針對雙向樓板顫振問題的安全性鑒定及處理

盧淑雯，劉 洋，高海軍，封 云

（國家建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，北京 100013）

0 引 言

樓蓋發(fā)生振動，會引起使用人群的適應(yīng)性問題，而且大多數(shù)樓板的舒適度問題均涉及結(jié)構(gòu)的安全問題［1］。尤其對于有一定使用年限的建筑，當(dāng)樓蓋結(jié)構(gòu)出現(xiàn)顫振現(xiàn)象后，存在如何進(jìn)行樓板安全性鑒定及處理的問題。某銀行營業(yè)廳當(dāng)有行人走動時，鋼筋混凝土雙向樓板有較強(qiáng)的顫振感，等候人群感覺很不舒服且心理上感到恐懼。考慮正常使用狀態(tài)下對樓板舒適度及安全性的要求，對該雙向板進(jìn)行現(xiàn)場檢測、安全性鑒定、振動測試及數(shù)值模擬分析，給顫振樓板的后續(xù)處理提供詳細(xì)可靠的數(shù)據(jù)支撐。

1 工程概況

中國郵儲銀行某支行始建于 2012年，為現(xiàn)澆多層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，各層樓蓋均為鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu)，采用 C30 混凝土現(xiàn)澆而成，受力及分布鋼筋均采用 HRB400 級鋼筋。3層某房間的樓板，當(dāng)有行人走動時有較強(qiáng)的顫振感且樓板有明顯下?lián)希?jīng)委托對該樓板進(jìn)行檢測鑒定和振動測試。樓板的平面位置如圖1填充部位所示。

圖1 發(fā)生顫振的樓板結(jié)構(gòu)平面圖（單位：mm）

2 現(xiàn)場檢測

2.1 外觀質(zhì)量普查

經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，三層 B/C 軸～4/5 軸轄區(qū)樓板上部存在較多裂縫，裂縫 ①～③ 最小寬度為 0.15 mm、最大寬度為 0.70 mm，裂縫與受力裂縫典型特征不相符，裂縫分布如圖2所示，且該房間樓板中部存在較大下?lián)希逯胁烤植肯聯(lián)霞s 18 mm，如圖3（a）所示；二層樓板上部存在少量干縮裂縫，且裂縫寬度在規(guī)范允許范圍內(nèi)。

2.2 樓板混凝土及鋼筋檢測

采用回彈結(jié)合芯樣修正的方法對該建筑物混凝土構(gòu)件的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行抽樣檢測，所抽檢樓板按批計(jì)算的混凝土抗壓強(qiáng)度推定值為 38.4～40.1 MPa，符合原設(shè)計(jì)圖紙混凝土強(qiáng)度 C30 的要求。

采用 PS-1000 混凝土結(jié)構(gòu)雷達(dá)透視儀對鋼筋配置情況進(jìn)行抽樣檢測，檢測操作遵守 JGJ/T 152－2008《混凝土中鋼筋檢測技術(shù)規(guī)程》［2］及 GB/T 50784－2013《混凝土結(jié)構(gòu)現(xiàn)場檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》［3］相關(guān)規(guī)定進(jìn)行，采用原位實(shí)測法測定鋼筋直徑為 10 mm，如圖3（b）所示。抽檢 2、3 兩層 4 個房間內(nèi)樓板的板底鋼筋配置，均符合設(shè)計(jì)要求；抽檢2、3 兩層 4 個房間內(nèi)樓板的負(fù)彎矩鋼筋配置，其中有 5 處鋼筋間距不滿足設(shè)計(jì)要求。

采用鋼筋磁感應(yīng)探測儀對鋼筋保護(hù)層厚度進(jìn)行抽樣檢測，檢測操作遵循 JGJ/T 152－2008《混凝土中鋼筋檢測技術(shù)規(guī)程》相關(guān)規(guī)定進(jìn)行，共抽檢 36 個主筋保護(hù)層厚度測點(diǎn)，其中有 33 個不符合設(shè)計(jì)要求，保護(hù)層不滿足規(guī)范要求，是導(dǎo)致樓板開裂、下?lián)系脑蛑唬?］。

采用樓板測厚儀對樓板厚度進(jìn)行抽樣檢測，受現(xiàn)場實(shí)際情況所限，只對三層發(fā)生明顯顫振的房間樓板厚度進(jìn)行檢測，樓板厚度檢測結(jié)果如表1所示。

共抽檢 1 塊樓板兩個方向共 6 個測點(diǎn)處的板厚，其中有 3 個測點(diǎn)不符合設(shè)計(jì)要求。由此可見，該房間樓板長跨、短跨各方向都存在樓板厚度不均勻的現(xiàn)象，兩方向中，樓板頂部標(biāo)高不一致，最大高差為 41 mm，樓板厚度不均勻?qū)嶋H是混凝土保護(hù)層不滿足規(guī)范的問題，導(dǎo)致樓板受力不均，同時影響樓板的自振頻率等。

2.3 樓板振動測試

對 3 層 4/5～B/C 軸轄區(qū)樓板進(jìn)行振動測試，于樓板中心處布置拾振器及數(shù)據(jù)采集設(shè)備，如圖4（a）～（b）所示。振動測試時，樓板頂部無建筑裝修層及除激勵外的其他活荷載，振動測試激勵為質(zhì)量 80 kg 的成年人，激勵的活動范圍為雙向板周邊及中部區(qū)域，中部區(qū)域范圍如圖4（a）所示。

圖3 測定鋼筋直徑示意圖

表1 混凝土構(gòu)件截面尺寸檢測結(jié)果

圖4 振動測點(diǎn)平面圖及現(xiàn)場圖

采用拾振器記錄豎向的振動加速度和振動頻率，共測試以下 4 種工況：地脈動、人在該樓板上行走（取行走在樓板周邊和中心范圍兩種情況的較大值）、人在該樓板范圍內(nèi)跳躍（取在樓板周邊和中心范圍跳躍兩種情況的較大值）、人在相鄰樓板上跳躍（取在樓板周邊和中心范圍跳躍兩種情況的較大值），現(xiàn)場振動測試結(jié)果如表2所示。

圖5為地脈動工況下振動加速度時程曲線和頻譜曲線；圖6為人在該樓板上行走工況下振動加速度時程曲線和頻譜曲線；圖7為人在該樓板上跳躍工況下振動加速度時程曲線和頻譜曲線；圖8為人在相鄰樓板上跳躍工況下振動加速度時程曲線和頻譜曲線。

表2 振動測試數(shù)據(jù)

由表2及圖5～8 可知，該樓板自振頻率符合 GB 50010－2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》［5］中第 3.4.6 條規(guī)定的限值；樓板振動加速度峰值超過文獻(xiàn)［6］中第 3.7.7 條加速度限值，且人在樓板上行走時的加速度峰值較高使得行人感覺到不舒服［7］，建議對顫振樓板進(jìn)行加固處理。

圖5 地脈動振動加速度時程曲線及頻譜曲線

圖6 振動加速度時程曲線和頻譜曲線（人在該樓板上行走）

圖7 振動加速度時程曲線和頻譜曲線（人在該樓板上跳躍）

3 數(shù)值模擬計(jì)算

由中國建筑科學(xué)研究院有限公司研制的 PKPM 3.2 版本建立模型，分別建立雙向樓板的單跨和多跨兩個模型，并采用 SLABCAD 模塊對樓板劃分網(wǎng)格，進(jìn)行有限元計(jì)算和舒適度計(jì)算。

3.1 樓板鋼筋核算結(jié)果

計(jì)算恒荷載為 6.0 kN/m2（包括樓板自重），活荷載為 3.5 kN/m2時，驗(yàn)算多跨樓板模型在荷載最不利工況下的樓板配筋面積，結(jié)合現(xiàn)場檢測結(jié)果及原結(jié)構(gòu)施工圖可知，現(xiàn)場樓板鋼筋間距、直徑及配筋面積滿足現(xiàn)行承載及相關(guān)規(guī)范的要求。

圖8 振動加速度時程曲線和頻譜曲線（人在相鄰樓板上跳躍）

3.2 樓板舒適度計(jì)算結(jié)果

分別計(jì)算樓板的單跨和多跨兩個模型的固有模態(tài)圖和自振頻率，其中，3 層 4～5 軸轄區(qū)的樓板振型模態(tài)圖及振動頻率如圖9所示；3 層 3～6 軸轄區(qū)的樓板振型模態(tài)圖及振動頻率如圖10所示。

圖9 3層4～5軸轄區(qū)樓板振型模態(tài)圖及頻率

圖10 3層3～6軸轄區(qū)的樓板振型模態(tài)圖及振動頻率

由圖9可知，按照單跨模型計(jì)算時，第 1 階模態(tài)參與系數(shù)為 58.4 %，有效質(zhì)量系數(shù)為 85.8 %，樓板自振以第 1 階模態(tài)為主；不考慮活荷載時計(jì)算出的樓板自振頻率為 9.890 Hz，與表2現(xiàn)場振動測試工況及測試結(jié)果 9.766 Hz 相符合，頻率誤差僅為 1.3 %。由圖10可知，按照多跨模型計(jì)算時，第 1 階模態(tài)參與系數(shù)為 6.0 %，有效質(zhì)量系數(shù)為 72.7 %，第 3 階模態(tài)參與系數(shù)為 41.4 %，有效質(zhì)量系數(shù)為 72.7 %，則樓板自振以第 3 階模態(tài)為主，不考慮活荷載時計(jì)算出的振動頻率為 11.240 Hz，與表2現(xiàn)場振動測試工況不一致，測試結(jié)果相差 15 %。綜上可知，現(xiàn)場振動測試結(jié)果合理，符合雙向樓板的振動力學(xué)性能。

4 鑒定結(jié)果及處理意見

經(jīng)現(xiàn)場抽檢可知，樓板表面有影響安全性的裂縫，發(fā)生顫振的房間樓板下?lián)铣^相關(guān)規(guī)范的允許值，經(jīng)抽檢樓板的混凝土強(qiáng)度符合設(shè)計(jì) C30 的要求，鋼筋直徑符合設(shè)計(jì)要求，局部鋼筋間距不滿足設(shè)計(jì)要求，鋼筋保護(hù)層偏厚，不滿足相關(guān)規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。樓板自振頻率符合規(guī)范要求，但樓板振動加速度峰值不符合規(guī)范要求。建議對樓板裂縫進(jìn)行修補(bǔ)封閉處理；且對保護(hù)層不滿足規(guī)范要求、加速度峰值不符合規(guī)范要求的樓板，進(jìn)行加固處理，以提高其剛度和承載力。

5 加固及荷載試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 加固處理

中國郵儲銀行某支行委托某設(shè)計(jì)院對發(fā)生顫振的樓板進(jìn)行整層加固，樓板采用增大截面結(jié)合底部貼碳纖維法加固，鑿毛原混凝土樓面，在樓板表層配置 C10@200 鋼筋網(wǎng)，保護(hù)層為 20 mm，共新增 C30 細(xì)石混凝土層共 60 mm，樓板底部貼 0.7 mm 厚碳纖維布。經(jīng)加固后樓板質(zhì)量、剛度均有明顯增大，行人走動和跳躍均未出現(xiàn)明顯振動，樓板舒適度滿足要求。為驗(yàn)證加固后樓板的承載力是否滿足正常使用極限狀態(tài)的要求，對 3 層 4/5～B/C 軸轄區(qū)范圍樓板進(jìn)行荷載試驗(yàn)，主要檢測加固后樓板在荷載加載過程中的撓度變形和板底裂縫。

5.2 荷載試驗(yàn)驗(yàn)證

由委托方提供的加固設(shè)計(jì)圖紙可知，正常使用階段1 層活荷載 4.0 kN/m2，2～3 層活載 3.5 kN/m2。

加載方案為：采用滿鋪沙袋、分級加載，沙袋每袋質(zhì)量為 25kgf 0.1 %。試驗(yàn)前，抽查單包沙袋的質(zhì)量，清理場地，在樓板表面均勻地沿長跨方向分割 3 格，短跨方向 3 格，共 9 格，便于控制單位面積加載量和荷載的均布施加。

加載分五級，第一至四級的加載量均為總加載量的 20 %，持荷 10 min 以上，進(jìn)行撓度及裂縫觀測，第五級加載量為總加載量的 20 %，持荷 30 min 以上，進(jìn)行撓度及裂縫觀測。卸載分三級，一、二級卸載量均為總加載量的 1/3，持荷 10 min 以上，進(jìn)行撓度及裂縫觀測，第三級卸載完成后持荷 60 min 以上讀取撓度數(shù)據(jù)并觀察裂縫。

圖11 樓板撓度測點(diǎn)布置圖（單位：mm）

圖12 現(xiàn)場加載圖片

圖13 現(xiàn)場卸載后圖片

三層樓板底撓度測點(diǎn)布置如圖11所示；第一至五級現(xiàn)場加載圖片如圖12所示，第一～三級卸載后圖片如圖13所示，三層樓板荷載分級加/卸載統(tǒng)計(jì)如表3所示，6 個測點(diǎn)的荷載位移曲線如圖14所示。

表3 三層樓板荷載分級加/卸載統(tǒng)計(jì)表

由圖14可知，第五級加載持荷30 min后，樓板跨中最大位移為 3.7 mm，相當(dāng)撓度值為 L0/1865，符合 GB 50010－2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》對正常使用極限狀態(tài)下?lián)隙认拗禐?L0/200 的要求；且在加/卸荷載過程中未發(fā)現(xiàn)樓板底部出現(xiàn)裂縫。可見，該樓板加固方式合理，加固后雙向樓板的正常使用極限狀態(tài)滿足相關(guān)規(guī)范的要求。

圖14 荷載位移曲線

6 結(jié) 語

針對該銀行營業(yè)廳的鋼筋混凝土雙向樓板存在的顫振問題，進(jìn)行了現(xiàn)場檢測及振動測試，并通過有限元數(shù)值模擬計(jì)算，論證了振動測試結(jié)果的合理性，經(jīng)安全性鑒定表明，樓板保護(hù)層過厚、板承載力不足時同樣容易引發(fā)正常使用狀態(tài)下樓板的舒適度的問題。對加固后的樓板進(jìn)行荷載試驗(yàn)，驗(yàn)證了雙向板加固處理方法的合理性。

由工程實(shí)例，詳細(xì)介紹了雙向混凝土樓板發(fā)生顫振時，樓板安全性及舒適度指標(biāo)檢測步驟，相關(guān)的檢測、鑒定程序可為類似工程提供參考。