0 引言

　　随着我国经济发展，人们对建筑空间的要求越来越高，工程中常遇到大跨度混凝土楼盖设计问题。相比普通现浇楼板，混凝土密肋楼盖具有受力性能好、自重小、材料用量少和承载力高等优点，是一种适用于大跨度建筑空间的理想楼盖体系。

　　国内外学者针对不同形式密肋楼盖开展大量研究。文献[1,2,3,4]对混凝土密肋楼盖体系进行深入研究，提出将“等效刚度”理论引入密肋楼盖结构分析中。吕江新^[5]以跨度为18m屋盖为研究对象，对比网架结构、无粘结预应力混凝土结构、现浇混凝土结构和井字梁结构性能进行研究，研究表明，当建筑结构受高度控制时，斜交井字梁可解决正交井字梁梁高较高的问题。牛晓丹^[6]对普通混凝土井字梁楼盖和预应力混凝土井字梁楼盖进行对比研究，建立混凝土用量、钢筋用量、模板用量的费用函数，结果表明，8m以下跨度楼盖采用普通混凝土井字梁经济性较好，14m以上跨度楼盖采用预应力井字梁结构经济性较好。李伟特^[7]将不同跨度密肋楼盖、正交斜放梁楼盖和空心楼盖在不同荷载工况下的受力性能和经济性进行对比分析，研究影响楼盖配筋结果的各种因素，并提出相应技术措施。

　　虽然密肋楼盖具有较多优势，但仍存在施工工艺复杂、现场钢筋绑扎工作量大和混凝土浇筑量大等问题。传统密肋楼盖施工时，往往采用木质模板进行裁切制作，存在费工费料、模板重复利用次数少、经济性差、施工效率低等问题^[8]。即使采用定型模壳，也存在支模、拆模困难等缺点。针对上述问题，提出一种新型预制混凝土密肋楼盖体系，该楼盖采用工厂分块预制、现场拼接后浇方式进行施工。工厂预制保证了分块构件质量，避免现场支模等施工问题。设计预制构件之间U形组合封闭钢筋节点连接构造，通过与现浇试件足尺试验的对比，验证了其可行性。

　　1 新型预制密肋楼盖体系

　　1.1 体系组成

　　新型预制密肋楼盖体系由倒T形预制混凝土密肋楼盖、U形组合封闭钢筋连接节点、建筑集成面层、管线等组成，充分发挥了传统现浇密肋楼盖优点，同时又实现了工厂模块化生产和现场装配式施工。

　　由于运输和吊装能力限制，实际工程中方法对一个柱网尺寸内的整块大跨度楼板进行工厂预制和现场安装，因此，必须综合考虑各种因素，采用工厂分块预制，运输至现场后进行拼接形成整体，具体施工工艺如下。

　　1)工厂预制密肋楼盖单元。

　　2)现场吊装拼接密肋楼盖单元，将某条密肋梁设计为预制板块之间的连接(后浇)。

　　3)根据工程需要，在密肋空腔内铺设管线、模块化地暖等。

　　4)浇筑后浇部位混凝土，养护后形成整体楼盖。

　　5)盖设建筑集成面层，包括隔音层、防水层、盖板、饰面层等。

　　1.2 U形组合封闭钢筋连接节点构造

　　目前常用的钢筋连接方式主要有搭接、焊接、机械连接及灌浆套筒连接等。其中，搭接连接需预留的钢筋较长，导致现场支模施工的后浇带过宽，增加现场施工作业量;焊接和机械连接需专用设备，且操作空间要求大，并且要求每根钢筋逐一连接，施工效率低;灌浆套筒连接需额外注浆，工序复杂、质量控制困难、造价高。

　　结合新型预制密肋楼盖特点，提出一种后浇肋梁采用U形组合钢筋连接的新型连接节点。将密肋楼板拆分成若干单元，每个单元即为1个在工厂加工生产的预制楼板，选择2块预制板之间肋梁作为后浇带。工厂制作时垂直于后浇带的预制肋梁上、下纵筋连续弯通(制作时可采用1整根钢筋弯折加工制作)形成U形预留钢筋，垂直于接缝方向的预制底板纵筋也外伸并弯折成C形，如图1所示。现场施工时，后浇带两侧肋梁中U形预留钢筋和底板中C形分布钢筋间隔插叠排放，绑扎组成1个矩形套箍(作为后浇肋梁箍筋)，在套箍内插入纵向钢筋(作为后浇肋梁受力纵筋)，最后浇筑混凝土形成连接肋梁。现场拼接后浇带连接节点如图2所示。

　　

　　图1 预留U形钢筋  

　　 

　　

　　图2 现场拼接后浇带连接节点  

　　 

　　2 静力加载试验

　　2.1 试件设计及制作

　　试验设计2个试件:第1个为现浇密肋楼板试件(试件A)、预制密肋楼板试件(试件B)。试件截面呈倒T形，试件长1 500mm、宽700mm，梁肋高250mm，板厚50mm。梁对称配筋，上、下各配2根HPB30014纵向受力钢筋，搭接区段长度为100mm，纵筋保护层厚度为20mm，混凝土强度等级为C30，试件几何尺寸及构造如图3所示。预制试件钢筋绑扎如图4所示，现浇试件钢筋绑扎类似，但其肋梁纵向钢筋和板筋不形成U形箍，而是拉通布置。

　　2.2 材料性能

　　现浇试件A混凝土整体一次性浇筑完成。预制试件B分2次浇筑，先浇筑后浇段两侧预制梁板，再浇筑中间连接段，每次浇筑混凝土时预留3个150mm×150mm×150mm立方体试块，试验当天实测其抗压强度，得到混凝土立方体抗压强度平均值f_cu,m，如表1所示。

　　

　　图3 试件几何尺寸 

　　 

　　

　　图4 U形组合封闭钢筋连接节点的构造 

　　 

　　  

　　表1 混凝土立方体抗压强度平均值 

　　 

　　 

　　MPa

　　

　　表1 混凝土立方体抗压强度平均值

　　试件梁纵筋、箍筋、板分布钢筋均采用HPB300钢筋，钢筋强度实测如表2所示。屈服应变ε_y=f_y/E,E为钢筋弹性模量，E=2.0×10⁵N/mm²。

　　  

　　表2 钢筋强度实测值 

　　 

　　 

　　

　　表2 钢筋强度实测值

　　2.3 加载方案

　　楼板静力加载如图5所示。楼板两端为简支约束，支座位于板两端梁中心线，加载点位于距跨中150mm处，荷载及支座位置设置垫块避免局部应力集中。采用千斤顶进行单调静力加载，使用荷载传感器控制加载值。测量挠度百分表测点布置于跨中部下方，板两端支座位置设置修正用百分表，试验数据通过计算机全自动采集。

　　2.4 试验现象

　　现浇试件A在加载至68kN时，板底开始出现第1条裂缝;加载至84kN时，板底出现第2条裂缝;加载至107kN时，肉眼能观察到裂缝已达5条，且第2条裂缝为主裂缝，已贯穿整个板底，最大裂缝宽度达2mm，此时，跨中挠度已达6mm。当加载至132kN时，加载已无法维持，挠度和裂缝宽度不断变大，试件最终丧失承载能力。预制试件B破坏模式基本与现浇试件A相同，加载至71kN时，拼缝处被拉开，首先出现肉眼可见细微裂缝;加载至89kN时，板底陆续出现第2,3条裂缝，但拼缝处的第1条裂缝并未继续开展;加载至125kN时，肉眼能观察到的裂缝已达6条，最大主裂缝并非为拼缝处，而是靠近加荷位置的1条裂缝，最大裂缝宽度为2mm，此时跨中挠度达6mm。当加载至143kN时，荷载已无法维持，构件挠度和板底裂缝不断变大，试件最终丧失承载能力。预制试件B板底裂缝分布情况如图6所示。

　　

　　图5 试验加载示意  

　　 

　　

　　图6 预制试件B裂缝形态  

　　 

　　3 有限元分析

　　3.1 模型建立

　　为与试验结果进行对比，分析验证U形组合封闭钢筋连接节点可靠性，采用有限元软件ABAQUS建立试件A,B模型并进行模拟分析，其中A表示现浇节点连接密肋楼盖，B表示U形组合封闭钢筋节点连接密肋楼盖。有限元模型采用混凝土与钢筋分离式建模方式，混凝土采用三维实体单元C3D8R，划分为六面体网格，网格最大尺寸为30mm。钢筋采用truss单元T3D2，钢筋单元通过embedded技术嵌入混凝土单元。为避免应力集中导致局部损坏，跨中加载点及两端支座设置垫片，荷载施加于垫片参考点，垫片采用三维实体单元C3D8R。有限元模型几何尺寸、配筋、加载方式及边界条件均与试验相同。

　　3.2 材料本构关系

　　混凝土材料采用损伤塑性模型，按试验结果取值，弹性模量为3.45×10⁴MPa，泊松比为0.2。钢筋材料采用理想弹塑性模型，按试验结果取值，弹性模量为2.0×10⁵MPa，泊松比为0.3，屈服强度为509MPa。

　　4 结果分析

　　试件底部混凝土开裂时受拉损伤云图如图7所示，试件底部受拉纵筋屈服时Mises应力云图如图8所示。有限元分析结果表明，当加载点荷载达74kN时，现浇试件A及预制试件B混凝土底部出现裂缝;当荷载达144kN时，现浇试件A底部受拉钢筋屈服;当荷载达152kN时，预制试件B底部受拉钢筋屈服。

　　

　　图7 试件底部混凝土受拉损伤云图 

　　 

　　

　　图8 纵向钢筋Mises应力云图  

　　 

　　有限元分析结果与试验结果对比如表3所示。由表3可知，有限元分析结果与试验结果基本一致。综合比较现浇与预制试件有限元分析与试验结果，可以看出:(1)现浇与预制试件混凝土开裂荷载基本相同;(2)预制试件B最大承载力高于现浇试件A，承载力提高约8%(试验)和6%(有限元)。原因是预制试件中被两侧U形钢筋围箍的核心区混凝土为三向受压，提高了此区域内混凝土延性和承载力。而后浇肋梁中通长钢筋及后浇混凝土对梁中U形钢筋和板中C形钢筋也起到了销栓作用，使预制构件在较小的连接宽度内依然保证钢筋传力。

　　  

　　表3 有限元分析结果与试验结果对比 

　　 

　　 

　　k N

　　

　　表3 有限元分析结果与试验结果对比

　　5 结语

　　本文创新地提出了一种预制密肋楼盖体系U形组合封闭钢筋连接节点，并通过有限元分析和试验研究，得出结论如下。

　　1)预制密肋楼盖体系可在工厂预制过程中保证分块构件质量，并解决传统楼盖体系现场支模困难、经济性不高及施工效率低等问题。

　　2)通过有限元分析与试验结果进行对比可以发现，采用ABAQUS模拟分析结果与试验研究结果基本一致，进一步验证了试验所得数据真实可靠。

　　3)后浇肋梁中被两侧U形钢筋围箍的核心区混凝土为三向受压，U形钢筋围成的核心区中配筋量较大(是其他区域2倍)，使此处抗剪承载力高于预制区段肋梁，因此该区域混凝土承载力和延性有所提高。

　　4)后浇肋梁部分混凝土及角部4根钢筋销栓作用增强了U形钢筋锚固作用，因此钢筋连接构造所需的锚固长度远小于直锚或弯锚钢筋需要的锚固长度。