叠合板及牛腿结构性能实验方案设计

　　随着我国建筑工业化进程的不断推进，装配式混凝土结构凭借其施工效率高、绿色环保、质量可控等显著优势，在工业与民用建筑、综合管廊等工程领域得到了广泛应用。叠合板作为装配式混凝土结构中的核心受力构件，兼具预制构件的快捷性与现浇结构的整体性，其结构性能直接影响整个建筑体系的安全与稳定;牛腿作为传递荷载的关键节点构件，承担着连接、支撑等重要作用，尤其是早龄期牛腿的力学性能，对工程施工阶段的安全性具有决定性影响。在综合技术廊道工程中，叠合板与牛腿的应用日益广泛，但由于工程地质条件复杂、施工工艺多样，以及早龄期混凝土材料性能的不确定性，叠合板拼缝、牛腿锚固等部位易出现受力薄弱问题，严重时可能引发结构破坏，影响工程使用寿命。因此，开展叠合板及牛腿结构性能试验研究，设计科学合理的试验方案，探究其受力特性、破坏机理及极限承载力，具有重要的理论意义与工程实用价值[1]。

　　目前，国内外学者针对叠合板及牛腿的结构性能开展了部分研究，取得了一定的成果。肖绪文等学者在研究中指出，装配式建筑的节点性能是影响结构整体安全性的关键，需通过试验验证节点设计的合理性;李长春等学者针对牛腿式接缝分段预制拼装盖梁的受力性能进行了试验研究，为牛腿节点的设计与施工提供了参考。但现有研究多针对常规工况下的构件性能，针对综合技术廊道中早龄期牛腿、叠合板沟道在静土压力、动土压力(地震作用)等复杂工况下的试验研究较为匮乏，且缺乏系统性的试验方案设计。

　　本文结合某核电工程廊道工程实际，针对工程中采用的叠合板及牛腿结构，设计了一套完整的结构性能试验方案，通过试件设计、加载装置布置、测量方案制定、加载流程优化等环节，系统探究早龄期牛腿极限承载力、叠合板受力特性、节点锚固性能及结构破坏形式，验证设计方案的可行性与安全性，为工程现场施工提供科学依据，同时为同类工程的试验研究提供参考，推动装配式混凝土结构在综合管廊工程中的高质量应用。

　　一、工程概况

　　本次试验依托某核电工程8GB综合技术廊道工程。该廊道为区域重要基础设施，主体采用钢筋混凝土剪力墙结构，设计使用年限60年，安全等级NA级，采用装配式施工，部分结构用叠合板替代现浇结构。本工程叠合板采用“预制板+现浇层”形式，牛腿与叠合板、管沟墙体协同工作，承受复杂荷载。早龄期牛腿需承担施工荷载，节点部位受力复杂，需通过试验明确性能指标。试验场地选在施工现场附近，具备水电、起重设备等条件，确保试件制作与试验操作贴合现场实际[2]。

　　二、试验目的

　　本次叠合板及牛腿结构性能试验的核心目的是验证叠合板及牛腿结构设计方案的可行性、安全性与合理性，探究其在不同工况下的受力特性、破坏机理及薄弱环节，为工程现场施工提供科学依据，优化施工工艺，确保工程结构安全稳定。具体试验目的如下：

　　(一)牛腿结构性能试验目的

　　1.探究早龄期牛腿的实际极限承载力：制作7d龄期牛腿试件，探究试件在竖向静载作用下的实际极限承载能力，通过与设计计算值对比的偏差，判断7天龄期牛腿是否能够满足施工过程承载要求，为施工过程的荷载控制提供依据。

　　2.验证早龄期牛腿受力钢筋锚固长度的合理性：探究早龄期牛腿受力钢筋不同锚固长度的实际受力情况，验证设计采用的1.2La锚固长度计算假定是否合适，判断钢筋锚固形式是否满足结构受力要求。

　　3.分析早龄期牛腿的破坏形式与受力机理：根据试验过程中牛腿的裂缝发展规律、受力变形情况，验证早龄期牛腿的破坏形式(如正截面裂缝、斜截面裂缝、钢筋锚固失效等)，分析其受力情况，为后续正式结构牛腿设计优化提供参考。

　　(二)叠合板结构管廊结构性能试验目的

　　1.验证叠合板结构管廊施工工艺：通过模拟施工叠合板管廊的施工工艺，总结实际施工过程中存在的重点、难点问题，为后续正式结构施工优化提供借鉴。

　　2.研究叠合板结构管廊的薄弱位置：通过实验室加载受力，模拟正常使用情况下和地震情况下的静土压力、动土压力，研究叠合板结构管廊的实际薄弱位置，验证结构在不同荷载作用下是否满足设计要求，确保结构使用的安全性。

　　3.识别叠合板结构管廊的主要破坏形式：验证结构是否存在以下5种破坏形式：(1)预制板水平钢筋与墙体连接处破坏(如钢筋被拉出);(2)双仓沟道预制板水平钢筋与墙体支座的锚固是否失效;(3)预制板的叠合面连接是否破坏;(4)试验过程中牛腿结构是否发生破坏;(5)试验过程中叠合板拼缝处是否发生破坏。通过试验，对实际产生的破坏形式进行分析，并提出针对性的改进措施。

　　三、试验方案

　　(一)试件设计

　　本次试验共设计15个试件，包括4个单牛腿、8个单仓沟道、及3个双仓沟道中节点三种类型，混凝土强度等级为C45，结构试件制作与现场实际工程一致，试件制作严格按照图纸与规范要求施工，确保试件与现场实际结构保持一致。
 

表1 试件清单
 

　　1.牛腿试件设计

　　牛腿试件采用单牛腿形式，墙体采用短柱，牛腿与柱子合并浇筑形成L型试件，牛腿结构设计应同时验算结构刚度和极限承载力，防止试验过程中牛腿结构发生较大变形或产生破坏。加载位置与牛腿中心位置重合，确保轴压受力。根据图纸墙体结构形式设置短柱，牛腿结构高300mm，宽100mm，钢筋采用3Φ12，制作4个不同锚固形式的试件进行试验。

　　2.单仓管廊结构试件设计

　　单仓沟道试件制作8个，结构尺寸为3000×2500×800mm，由预制板、墙和底板、现浇顶板三部分组成。叠合板为130mm厚预制板和270mm厚现浇结构叠合，结构形式与实际结构图纸尺寸保持一致。其中，3个试件用于静土压力试验，5个用于动土压力试验。5个动土压力试验试件中3个需考虑侧向土压力，2个不考虑，通过模拟试验对比，探究侧向土压力作用下对结构产生的影响[3]。

　　3.双仓管廊牛腿节点试件设计

　　双仓管廊试件制作3个，结构尺寸为尺寸5600 ×2500×800mm，结构形式与实际结构图纸尺寸保持一致，根据结构受力原理，截取节点处结构形式进行试件制作，通过模拟地震作用下的加载受力，开展低周往复加载试验。

　　(二)试验方法

　　1.牛腿试验加载装置

　　牛腿实验在YA-5000型压力试验机进行加载，最大量程为5000 kN。试件固定于试验台上，为了使受力均匀，在试件上部垫1cm厚10cm宽的木板，加载点距离牛腿边缘50mm。

　　2.单仓管廊静土压力试验装置

　　为了方便加载，根据弯矩等效原则，将均布荷载和土压力等效布置为局部集中荷载。在结构顶板两侧采用两点对称方式加载，水平土压力采用液压千斤顶自平衡装置进行施加。

　　3.双仓管廊中节点抗震试验装置

　　为了方便试件安装和加载，也为了防止试验过程中试件倾覆发生危险，拟将节点试件倒置安装，将顶板固定在地面上，管沟内墙向上，作动器在内墙板上施加低周往复荷载模拟地震作用力，探究节点的承载力是否满足设计要求。

　　4.单仓管廊动土压力试验装置

　　是否考虑侧向土压力的两种工况均采用MTS作动器施加水平往复荷载，竖向千斤顶施加竖向荷载模拟覆土压力。考虑侧向土压力时，增加侧向液压千斤顶模拟侧向土压力，确保试验与结构实际受力情况相近。

　　(三)测量方案

　　采用TDS-530静态数据采集仪，搭配电测传感器，采集位移、应变、荷载等数据，确保数据准确可靠。

　　1.牛腿测量方案

　　牛腿中间受力钢筋布置8个应变片，正截面裂缝易出现位置布置10个混凝土应变片，加载点下方布置3个位移计，分别用于测量钢筋应变、混凝土应变及加载点位移情况，试验过程需定期检查传感器状态。

　　2.管廊测量方案

　　测量牛腿及叠合板跨中混凝土应变，叠合板应变布置于跨中侧面及板底;竖向位移计布置于牛腿、板跨中及三分之一跨，水平位移计布置于侧墙中部及顶板，同步采集各类数据，确保同步完整。

　　(四)加载方案

　　1.牛腿加载

　　分为预加载、正式加载、卸载三阶段。预加载30kN，消除间隙并检查仪器;正式加载速度1kN/s，开裂前每级增量10kN，开裂后20 kN，关键阶段降低加载速率;卸载至极限荷载70%，便于观察破坏形态。

　　2.管廊静土压力试验加载

　　混凝土强度达设计100%后加载，水平与竖向土压力按比例逐级加载，速度0.5 kN/s，每级持荷3 min，加载至试件出现明显破坏停止，若牛腿未破坏，单独施加集中力测试。

　　3.管廊动土压力试验加载

　　混凝土强度达标后，采用荷载-位移混合控制，水平往复加载频率0.5Hz，竖向荷载保持恒定，持续加载至试件破坏，同步采集各类数据，记录破坏特征。

　　(五)模拟吊装试验

　　1.吊装流程

　　试吊→起吊→安装→微调→就位;

　　2.加载及数据采集

　　利用配重对预制板及整个结构荷载试验，每级加载完成后，应保持受力状态持续10~15min;当构件表面出现裂缝时停止加载，并周期性观测构件变形情况。为了探究结构在实验过程中在受力作用下的变化情况，通过水平仪、测缝仪观察持续加载及静载作用下构件的变形及裂缝的扩展情况，并记录好数据;在最大试验荷载加载完成后，继续观察构件的变化情况，观测周期为7天，观测频率为1次/12h。

　　四、结束语

　　结合某核电项目综合技术廊道工程实际施工图纸，设计了叠合板及牛腿结构性能试验方案，通过制作15个试件，在大学实验室模拟4种不同工况下的受力进行试验，数据采集并进行实验分析。一方面通过试验来验证设计方案的可行性，另一方面，模拟施工过程，进一步优化施工工艺。通过试验结果分析，该设计方案可行，目前已经在XX核电项目推广应用。(作者：李萌 巨万明 供职单位：中核华辰建筑工程有限公司)