏形态是属于典型的双向板破坏形态。集中布置预应力筋方案中，5m6m构件预应力平板的裂缝开展充分，板底跨中主裂缝宽度达到3mm，板顶裂缝主裂缝明显，其主裂缝宽度也接近达到3mm。5m5m构件在第10级荷载时，板底裂缝最宽处为0.1mm，第14级荷载裂缝宽度达到0.5mm，第18级荷载时裂缝宽度到1.2mm，此时沿板底塑性铰线出现了众多裂缝，主裂缝已比较明显，板跨中附近矩形区域的混凝土已脱落，试验卸载结束后诸如板底处主裂缝已不能完全闭合。 5.1 不同布置预应力筋方案对预应力平板抗裂的影响 由前面分析可以看到，均匀布置预应力筋方案板底裂缝在加载至12.5kN/m2时宽度达到0.25mm，一字柱主裂缝在加载至13.0kN/m2时宽度达到0.2mm，集中布置预应力筋方案板底在加载至6.9kN/m2出现裂缝，加载至12.8kN/m2时裂缝宽度达到0.2mm，板顶裂缝在加载至10.8kN/m2时出现，在加载至13.8kN/m2时裂缝宽度达到0.15mm。从不同布筋方案的裂缝宽度可以看到，预应力筋由双向均匀布置改为集中布置后，平板的开裂荷载等级增大，作用同等级荷载时裂缝宽度要小的多，因此从试验现象可以得到预应力筋布置方式的不同对平板抗裂的影响是较大的。我们还注意到双向板中应力总是会从高应力区传向低应力区，这种应力的横向传递会减小高应力区混凝土的抗裂性能，而提高低应力区混凝土的抗裂性能。当采用均匀布置预应力筋方案时，截面上的轴压应力比较均匀，因此这种应力发散的现象并不明显。而当集中布置预应力筋方案后，预应力筋在板边建立的轴压力并不均匀，并且有一定的离散性，预应力传递到跨中截面后，会使得应力出现较大的削弱，因此对于预应力筋集中布置的双向板来说，集中布置的预应力筋对支座截面的抗裂作用要大于对跨中截面的抗裂作用。 5.2 不同布置预应力筋方案对预应力平板内力分布的影响 采用集中布置预应力筋方案其目的是让板中形成暗梁，而预应力的大小会决定板中内力变化的幅度，因此暗梁的存在会对平板的内力分布或多或少存在一些影响，这在无梁楼盖中颇为常见。如果预应力筋相对来说配置不多，则没有起到暗梁的作用，也不能改变板弯矩的数值；如果预应力筋相对来说配置充足，在预应力筋所在板带会在施加预应力时产生反拱，从而大大提高板的承载能力和抗裂等级，其性能远优于普通混凝土楼盖结构。均匀布置预应力筋方案显然没有形成暗梁，而集中布置预应力筋方案由于配置预应力筋不多，并不足以使中间板带形成相应暗梁，这样刚度变化对内力影响可不予以考虑。在预应力筋布置方式改变后，集中布置预应力筋方案的内力峰值会比均匀布置预应力筋方案内力峰值偏小，因此对于预应力筋布置形式的改变对平板内力的影响来说，主要体现于预应力筋布置形式改变后次弯矩的变化。 所以说无论是均匀布置预应力筋方案，还是集中布置预应力筋方案，总体上裂缝分布是相似的，只是在同等荷载作用下，均匀布置预应力筋方案板跨中挠度要大于集中布置预应力筋方案板跨中挠度。从承载能力上讲，集中布置预应力筋方案的承载力要大于均匀布置预应力筋方案的承载力。集中布置预应力筋方案和均匀布置预应力筋方案从形式上看是不同的配置预应力筋方案，但其本质上破坏形态都是一致的，都是属于典型的双向板破坏形态。在预应力双向板设计中，预应力筋在板带集中布置后可以更充分的发挥预应力筋作用，但起控制作用的是板截面的抗裂问题和平板的挠度问题，截面的承载力只是次要问题。 6 结论与展望 ①. 预应力钢筋的布置可以采用均匀布置和集中布置等多种方式。对按照抗裂度要求配置预应力钢筋和一定构造配置了非预应力钢筋的平板结构，一般均有较高的极限承载能力。相比较过去试验，均匀的预应力布置方式较难满足中柱部位板的抗裂度要求，而集中布置预应力钢筋后，大大推迟了中柱部位板的开裂，减小了板裂缝宽度和板的挠度，所以集中布置预应力钢筋是一种较为可行的布置方式。但是，我们的构件由于预应力钢筋的线形、抗裂度的选取都较为单一，而对于工程中不同的预应力钢筋布置、不同的线形、不同的抗裂度条件都会有不同结果，应该结合具体情况来作出相应的分析。 ②. 应该注意节点区的锚固问题，因为边梁在节点区附近受到弯剪扭复合应力的作用，会使得梁纵筋受到较大拉应力；在节点区的上部，将柱伸出预应力平板的柱筋锚固方式具有较好的锚固能力，并有效减轻异形柱顶层节点的钢筋拥挤程度，便于混凝土的浇筑。 ③. 由于在竖向荷载作用下预应力平板的下挠，边梁受到较大的协调扭矩作用，扭转裂缝分布范围较大，尤其对一字柱的影响比较严重，为了减小这种不利影响，可以在边梁节点区附近多配置一些抗扭箍筋。 ④. 当周边边梁设有一字柱时，墙肢平面外开裂较为严重，为了让一字柱开裂后具有良好工作性能，设计时宜计算墙肢平面外的抗弯承载能力，按照非对称配筋，同时应该采用一些构造措施保证其具有良好的延性。 参考文献 [1] 陶学康，王逸，陈文义，无粘结部分预应力带状布束的九柱四板荷载试验，建筑结构，1995（7）。 [2] 房贞政，陈国栋，大开间无粘结预应力混凝土板的模型试验，建筑结构，1999（8）。 [3] 高顺，预应力平板-异形柱（短肢墙）结构在竖向荷载作用下的受力性能分析，2004年重庆大学硕士学位论文。 [4] 吴胜达，预应力平板-异形柱结构在竖向荷载作用下的受力性能试验研究，2004年重庆大学硕士学位论文。 [5] 江峰，无粘结预应力平板－异形柱结构竖向荷载一板八柱试验研究，2006年重庆大学硕士学位论文。