預應力開洞樓板研究

郭 磊，梁健衡，林小兵，呂海霞

（1、廣東省建筑科學研究院集團股份有限公司 廣州 510500；2、廣東水利電力職業(yè)技術學院 廣州 510635）

0 引言

預應力混凝土經(jīng)過近半個世紀的發(fā)展，現(xiàn)在已成為土建工程中一種十分重要的結構形式。隨著國內預應力混凝土技術的發(fā)展，已建成了一大批預應力混凝土結構的建筑。隨著社會的發(fā)展，建筑的使用功能要求越來越復雜化、多樣化，一批已建成的預應力混凝土結構建筑的功能改造要求（如樓板開洞增加扶梯、提高樓板承載能力等）也逐漸變得越來越迫切［1，2］。雖然對于預應力樓板開洞有一定量的實驗與數(shù)值模擬研究［3，4］，但由于目前國內的實際應用工程較少、積累不多，尚未形成一整套完善的處理工藝工法，使得此類型的改造工程較難得到推進。本文基于目前的這種現(xiàn)狀，針對無粘結預應力樓板開洞施工工法進行可行性研究，為日后同類型工程的開展提供參考。

1 試驗方法

1.1 試件設計

依據(jù)已有的工程實例，結合試驗條件及研究內容，設計了3 塊預應力樓板進行試驗，分別為不開洞預應力樓板B1、鋼板加固的開洞預應力樓板B2 及開洞預應力樓板B3（無加固）。試驗中試件的主要參數(shù)的具體取值如表1所示。

預應力樓板的開洞情況［5］以及鋼板框加固洞口情況［6］如圖1、圖2所示。其中鋼板框加固和無加固預應力樓板的配筋情況完全相同，為了分析數(shù)據(jù)的一致性，無開洞預應力樓板的尺寸和配筋均與開洞預應力樓板相同，無開洞預應力樓板的板面鋼筋拉通。

試驗用混凝土的強度等級為C40，3 個試件28 d立方體抗壓強度為 37.9 MPa、38.5 MPa、35.8 MPa。

預應力鋼筋采用公稱直徑為12.7 的鋼絞線，最大拉力196.1 kN，抗拉強度1 990 MPa，最大力總伸長率4.9%，彈性模量 195±10 GPa［7，8］。

普通鋼筋箍筋和樓板鋼筋采用HPB300，梁柱受力鋼筋選用HRB400。

1.2 試驗測試內容及測點布置

本次樓板試驗主要測試4 項內容，分別為樓板和鋼筋應變測試、樓板撓度測試、預應力損傷及裂縫變化情況。

⑴應變測試：采用電阻式應變片，B1 號板共布置21 個應變測試點，如圖3b 中點1～20 及中心點。B2號及B3 號板共布置25 個應變測試點，如圖3a 中點1～20 及31～34 號點。所有的應變測點均布置在樓板的下表面。在試驗中分別測試各級荷載作用下和卸載后樓板應變的變化情況。

表1 試件型號及數(shù)量Tab.1 Types and Quantities of Specimens

圖1 樓板開洞及預應力鋼筋布置示意圖Fig.1 Floor Slab Opening and Prestressed Steel Bar Layout Schematic

⑵撓度測試：采用位移計，B1 號板共布置11 個撓度測點，分別為點 41～50 及點 53。B2 號和 B3 號板共布置12 個應變測試點，分別為點41～50 及點53。所有的撓度測點均布置在樓板的下表面。在試驗中分別測試在各級荷載作用下和卸載后樓板撓度的變化情況，如圖4所示。

⑶預應力筋的應力測試：在端部采用壓力傳感器測預應力鋼筋的應力變化，為點51、52 和60 的位置，如圖4所示。

圖2 鋼板框加固洞口示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Steel Frame Reinforcement Hole

圖3 應變片布置圖Fig.3 Strain Gauge Layout

圖4 位移計布置圖Fig.4 Displacement Meter Layout

⑷裂縫觀測：采用裂縫測寬儀觀察裂縫的出現(xiàn)并測量裂縫寬度，主要觀測在荷載作用下樓板裂縫的發(fā)展情況。

⑸普通鋼筋的應力測試：采用鋼筋應變片，布置了10 個測點，分別為測點21～30。如圖5所示。

圖5 普通鋼筋應變片布置圖Fig.5 Ordinary Steel Strain Gauge Layout

1.3 加載方式

通過對樓板施加12 個點的荷載近似模擬均布荷載。逐級加載每級增加1.1 kN/m2，每級加載持續(xù)10 min，當出現(xiàn)明顯裂縫后，每級增加0.6 kN/m2。如若發(fā)生以下情況表明試件達到極限承載能力，即可停止加載，并分五級卸載。

2 試驗結果對比分析

2.1 不開洞樓板B1結果分析

不開洞樓板的實驗數(shù)據(jù)如圖6～圖8所示，從試驗數(shù)據(jù)可以看出，不開洞樓板從荷載180 kN 開始，產(chǎn)生可見裂縫，混凝土應變變化出現(xiàn)拐點，裂縫不斷擴張，應變迅速增大，在荷載增大到415 kN，39 號測點對應的鋼筋失效。在荷載增大到440 kN 停止加載時，樓板并未發(fā)生過大變形。最大位移為36.92 mm。

圖6 B1 板混凝土各測點應變變化Fig.6 Strain Variation of B1 Slab Concrete at Various Measuring Points

圖7 B1 板普通鋼筋各測點應變變化Fig.7 Variation of Strain of B1 Plate Common Steel Bar at Various Measuring Points

圖8 B1 板混凝土板各測點位移變化Fig.8 Variation of Displacement at Each Measuring Point of B1 Slab Concrete Slab

2.2 鋼板加固開洞樓板B2結果分析

鋼板加固開洞樓板B2 的試驗數(shù)據(jù)如圖9～圖12，從試驗數(shù)據(jù)可以看出，鋼板加固開洞樓板從荷載189 kN 開始，產(chǎn)生可見裂縫，混凝土應變變化出現(xiàn)拐點，裂縫不斷擴張，應變迅速增大，在荷載增大到255 kN，樓板發(fā)生巨響時刻，測得某根普通鋼筋應變出現(xiàn)拐點，不再增大，應為粘結失效。在400 kN 停止加載時，樓板并未發(fā)生過大變形，只是鋼板局部粘結失效。最大位移為36.33 mm。

圖9 B2 板混凝土各測點應變變化Fig.9 Variation of Strain at Rach Measuring Point of B2 Slab Concrete

圖10 B2 板普通鋼筋各測點應變變化Fig.10 Variation of Strain at Each Measuring Point of Common Reinforcement in B2 Slab

圖11 B2 板加固鋼板各測點應變變化Fig.11 Variation of Strain at Each Measuring Point of Steel Plate Strengthened with B2 Plate

2.3 開洞樓板（不加固）B3結果分析

不加固開洞樓板試驗數(shù)據(jù)如圖13、圖14所示。試驗現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)開洞樓板從荷載180 kN 開始，產(chǎn)生可見裂縫，從試驗數(shù)據(jù)可以看出，在荷載增大到136 kN時，局部混凝土應變變化出現(xiàn)拐點，裂縫不斷擴張，應變迅速增大，在荷載增大到265 kN，樓板發(fā)生巨響時刻，預應力筋拉斷。在395 kN 停止加載時，樓板裂縫和位移均較大。最大位移為45.315 mm。實際極限荷載應取265 kN。

圖12 B2 板混凝土板各測點位移變化Fig.12 Variation of Displacement at Each Measuring Point of B2 Slab Concrete Slab

圖13 B3 板普通鋼筋各測點應變變化Fig.13 Variation of Strain of Common Steel Bar in B3 Plate at Various Measuring Points

圖14 B3 板混凝土板各測點位移變化Fig.14 Variation of Displacement at Each Measuring Point of B3 Slab Concrete Slab

2.4 對比分析

3 塊樓板的最大位移隨荷載變化規(guī)律的差異如圖15所示，普通鋼筋應力隨荷載變化規(guī)律差異如圖16所示。試驗研究表明，開洞會降低開裂承載能力及極限承載能力，而合理的設置加固鋼板，可以避免開裂荷載降低，甚至可以一定程度上減緩開裂。同時鋼板加固可以一定成度上提高極限荷載，減少撓度，如表2所示。但是需保證鋼板與混凝土的粘結可靠。鋼板加固樓板B2 的開裂荷載相對開洞樓板B3 的開裂荷載提高了39%，較不開洞樓板B1 提高了5%，主要原因是鋼板加固減少了樓板支撐間距，相當于減小了“計算跨度”［9-10］。鋼板加固樓板B2 的開裂荷載相對開洞樓板B3 的開裂荷載提高了39%，較不開洞樓板B1 提高了5%，主要原因是鋼板加固減少了樓板支撐間距，相當于減小了“計算跨度”。

鋼板加固樓板B2 的極限荷載相對開洞樓板B3的極限荷載提高了51%，較不開洞樓板B1 略小3.6%，鋼板加固樓板達到極限荷載主要原因是鋼板與混凝土粘結失效引起。開洞樓板相對于不開洞樓板的開裂荷載降低了24%，極限荷載降低了36%。因此，樓板開洞對樓板的強度削弱較大，而鋼板加固可以有效提高開洞樓板的強度，鋼板粘結可靠的情況下，可以基本保證開洞樓板的強度與不開洞樓板強度相當。

表2 3 塊板的承載能力及撓度對比Tab.2 Comparisons of Bearing Capacity of Three Plates

圖15 3 塊板的最大位移隨荷載變化對比Fig.15 Comparison of Maximum Displacement of Three Plates with Load Change

圖16 3 塊板的普通鋼筋應變隨荷載變化對比Fig.16 Comparisons of Strain of Common Steel Bars with Load Change in Three Plates

3 結論建議

⑴樓板開洞會降低樓板的開裂荷載和極限承載能力。

⑵適當合理的對洞口進行加固，可以有效提高開裂荷載和極限荷載，減少撓度。

⑶開洞后預應力筋切斷，對預應力筋補張拉完成后可以保證樓板的承載能力。

⑷對于現(xiàn)有樓板開洞，原普通鋼筋需被截斷，截斷后需采取措施保證普通鋼筋的錨固。

⑸鋼板加固需保證鋼板和混凝土的粘結作用有效。