加固后現(xiàn)澆混凝土樓板承載能力分析與靜載實驗研究

李慧民，熊 登，張曉旭，熊 雄

（1.西安建筑科技大學土木工程學院，陜西 西安 710055；2.中冶建筑研究總院有限公司，北京 100088）

0 引 言

作為傳遞樓面荷載的主要承重構件，現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板需要滿足承載、變形及正常使用要求［1］，但在混凝土實際養(yǎng)護的過程中，伴隨著混凝土自身的收縮或外部溫度、濕度等環(huán)境條件的改變，易導致混凝土樓板產生裂縫。裂縫病害的產生，輕則影響樓板正常的使用功能，降低工程壽命，重則導致結構出現(xiàn)安全性問題，因此對現(xiàn)階段有裂縫病害產生的樓板，尤其是已澆筑成型的樓板有必要采用經濟合理，方法可行的加固方案來消減病害，而在加固后為全面了解樓板的承載能力，評定樓板的變形、應變、開裂及裂縫形態(tài)和寬度發(fā)展的情況，就需要對加固后樓板進行檢測。

1 工程概況

某市財富中心 A 座大廈為現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架-核心筒結構。該建筑地下 3 層，地上 18 層。該建筑抗震設防烈度為 8 度（0.20 g），設計地震分組為第一組，結構抗震等級為二級，建筑抗震設防類別為丙類。建筑設計使用年限為 50 年，結構安全等級為二級，樓蓋為現(xiàn)澆混凝土樓蓋，其中 9～10 層層高為 5.4 m，11～13 層層高為 4.2 m。根據(jù)該大廈設計圖紙，該建筑 9～13 層頂板混凝土設計強度等級為 C 30，鋼筋采用 HRB 400，原設計樓面活荷載標準值為 2.0 kN/m2。在實際使用中，樓板產生了局部裂縫和撓曲變形，考慮到樓層未來使用過程中會放置設備，從而增大樓面活荷載標準值，為滿足大廈的使用要求，故對其進行加固處理，加固方法采用對樓板下穿預應力鋼絞線，噴錨高性能水泥復合砂漿進行加固。為檢驗承載力是否滿足 GB/T 50344-2004《建筑結構檢測技術標準》、GB/T 50152-2012《混凝土結構試驗方法標準》及相關標準的要求，選取了該大廈較為典型的一處樓板進行原位加載試驗，來評定該樓板的承載能力和加固效果。

2 樓板承載力性能實荷檢測原位加載試驗

2.1 試驗荷載組合計算

按照國家規(guī)范 GB 50009-2012《建筑結構荷載規(guī)范》中對大廈辦公樓樓面活荷載標準值的規(guī)定，取其值為 2.0 kN/m2，永久荷載效應值作為結構自重考慮［2］，根據(jù)原位加載試驗的目的，并結合項目實際情況，本次靜載試驗最大加載限值取荷載的標準組合，按式（1）計算。

本次試驗按照委托方綜合考慮大樓實際使用狀態(tài)后，要求非結構層恒載取到 4.0 kN/m2，加上樓面活荷載標準值 2.0 kN/m2，根據(jù)計算樓板最大加載限值取為6.0 kN/m2。

2.2 試驗裝置

①BGK 4000 弦式應變傳感器 10 個、配套 YJVWR 02 數(shù)據(jù)采集儀一臺；②磁力表座 9 個并搭配 9 塊數(shù)顯百分表，用于對樓板的撓度數(shù)據(jù)的采集；③鋼卷尺，用于試驗現(xiàn)場的長度尺寸數(shù)據(jù)采集；④現(xiàn)場搭設簡易鋼管腳手架，為磁力表座提供吸附平臺；⑤樓面鋪設細沙找平，在樓面待測樓板區(qū)域四周支撐木模板并鋪設塑料布圍成水池，如圖1 所示。裝置設置完畢后如圖2 所示。

圖1 現(xiàn)場水池布置

圖2 現(xiàn)場測試裝置布置

2.3 荷載試驗過程

為了檢驗樓板的結構承載性能，選取了在 A 座中較為典型的 11 層 21-23/Q-S 軸樓板進行原位試驗，其尺寸為 8 900mm（東西）×7 300mm（南北），該雙向板板厚 200 mm，加固后板厚為 250 mm 左右。在 11 層板底處進行實驗數(shù)據(jù)的采集，在 12 層板頂處同樣的區(qū)域進行靜力堆載。

2.3.1 加載方法

原位加載試驗應根據(jù)結構特點和現(xiàn)場條件選擇合適的加載方法，考慮到現(xiàn)場實際條件，本次加載采用了注水作為重物充當荷載的加載方式［3］，在樓面板上搭設水池，覆蓋塑料布，根據(jù)液面高度確定所加荷載的大小。

2.3.2 測點布置

根據(jù) GB/T 50152-2012《混凝土結構試驗方法標準》相關規(guī)定，雙向板分別沿板底縱向和橫向中線，在支座端、1/4 跨、跨中、3/4 跨附近各布置 1 個精度為0.01 mm、量程為 50 mm 的數(shù)顯百分表進行撓度測量，共 9 個測點，具體測點分布及編號如圖3 所示。

圖3 撓度測點布置（單位：mm）

根據(jù) GB/T 50152-2012《混凝土結構試驗方法標準》相關規(guī)定，此次靜載試驗采用弦式應變計，量測加載、卸載過程中樓板混凝土的應變，樓板長向與短向均布置 5 個撓度測點，共 10 個測點，具體測點分布及編號如圖4 所示。

圖4 應變測點布置（單位：mm）

2.3.3 分級加載制度

本次試驗采用 6 級分級加載，具體如表1 所示。預加載階段，以板面水池和細沙找平層自重充當荷載，安裝調試儀器，安裝完畢后持荷 5 min。前 5 級各級加載值 1 kN/m2，即每當水池液面平均高度達 10、20、30、40、50 cm 時停止注水，I-V 級的荷載加載完畢后均需持荷 20 min，再對樓板進行測量。當 6 級荷載加載完畢，即水池液面平均高度達到 60 cm 時，完全停止注水，此時持荷時間需增至 120 min待上部荷載完全穩(wěn)定后對樓板進行撓度及應變的測量。

表1 試驗加載制度

2.3.4 加載注意事項

根據(jù) GB/T 50152-2012《混凝土結構試驗方法標準》相關規(guī)定，加載過程中結構若出現(xiàn)了①控制測點的變形、裂縫、應變等已達到或超過理論控制值；②結構的裂縫、變形急劇發(fā)展；③彎曲撓度達到146mm（跨度的1/50）；④發(fā)生其他形式的意外試驗現(xiàn)象。應立即停止加載，分析原因后如認為需繼續(xù)加載，宜增加荷載分級，并應采取相應的安全措施［4］。

2.3.5 分級卸載

荷載的分級卸載同樣分為 6 級，每級卸載值為1 kN/m2，I-V 級卸載完畢后需持荷 10 min，對樓板進行測量；Ⅵ 級卸載完畢后，需清除樓面全部荷載，并增加持荷時間至 60 min，待樓板穩(wěn)定后重新測量殘余變形，具體如表2 所示。

表2 試驗卸載制度

3 靜載試驗結果及分析

3.1 有限元理論計算

理論計算部分采用了 MIDAS Gen 有限元軟件，對樓板進行數(shù)值模擬分析。將樓板劃分為 320 個單元，357 個節(jié)點，定義樓板混凝土強度為 C 30，邊界采用四邊固定邊界，按分級加載的方式，依次對板單元布置均布面荷載，進行受力分析。計算模型如圖5 所示，Ⅵ 級荷載下?lián)隙仍茍D如圖6 所示。

圖5 板單元計算模型

圖6 Ⅵ 級荷載下?lián)隙仍茍D

選取與實際測點相近位置的節(jié)點，計算其加載階段理論的撓度和應變。理論計算撓度值如表3 所示，應變值如表4 所示。

3.2 現(xiàn)場實測結果

根據(jù)電子百分表及弦式應變計在加、卸荷載的各個階段的作用下的現(xiàn)場記錄，整理出板跨中撓度測點2，3，6，7，9 及應變測點 2，3，6，7，9，10 的現(xiàn)場實測值。對于支座處的撓度測點 1，4，5，6 及應變測點 1，4，5，6 進行修正后，記錄實測值?，F(xiàn)場實測撓度數(shù)據(jù)如表5 所示，應變實測數(shù)據(jù)如表6 所示。

表3 撓度加載階段理論計算數(shù)據(jù) mm

表4 應變加載階段理論計算數(shù)據(jù) με

3.3 理論值與現(xiàn)場實測結果對比分析

根據(jù)現(xiàn)場記錄，整理出樓板 1～9 號測點在滿載狀態(tài)下的撓度變形實測值，并扣除樓板在完全卸載階段時的撓度變形，計算出殘余變形，給出加載階段測點撓度實測值與理論值對比，如表7 所示。

表5 撓度加載階段實測數(shù)據(jù) mm

表6 應變加載階段實測數(shù)據(jù) με

表7 滿載階段撓度實測值與理論值對比

根據(jù)表7 可知，樓板撓度實測值大于撓度理論值，但各個測點的撓度值均遠小于允許值 10/200（10 為雙向板短邊長度），且滿足現(xiàn)行 GB 50010-2010《混凝土結構設計規(guī)范》正常使用極限狀態(tài)下受彎構件撓度限值的要求。

根據(jù)撓度檢測結果，給出樓板跨中 9 號測點加、卸載階段的撓度—荷載曲線，如圖7 所示。

圖7 板跨中 9 號測點加、卸載荷載階段荷載—撓度曲線

根據(jù)表7 和圖7 可以看出，板跨中處產生最大的撓度，在加載階段其荷載—撓度曲線有著較好的線性關系。在卸載后，撓度并未完全恢復到加載之前的狀態(tài)，產生了撓度殘余變形，此時樓板內部部分混凝土輕微開裂，但由于殘余變形值符合 GB/T 50152-2012《混凝土結構試驗方法標準》對原位加載試驗的規(guī)定，即各測點卸載后最終的殘余變形均小于該測點最大變形的20 %，且撓度值與殘余變形值均小于加固前樓板的撓度值與殘余變形值，說明在整個靜載試驗過程中預應力鋼絞線已經處于工作狀態(tài)，樓板處于彈性階段，鋼絞線整體加強了樓板自身的抗拉性能，撓度變化較加固前有大幅下降，可認為該樓板加固性能良好。

在靜載試驗全過程中觀察板底裂縫情況，著重對加載到最大荷載限值時對樓板板底的觀察，發(fā)現(xiàn)板底并未出現(xiàn)較為明顯的裂縫，這也證明了預應力鋼絞線處于工作狀態(tài)且提高了板的抗拉性能，板底噴射的高性能水泥復合砂漿也具有一定的抗拉性能。

4 結 語

原位加載試驗過程簡潔易行，目的明確，是目前混凝土結構檢測中常用的試驗方法。試驗現(xiàn)場條件、重物選擇、混凝土強度等諸多因素會對試驗產生干擾，導致測試數(shù)據(jù)不準確，因此在設計實驗過程時，有必要對現(xiàn)場實際情況進行初步了解，選擇合理且符合受力狀態(tài)的加卸載方法，規(guī)范試驗過程。本次現(xiàn)場原位靜載試驗研究以某財富中心大廈樓板為例，對加固后現(xiàn)澆樓板進行正常使用狀態(tài)下特征參數(shù)測定，并通過現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)結合有限元計算分析，依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范對樓板加固性能做出評定，為今后類似樓板加固后有關性能評定提供試驗方法及數(shù)據(jù)分析的參考。