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摘要：模块化建筑区别于传统工艺中单个构件，模块化建筑的优势在于，将每个建筑单元均作为结构构件，具有更强的整体性与稳定性；在施工组装过程中仅需将建筑单元相互连接，节约了施工工期与人力资源。本文对一块完整的预制钢筋混凝土模壳板，一块偏心位置开洞的预制钢筋混凝土模壳板、一块跨中位置开洞的预制混凝土模壳板进行静力堆载试验研究，分析其抗弯性能， 发现无论模壳板内部是否开洞，模壳板外侧析架钢筋位置处率先发生开裂；孔洞的设置对模壳板的整体强度具有显著的影响。

关键词：装配式建筑；模块化建筑；静力试验

模块化建筑是预制装配式工业化建筑高度发展的结果，其将复杂的建筑结构分解成单个独立的模块，这些模块可以在工厂建造到完全安装状态，包括地板、照明、管道和供暖的安装，然后运输到现场拼装成完整的建筑[1-3]。模块化建筑的特点在于可以达到极高的装配比例，在一些特殊的项目中，装配比例往往可以超过80%[4-6]。

模块化建筑根据使用的建筑材料可以分为盒式模块化建筑、模块化混凝土建筑和模块化木结构建筑，其中盒式模块化建筑的基本组成单元可以细分为角柱支撑单元、墙体称重单元以及集装箱单元。本文研究的盒式建筑模壳板构件属于预制混凝土单元中的一个组成构件，预制混凝土单元一般适用于旅馆监狱等建筑物，其优势在于具有优秀的保温隔热性能在常温以及高温下均具有一定的结构强度，但单元本身自重较大，且生产过程中精度控制难度大。

从模块化建筑的角度来看，模块化建筑的外墙板不仅需要提供舒适温暖的建筑性能，做到保温隔热、隔声防水，还需提供安全居住的结构性能，增加模块的抗侧刚度和减小模块的层间位移，同时还要满足一定的抗震性能，因此外墙板的设计是十分重要的。

1 试件设计概况

本文提出了一种新型加载装置的设计想法，模拟模壳板在实际施工安装阶段中的约束与边界条件，在该加载装置中对三种不同形式新型模块化建筑模壳板进行了静力堆载试验，分析每种试件的抗弯性能。

1.1试验构件与试验仪器

本次试验中设计的试件为新型模块化建筑模壳板，创新点在于叠合板混凝土厚度仅为30mm，施工的拼装阶段，叠合板既为构件同时也充当了模具的作用，简化施工步骤的同时，节省了材料，示意图见图1。

试验中制作了3块钢筋混凝土叠合墙板，其尺寸为1800mm*2800mm*30mm。其中试件1为完整的叠合墙板，板体无任何开洞，编号定为QM1；构件2为构件右侧开洞的墙板，开洞的目的在于模拟实际使用时门窗的布置，开洞尺寸为1000mm*700mm，编号定为QM2；构件3与构件2相同为开洞墙板，开洞的位置发生了改变，编号定为QM3，三组试件构件尺寸详情如表1所示。

其中，混凝土设计强度为C60；析架筋和分布钢筋均采用HRB400级热轧钢筋；析架钢筋型号及其制作详见预制构件节点大样；底板最外层钢筋混凝土保护层厚度为10mm；析架钢筋与分布钢筋满扎。

1.2试验仪器

（1）应变片：本次试验对混凝土的应变测量采用BX120-100aa免焊型应变片，在对钢筋进行应变测量时应变采用BX120-3aa免焊型应变片。在预制厂内，加试件浇筑前，对分布钢筋与析架钢筋粘贴应变片位置处进行打磨，待所需位置处打磨光滑平整后进行粘贴，由于构件浇筑完成后需要进行养护，需要使用环氧树脂进行涂抹保护。考虑到混凝土浇筑过程中，会采用振捣台进行振捣，混凝土的骨料可能会对应变片本身以及导线产生损坏，所以采用绝缘胶布对应变片与导线进行保护，保证其完整性。

（2）位移计：本次试验中设置了4个KTR2型位移计，设置位移计的目的在于实时监测和记录试验过程中构件的位移沉降和挠度变化。

（3）数据采集仪：试验过程中采用东华DH5981动态信号采集仪进行采集，在试验时将采集仪统一放置在不易扰动位置，防止人为移动，影响数据记录。

（4）铁质祛码配重块;采用的是铁质祛码配置块，每块的标准质量为l0kg，误差不超过lkg。

2加载装置与加载方案

本次静载试验中的新型模块化建筑模壳板受力时的约束条件和边界条件较为特殊，所以为此试验设计了一种新型的加载装置。加载装置的设计借助了BIM技术，使用Revit软件进行建模设计，在借助相应的结构软件确保了结构稳定性后，借助Lumion软件进行相应的图像渲染，借助以上步骤可以使得设计阶段更为直观，更好的完成加载装置的设计。图2为在Revit软件中对加载装置进行建模。

加载装置由2部分组成：主体部分与上部槽钢组合梁结构。其中主体结构对上部槽钢组合梁、试验构件以及祛码提供支撑作用。其中钢材的材料为Q235B，焊缝采用坡口焊，等级为二级焊缝；顶部槽钢组合梁与下部主体结构没有设置相互间的约束，试验时采用螺杆与螺帽的组合形式将槽钢组合梁定位，固定在主体结构上部。试验构件与主体结构的连接采用M30的螺纹杆，在组合梁的上部使用2个螺帽进行固定，且在螺帽下部加装钢制的尺寸为150mm*150mm*20mm的钢制垫片进行加固稳定。

3试验现象与分析

3.1 QM1试件试验分析

试件QM1在本次试验中所承受的荷载主要为施工拼装阶段，在连接位置浇筑的混凝土所产生的侧压力转化为梯形荷载的祛码重量。先进行预实验，在预实验的整个阶段内，对试件内布置的应变片以及板底布置的位移计的数据可知，在预实验加载的全过程内试件中混凝土和钢筋部分均处于弹性阶段，且墙板变形程度微小。

在预实验完成后进行试验的正式加载阶段，在初期的加载过程中，试件QM1未有明显变化，但应变计以及位移计的读数均有所变化。在第一阶段加载结束后，墙板没有发生明显的形变、没有裂缝的产生；在第二段荷载试施加完成后，试件整体情况完好，无明显变形以及裂缝的产生，待荷载加载完毕后，静置10分钟后，各项数据稳定后进行读取记录，记录完成后继续后续加载;施加第三段荷载后，试件状况良好，无明显形变，无裂缝生成；当第四阶段荷载加载完毕后，构件产生轻微的形变，但无裂缝生成;在第五阶段后墙板能明显观察到发生变形，且有一条裂缝产生，宽度为0.03mm，长度约为2000mm，裂缝的分布示意图见图3-2此时，试验停止。加载过程中发现试件有明显翘起，卸载完成后，未在构件另外一侧发生裂缝的生成。QM1试件产生的裂缝见图3、 4。

位移计的数据记录后所得的时间位移曲线见图5。

现对QM-1试件的开裂应力进行分析。试验时，经过5级加载后，混凝土上表面发生开裂，开裂区域为混凝土板右侧析架钢筋附近区域。由于试验时裂缝的发展、祛码堆放等因素的影响，Z3， Z6， Z7应变片发生破坏，没有得到相应的数据。所以，分析改试件的开裂荷载，主要数据来源于Z1， Z4， Z9这3组应变片，相应的时间-应变曲线见图6～8。

对以上三组数进行分析可得，在试验加载的全过程中，开裂部位的应变增量分别达到了Z1（+262.216με），Z4（+413.227με）， Z9（+1776.443με）。其中试验中裂缝产生后，处于安全角度考虑，停止了荷载的加载。此时裂缝处于Z3～Z9应变片附近。

由材料力学公式E =σ/ε可知，求得3组应变片处，混凝土墙板的应力增量分别为：Z1（9.4398MPa），Z4（14.876MPa），  Z9（63.952MPa）。其中Z1， Z4处并未发生开裂，而Z9处在应力为达到最大值时，己经有裂缝的生成，所以可知，该试件的混凝土的开裂应力值的范围在（14.876MPa，  63.952MPa）这个区间内。

对构件表面的裂缝进行观察可知：裂缝从墙板右侧底部向上延伸，最终发展为从下至上的贯穿型裂缝，应变片Z3处的裂缝贯穿了应变片位置向上继续延展。分析Z3的数据可知，在试验加载的前段过程中，应变片处于正常工作状态，当该部位的应变增量达到521.24。时，应变片发生异常状态，数据明显发生了错误。分析试验加载时的时间历程可知，该位置在此时裂缝己经生成，且贯穿了应变片，导致了应变片无法正常工作。所以可以推断，此时的混凝土应力值使得开裂现象产生。

根据由材料力学公式：E =σ/ε可知，此时该位置的应力为18.009MPa，与上述推断的区间符合，所以可以判断，改试件的混凝土开裂时的应力约为18. 009MPa。

图9为构件背面所设置应变片的应变时间曲线，如图可知，墙板背面设置应变片区域的应变变化最大值为196.53με，所得应力变化值为7.0751MPa。改数值小于上述开裂时该试件混凝土的应力值，与实际试验中构件背面未发生开裂的事实相符合。

对裂缝附近的析架钢筋以及分布钢筋的数据进行分析，相对应的曲线如图10， 11所示。

从数据中可以看出，虽然试件的混凝土己经开始产生裂缝，但无论是构件的析架钢筋或是分布钢筋，其应变数值较小，根据材料力学理论换算得知，钢筋的应力数值均为达到强化阶段，仍处于弹性变形阶段，且根据加载后的与试验开始时的数据进行对比可知，在开裂位置处，析架钢筋与分布钢筋分别受到拉应力和压应力。

3.2 QM2试件试验分析

试件QM2与QM1的加载方式相同。在第五阶段后墙板能明显观察到发生变形，且有一条裂缝产生，宽度为0.03mm，长度约为2000mm，裂缝的分布如图3-2所示。此时，试验停止。在加载时，发现试件出现了明显翘起的现象，试件产生的裂缝见图12，卸载完成后，未在构件另外一侧发生裂缝的生成，QM1试件产生的裂缝见图13。

位移计的数据记录后所得的时间位移曲线见图14。

试验时，经过5级加载后，混凝土上表面发生开裂，开裂区域为混凝土板右侧开洞位置的析架钢筋附近位置。

对构件表面的裂缝进行观察可知：试件主体主要有2组裂缝产生，一组为裂缝从墙板右侧底部向上延伸，最终发展为从下至上的贯穿型裂缝；另一组分布在洞口的直角处。

分析应变时间曲线，该试件裂缝发展位置附近的应变增量约为130με。

根据材料力学的公式E =σ/ε可知，该试件发生破坏时，混凝土内的应力值约为4.68MPa。

图15为构件背面所设置应变片的应变时间曲线，如图可知，墙板背面设置应变片区域的应变变化最大值为183.12με，所得应力变化值为6.5923MPa。改数值小于上述开裂时该试件混凝土的应力值，与实际试验中构件背面未发生开裂的事实相符合，并且与QM1板底的应变分析得到相互印证。

分析开裂位置的钢筋应变曲线（见图16，17）可以得出，QM2试件与QM1试件开裂时，钢筋受力情况基本吻合，均处于弹性变形阶段。且受压受拉情况相同。

3.3 QM3试件试验分析

试件QM3加载方式与QM1、QM2相同，情况均也相同，仅在第五阶段荷载加载完成后墙板能明显观察到发生变形，且产生了裂缝，宽度为0.02mm，长度约为700mm。

QM3试件中裂缝的产生为，从模壳板底部向上延伸，但并未形成贯穿裂缝。分析分析应变时间曲线，该试件裂缝发展位置附近的应变增量约为260.21με。

由材料力学公式：E =σ/ε可知。该试件发生破坏时，混凝土内的应力值约为9.3676MPa。

图21为构件背面所设置应变片的应变时间曲线，如图可知，墙板背面设置应变片区域的应变变化最大值为105.39με，所得应力变化值为3.794值小于上述开裂时该试件混凝土的应力值，与实际试验中构件背面未

发生开裂的事实相符合，并且与OM1，  OM2分析所得到相互吻合。

采用同样的分析方式，对裂缝附近的析架钢筋以及分布钢筋的数据进行分析，相对应的曲线如图22，23所示。

分析三组试件试验所得的钢筋时间-应变曲线可以得知，三组构件在混凝土板发生开裂后，钢筋均处在弹性变形阶段，且每组构件间钢筋的应力值变化趋势较为吻合，可以证明，本文中设计的新型模块化建筑模壳板中所采用的钢筋尺寸以及标号可以满足在施工拼装阶段所需的强度指标。

4结论

本文对新型模块化建筑模壳板的抗弯性能试验进行了叙述和分析，从混凝土的开

裂、裂缝的发展规律、构件的时间-应变曲线等几个方面进行分析，得出如下结论：

（1）三块模壳板在整个受弯过程中均为发生断裂且承载力始终保持持续增长的趋势，其屈服平台较长，说明模壳板具有良好的抗弯变形性能。

（2）通过分析三组试件裂缝的发展情况，可知无论是完整的模壳板还是内部开洞的模壳板，裂缝出现的位置和试件破坏的趋势大体上是一致的，首先发生开裂的位置均在外侧析架钢筋的位置附近，从发展的趋势来看均为从底部向上延伸，说明无论模壳板内部是否开洞，该位置均会首先发生开裂现象。这对、模壳板的设计优化以及施工工程提供了理论依据。

（3）从三组数据可以看出完整模壳板开裂时，裂缝位置附近的应力值约为18.009MPa；开洞模壳板发生开裂时，裂缝位置附近的应力值均小于10MPa，差距较大，所以孔洞的设置对模壳板的整体强度具有显著的影响。

参考文献

[1] Lacey A W， Chen W，Hao H，et al. Structural response of modular buildings-An overview [J] .Journal of Building Engineering， 2018.

[2] Lawson R M，Byfield M P， Popo-Ola S O，et al. Robustness Of Light Steel Frames And Modular Construction[J]. Construction materials， 2009， 162（cml）：p.39.

[3] D Lopez， Froese T M. Analysis of Costs and Benefits of Panelized and Modular Prefabricated Homes[J]. Procedia Engineering， 2016， 145：1291-1297.

[4] 王宁，黄永胜，黄敦坚. 模块化一一建筑产业化发展的必由之路[J].建筑，2015 （09） ：16-23 .

[5] Smith R E. Prefab Architecture： A Guide to Modular Design and Construction[J]. Wiley， 2011.

[6] 明扬.模块化钢框架新型连接节点及结构力学性能研究[D].青岛理工大学.