基于ABAQUS的新型密拼叠合板承载能力比较研究

韩双林 李佳蔚 孙悦平 蒋录珍

摘 要：

为优化密拼式叠合板侧向拼缝处的连接构造，设计一种在拼缝处设置抗剪键槽的密拼式钢筋桁架叠合楼板。利用ABAQUS有限元软件对7个密拼叠合楼板进行四点弯曲模拟研究，针对普通密拼式叠合板与不同形式的抗剪键槽密拼式叠合板的承载能力进行对比分析。结果表明：新型密拼式叠合楼板的承载能力较好，相较于普通密拼式叠合板提升了17%左右；当达到极限荷载时，其内置钢筋所受应力明显低于普通密拼式叠合板。通过对不同开槽形式叠合板的受弯性能进行对比分析，明确了新型抗剪键槽叠合板拼缝处设计的合理性，为新型拼缝叠合楼板在工程实践中的应用提供了理论依据。

关键词：

混凝土与钢筋混凝土结构；装配式；密拼叠合板；凹槽拼缝连接；ABAQUS

中图分类号：

TU375.2

文献标识码：A

DOI： 10.7535/hbgykj.2024yx01006

Comparative study on the load-bearing capacity of a new type of composite slab connected without gap based on ABAQUS

HAN Shuanglin1， LI Jiawei2， SUN Yueping1， JIANG Luzhen2

（1Shijiazhuang First Construction Group Company Limited， Shijiazhuang， Hebei 050047， China； 2School of Civil Enginee-ring， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018， China）

Abstract：

In order to optimize the connection structure at the lateral joint of the composite slab connected without gap， a reinforced truss composite slab connected without gap with shear keys at the joint was designed. The finite element software ABAQUS was used to simulate the four-point bending of seven composite slabs， and the load-bearing capacity of ordinary composite slab connected without gap was compared with those with different forms of shear keys. The results show that the load-bearing capacity of the new composite slab connected without gap is better， which is 17% higher than that of the ordinary ones. When the ultimate load is reached， the stress of the inner steel bar is obviously lower than that of the ordinary assembled composite slab. Through comparative analysis on the flexural performance of the composite slabs with different slotted forms， the rational design of the groove splicing joint of the new shear keyway composite slab is determined， which provides theoretical basis for the application of the new type of composite slab in engineering practice.

Keywords：

concrete and reinforced concrete structures; prefabricated; composite slab connected without gap; groove splicing joint; ABAQUS

隨着中国城市化的快速发展和绿色建筑理念的不断深入，建筑产业化已成为建筑业未来的发展趋势。叠合板作为装配式建筑中广泛应用的一种预制构件，其力学性能直接关系到装配式结构体系的整体稳定性。研究表明，拼缝处是整个叠合板受力最薄弱的部位，混凝土预制底板间的侧向拼缝方式是决定叠合板整体工作性能的重要因素[1]。叠合板常见的拼缝形式主要有键槽式、传统型、整体式和密拼式等。其中，键槽式及传统型不能有效传递弯矩，整体性能较差[2]，整体式拼缝方式应用较多且工艺比较成熟[3-5]，但其在浇筑现浇层时仍需对后浇带处进行单独支模，且预制底板出筋位置极易碰撞，干涉周边钢筋布置。密拼式叠合板无需另设模板、无需外露钢筋，施工工艺具有明显优势，但相较于普通叠合板，其预制底板拼缝处如何合理开槽、配置附加钢筋能否在保证预制底板间有效传力的同时提高叠合板的承载力，是目前研究的难点。

近年来，国内外学者对拼缝处不同构造形式对叠合板受弯性能的影响进行了大量试验研究和理论分析。余泳涛等[6]在拼缝处设置桁架钢筋限制了拼缝钢筋与叠合面混凝土粘结裂缝的发展，从而阻止叠合面的撕裂破坏。GROSSI等[7]发现附加钢筋能够显著增大试件的延性和承载能力。何庆锋等[8]提出了一种增强型密拼缝构造，能够有效提高叠合板垂直拼缝方向的抗弯刚度。林彦等[9]提出了3种增强型密拼式拼缝连接方式，证明了加强拼缝处的附加钢筋、拼缝处设置整体式或间隔式凹槽皆可提高叠合板的承载能力。陈宜虎等[10]和张敏等[11]提出了在叠合板预制底板布置凹槽，并采用封闭环形钢筋作为搭接钢筋的新型密拼缝叠合板，證明了钢筋Ｕ型连接以及侧面开槽封闭环筋搭接连接构造的钢筋均起到有效锚固作用。杨悦等[12]通过在拼缝处开设条形槽口并改变槽口钢筋形式，证明了通过增强槽口内附加钢筋的端部锚固对开槽密拼混凝土叠合板的极限承载力具有一定的提升作用。肖彤等[13]研发了新型凹槽拼缝连接叠合板，通过对影响叠合板凹槽拼缝连接受弯性能的参数进行分析，明确了叠合板凹槽拼缝连接设计的合理性。

本文参考JGJ 1—2014《装配式混凝土结构技术规程》[14]的叠合板构造要求，创新研发了一种拼缝处开槽设抗剪键的新型拼缝形式，如图1所示。在预制底板板侧设立抗剪键形凹槽，并于凹槽内布置附加钢筋进行预制板间的连接。本文将3种常见拼缝处理形式的密拼叠合板与4块不同参数的新型开槽方式叠合板进行对比，建立相应的有限元模型进行分析，研究不同影响因素下其承载能力的变化。

1 模型概况

本文对新型密拼钢筋桁架叠合楼板进行有限元数值模拟，其预制底板由2块短板采用开槽密拼构造连接而成，拼缝位于跨中，垂直于板跨方向设置。选用7组试件进行对比分析，其具体形式及尺寸如表1所示。7组叠合板试件单块预制板长为1 200 mm，叠合板整体总长度l=2 400 mm，总宽度w=600 mm，总厚度h=130 mm，

其中预制底板厚度h1=60 mm，[HJ1.6mm]后浇叠合层厚度h2=70 mm，均采用C30混凝土。预制底板、现浇部分的钢筋网片及附加钢筋均采用HRB400级热轧钢筋，纵向及横向钢筋直径均为8 mm。钢筋桁架上下弦钢筋采用HRB400级热轧钢筋，直径为8 mm，腹筋采用HPB300级热轧圆钢筋，直径为6 mm。

其中试件DHB-1为常规密拼式叠合板，DHB-2、DHB-3为目前研究中常见的密拼缝开槽形式，建模图见图2。

表1中DHB-A组试件为本文所提出的抗剪键槽叠合板，试件DHB-A2、DHB-A4在DHB-A1、DHB-A3的基础上于抗剪键位置处增设了钢筋笼，表1数据中抗剪键槽构造尺寸具体标识位置示意图见图3。DHB-1及DHB-A1的预制板及拼缝附加钢筋详细构造及配筋如图4所示。

2 有限元建模

为了研究抗剪键式凹槽拼缝连接叠合板的承载能力，针对2 400 mm跨度的密拼式钢筋桁架混凝土叠合板进行有限元建模分析，叠合板的有限元模型见图5。混凝土的本构关系参

考GB 50010—2010 《混凝土结构设计规范》（2015年版）[15]，采用塑性损伤模型，具体参数见表2。HPB300钢筋与HPB400钢筋的本构关系采用理想弹塑性模型，其中屈服强度fy，r=462 MPa，杨氏模量Es=2×105 MPa，泊松比υ=0.3。

混凝土板均采用三维实体单元C3D8R，钢筋均采用三维桁架单元T3D2，不考虑钢筋与混凝土之间滑移的影响，采用内置区域约束方式，模拟钢筋与混凝土的相互作用。对于叠合板新旧混凝土叠合面约束，结合实际试验现象[8]，密拼缝连接叠合板的预制底板侧向连接处易发生撕裂，故预制底板板侧采用面面接触，摩擦系数取值为0.8；在拼缝处抗剪键槽的设立及预制底板表

面的人工拉毛处理和钢筋桁架的作用下，叠合板在发生受弯破坏之前不会发生剪切破坏，故预制板与现浇层间采用绑定Tie约束。

考虑实际试验的加载方式和加载制度，采用四点弯模拟方式进行模拟。在本文的约束定义中，为避免应力集中，在板端及四分点加载部位设置尺寸为100 mm×600 mm×20 mm的支座及刚性垫块。将加载点垫块顶面耦合于中心点RP1位置处，并于耦合点进行位移加载，加载垫块与板之间设置为面面接触，摩擦系数取值为0.8；底部支座与叠合板之间采用绑定Tie约束，通过释放自由度分别添加固定铰支座约束和滑动铰支座约束。

经过反复试算与收敛性测试，整体混凝土单元网格沿长度、宽度划分尺寸为25 mm，同时在厚度方向将预制底板划分为3层，现浇板划分为4层，钢筋单元网格按50 mm自适应划分，垫块及支座网格整体划分尺寸为25 mm。

3 结果分析

3.1 荷载-位移曲线分析

图6为分别提取不同接缝处理形式的叠合板有限元模型的荷载-位移曲线。在开槽深度为25 mm时，相较于其他常规开槽形式的叠合板，新型密拼叠合板DHB-A1的承载力有明显提升。其中，经计算可知，拼缝处设方形抗剪键槽的叠合板试件DHB-A1的承载力较标准试件DHB-1提升了17%左右，从而证明了新型开槽方式的合理性。

为对不同形式的抗剪键槽式叠合板的承载能力进行对比分析，提取A组试件的荷载-位移曲线如图7所示。由图7可知，设有弧形抗剪键槽的试件DHB-A3、DHB-A4的承载力略低于方形抗剪键槽试件DHB-A1、DHB-A2；设有相同形状的抗剪键槽叠合板中，内设钢筋笼的叠合板试件DHB-A2、DHB-A4的承载力明显提升。

3.2 云图分析

图8为当位移加载至4 mm时叠合板底板前期DAMAGET损伤云图。此时3组密拼式叠合板试件的损伤皆由跨中位置进行开展，而板端位置均未见较大损伤。通过对比分析3组试件的损伤云图可知，新型拼缝形式叠合板拼缝处损伤明显小于普通叠合板，且新型拼缝形式叠合板底板损伤演化规律有所不同，普通叠合板底板拼缝处前期已出现了较大损伤，且损伤位置集中于底板拼缝处；而新型拼缝形式叠合板底板的损伤是先产生在非拼缝处，然后演化至拼缝处。

图9为位移加载至40 mm时叠合板底板后期损伤云图，此时3组密拼式叠合板试件的损伤范围由跨中位置延展至板端位置，底板整体产生较大面积损伤。经对比可知，3组试件的损伤数值及范围皆相差不大，皆未出现抗剪键与混凝土脱开受力现象。由此说明，虽然叠合板的预制底板和现浇层存在混凝土二次浇筑的现象，但二者能通过抗剪键型槽进行有效连接，叠合层并未出现相对滑移，具有较强的整体性。

图10为拼缝处附加钢筋Mises应力云图。对应力分布位置分析可知：3组试件拼缝位置处附加钢筋网的纵向钢筋皆承担了较大应力，并延跨中向两侧发展；试件DHB-A2拼缝处抗剪键内置钢筋笼的横向钢筋亦可有效承担应力。对3组附加钢筋网Mises应力的数值进行分析可知，由于抗剪键槽的存在，增大了预制板与叠合板间叠合面的摩擦，从而使得拼缝位置处混凝土抗剪键、内置钢筋笼与附加钢筋共同受力，使得试件DHB-A1和DHB-A2拼缝处附加钢筋网的Mises应力明显低于DHB-1。

图11为叠合板预制板底板钢筋Mises应力云图。由图可知，叠合板试件预制底板的钢筋应力分布较为均匀，板底纵筋跨中位置出现大面积屈服，但由于预制板纵筋不通长，在跨中部位无法进行有效传力，叠合板试件DHB-A1、DHB-A2与DHB-1的预制底板钢筋应力分布情况较为一致，数值上DHB-A1、DHB-A2明显低于DHB-1。

图12为叠合板现浇层钢筋的Mises应力云图。与预制板钢筋分布规律不同，带有抗剪键槽叠合板的现浇层钢筋应力反而大于普通密拼试件。结合上文承载力对比分析，结果表明，由于抗剪键槽的存在增加了叠合板预制层与现浇层协同工作性能，使得现浇层钢筋更好地分担预制层钢筋与附加层钢筋的应力，从而增加整体叠合板的抗弯承载力。

4 结 语

本文对所提出的新型开槽设抗剪键槽式密拼叠合版的受弯承载力进行了研究，通过数值分析得出如下结论。

1）新型拼缝叠合板的变形表现出了良好的整体性，拼缝处方形抗剪键槽叠合板试件的承载力较标准试件提升了17%左右，且在达到极限荷载后，叠合楼板的承载力仍未出现明显下降。

2）拼缝处是否开槽、抗剪键槽的形状与是否内置钢筋笼是影响叠合板受力性能的重要因素。弧形抗剪键槽承载力低于方形抗剪键槽，设有相同形状的抗剪键槽叠合板中，内设钢筋笼叠合板的承载力明显提升。

本文仅选取了7组不同形式与尺寸的抗剪键槽密拼叠合板试件进行了承载力研究，未来还需进一步讨论拼缝处附加钢筋的形式及其横截面积等因素对抗剪键槽密拼叠合板承载力的影响规律。

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[14]JGJ 1—2014，装配式混凝土结构技术规程[S].

[15]GB 50010—2010，混凝土结构设计规范（2015年版）[S].

收稿日期：2023-06-08;修回日期：2023-09-07；责任编辑：王淑霞

基金项目：石家庄市重点研发计划项目（221230133A）；河北省高等学校科学技术研究项目（QN2023079）；河北省引进留学人员资助项目（C20220320）

第一作者简介：

韩双林（1967—），男，河北定州人，正高级工程师，主要从事建筑产业化方面的研究。

通信作者：

蒋录珍副教授。E-mail：jiangluzhen@163.com

李佳蔚。E-mail：2353935660@qq.com

韩双林，李佳蔚，孙悦平，等.

基于ABAQUS的新型密拼叠合板承载能力比较研究

［J］.河北工业科技，2024，41（1）：44-52.

HAN Shuanglin，LI Jiawei，SUN Yueping，et al.

Comparative study on the load-bearing capacity of a new type of composite slab connected without gap based on ABAQUS

［J］. Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2024，41（1）：44-52.