装配式混凝土结构因其施工效率高、产品质量好和绿色低碳的优点，在国内外得到了广泛的应用^[1-5]. 混凝土叠合板作为装配式结构的重要构件，由预制混凝土底板与后浇混凝土叠合而成^[6]. 随着社会的发展，人们对建筑物的环境、功能、质量提出了更高的要求，现代房屋对柱网和梁的布置逐渐简化，朝着便于空间分割、满足市政及暖通设施管线内置的大柱网、少梁的大跨度方向发展. 与实心楼板相比，混凝土空心叠合楼板，具有跨度大、自重轻、成本低等优势，减少了次梁的布置，有效降低建筑层高；同时，空心叠合楼板内部形成的密闭空腔结构，具有保温、隔热、隔音降噪的优点. 因此研发大跨度混凝土空心叠合楼板具有重要的实际意义.

近年来，学者针对不同形式的混凝土空心板开展了大量的研究. 吴方伯等^[7-8]设计制作了2种预应力带肋叠合空心板，结果表明，板中内置塑料圆管芯模与板能较好地协同工作，使得板的整体性能较优，但空洞的存在削弱了板的刚度. 武立伟等^[9]对混凝土预制叠合空心板的静力试验展开研究，结果表明，承载能力与变形能力较大，整体工作性能较好，并建议在大跨度施工阶段应在跨中设置临时支撑. Baran^[10]对比分析混凝土实心板和空心板的静力试验和理论计算，结果表明，两者具有相似的受力特征和破坏形态. 罗斌^[11]开展不同构造形式的复合叠合板与现浇普通混凝土板的受弯性能对比试验，结果表明，构造形式对复合叠合板的受弯性能有一定的影响，并给出了计算短期弯曲刚度的建议.

结合现有混凝土空心叠合板的优点，本研究提出内置空心薄壁箱的钢筋桁架混凝土叠合板^[12]（以下简称：空心叠合板），根据不同参数变化（薄壁箱空心大小、板厚度）的空心叠合板与1块作对比使用的现浇空心板，共计设计6块空心板，进行静力足尺模型受弯性能试验，分别从裂缝特征与破坏形态、钢筋应变、混凝土应变、截面整体工作性能及承载力等力学指标参数方面进行研究，以期为预制大跨度混凝土空心叠合楼盖的设计提供参考.

空心叠合板试件是由下部预制混凝土底板、上部现浇混凝土顶板及连接两者的竖向钢筋桁架、空心薄壁箱和钢筋网片等组成，其构造分布示意图如图1所示，其中空心薄壁箱是由厚度为10 mm的秸秆玻镁板拼接而成的空心箱体，具体尺寸构造如图2所示.

试验共设计了6块空心板，按照是否设置叠合面、板厚度与空心薄壁箱的大小不同分为3个对比组，分别为：现浇空心板(试件XJKB)、厚度不同的空心叠合板（试件DKB1、DKB2）、叠合板大小不同的空心薄壁箱（试件DKB2-1和DKB1-N，N=1~4）. 为了研究空心薄壁箱对叠合板整体受力性能的影响，布置了5种大小不同的空心薄壁箱，叠合空心板为二次浇筑一次受力的简支构件，叠合面均为人为纵向拉毛，深度不低于4 mm^[13]，现浇空心板为一次浇筑简支试件，各试件尺寸及变化参数见表1. 表中，H表示板的厚度，l₁×b₁表示空心薄壁箱的平面尺寸，h₁表示空心薄壁箱的厚度.

板的平面尺寸L×B均为4 200 mm×1 400 mm，厚度H=200、180 mm，预制底板厚度H₀=50 mm. 空心薄壁箱平面尺寸l₁×b₁为450 mm×450 mm和400 mm×400 mm，厚度h₁=60、80、90、100 mm. 板内预制层、现浇层分别布置8@100钢筋网片及3排桁架钢筋，其中桁架上、下弦钢筋均为8，桁架腹杆钢筋为$\phi $6，试件几何尺寸及配筋如图3所示（以试件DKB2-1为例）.

试验均使用C35商品混凝土，在浇筑板的同时预留边长为100 mm的立方体试块，与试件同条件养护，预制底板与后浇顶板实测混凝土立方体抗压强度分别为36.30、44.80 MPa，换算成混凝土轴心抗压强度分别为22.40、28.46 MPa，试验所用到的钢筋实测力学性能见表2. 表中，d表示钢筋直径，$ {f_{\mathrm{y}}} $表示钢筋抗拉屈服强度实测值，$ {f_{\mathrm{u}}} $表示钢筋抗拉极限强度，$ {E_{\mathrm{s}}} $表示钢筋弹性模量.

在厚板静载试验中，目前通常采用配重块堆载的方式来模拟均布荷载进行加载，但受试验条件制约，这种加载方式难以实现. 因此，本研究参考文献[5]及文献[14]~[16]的试验方法，采用三分点加载的方式进行受弯试验. 试验加载装置如图4所示. 将500 kN的压力传感器和千斤顶安装在反力架上，反力架与地坪锚固. 千斤顶将力施加于分配梁，通过分配梁将力传到加载梁上，加载梁将沿板宽方向的线荷载施加到板面上，实现三分点加载. 空心叠合板试件采用简支支座，该支座由2个圆钢和1个10 mm厚的钢板组成.

为了观测数据采集仪器的工作状态，在正式加载前先进行预加载. 在正式加载阶段，试件开裂前，每级加载增量设为2 kN；在试件开裂后，每级加载增量调整为4 kN；在达到荷载标准值后，继续加载，为了获取极限破坏状态，加载至试件破坏后仍持续加载，直至板受压区的混凝土被压碎^[17].

测量内容主要包括板整体变形、钢筋应变、混凝土应变及裂缝分布等，具体内容如下.

1）在试验中使用5个标距为200 mm的位移计（L1、L2、L3、L4、L5）沿板底长度方向均匀布置，2个标距为200 mm的位移计（L6、L7）分别布置于板顶的两侧，4个标距为100 mm的位移计（H1、H2、H3、H4）分别布置于板短边方向的两侧. 位移计及板侧混凝土应变片布置如图5（a）所示.

2）主要测试的应变内容有混凝土应变、钢筋应变. 混凝土应变片主要布置在板跨中截面（顶面、底面均匀布置分别为D1~D8，侧面从上至下等距布置7个应变片，如图5（a）、（b）所示. 在板底纵筋上对称布置钢筋应变片（ZS-1、ZS-2、ZS-3等），在桁架钢筋上弦筋（SS-1、SS-2、SS-3等）及腹杆钢筋（SS-1-Y，Y=1~4）上布置应变片，如图5（c）所示.

3）试验中采用肉眼观测、放大镜观测和HC-F800型混凝土裂缝缺陷综合测试仪等综合测量方法，对板裂缝进行测量，描绘裂缝并记录对应荷载，确定板的开裂荷载.

空心叠合板试件在竖向荷载作用下的受力过程为典型的弯曲破坏，可分为3个阶段：1）第1阶段为开始加载至混凝土开裂前的弹性阶段，此时混凝土、钢筋的应力应变均较小，板荷载和挠度也较小. 2）第2阶段以混凝土开裂为开始标志，板底跨中出现裂缝，宽度为0.03 mm，随着荷载增大，裂缝向其长度方向迅速扩展，数量增多，并向板两侧面延伸，钢筋开始屈服，进入弹塑性工作阶段. 3）第3阶段主要表现为荷载增长缓慢而变形增长迅速，板底裂缝迅速增多，裂缝宽度迅速增大，垂直向上穿过叠合层后逐渐向板顶发展，板变形较大，板面混凝土压碎，试验结束. 板侧面、板底裂缝分布分别如图6（a）、(b)所示.

在卸载时，试件的挠度明显减小，说明受弯后板内的钢筋还没有完全失效，仍有一定的恢复能力，裂缝宽度均有一定程度的减小，各试件破坏后板底跨中主要裂缝间距约为100~120 mm，板底跨中典型裂缝分布如图6（c）所示.

各试件跨中荷载F-跨中位移$\varDelta $曲线如图7所示，图中，跨中位移$\varDelta $参照《混凝土结构试验方法标准》^[18]要求，采用0.98倍试验值进行修正. 可以看出，叠合空心板与现浇空心板表现出相似的受弯性能，破坏特征基本一致. 受弯破坏全过程的荷载-位移曲线表现为3个阶段，在混凝土开裂前，试件处于弹性阶段，荷载-位移曲线呈线性变化；在混凝土开裂后，荷载-位移曲线出现明显的转折，裂缝迅速向板底两侧开展；在钢筋屈服以后，荷载-位移曲线趋于平滑，荷载没有显著变化，位移迅速增大.

5块空心叠合板和1块现浇空心板在同级荷载作用下，DKB2-1的承载力F最大，说明板厚的增加对提高试件承载力影响较大；6块板的曲线在弹性阶段基本重合，说明空心板的板厚与空心薄壁箱的大小对试件的弯曲刚度影响较小；板厚相同的5块板，整个受力曲线基本一致，其中试件DKB1-1与DKB1-3在屈服后的荷载位移曲线，整体略低于试件XJKB的，经计算两者荷载相对试件XJKB均小于3.2%，表明空心薄壁箱的大小对试件的整体受弯影响较小，进一步说明空心叠合板的预制层与现浇层协调工作性能良好. 因此，在计算叠合空心板的正截面的受弯承载力时，可参考现浇空心板的计算方法.

如图8所示为试件底层跨中纵向钢筋荷载F-应变$\varepsilon $曲线. 可以看出，在混凝土开裂前，钢筋应变随着荷载F的增加呈线性增加，在试件开裂后，受拉钢筋的应变逐渐呈非线性变化. 试件DKB2-1的钢筋应变曲线显示，板厚度对试件的影响较为显著，随着板厚增加，试件的承载力明显提高. 而其余试件的荷载-应变曲线表现较为一致，这表明在板厚相同的条件下，空心叠合板与现浇空心板的承载力相近.

在板底面和上表面跨中位置分别布置应变片，跨中截面混凝土应变随荷载的变化如图9所示. 可以看出，板底面跨中混凝土应变片以受拉为主，在加载初期呈现线性增长趋势，4个应变片数值相差不大，当混凝土开裂后，应变急剧增大，应变片数值相差较为明显，直至破坏；板表面跨中应变片以受压为主，随着表面混凝土压力的增大而增大，4个应变片数值相差不大，整体趋势一致. 由混凝土跨中荷载-应变曲线可知，整个加载过程中混凝土的应变表现良好，其中试件DKB1-2中的D2应变片和试件XJKB中的D4应变片曲线表现异常，原因是在加载的过程中应变片脱落.

在板跨中外侧沿板厚度方向黏贴混凝土应变片，得到跨中截面混凝土应变随荷载的变化如图10所示. 图中，h为应变片距离板中的高度. 可以看出，在混凝土弹性工作阶段，沿截面高度分布的混凝土应变近似成直线分布，基本满足平截面假定.

如图11所示为试件预制底板与后浇层板端黏结滑移曲线. 图中，$\Delta H $为滑移量，由试件板端位移计测得，其中$ \Delta {H}_1=|{H}_1-{H}_2|$和$\Delta {H}_2=|{H}_3-{H}_4| $. 由图可知，5块空心叠合板在弹性阶段，预制底板与后浇层协调工作性能表现良好，未出现滑移现象；在弹塑性阶段至破坏阶段，预制底板与后浇层没有出现滑移现象. 板厚为180 mm的其余3块板滑移曲线与图11（a）曲线相近.

从试验结果分析可知，空心叠合板在荷载作用下与传统板的受力性能基本一致，整个受力过程表现为梁式受弯破坏特征. 计算试件正截面极限承载力，把桁架钢筋的上、下弦钢筋按受压、受拉钢筋计入到$A'_{\mathrm{s}} $和$A_{\mathrm{s}} $中，试件正截面极限承载力简化计算模型如图12所示. 同时，基于以下假设：1）试件满足平截面假定；2）不考虑混凝土的抗拉强度；3）不考虑预制底板与后浇层的黏结滑移；4）不考虑空心薄壁箱尺寸.

根据力的平衡方程，列出如下公式：

(1)$ {M_{\mathrm{u,B}}} = \alpha_1 {f_{\mathrm{c}}}bx\left({h_{0,{\mathrm{B}}}} - \frac{x}{2}\right)+f'_{\mathrm{y}}A'_{\mathrm{s}}({h_{0,{\mathrm{B}}}} - {a_{\mathrm{s}}}), $

(2)$ {f_{\mathrm{y}}}{A_{\mathrm{s}}} = f'_{\mathrm{y}}A'_{\mathrm{s}}+\alpha_1{f_{\mathrm{c}}}bx, $

(3)$ {M_{\text{u,B}}} = \frac{1}{6}{F_{{\text{u}},{\text{c}}}}{L_0}. $

式中：$ {M_{\text{u,B}}} $为空心板试件的极限弯矩，$ {f_{\mathrm{c}}} $为混凝土轴心抗压强度实测平均值，$ {f_{\mathrm{y}}} $为纵向受拉钢筋屈服强度实测值，$ f_{\mathrm{y}}^{'} $为纵向受压钢筋屈服强度实测值，$ {A_{\mathrm{s}}} $为纵向受拉钢筋截面面积，$ A_{\mathrm{s}}^{'} $为纵向受压钢筋截面面积，$ {h_{0,{\mathrm{B}}}} $为截面有效高度，$ x $为受压区高度，α₁为受压区混凝土矩形应力图的应力值与混凝土轴心抗压强度设计值的比值，当混凝土强度等级不大于C50时，α₁=1.0；b为混凝土截面宽度；a_s为纵向受拉钢筋合力点到截面受拉边缘的距离；L₀为板净跨度. 基于以上假设和式（1）~（3）计算可得，当板厚为180 mm时，极限承载力理论值F_u,c=142.86 kN，当板厚为200 mm时，极限承载力理论值F_u,c=161.80 kN.

如表3所示列出了各试件的承载力比较. 表中，F_cr 为开裂荷载试验值，F_u,t为极限荷载试验值，F_u,c为极限荷载理论值，µ 为极限荷载相对误差. 可以看出，试件DKB1-3的开裂荷载较同一尺寸的其他试件的略大，说明试件内纵向肋梁截面越大，其前期刚度、开裂荷载越大；相比试件XJKB，试件DKB2-1极限承载力提高了18.7%，试件DKB1与试件XJKB极限承载力的大小基本一致，说明增大空心叠合板厚度可有效提高板的极限承载力，薄壁空心箱的存在对板的极限承载力影响较小；对比不同构造形式的空心叠合板，其极限承载力的试验值和理论值基本一致，误差均小于6.0%，说明在计算空心叠合板极限荷载时，应充分考虑桁架钢筋上、下弦纵向钢筋的作用；试件的开裂荷载与极限荷载比值均为20% ~30%，说明试件在开裂后仍有充分的承载力安全储备.

（1）在正常使用阶段，空心叠合板与现浇空心板在破坏形态、承载力、裂缝分布和截面整体工作性能等方面基本一致. 在极限状态下，空心叠合板在预制底板与现浇层之间出现局部水平裂缝，但没有明显的相对滑移，对空心叠合板的极限承载力影响较小.

（2）预制底板与现浇层协同工作性能良好，在弹性阶段，空心叠合板的弯曲过程满足平截面假定.

（3）空心叠合板可有效降低板的自重，可以满足规范中对施工阶段和使用阶段的承载力要求. 在空心薄壁箱相同的情况下，板厚越大，板的承载能力越高，试件DKB2-1较XJKB的极限承载力提高了18.7%；在板厚相同的情况下，空心薄壁箱对各试件承载力影响较小，XJKB板承载力较DKB1承载力的相对误差均小于3.21%；空心叠合板开裂后仍有充分的承载力安全储备.

（4）在计算空心叠合板极限承载力时，可参考现浇空心板的计算方法，但应考虑钢筋桁架的贡献，把桁架上、下弦钢筋计入受压、受拉区钢筋截面面积一并计算.

空心叠合板试件的试验性能表现良好，但试件数量偏少，针对空心叠合板试件的参数化分析及模型优化设计须进一步完善；为了满足工程应用要求，还须进一步开展以空心叠合板为单元体构建的双向受力楼盖模型研究.