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FRP-密拼叠合楼板的受力性能研究

申报人:邓承樾 申报日期:2025-01-09

基本情况

2025年批次
FRP-密拼叠合楼板的受力性能研究 学生申报
创新训练项目
工学
土木类
学生来源于教师科研项目选题
一年期
随着国家大力推进住宅产业工业化,装配式建筑作为一种新型建筑结构得到大力的推广与。而叠合板作为装配式建筑最主要的结构形式,兼具装配化的优势和整浇结构良好的整体性,在实际工程中应用最多,需求量最大。现有相关规范要求双向叠合板采用整体式接缝,预制底板板侧需要预留外伸钢筋,这极大的影响了施工的质量和效率,而取消外伸钢筋,密拼双向叠合楼板拼缝截面承载力下降明显,变形集中、裂缝宽度增大。为提高密拼型叠合板的承载力以及刚度,以及寻求受力性能以及经济效益都达到最佳的效果,提出研究不同纤维布粘贴于拼缝处对叠合板受力性能的影响。
投身于建筑材料的实验研究工作,对提升建筑结构性能与稳定性有浓厚的兴趣,专注于探索新型建筑材料在实际工程应用中的潜力与可行性。
主持和在研绿色建材相关课题包括:广西建筑新能源与节能重点实验室项目“再生掺料在绿色高强绿色建材中的应用探索和减缩机理研究”;广西人才专项“绿色建材加铺层修复劣化刚性路面界面性能研究”
指导教师在项目立项初期与学生共同讨论项目目标和研究问题,确保项目的合理性和可行性。指导教师提供文献、数据集、实验设备等资源,支持学生的研究工作。根据学生的研究目标,指导教师提供合适的研究方法和技术指导。
校级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
邓承樾 土木工程学院 土木工程 2023 实验员
张宝宁 土木工程学院 土木工程 2023 文章撰写员
孙昊 土木工程学院 土木工程 2023 实验员

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
赵胜华 土木工程学院

立项依据

        随着我国城镇化的快速发展以及绿色建筑概念的深入,传统建筑业的高消耗、低效率、成本高的施工方式已经不能适应国家对建筑也的要求,而预制装配式混凝土结构可大大提高混凝土建筑结构的建造质量以及生产效率,促进建筑行业健康和可持续发展。因此,大力发展装配式建筑是目前我国推动建筑工业化进程、促进建筑也转型升级的重要举措。
        叠合楼板作为水平承重构件,既具有现浇楼板承载力高整体性好的优点,同时也兼备了装配式楼板施工周期短、施工质量高的优点,近年来被广泛研究和应用于各类装配式钢筋混凝土结构中。叠合板的受力性能是否优良,是否复合“等同浇筑”的设计理念,较大程度上受预制板底拼缝处连接质量的影响。在实际工程中,单向叠合楼板侧面可不设外伸钢筋,但双向叠合楼板侧面需通过外伸钢筋左右搭接和上弯的措施加强传力,并设置200-300mm的后浇带来实现整体式拼接。
        这种板端预留“胡子筋”的叠合楼板现场需要搭设现浇带的模板及支撑,并且“胡子筋”在安装是钢筋碰撞情况严重,影响施工质量和效率。为此,学者们基于板侧无外伸钢筋,板间不设后浇带的思路,提出密拼叠合楼板,这种方式可以大大提高制作、施工效率,但与现浇楼板以及后浇段连接的叠合楼板相比,密拼型双向叠合楼板存在承载能力和刚度明显降低、拼缝处应变集中、挠度和裂缝较大、混凝土叠合面易发生剥离破坏的缺陷,难以实现“等同浇筑”的效果[1-2],为提高密拼型双向叠合板的承载力以及刚度,应适当加强拼缝处构造措施。
        纤维复合增强材料能够补充承受截面拉应力,增加叠合板抗弯时的截面有效高度,使得预制底板之间的应力能够有效传递,提高叠合板在拼缝处的弯矩传递效能以及密拼连接的整体性、增大楼板刚度、减小变形、延缓拼缝处的裂缝发展并且掩盖拼缝以达到美观的目的。故而提出粘贴不同纤维复合增强材料对密拼叠合楼板的受力性能影响的研究,寻求出受力性能以及经济效益都达到最佳的纤维布材料。
        在当今的实际工程建设领域中,密拼叠合楼板与后浇带式叠合楼板在受力性能方面存在着较为明显的差异。后浇带式叠合楼板在受力性能上往往有着独特的优势,其结构设计使得力的分布和传递更为合理、高效,能够很好地承受来自不同方向和大小的荷载压力。而相较于后浇带式叠合楼板,密拼叠合楼板的受力性能稍显逊色,它在面对较大压力或者复杂受力情况时的反应可能不是那么理想。然而,密拼叠合楼板却在制作和施工效率方面展现出了巨大的优势。
        在制作方面,密拼叠合楼板的模板制作工艺相对简便。例如,其不需要像后浇带式叠合楼板那样在模板中预留专门的后浇带空间,这就使得模板的整体结构更加简洁,减少了模具制作的复杂程度。而且在预制构件厂内,密拼叠合楼板的生产流程也因为其结构特点而可以设置得更为紧凑,降低了生产过程中的周转成本。在施工的时候,施工人员不需要花费大量时间和精力来处理后浇带的相关工序,如后浇带的保护、清理以及后续的混凝土浇筑等。将密拼叠合楼板吊运到施工现场后,可直接进行拼接等操作,能够极大地缩短工程周期,降低时间成本。这种高效性使得它在众多工程项目中仍然备受青睐,特别是那些对工期要求紧、施工节奏快的项目,密拼叠合楼板无疑是一个很好的选择。
为了有效提升密拼型双向叠合楼板的承载能力以及刚度,使其能够更好地满足工程结构的需求,同时也为了巧妙地掩盖密拼叠合楼板拼缝,从而达到整体美观、和谐的视觉效果,本文创新性地提出了一项具有重要实践意义的试验研究方案,即运用不同种类的纤维复合增强材料粘贴于密拼单向叠合楼板的拼缝处进行深入探究。这些纤维复合增强材料可谓是各具特色,它们有的是由坚韧的碳纤维和某种特殊的树脂基体组合而成,这种材料的碳纤维排列整齐有序,就像是严阵以待的士兵,赋予了材料良好的轴向拉伸能力;而有的则是玻璃纤维与其他添加剂混合的材料,玻璃纤维如同细密的蛛丝一般在材料中纵横交错,增加了材料整体的柔韧性。
        在该项试验中,精心选取了多种不同特性的纤维复合增强材料,这些材料在材质、纤维组成结构以及力学性能等方面均存在差异,同时还将拼缝处纤维材料的宽度设定为关键的研究参数之一,以此来全面、系统地考察其对叠合楼板性能的影响。在实验室环境中,专门搭建了模拟实际工程受力情况的测试平台。每一个将要进行测试的试验试件都被小心翼翼地安装在测试平台上,周围布满了各种精密的传感器。这些传感器就像是一双双敏锐的眼睛,时刻监测着试件在加载过程中的一举一动。
当加载设备开始逐渐施加压力时,通过对各个试验试件在加载过程中的承载力变化情况进行精准测量和记录,详细观测其挠度发展趋势,以及仔细分析试件最终呈现出的破坏形态等多方面的数据收集与对比分析,深入地研究纤维复材密拼叠合楼板在受力过程中的内在机理、独特的承载特性以及变形性能规律。比如,当加载力达到某一数值时,试件上某些部位开始出现细微的裂缝,裂缝最初如同发丝一般细微,随着荷载的不断增加,这些裂缝开始慢慢地延长、拓宽,传感器精确地记录下这些变化。本研究旨在为双向受力预制混凝土密拼叠合楼板在未来的工程设计和实际应用中提供科学、可靠且具有实际操作性的参考依据,推动建筑工程技术的不断发展与进步,为打造更加安全、高效、美观的建筑结构贡献力量。施工企业可以根据这些参考依据,在具体的项目中更好地选择合适的密拼叠合楼板增强方案,在保证建筑质量安全的前提下,最大化地发挥密拼叠合楼板的优势。设计人员也能够依据研究成果,优化密拼叠合楼板的结构设计,让建筑结构更加合理,满足人们日益增长的对建筑结构美观性和实用性的需求。
(三)主要研究内容:
1.密拼叠合板粘贴不同纤维复材以及改变纤维复材粘贴宽度的受力性能影响以及对比研究
研究密拼叠合楼板拼缝处粘贴不同纤维复材、纤维复材粘贴宽度的密拼叠合楼板的承载力和裂缝发展的差异,设计了不同工况的纤维布-密拼叠合楼板的模型,对其进行抗弯性能试验研究,研究试件的承载能力、挠度、裂缝开展情况和最终破坏形式,探索出受力性能以及经济效益都最优的方案。
2.纤维复材-密拼叠合楼板的数值模拟和理论分析
研究不同的设计参数对密拼叠合楼板抗弯性能的影响规律,揭示其抗弯机理,建立有限元模型、简化计算模型,并通过有限元模型对其进行系统的参数分析;通过试验和理论进行对比分析,在试验和理论研究基础上进一步改进密拼叠合楼板拼缝的设计和施工方法。
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。
 
1.与现浇楼板以及后浇段连接的叠合楼板相比,密拼型双向叠合板存在承载能力和刚度明显降低、拼缝处应变集中、挠度和裂缝较大,难以实现“等同现浇”的效果,为提高密拼型双向叠合板的承载力以及刚度,可通过拼缝处粘贴纤维布提高密拼叠合板受力性能,并比对不同纤维布种类对密拼楼板受力性能的影响。
2.传统密拼叠合楼板在长时间使用之后,若板底只进行抹灰的操作,板底拼缝处会出现裂缝、而在拼缝处粘贴纤维布可以掩盖板底拼缝。
3.技术路线、拟解决的问题及预期成果
(六)拟解决问题
1.本次试验是对FRP-密拼叠合楼板受力性能进行推出试验,如何模拟纤维复材在受拉过程中的实际受力状态是本次试验的关键性问题;
2.在用有限元ABAQUS软件进行数值模拟时,如何确定所用纤维复材的本构关系以及混凝土与纤维复材粘接剂以及与纤维复材之间的接触关系是建模的重要问题,如何使模拟结果与试验结果贴近是模拟的技术关键




(七)项目研究进度安排
时间进度 项目进度
2025-04 阅读文献,确定实验方案
2025-05至2025-06 根据实验方案进行试验准备,利用ABAQUS软件进行建模分
2025-05至2025-08 进行对比试验,同时对试验数据进行整理分析
2025-08至2026-02 对模拟及试验进行对比分析,参加一次相关学术会议
2026-04 撰写毕业论文,弥补试验缺陷,查漏补缺 
1.国内外有许多学者做过拼接叠合楼板抗弯性能方面的研究,为本次试验提供了理论基础,可借鉴他们的设计理念;
2.桂林理工大学结构大厅具有此次试验的所有设备仪器,如力传感器、搅拌机、千斤顶以及动静态测试系统模块采集箱等等,桂林理工大学结构大厅具有良好的试验环境和精良的测试设备,可以为此次试验的顺利进行提供良好的试验条件;
3.在数值模拟方面,同样可以借鉴参考相关文献的数值模拟经验,在这基础之上,进行本次试验的有限元模拟。
1.已具备条件:
(1)桂林理工大学土木与建筑工程学院实验室条件
(2)拥有土木工程、工程管理、高分子、国贸多专业人员分工合作,增强了全面性,形成优势互补,相互协调,互相配合,完成团队研究目标。
(3)本次试验在桂林理工大学结构大厅进行,采用安装在反力架上的液压千斤顶进行推出试验。试验除了需要液压千斤顶之外,还需要其他的设备和仪器有:各种型号的位移计、搅拌机、液压千斤顶、力传感器以及动静态测试系统模块采集箱等等,桂林理工大学结构大厅具有良好的试验环境和精良的测试设备,可以为此次试验的顺利进行提供良好的试验条件。
2.尚缺少的条件:
(1)本次试验是对FRP-密拼叠合楼板受力性能进行推出试验,如何模拟纤维复材在受拉过程中的实际受力状态是本次试验的关键性问题;。
(2)在用有限元ABAQUS软件进行数值模拟时,如何确定所用纤维复材的本构关系以及混凝土与纤维复材粘接剂以及与纤维复材之间的接触关系是建模的重要问题,如何使模拟结果与试验结果贴近是模拟的技术关键。
3.解决方法:
(1)在试验进行前,需要对试验所用到的材料进行基本的性能测定。需要测定的力学性能主要有:钢筋的抗拉强度以及混凝土抗压强度,为后续试验以及数值模拟提供设计参数。钢筋的力学性能测定严格按照《金属拉伸试验方法》进行,而混凝土的性能测定参考《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行。纤维布的抗拉强度参考由厂家提供的材料报告。
本研究总共设计了6种工况,ZJB(整浇板)作为试验的对照组,工况情况如表1所示。叠合楼板的尺寸均为长3000mm,宽660mm,厚130mm的单向板。均是由两块尺寸为长1500mm、宽660mm、厚60mm的底板拼接而成,后浇层厚度为70mm。板内钢筋等级均为 HRB400,板内上下纵筋及横向分布筋均采用C8钢筋。

经费预算

开支科目 预算经费(元) 主要用途 阶段下达经费计划(元)
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 10000.00 4500.00 5500.00
1. 业务费 4000.00 1500.00 2500.00
(1)计算、分析、测试费 0.00 0.00 0.00
(2)能源动力费 0.00 0.00 0.00
(3)会议、差旅费 0.00 0.00 0.00
(4)文献检索费 1000.00 500.00 500.00
(5)论文出版费 3000.00 1000.00 2000.00
2. 仪器设备购置费 0.00 0.00 0.00
3. 实验装置试制费 0.00 0.00 0.00
4. 材料费 6000.00 3000.00 3000.00
结束