1.混凝土叠合楼板拼缝研究现状
预制叠合楼板在施工过程有可能需要进行拼缝连接,板端拼缝应用较少,板侧拼缝连接形式主要有键槽式、传统拼缝式、整体式拼缝、叠合面附加钢筋式拼缝等。采用键槽式只能传递剪力,而不能传递弯矩;传统拼缝钢筋传力间断,在拼缝处容易形成转角,产生较大裂缝,承载力也大大降低,导致整体性差。
徐天爽,徐有邻[9](2003)对传统拼缝进行了研究,同时提出了一种新型整体式拼缝连接形式,预制底板的分布钢筋改为受力钢筋,并伸出板边,通过拼缝及后浇混凝土连接为整体,可以实现拼缝两侧钢筋应力的间接传递传力,从而传递弯矩形成双向板受力状态,提高了板的受力性能,通过试验,得到构件破坏典型裂缝所示,但是与整体板比较,拼缝处受弯承载力仍有所降低(其数值不超过拼缝处应变集中,裂缝宽度较大,试件的挠度稍大。
杜剑[10](2007)通过静载破坏试验,研究了15个不同锚固长度和弯起角度构件的荷载-滑移曲线和粘接-滑移曲线的变化规律、裂缝出现和开展特征、钢筋和混凝土的应变变化规律。试验表明这些构件具有较高的粘接强度,能够满足正常使用的承载力和变形要求。
叶献国课题组[11]从2007年开始对对带有格构钢筋的叠合楼板采用该拼缝形式进行了试验研究,结果表明,采用该连接形式构件承载力降低30%以上,拼缝处裂缝集中且较大,在此基础上,该课题组对节点处拼接钢筋进行了加强取得了较好的效果,承载力较整浇板降低10%左右。
根据吴方伯等研究[12],分离式拼缝的双向受力叠合楼板,在拼缝处配置附加钢筋,与下层玻璃纤维网和专用填缝砂浆共同作用,能有效抑制拼缝处裂缝的开展,改变构件的裂缝特征和破坏形态,提高承载力,但对开裂后刚度的影响较小。
德国规范DIN 1045-1[13]提供了一种带格构钢筋的拼缝连接模式,板底纵筋在纵向搭接钢筋传递拉力的过程中,与格构钢筋和混凝土形成受力桁架,格构钢筋的斜杠为拉杆,混凝土为压杆。这种桁架机制能够间接起到提高拼缝处刚度和受弯承载力的作用。由于格构钢筋为由上下弦纵筋和斜杆钢筋组成的三维空间桁架,这种方式对于叠合楼板在平行于格构钢筋方向的拼接同样适用[14-17]。
根据刘运林[18]等研究,整体式拼缝中,平行于预制叠合板拼缝方向的为受力钢筋,在板缝区域内搭接受力且互相锚固,通过拼缝及后浇混凝土连接为整体,实现拼缝两侧钢筋应力的间接传递,提高分离式拼缝楼板的受力性能。此种形式的拼缝,可形成双向板受力状态,提高叠合板的承载力、减小挠度变形和有效控制裂缝。而且受力钢筋可按弹性双向板次要受力方向的弯矩计算配筋量。
2.密拼叠合楼板研究现状
密拼型叠合楼板最早应用于德国装配式建筑,基于其自动化机械设备制造技术,密拼型叠合楼板无外伸钢筋的特点与构件生产设备完美匹配,实现了叠合楼板的量产,也找到了建筑业采用工业化、现代化生产方式的途径,为欧洲装配式行业发展奠定了基础。
多年来国外已对密拼型叠合楼板的结构性能进行了系统且深入的研究[19-22], 基于研究成果,德国标准 DIN1045-1 [13]及欧洲标准 DINEN1992-1-1 [23]编制了较为详细的设计标准,节点构造如图1、2所示。国外标准已考虑钢筋桁架在拼缝间的连接作用,其节点构造原理均为通过限制搭接区约束钢筋间距达到间接搭接的目的。
图1 DIN 1045-1 节点构造 图2 DIN EN 1922-1-1 节点构造
侯和涛等[24](2016)开展了沿拼缝截面设置桁架钢筋的试验研究,结果表明叠合试件会在密拼缝处发生劈裂-剥离破坏,增加拼缝处的附加纵筋可限制其破坏程度。
颜锋等[25](2016),在带接缝的混凝土叠合楼板足尺试验研究中,通过与理论分析进行对比,提出了四种计算假定和计算方法。反证法证明,带接缝的双向叠合楼板受力表现更接近于单向板特性,拼缝处可传递剪力,但传递的弯矩较小,开裂荷载均低于整体现浇板,叠合面滑动的荷载均高于理论计算值。并对比研究了钢筋桁架对叠合板的作用,结果表明,无钢筋桁架的叠合板,会突然丧失承载力,属于脆性破坏,应采取有效措施如钢筋桁架、界面抗剪钢筋等防止叠合板水平叠合面发生剪切破坏。
吴方伯等[26](2018)等采用蛇形钢筋试验研究叠合板拼缝的受力性能,并且与钢筋网片进行对比分析,结果表明:蛇形钢筋对裂缝开展有明显抑制作用,增加开裂后叠合板的刚度,使叠合层刚度分布更加均匀,蛇形钢筋的抗裂效果优于钢筋网片。
恽燕春等[27](2018)对密拼连接和后浇段整体连接叠合楼板分别进行了试验研究,研究表明,当采取适当的拼缝加强措施时,叠合楼板密拼受力性能可以等同于甚至优于后浇段式连接的受力性能,并给出密拼连接节点形式及计算方法等相关建议。
余泳涛等[28](2019)对 10 块单缝密拼混凝土叠合楼板进行了受弯性能试验研究,研究发现:在拼缝处设置桁架钢筋,可以限制拼缝钢筋与叠合面混凝土黏结裂缝的发展,从而阻止叠合面的撕裂破坏,提高密拼叠合板的承载力和刚度。并提出双向叠合板承载力、板底拼缝裂缝宽度和桁架钢筋抗劈裂验算的设计建议,给出密拼拼缝桁架钢筋设计、附加钢筋设计的构造要求建议。
王文超[29](2019)提出碳纤维增强复材-混凝土密拼双向叠合楼板的方案,通过试验研究和理论分析,验证并量化分析碳纤维增强复材-混凝土密拼叠合楼板良好性能的有效性,全面认识其破坏形态和工作机理,分析表明,在拼缝处合理设置碳纤维增强复材片材,可以大量减少叠合面附加钢筋用量,使得叠合楼板拼缝截面抗弯承载力达到等同现浇板承载力,提高经济效益。并结合已有的规范提出碳纤维增强复材-混凝土密拼双向叠合楼板抗弯承载力计算公式,为其广泛应用于工程中提供理论参考。
林彦、邴卿德[30](2020)等提出了 3 种加强型密拼拼缝构造,基于此通过有限元分析对凹槽密拼叠合楼板抗弯承载力进行参数分析,研究结果表明,增大混凝土叠合层厚度和预制板凹槽深度均可显著提高叠合板的承载能力,其中增大叠合层厚度的影响略大。当拼缝钢筋搭接长度小于 1.4la( la 为受拉钢筋锚固长度) 时,承载力随着搭接长度的增大而增大,当搭接长度大于 1.4la 时,搭接长度对叠合楼板的承载力影响不明显。
3.纤维复合增强混凝土受弯构件的研究现状
纤维增强复材,是由纤维材料和基体材料(树脂)按比例混合而形成的高性能型材料,碳纤维增强复材是其中一种。纤维复材因其轻质高强、可设计性和高耐久性在基础设施领域逐步得到关注与应用,通过结构体系创新,可部分替代钢和混凝土制造各类结构构件,满足建筑、桥梁、海洋等工程结构的强度、刚度及使用功能需求。
在国外,Meier等[31-32](1982)首次展开碳纤维增强复材加固梁的相关研究,研究表明:碳纤维增强复材加固的梁截面应变保持平截面,且存在三种破坏形态。接着,Nanni等[33](1993)研究了纤维因素、纤维增强复材锚固长度、纤维增强复材粘结材料等参数因素对混凝土梁抗弯能力的影响。Ehsani 等[34]对加固砌体粘贴的 GFRP 片材的环氧树脂结剂类型、砂浆强度和GFRP材料强度等不同因素对砌体平面外抗弯性能进行了试验研究,试验表明,GFRP 材料的抗拉强度对砌体的破坏起到关键作用;其在抗剪方面研究,表明粘贴 GFRP 的抗拉强度度和粘贴锚固长度对砌体抗剪强度有很大影响,粘贴方向对抗剪强度影响不大。随后,各个学者开展了对纤维增强复材加固混凝土梁等抗弯构件的多方面研究,主要涉及纤维增强复材用量,锚固长度等参数因素对混凝土构件的正截面抗弯能力,同时在试验的基础上采用有限元进行分析。
除了基本的研究,学者们还围绕纤维增强复材的新建筑技术进行了各种研发,从早期的简单的粘贴纤维增强复材片材,到后来的将纤维增强复材内嵌入结构中;从普通的粘贴进行到预应力加固;从单纯的纤维增强复材加固到混合复合的材料加固,从混凝土结构再拓展至其他结构。纤维增强复材及其应用技术不断发展,将它应用于装配式建筑中,会再一次推动建筑工业化的发展。
在国内,纤维增强复材加固应用于混凝土构件中的相关研究开始于 1997 年[35]。同年,华南理工大学的黄培彦教授将纤维增强复材板作用于混凝土构件,并对其加固方法,界面强度和纤维增强复材剥离失效机制进行了全面研究。之后,国家自然科学基金将“高性能纤维增强塑料在土木工程应用中的基础研究”列为重点项目,要求对纤维增强复材材料性能、碳纤维增强复材-混凝土结构体系、纤维增强复材筋混凝土、预应力混凝土结构、纤维增强复材-混凝土组合结构、纤维增强复材加固结构的基础理论问题进行系统深入的研究[36]。
上述研究主要是针对纤维增强复材加强整浇梁和楼板的受弯受力性能,而纤维增强复材作用于装配式叠合楼板方面的试验研究较少,不同纤维增强复材用于密拼叠合楼板的研究也较少。