加气混凝土屋面板抗弯试验及有限元模拟(上)

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加气混凝土屋面板抗弯试验及有限元模拟

张国伟  陈博珊  肖伟  苗启松  吴徽

（北京建筑大学；北京建筑设计研究院）

加气混凝土是一种轻质多孔混凝土材料，是以石英、粉煤灰、铁尾矿、粒化高炉矿渣、页岩等硅质材料和石灰、水泥等钙质材料作为原材料，添加适量的加气剂，经配料磨细、浇注、搅拌、发泡、切割和蒸压养护等生产工序形成的一种新型建筑材料。

加气混凝土屋面板的生产和应用在我国已有三十多年的历史，由于其具有轻质、保温性能好、施工便捷和造价低等优点，受到工程的广泛使用。目前，我国加气混凝土屋面板的研究和应用已经取得了可喜的成果。以国家标准以及北京地区工程出发，对北京金隅加气混凝土有限公司提供的新型屋面板展开研究，探索其强度和跨度对板材破坏形态、承载力和延性的影响。

1 试验概况

1.1试验构件

试验采用加气混凝土屋面板，其中编号为A-1、A-2、A-3的屋面板，强度等级为A3.0级，干密度级别为B04；编号B-1、B-2、B-3的屋面板，强度等级为A3.5级，干密度级别为B05。试验板的具体形式和配筋情况如表１所示。

上部钢筋网片由3Φ６.５的HPB300钢筋与横向钢筋焊接而成，下部钢筋网片由６Φ６.５的HPB300钢筋与横向钢筋焊接组成。上、下层钢筋的端部布置两根横向钢筋保证有效锚固，且屋面板没有配置抗剪钢筋，只通过配置竖向短筋连接上、下层钢筋网片，从而保证钢筋网架的整体性。具体配筋情况见图１。

对两组尺寸为100mm×100mm×100mm的６块蒸压加气混凝土标准试件进行抗压试验，将试件放在材料试验机的下压板的中心位置，试件的受压方向应垂直于制品的发气方向，得出试件的实测抗压强度。试验结果平均值见表２。

在加气混凝土制品的生产工艺过程中，盘条钢筋经过调直和高温蒸汽养护这两个工序之后，相当于对钢筋进行了“冷加工硬化”，从而保证了钢筋屈服强度有较大的提高。在现场对钢筋随机截取400mm作为试件，每组３根，进行钢筋的拉拔试验，试验结果平均值见表３。

1.2 试验装置及加载

依据加气混凝土屋面板实际工程应用中的受力情况，试验采用集中力四分点加载法对板材进行抗弯性能测定。加气混凝土屋面板一端采用固定铰支座，另一端采用滚动铰支座。

参考GB 15762-2008《蒸压加气混凝土板》，试验装置设计如图２所示。

试验采用拉压千斤顶进行加载、采用位移计测量板跨中的弯曲挠度。两端支座处放置两个位移计测量支座沉降位移。跨中截面不同高度处混凝土及加气混凝土板底部和板顶部布设电阻式应变片，用于测定试验过程中各部分的应变变化规律。试验过程中观察裂缝的发展规律，同时在板上标记出其位置和对应的荷载大小，并观测荷载－位移曲线。最后考虑到支座沉陷和板自重的影响，需要对计算机采集系统的数据进行修正。

1.3 结果和分析

1.3.1试验破坏及裂缝开展分析

如图３所示，150mm厚的加气混凝土屋面板的破坏形式为弯剪破坏。具体试验现象以A-1板为例：持续加载至10.21kN时，板材跨中纯弯段首先出现细小竖向裂缝。加载至18.01kN时，1/4板跨处沿支座出现斜裂缝，在底部与底层钢筋轴线垂直，向上延伸时倾斜角逐渐减小。随着荷载增加，斜裂缝不断发展成为主斜裂缝。继续加载到21kN时，裂缝宽度达到3mm以上，卸载后变形无法恢复。

跨中挠度达到95mm，出现明显的断裂破坏，断面钢筋出现明显滑移，荷载降到极限荷载的85%，试验结束。

由A-1和B-1的裂缝开展情况（图３）对比分析可知，当板材长度从A-1的3300mm增加到B-1的3600mm，且随着加气混凝土抗压强度的提高，斜裂缝减少，加气混凝土屋面板跨中的垂直裂缝增加明显。

1.3.2荷载－位移曲线分析

实测各板在连续荷载作用下的荷载－位移曲线关系如图４所示。

以A-1为例。加载初期，当荷载较小时，加气混凝土屋面板跨中底层混凝土的应变小于极限拉应变，混凝土未开裂，构件处于线弹性工作阶段（Ⅰ阶段）。荷载达到10.21kN，当受拉区边缘的加气混凝土应变达到其极限拉应变时，跨中纯弯段底部出现垂直裂缝，荷载－位移曲线表现出明显的斜率下降，即刚度降低，板材进入带裂缝工作阶段（Ⅱ阶段）。

当荷载较大，达到20kN时，构件进入破坏阶段（Ⅲ阶段）。钢筋屈服后，在很小的荷载增量下，板材会发生很大变形。裂缝的高度和宽度进一步发展，中和轴不断上移。最后受压区混凝土达到极限压应变ε_ｃｕ＝0.003时，构件达到极限承载弯矩。通过试验可知：配筋加气混凝土屋面板的抗剪强度，实际上是板材在剪力和弯矩共同作用下的强度问题，它的破坏形态与普通钢筋混凝土相似。

待续。

 ——摘自《工业建筑》2016年——