钢结构住宅PK板现场抗弯性能研究
陈璐 吕忠珑 侯和涛 王怀德 张波
（山东大学 土建与水利学院 济南 250061） （山东万斯达集团有限公司 济南 250061） 摘 要：通过对3块PK板试件的抗弯试验，验证PK板抗弯承载能力和变形性能。试验发现，PK板破坏前有明显预兆，属延性破坏；板跨的增加会降低PK板的开裂荷载和极限承载力，而预应力筋配筋率的增加则会提高板的抗弯刚度和承载力；实测开裂荷载和极限承载力远高于设计值，完全满足工程要求。本试验为PK板在钢结构住宅中的应用提供试验数据和理论依据。
关键词：钢结构住宅 PK板 抗弯承载能力 极限状态 荷载-挠度曲线
STUDY ON FLEXURAL BEHAVIOR OF PK PRESTRESSED CONCRETE SLAB USED IN
STEEL RESIDENTIAL HOUSES
Lu Chen, Zhonglong Lv, Hetao Hou
(School of Civil Engineering, Shandong University Jinan 250061)
Huaide Wang, Bo Zhang
(One Star Group Co., Ltd. Jinan 250061)
Abstract : Based on the bending experiment of 3 prestressed concrete slab(PK slab) specimens, the flexural capacity and deformation properties of PK slab are verified. It is found that the measured cracking loads of PK slabs are much higher than the design values, and the measured ultimate loads of them have reached the design level. With the increase in span of the board the cracking load and ultimate strength of PK slabs are reduced. The bending stiffness and bearing capacity are improved by the increase in the rate of prestressed reinforcement . The measured cracking load and ultimate strength are much higher than the design values, which fully meet the engineering requirements. This experiment provides experimental data and theoretical basis for the practical engineering application of the slabs.
Keywords: steel residential houses; prestressed concrete slab(PK-slab); flexural capacity; limit state; load-deflection curve
0 背景
钢结构住宅因重量轻、抗震性能好、可循环利用，便于模数化设计、标准化制作、系列化生产和装配化施工，易形成装配集成的绿色生态住宅。目前制约钢结构住宅发展的瓶颈主要为楼板（或屋面板）及内外墙体（板）。目前常用的钢结构住宅楼板为普通现浇混凝土楼板和压型钢板组合楼板。现浇混凝土楼板成本低，需现场支设模板和脚手架、现场污染严重、且工期较长，不宜形成钢结构住宅装配化；压型钢板组合楼板可节省模板和脚手架，但因压型钢板的存在，需涂刷防火涂料，并加设吊顶，成本较高，不利于钢结构住宅的良性发展。而
新型的PK预应力混凝土叠合板则克服了以上两种楼板的不足，实现了免模板、整体性好、施工方便、工期短、成本低的优势[1-3]。
与传统的平板预应力叠合板相比，PK板因设置了肋梁，其抗弯刚度大大提高，避免了在运输和施工过程中的损坏。肋梁间每隔一定距离设置孔洞，可形成销栓增加新老混凝土的粘结力，而且可穿线管与横向的非预应力钢筋，并可按双向混凝土板进行设计。将PK预应力混凝土叠合板应用于钢结构住宅，则是不错的选择，有必要对其抗弯刚度与承载力进行深入研究。
本文通过对3块PK板的现场抗弯试验研究，
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基金资助项目：山东省自然科学基金（ZR2011EEM023），国家科技支撑计划（2006BAJ04A02-06）
验证PK板抗弯承载能力和变形性能，为此类构件在实际工程领域中的应用提供依据。
1 试验概况
1.1 试件设计
为得到不同跨度PK板的受力性能，设计3块PK板进行抗弯性能试验。板的底板宽度均为1000mm，构件总高度90 mm，底板厚30mm，配置1570级
H 图2 试验装置及挠度测点
4.8消除应力螺旋肋钢丝，预应力钢丝重
心到底板下边缘的距离为17.5mm；肋高60mm，肋上预留孔尺寸为110mm×25mm，每条肋内配置1根或2根1570级
H4.8钢丝。混凝土强度等级为
C40，实测强度为49.2MPa；H4.8钢丝的抗拉强度标准值为1630MPa，弹性模量为2.05X105MPa。试验用PK板的设计如图1所示。
图3 应变测点布置图
为尽量模拟实际工程中的使用情况，并考虑自重因素，采用正向均布加载的单调加载方式。加载时因承载力较大且承载面积小，加载级数较多，堆载高度大，为保证安全，下层叠摞实心PK砖块，上层平铺沙袋。为保证各级加载的均布效果，叠摞混凝土试块前通过长度计算并画图安排布置各级所加的试块位置。加载照片如图4所示。
图1 PK-1(PK-2，PK-3)板设计图及尺寸,
1.2 试件加载与观测方案
在PK板的跨中、1/4跨和近支座处分别安装千分表并连接应变仪，以测量各板挠度。板的贴片位置分别选择如下：底面跨中、1/4跨处及近支座处的中间及边部，底板顶面、肋侧面和肋顶面的长向跨中、1/4跨处及支座处。试验装置及挠度测点如图2所示，应变测点布置图见图3。
图4 PK-1加载照片
首先进行预加载，将各仪器读数调零，在弹性范围内进行加载，检查全部试验装置和荷载设备的可靠性以及各测点参数是否正常，如不正常应找出原因。在仪器检查一切正常后，进行正式加载试验。加载采用人工控制，分级加载，弹性阶段每级荷载为0.9kN/㎡，板开裂之后改为每级荷载0.6kN/㎡，直到破坏。每级荷载持续10min后读数。
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1.3 试验步骤
准备加载用沙袋和试块安装加载装置 准备试验仪器 贴混凝土应变片，接线 吊装和固定试验PK板 安装挠度计，连接数字静态应
变仪 加载试验 记录数据、观察裂缝状况 卸载 试验结果分析
(c) PK-3板加载最终状态 图5 试验PK板的极限状态
2 试验结果及对比分析
2.1 破坏过程及破坏形态
三块PK板的加载破坏过程基本相似，加载开始阶段，板的挠度较小且增长缓慢；加载至一定数值后，均在跨中附近观测到第一条通长细微裂缝，此时板的挠度越约为15～17.3mm，裂缝首先出现在跨中附近的原因是长向跨中承受的弯矩较大，当此弯矩超过混凝土的开裂弯矩后出现开裂；继续加载，跨中裂缝宽度继续增加，跨中至支座之间受拉面不断产生新的细小裂缝和通长裂缝，挠度增加变快；加载到一定值后，板突然断裂破坏并发出巨大响声，板顶面肋部与底板脱离破碎，跨中裂缝贯通板底面和顶面。由于加载条件限制，PK-3板至加载结束并未断裂，此时跨中挠度达到73mm。各板破坏状态、裂缝形态和加载最终状态如图5所示。
2.2荷载-挠度曲线分析
3块PK板在均布荷载作用下板中心测点的挠度变化关系如图6所示。 14.0012.00PK-1PK-2PK-3荷载/kN/m210.008.006.004.002.000.000102030405060708090挠度/mm
图6 板跨中荷载-挠度曲线图
从图6可知，板出现通长裂缝前测点的挠度增长不大，曲线在加载过程中近似线性关系。以通长裂缝出现的前一级荷载为开裂荷载，其后曲线斜率逐渐减小，挠度随荷载的增加而明显增大，说明板进入塑性阶段。从整体来看，PK-1板强度较高，挠度发展阶段分界明显，板破坏前有明显的挠度激增预兆，属于延性破坏。PK-2板和PK-3板的荷载-挠度曲线与PK-1板相似，通长裂缝出现前板均处
(a) PK-1板断裂破坏
于弹性阶段，开裂后板的挠度增长较快，各板延性特征良好。
在荷载-挠度曲线中，曲线斜率越大，说明挠度随荷载的增加较小，板的刚度较高。从图6可以看出，PK-2的挠度曲线斜率最小，说明此试件抗弯刚度最小，达到相同挠度时，承受的荷载值远低于另外两块板。分析原因，PK-2（跨度Lo=3640mm）
(b) PK-2板跨中裂缝
与PK-1（Lo=3240mm）的预应力配筋量相同，只是跨度不同，当两板承受相同荷载时，跨度较大的PK-2板比PK-1板大；而PK-3（Lo=5440mm）虽然跨度比PK-2要大，但其预应力配筋量也大，在高
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预应力作用下，PK-3板的抗弯承载力会大幅提高。上述分析说明：跨度会影响PK板的抗弯承载力，预应力筋配筋率会显著影响板的抗弯刚度与承载力；因此，在设计PK板时需要综合考虑预应力配筋率、板跨等因素。
荷载/kN/m214.012.010.08.06.04.02.00.00位置3位置42.3 特征荷载和挠度
试验记录的各PK板的特征荷载和挠度值如表1所示。从表中可以看出，配筋数量相同的PK-1板和PK-2板，跨度越大，开裂荷载和破坏荷载越低，破坏时两板的相对挠度值相差较小；由于PK-3板预应力配筋量大，较高的预应力提高了板的抗弯刚度，故其开裂和破坏荷载也较大，虽然板的挠度值比较大，但其相对挠度是最小的。
表1 试件特征荷载和挠度表
试件 编号 PK-1 PK-2 PK-3 荷载值（kN/m2） 开裂 8.65 5.54 7.75 极限 9.05 6.40 8.53 断裂 13.41 10.44 — 极限状态挠度值（mm） 跨中 17.29 19.54 22.82 1/4跨 13.03 15.45 11.70 端部 4.43 4.76 4.23 极限状态 相对挠度 1/187 1/186 1/238 100020003000 应变/με图7(b) PK-1跨中处拉压对比
从图7(a)可以看出，端部相应位置的受拉和受压面的荷载-应变曲线基本重合，受压面与受拉面的应变差最大为8.6%。应变值接近是由于端部的挠度比较小，板顶不会因为变形过大而压碎脱离，板底和板顶变形较一致，符合平截面假定。由图7(b)可见，1/2跨处的受拉面与受压面的应变曲线在板开裂前近似平行发展，此时上下两面协同变形，应变差值很小；当达到8.65 kN/㎡的开裂荷载后，跨中受拉面混凝土开裂，板的截面中和轴上移，受拉面的应变值突然增大，此时应变差达到37.5%；随着中和轴位置的逐渐上移，受拉面混凝土的应变值增加较快，而受压面应变依然呈近似线性增长，从而使受拉面与受压面混凝土的应变差越来越大。
说明：（1）此处的极限荷载指正常使用极限荷载，即跨中挠度达到Lo/200或最大裂缝宽度达到0.2mm时的荷载值。极限状态对应极限荷载时的状态。Lo为板跨度。
（2）极限状态相对挠度是指板达到极限荷载时测得的跨中最大挠度与板跨度Lo的比值。
2.5 设计荷载与试验荷载比较分析
由于PK板铺设完成后，需要在现场浇筑混凝土使PK板形成整体，增加其刚度和整体性。将试验所得结果与文献[1]相比较，可以得出PK板的实际抗弯承载力是否满足施工要求。具体见表2。
表2 设计荷载与试验荷载对比
试件 编号 设计值 试验值 分比（%） PK-1 PK-2 PK-3 4.86 4.95 6.14 8.65 5.54 7.75 78.0 11.9 26.1 6.38 6.46 7.45 9.05 6.40 8.53 开裂荷载（ kN/m2） 试验值高出百设计值 试验值 分比（%） 41.8 -0.9 14.5 极限荷载（ kN/m2） 试验值高出百2.4 荷载-应变曲线分析
以PK-1板的荷载-应变曲线为例进行分析，如图7所示。为方便比较，取受拉、受压应变绝对值作荷载-应变曲线进行比较。
15.0位置1位置2荷载/kN/m212.09.06.03.00.00300600900说明：（1）此处的极限荷载的定义与表2说明相同。 （2）试验值高出百分比指试验值与设计值的差和设计值相
应变/με 比所得的百分数。
图7(a) PK-1近支座处肋部拉压对比
由表3可以看出，PK-1和PK-3试验所得开裂
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荷载和极限荷载，均比相应设计值高出14%以上；PK-2试验得开裂荷载比设计值高出近12%，但极限荷载略低与设计值0.9%，可以通过增加底板预应力钢筋提高其极限荷载。总体看来，试验选用的各型号PK板均满足工程要求，可以大力推广应用。
参考文献
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叠合板. 2011, 3.
[2] 曾垂军, 吴方伯. 倒T形预应力预制构件叠合梁受弯性
能试验研究[J]. 湖南科技大学学报, 2006, 21(1): 42-45. [3] 周鲲鹏, 吴方伯. 四边简支矩形单向预应力双向叠合板
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[5] 曾垂军, 吴方伯, 祝明桥. U形预制截面预应力混凝土叠
合梁正截面抗裂验算[J]. 四川建筑科学研究, 2005, 31(5): 9-11.
3 结论
（1）三块PK板的破坏过程基本相似，跨中均出现通长裂缝，破坏前有明显预兆，属延性破坏。
（2）随着跨度的增加， PK板的开裂荷载和极限承载力减小；但随着预应力配筋率的增加，PK板的抗弯刚度与承载力则大幅增加。
（3）PK板的开裂荷载、极限抗弯承载力均高于设计值，完全满足工程要求。
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