人防工程作为具有国家特殊战略意义的工程, 对工程的质量有许多特殊的要求。人防顶板作为主要的防护构件, 在构造配筋方面设计标准作了具体规定, 除截面内力由平时设计荷载控制, 且受拉主筋配筋率小于规定的卧置于地基上的核5级、核6级、核6B级甲乙类防空地下室结构底板外, 双面配筋的钢筋混凝土板、墙体应设置梅花形排列的拉结钢筋, 拉结钢筋长度应能拉住最外层受力钢筋, 当拉结钢筋兼做受力箍筋时, 其直径及间距应符合箍筋的计算和构造要求, 即拉结钢筋直径应大于或等于6mm, 间距小于或等于500mm, 完满拉住最外层受力钢筋^[1]。而在人防地下室实体检测过程中常常发现, 施工单位在绑扎钢筋混凝土结构顶板钢筋时, 对双面钢筋网之间拉结钢筋时常出现漏设、或数量不足、或没按梅花形布置、或因双层钢筋网的十字节点未对齐而导致拉结钢筋无法在位绑扎。为了探讨拉结钢筋的缺陷或布置形式给人防顶板防护效能带来的影响, 借鉴近年来国内外一些专家学者对钢筋混凝土板构件在各种荷载作用下的结构响应分析研究成果^{[2,3,4,5,6,7,8]}, 本文对不同拉结钢筋布置形式下的人防顶板进行了静载试验, 综合纤维混凝土的力学特性, 分别采用3种不同拉结钢筋的布置形式、3种不同强度等级的混凝土、3种不同钢筋配筋率的人防顶板进行试验分析, 从中评价拉结钢筋对顶板防护效能的影响。

　　 人防顶板试验采用缩尺试件, 共设计3种工况, 分别为:1) 工况A, 不掺钢纤维混凝土板梅花形布置拉结钢筋;2) 工况B, 掺钢纤维混凝土板正方形布置拉结钢筋;3) 工况C, 掺钢纤维混凝土板大梅花形布置拉结钢筋。采用3种不同强度等级的混凝土, 3种不同的钢筋配筋率, 共设计并制作7块钢筋混凝土板进行静载试验, 板截面尺寸为2 000×2 000×150, 截面有效高度为120mm, 截面尺寸及配筋示意图如图1所示。

　　 水泥:山西某水泥工厂生产的P.O42.5普通硅酸盐水泥, 养护28d后的抗折强度为8.7MPa, 抗压强度为48.2MPa;细骨料:山西忻州产的河砂, 细度模数为2.68;粗骨料:山西太原北郊的碎石, 级配为5～25;粉煤灰:大唐某热电厂生成的Ⅱ级粉煤灰;外加剂:山西某外加剂厂生成的聚羧酸高性能外加剂 (水剂) , 掺量为2.5%, 减水率为25%;钢纤维:武汉某工厂生产, 纤维种类为铣削型, 长度为25mm, 直径为0.7mm, 长径比为35, 抗拉强度为835MPa。

　　 试件的制作在实验室内进行, 混凝土配合比设计按照《普通混凝土配合比设计规程》 (JGJ 55—2011) ^[9]及《钢纤维混凝土》 (JG/T 472—2015) ^[10]进行, 钢纤维体积掺量为1.0%, 将称量好的干料水泥、粉煤灰、砂、碎石、钢纤维一次投入滚筒式混凝土搅拌机, 干拌5min, 再加水及外加剂搅拌3min, 搅拌完成后测定混凝土的流动性并浇筑钢筋混凝土板, 混凝土坍落度控制在120±20mm, 每块混凝土板同时制作2组同条件混凝土立方体抗压强度试件, 1组抗弯强度试件, 养护28d, 按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》 (GB/T 50081—2002) ^[11]及《纤维混凝土试验方法标准》 (CECS 13∶2009) ^[12]对其抗压强度、劈裂抗拉强度、抗弯强度进行试验, 其混凝土的力学性能指标及板相关参数见表1。

　　 试验采用油泵及1 000kN千斤顶液压加载系统, 加载装置如图2所示, 试验平台为自行设计的钢筋混凝土正方形环梁, 试件边界条件为四边简支, 为了防止板角区域与支承脱离, 板角处用四根螺栓拉杆将板角锚固。板的荷载设计为均布荷载, 试验时采用多点集中加载方案, 设置三层分配梁加载, 将一个加载油缸的荷载传递到16个作用点, 加载采用分级加载, 按《混凝土结构试验方法标准》 (GB/T 50152—2012) ^[13]进行。在达到标准荷载之前, 分5级加载, 每级荷载为标准荷载的20%, 接近开裂荷载时每级荷载为标准荷载的5%, 试件开裂以后每级荷载为标准荷载的10%, 加载到承载能力极限状态时每级荷载为荷载设计值的5%, 直至加载到试件破坏。每级加载时间为10min, 每级加载完毕后量测试件的变形并测读应变值;卸载时每级荷载取承载力试验值的20%, 持荷测读试件的残余变形。

　　 人防顶板的测量包括三个方面, 在人防顶板的纵、横向受力钢筋、拉结钢筋上分别布置应变片, 分别用来测量钢筋的应变, 钢筋应变片的布置如图3, 4所示, 图3 (a) 中编号BY-1～BY-4为拉结钢筋正方形布置测点, (b) 中编号AY-1～AY-9为拉结钢筋梅花形布置测点, (c) 中编号CY-1～CY-8为拉结钢筋大梅花形布置测点;图4中编号ZY-1～ZY-6为纵横向受力钢筋布置测点。

　　 在人防顶板底粘贴应变片, 用来测量荷载作用下人防顶板不同方向上的应变及裂缝开裂情况, 混凝土应变片的布置如图5所示, 图中编号HY-1～HY-17为混凝土应变测点布置;在人防顶板的支座及控制部位布置相应的位移传感器, 用来测量相应部位的位移及挠度, 位移计的布置如图6所示, 图中编号WY-1～WY-12为试件竖向位移测点布置。采用东华DH-3815N采集仪采集挠度及应变数据。

　　 图7给出了均布荷载作用下试件的破坏形态。试件破坏时, 中间位移最大, 沿板边缘逐渐减小, 整体竖向位移呈碟形。试件的裂缝呈规律性变化, 在加载过程中, 裂缝出现之前, 混凝土基本处于弹性工作阶段;随着荷载不断增加, 第一批裂缝首先出现在板底的中间部位, 随后沿对角线方向向四角发展, 直至试件的底部钢筋屈服而破坏。

　　 在试验过程中拉结钢筋的布置形式对试件的破坏形态影响不明显, 而掺钢纤维的混凝土板较未掺钢纤维的混凝土板抗裂荷载明显提高, 并随着钢筋配筋率的增大, 板的抗裂性能逐渐提高, 见表2。

　　 在试验过程中, 纵、横两个方向配筋相同的双向等边矩形板试件, 在均布荷载作用下, 主弯矩的矢量与对角线平行且跨中弯矩最大, 裂缝首先出现在弯矩大的部位;而纤维作为混凝土增强材料掺入到混凝土中, 可显著提高混凝土的抗拉、抗剪、抗弯强度, 特别是提高混凝土的韧性和抗冲击性, 同时可有效改善混凝土的抗裂性^[14];在混凝土强度等级一定的条件下, 对混凝土受弯构件而言, 适当提高钢筋的配筋率可有效提高板的抗裂性及抗弯承载能力。

　　 图8给出了钢筋混凝土顶板在不同工况下的荷载-挠度曲线, 图8 (a) 为混凝土强度等级相同、纵向钢筋配筋率不同的试件的荷载-挠度曲线, 由图可看出, 在均布荷载作用下, 试件的变形随着荷载的逐渐增大而逐渐增加, 且随着钢筋配筋率的提高, 试件的位移幅值变小, 表明随着钢筋配筋率的增大, 试件的抗变形能力增大;图8 (b) 给出了纵向钢筋配筋率相同、混凝土强度等级不同的试件的荷载-挠度曲线, 由图可看出, 随着荷载的增大, 不同混凝土强度等级的试件的变形略有差异但不显著, 表明混凝土强度等级对试件的抵抗变形能力及承载能力提高有限。

　　 综合图8 (a) , 8 (b) 的试验结果, 在其他条件一定的情况下, 混凝土受弯构件的承载力主要取决于纵向钢筋的配筋率。在其他条件一定的情况下, 随着钢筋配筋率的增加, 抗弯强度有比较大的提高, 当钢筋配筋率较低时, 提高钢筋配筋率对提高试件的受弯承载力贡献巨大, 当钢筋配筋率较高时, 提高钢筋配筋率对提高试件的受弯承载力贡献急剧下降;混凝土强度等级对提高试件的受弯承载力的贡献不显著。当混凝土强度等级较低时, 提高混凝土强度相对于混凝土强度等级较高时提高混凝土强度效果显著, 当混凝土强度等级比较高时, 再提高其强度等级对承载力的提高相对较小^[15]。

　　 图8 (c) 为不同拉结筋布置形式下试件的荷载-挠度曲线, 由图可知, 在荷载作用下, 3种不同拉结钢筋布置形式的试件的变形是随着荷载的增大而增加;在相同荷载下, 掺钢纤维正方形或大梅花形布置拉结钢筋的混凝土板较不掺钢纤维梅花形布置拉结钢筋的混凝土板变形小, 表明掺钢纤维混凝土板抵抗变形的能力增强。这是由于钢纤维作为混凝土增强材料, 在普通混凝土中加入乱向分布的钢纤维, 在混凝土内起到了一定的桥接作用, 混凝土板的刚度增大, 抵抗变形的能力提高, 使得混凝土板的抗弯承载力、延性得到提高。

　　 图9给出了试件的荷载-拉结钢筋应变关系曲线, 由图可知, 在荷载作用下, 试件拉结钢筋的应变随荷载的增大呈波浪形逐渐增大, 配筋率越大, 拉结钢筋的相对应变越小, 应变波动越小, 试件破坏时, 拉结钢筋的应变远未达到钢筋的屈服应变, 且远小于受力主筋的应变;掺钢纤维的混凝土板的拉结钢筋在不同部位的应变, 较未掺钢纤维的混凝土板趋于集中, 应变变化较小;试件在荷载作用下的变形是随着荷载的增加而逐渐增大, 当受拉区外边缘混凝土达到其极限拉应变ε${}_{\text{c}\text{r}}^0$后, 就会在最薄弱的截面出现第一批裂缝;随着裂缝增多和扩展, 试件截面的抗弯刚度减小, 抗变形能力降低、变形增大;随着试件的变形增加, 受拉钢筋的应力增大, 拉结钢筋的应力也随之增大, 在受力钢筋达到屈服, 试件破坏时为最大, 但远小于纵向钢筋的应力;由于钢纤维混凝土较普通混凝土的刚度较大, 抗变形能力增强, 钢筋应变变化相对较小。在试件内有效设置拉结钢筋且完满拉住上层和下层钢筋, 使得受力钢筋和受压区混凝土整体协同工作, 提高结构构件的延性, 延缓结构坍塌时间, 有利于改善人防顶板的防护性能;拉结钢筋的布置形式对提高试件的承载能力无明显影响, 在试件破坏前对提高板的抗变形能力不显著。

　　 (1) 在均布荷载作用下, 人防顶板混凝土的变形随着荷载逐渐增大而逐渐增加, 且中间最大, 沿板边缘逐渐减小, 整体竖向位移呈碟形, 板的第一批裂缝首先出现在板底的中间部位, 随后沿对角线方向向四角发展。

　　 (2) 随着混凝土配筋率的提高, 试件的位移幅值变小, 试件的延性提高, 承载能力增大, 混凝土的强度等级对改善试件的抗变形及承载能力有限。

　　 (3) 钢纤维作为混凝土增强材料掺入到混凝土中, 可显著提高人防顶板的抗裂性能、抗变形能力和改善试件的延性, 有效提高人防顶板的防护效能。

　　 (4) 试件在荷载作用下拉结钢筋的应变成波浪形逐渐增大, 配筋率越大, 相对应变越小, 应变波动越小, 拉结钢筋的布置形式对提高试件的承载能力无明显影响, 在试件破坏前对提高试件的抗变形能力不显著。