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关于空心板挠曲强度和刚度的研究

Lan Chung¹, Sang-Hyun Lee¹, Seung-Ho Cho¹, Sung-Sik Woo¹ and

Kyoung-Kyu Choi^2，*

1建筑工程系，檀国大学，126，竹田洞、苏谷、龙仁市448-701京畿道，韩国

2建筑学院，崇实大学，该洞，156-743铜雀区，汉城，韩国

（收到：2009.4.7；修订：2009.11.10；接受：2009.11.27）

摘要：一种新型的塑料空气球空心板已经被研发出来了，它可以有效地减少混凝土结构中的混凝土用量及其自重。在这项研究中，通过弯曲和自由振动试验对其弯曲特性进行了研究，其中包括弯曲刚度，开裂，强度和延展性。该研究对六个样本进行测验：2个传统的钢筋混凝土板，2个空心板和2部分预制混凝土板。测试参数还包括2个不同类型的塑料球。测试结果表明，空心板拥有良好的弯曲特性（即裂缝分布图和挠曲强度），这类似于普通混凝土实心板的极限状态。同时还发现，目前对于混凝土实心砖的设计规定同样适用于空心板，用于评价抗弯强度和初始刚度的可维护性检查并没有显著的修改。

关键词：空心板，预制混凝土楼板，楼板体系，塑料球，弯曲试验，自由振动试验，弯曲强度，适用性。

1. 简介

钢筋混凝土由具有高抗压强度的混凝土和具有高抗拉强度的钢结构构成，是使用最广泛的建筑材料。这是因为它的价格相对低廉的同时还具有低腐蚀率、高耐火性和高耐水性等诸多优点（梅塔和蒙泰罗2006）。此外，它与其他结构材料相比，还可以形成各种尺寸和复杂的结构形状（如砌体和钢）。然而，在水泥生产过程中会产生大量的温室气体，包括二氧化碳（CO₂）等，这会严重地破坏环境。约8%的人造二氧化碳产生于建筑和基础设施的建设中（韩，基姆2005），每消耗1公斤混凝土就会产生每0.15公斤的二氧化碳。

因此，为了减少混凝土消耗，土木工程领域中已经进行许多研究和许多技术上的改进。

最近，由于噪音和楼板之间的声音传输的影响，在公寓楼周边居民之间发生了频繁的纠纷。为了解决这个，韩国对房屋建筑的章程中（韩国国土海洋部规定2009）严格限制声音穿过重骨料和轻骨料混凝土的强度为到50分贝和58分贝，此外，为了提高冲击声隔音，还推荐使用厚度大于210毫米的板坯。然而，使用这种

*联系作者.电子邮件地址：kkchoi@ssu.ac.kr；传真： 82-2-816-3354；电话： 82-2-820-0998

厚板产生了另一个问题，即混凝土的消耗量增加了。

康等人（2008）发现混凝土板与中空腹板可以提供足够的隔音性能，效果相当于相同厚度的实心混凝土板。此外，黄某等人（2008）使用泡沫塑料预制各种形状的空心板来对空心板结构性能进行试验研究。测试结果表明，拥有适当形状空心网的混凝土板展现出令人满意的弯曲性能，具有足够的强度和延展性，同时还显著地减少了板坯的自重。应该注意的是，商业级聚苯乙烯泡沫塑料具有足够的刚度支持在混凝土板中创建所需的空隙。Cobiax技术公司开发的另一个技术是能够通过在混凝土板内铸造塑料球来节约大量的混凝土（Schnellenbach-Held and Pfeffer 2002; Aldejohann and Schnellenbach-Held 2002; Aldejohann and Schnellenbach-Held 2003）。基姆等（2007）还开发了工字混凝土板，在预制混凝土板中插入泡沫聚苯乙烯来减少混凝土的用量。

近年来，李等人（2007）通过将由聚乙烯（PE）或聚丙烯（PP）制成的可回收塑料球插入混凝土板，开发出了一种用于空心板的新技术。拥有高刚度的塑料球能够在抵抗随着混凝土浇筑而产生的高压时依然可以保持形状。从结构的角度来看，混凝土自重的降低也有很多的好处。首先，减少自重的混凝土板的使用可以使平板系统不需要混凝土梁，从而显著地降低层高。其次，利用这项技术可以减少高达30%的钢筋需求量。第三，在结构中的地震荷载可以减少，板跨度增加。因此，在一般情况下，与传统技术相比，使用塑料球有望将成本效益提高以及生态友好，因为它在减少结构成分的混凝土消耗量的同时而没有造成任何结构能力的严重下降。在经济和生态方面，使用塑料球的好处需要更进一步的调查。

对于空心板的应用，还应进行进一步的研究，因为塑料球的形状对混凝土板的结构性能的影响可能是显著的（黄等人2008）。此外，空心板的高效施工（即，建设周期短）这将有利于对部分预制空心板的适用性的调查研究。

还应注意的是，用现行设计规定对空心板的抗弯强度和刚度作出评价的适用性还没有得到保证。

在这项研究中，一个新的使用双轴空心板的楼面系统是继李等人（2007）之后开发的。为了研究其结构和使用性能，进行了一个参照板坯类型初始参数即塑料球的形状，和混凝土板的铸造方法的弯曲试验和自由振动试验。根据试验结果，验证了双向空心板的抗弯性能，并检验了现行设计规范对空心板的适用性。

2.实验项目

2.1 试验样品

对含有塑料球的混凝土空心板进行弯曲和自由振动试验。目标是研究混凝土空心板的弯曲性能，包括其初始的弯曲刚度，弯曲开裂，和极限抗弯强度。在这项研究中，主要是对三个初始参数进行了试验：板类型，塑料空气球的形状，和混凝土浇筑方法。总共对六个样本进行了测试。测试样品的尺寸和性能的详细信息见表1、图1和图2。试验样品为4320毫米长，700毫米宽，和210 / 169毫米高。试样被用于弯曲试验和自由振动测试。

试验中使用了2种类型的塑料球：一个椭球体和一个圆球体。试样，S0-P2-H0，椭球塑料空心球，被用来作为对照样本。椭球形塑料空气球有一个长短直径分别为170毫米和110毫米的横截面，如图3所示。对板坯中的固定塑料球所添加的金属材料的详细信息也显示在内。S0-P1-H0试样包含的球形塑料球的直径为100毫米。作为参照，普通混凝土板，S0-P0-H0，也同样被测试。除了塑料球的添加与否及其形状的不同外，三个试样几乎有着相同的测试参数，包括板的深度（210毫米），纵向钢筋的数量（4-HD13）和混凝土抗压强度（35.2 MPa）。在这项研究中，S0-P0-H1，即另一个不包含塑料球的用于测试的混凝土板。s0-p2-h0试样包含相同数量的混凝土作为对照标本。s0-p0-h1试样169毫米高，而其对照标本210为毫米高。

本试验还包括两个部分预制混凝土板：s1-p0-h0代表传统的部分

1. S0，S1=钢筋混凝土或部分预制混凝土板；P0，P1，P2=没有塑料球，圆球形塑料球，或椭球形塑料球；H0，H1=板厚为210毫米或169毫米
2. 不适用

预制混凝土板和s1-p2-h0与含椭球塑料球空心板。这些试验是为了探讨部分预制混凝土施工技术在空心板系统中的适用性。应该注意的是部分预制混凝土实心板s1-p0-h0，与普通混凝土板s0-p0-h0有几乎相同的材料性能和尺寸，而部分预制混凝土空心板s1-p2-h0与对照标本

（现浇空心板）s0-p2-h0有着相同的材料特性和尺寸。

2.2材料

采用一种常用的混凝土配合比。混凝土配合比：细骨料，821公斤/立方米；粗骨料，1086公斤/立方米；Ⅰ型硅酸盐水泥，333公斤/立方米；和水，108公斤/立方米。其

详细资料见表2。混凝土在18plusmn;2的温度下在（100times;200毫米）的气缸中浇水养护28天后的平均抗压强度为35.2兆帕。坍落和被截留的空气空隙分别为80毫米和2%。

对于预制混凝土和现浇混凝土，使用相同的混凝土配合比。在部分预制混凝土试件中，

平顶板和预制混凝土板的厚度分别为160毫米和50毫米。部分预制混凝土试样使用韩国Kaya Co预制混凝土公司提供的标准混凝土搅拌机按典型的混合方法浇筑。

作为底部和顶部的纵向钢筋，传统变形钢筋直径分别为13毫米和10毫米的钢筋。这些在韩国标准（KSIC 1995）被命名为HD13和HD10。对HD10和HD13最早屈服强度为400 MPa。根据KSB 0802规定的直接拉伸试验（KSIC 2003），极限抗拉强度为630sim;651 MPa，如表3所示。底部和顶部的钢筋率分别为0.41sim;0.53%和0.24%sim;0.31%。在横向上钢筋HD10安装的恒定间距200毫米。

2.3测试装置和仪器

要评估的测试试样的弯曲刚度，自由振动试验在弯曲试验之前进行。如图4所示，一个3公斤重的沙袋在1米的高度上作自由落体落在标本中心。用加速度计测量其10秒加速度。在自由振动试验中，试件简支，在四个不同的位置及试样中心测量其加速度。在这项研究中，冲击力引起的响应和碰撞瞬间后的测量在乔普拉（2001年）后被视为自由振动响应。

试验样品进行一个四点挠曲试验，并简支，如图5所示。单调加载使用加载能力100kN的制动器，抵抗能力200kN的钢框架

结构。为了准确地检查出现弯曲裂纹前和后的初始弯曲性能，施加负载的偏转率为一个相对较低的2毫米/分钟。

负荷数据通过一个容量为100kN的测压元件测量。位移通过位于板跨中的线性差动变压器（LVDT）和

线位移传感器（WDT）测量。LVDT和WDT的测量范围分别为200毫米和500毫米。七个混凝土应变计（60毫米长）和两个钢筋应变片（5毫米长）被安装在梁的中心。测试数据由数据记录器收集（东京Sokkie）。

1. 测试结果与讨论

在这个测试中，对空心板的弯曲性能进行了检测，并与普通混凝土板相比。从测试结果中对其结构性能进行了分析。

3.1 开裂方式和挠曲强度

弯曲试验试件在纵向钢筋屈服后失效开裂，最先可观察裂纹的时间是在中跨达到约15%的极限抗弯强度时。随后，弯曲裂纹很快扩展到梁的支座处，如图6（a）。

在图6（a），6（b）和6（c）中，是s0-p2-h0标本弯曲破坏的失效机理和裂纹图案。对于这个样本，

即包含椭球塑料球的样本，第一条弯曲裂纹出现在5.9kN时且那时的抗弯刚度明显下降。在钢筋达到屈服后，混凝土保护层开始剥落，钢筋完全暴露，同时在极度压缩区的混凝土被压碎。最后，试样失效的最大抗弯强度为53.9kN，超过其屈服强度的18 %。在失效过程中，裂纹间距约为200毫米，整个梁上共有14个可观察到的裂缝。正如预期的那样，最宽的裂缝宽度是在梁跨中心，达到20毫米。从测试结果来看，空心板的裂纹分布图和开裂方式与普通混凝土板并没有显著的不同。在图7中，部分预制混凝土空心板s1-p2-h0，与混凝土实心板有着几乎相同的开裂方式。然而，在临近的破坏状态，粘结开裂处在预制混凝土和顶混凝土之间。这样的粘结开裂最先出现在中跨（梁区域），并扩展到梁的支点处。粘结裂缝的宽度几乎达到1毫米。粘结裂纹的扩展影响试样的

弯曲性能，降低峰值强度后的延展性。因此，为了使用部分预制混凝土空心板，需要进一步加强之间的顶部和预制混凝土板（即连接关系），以防止粘结开裂。

图8和表4展现了测试样本的整体负载-位移关系，包括开裂荷载，屈服强度和极限抗弯强度。此外，现行设计规范（ACI 318-08 2008）的抗弯强度标准列出在表5。由于钢筋屈服后的应变硬化，试样的极限抗弯强度为屈服强度的115%sim;139%。在图8（a）中，空心板s0-p1-h0和s0-p2-h0开裂强度小于相同板厚（210毫米）的普通混凝土板s0-p0-h0。然而，空心板可以

由目前的设计规定确定初始抗弯强度，并且强度大于具有相同混凝土用量混凝土实心板（s0-p0-h1）。

此外，包含椭球形塑料球的s0-p2-h0标本的强度表现得比包含圆球塑料球的s0-p1-h0低。这些测试结果表明，塑料球的形状影响板的抗弯强度。同时需要作进一步的研究，以获得不会导致抗弯强度显著下降的最佳形状的塑料球。在部分预制混凝土板的情况下，s1-p0-h0和s1-p2-h0，其弯曲强度并没有显著不同于普通混凝土板（s0-p0-h0）。然而，在钢筋屈服之后，部分预制试样很快就失效了，与普通混凝土板相比，它并没有展现出更好的韧性性能。初期的弯曲破坏，预计是由于顶部和预制混凝土板之间的粘结裂缝。

从试验结果可以得出结论，去除在板网上多余体积的混凝土不会显着减少混凝土板的弯曲性能。在一般情况下，空心板表现出的开裂方式和裂纹分布图类似于那些普通混凝土板，他们拥有超过标准弯曲强度的足够的抗弯强度。然而，也应该注意到，由于缺乏延展性，部分预制混凝土技术应谨慎地使用在空心板中。

图8、表4，试样展现出的抗弯强度明显大于那

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