加固后現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，重則導致結構出現安全性問題，因此對現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、開裂及裂縫形態和寬度發展的情況，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

按照國家規范 GB 50009-2012《建筑結構荷載規范》中對大廈辦公樓樓面活荷載標準值的規定，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 數據采集儀一臺；②磁力表座 9 個并搭配 9 塊數顯百分表，用于對樓板的撓度數據的采集；③鋼卷尺，用于試驗現場的長度尺寸數據采集；④現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 現場水池布置

圖2 現場測試裝置布置

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據的采集，在 12 層板頂處同樣的區域進行靜力堆載。

2.3.1 加載方法

原位加載試驗應根據結構特點和現場條件選擇合適的加載方法，考慮到現場實際條件，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，根據液面高度確定所加荷載的大小。

2.3.2 測點布置

根據 GB/T 50152-2012《混凝土結構試驗方法標準》相關規定，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 GB/T 50152-2012《混凝土結構試驗方法標準》相關規定，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 GB/T 50152-2012《混凝土結構試驗方法標準》相關規定，加載過程中結構若出現了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、變形急劇發展；③彎曲撓度達到146mm（跨度的1/50）；④發生其他形式的意外試驗現象。應立即停止加載，分析原因后如認為需繼續加載，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，對樓板進行數值模擬分析。將樓板劃分為 320 個單元，357 個節點，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 級荷載下撓度云圖如圖6 所示。

圖5 板單元計算模型

圖6 Ⅵ 級荷載下撓度云圖

選取與實際測點相近位置的節點，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 現場實測結果

根據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。現場實測撓度數據如表5 所示，應變實測數據如表6 所示。

表3 撓度加載階段理論計算數據 mm

表4 應變加載階段理論計算數據 με

3.3 理論值與現場實測結果對比分析

根據現場記錄，整理出樓板 1～9 號測點在滿載狀態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據 mm

表6 應變加載階段實測數據 με

表7 滿載階段撓度實測值與理論值對比

根據表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），且滿足現行 GB 50010-2010《混凝土結構設計規范》正常使用極限狀態下受彎構件撓度限值的要求。

根據撓度檢測結果，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，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，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，發現板底并未出現較為明顯的裂縫，這也證明了預應力鋼絞線處于工作狀態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，導致測試數據不準確，因此在設計實驗過程時，有必要對現場實際情況進行初步了解，選擇合理且符合受力狀態的加卸載方法，規范試驗過程。本次現場原位靜載試驗研究以某財富中心大廈樓板為例，對加固后現澆樓板進行正常使用狀態下特征參數測定，并通過現場實測數據結合有限元計算分析，依據現行規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據分析的參考。