混凝土楼板结构性能检验方法的研究
发布时间：2021-10-13
【摘要】既有建筑的混凝土楼板承载能力存在质疑、设计信息缺失的情况下，通常通过荷载试验对楼板进行检验。目前依据的多本规范对试验的规定和要求不一致，在检测工作中易造成依据混淆。本文通过对比GB/T50152-2012《混凝土结构试验方法标准》、GB/T50784-2013《混凝土结构现场检测技术标准》和GB/T50344-2019《建筑结构检测技术标准》中的相关条文规定，从试验类型的选择、整个试验流程的把控、荷载组合的选取、检验计算的过程和检验结论五个方面深入探讨各个环节对试验准确性造成的影响，并结合北京市某高层建筑机房加固工程的现浇钢筋混凝土楼板荷载试验，完整梳理了试验过程，明确整体试验思路，最后给出不同标准荷载试验的检验要求和适用范围，为行业内类似试验项目提供参考。
【关键词】荷载试验;原位加载法;荷载组合
0 引言
随着城镇化进程的不断深入，我国的一线城市建筑密度趋于饱和，大量的既有建筑加固改造工程涌现。当工程缺乏改造设计依据，或对单个构件或结构局部承载能力存在质疑时，目前最直观也是最常见的就是采用原位加载试验的方法对混凝土构件结构性能进行验证。
本文通过对比GB/T50152-2012《混凝土结构试验方法标准》[1](以下简称“标准50152”)、GB/T50784-2013《混凝土结构现场检测技术标准》[2](以下简称“标准50784”)和GB/T50344-2019《建筑结构检测技术标准》[3](以下简称“标准50344”)三本国家现行标准的相关条文，结合实际案例，从试验类型、试验流程、荷载组合、检验计算和检验结论五个方面深入探讨各个环节对试验准确性造成的影响。
1 试验类型的选择
1.1 实际案例工程概况
北京市某高层建筑机房加固工程，高层框架核心筒结构，14层局部使用功能拟发生改变，采用粘碳纤维布的方法进行补强处理，加固后该楼层设计使用活荷载为8.0kN/m2。为了解加固后承载能力，抽取加固改造区域的一块楼板进行了原位加载试验，该工程为典型的加固后原位加载法荷载试验。
1.2 试验类型分析
目前该楼正在使用，为避免结构出现不可恢复且影响使用功能的损伤，本次试验仅验证构件正常使用极限状态下的结构性能。
常见的承载能力检验工作中，对于既有建筑的原位加载试验，通常会进行正常使用极限状态的试验，而对于科学验证性试验或预制构件厂常见的结构性能试验，在采取相应保护措施后应进行承载力极限状态的试验。
2 试验流程
试验流程由百分表的架设、加卸载程序、挠度检测和裂缝宽度检测四个主要部分组成，其中加卸载程序是整个试验准确性的重要保障。
2.1 百分表的架设
根据现场情况以及设计试验要求，14层局部加固改造区域的楼面，整块板布置9块百分表，分别布置在板两端及跨中，百分表布置示意图如图1所示，图中1#至5#点为挠度计算观测点位，①至④点为支座位移验证性观测点位。采用脚手架作为表架支撑，利用大量斜撑进行固定，以保证在实验过程中仪表的稳定。
另设一套脚手架支承体系作为保护性支座，两套脚手架相互独立，正常试验过程中不得相互接触或借力，避免对试验结果造成影响。
2.2 加卸载程序
依据标准50152第5.2.12条，结合现场条件，并综合成本考虑，本次试验采用流体(水)进行均布加载，加载方式示意图如图2所示。
本次试验分五级加载，加载前对楼板进行全面宏观检查，查看楼板现有裂缝，详细记录现有裂缝分布情况，绘制示意图并对裂缝宽度进行记录。分级加载前进行预加载，检查支座平稳、仪表和加载设备正常工作后，对百分表进行归零。前四级每级静停10min后读表及观察裂缝宽度，并观察记录裂缝发展情况，第五级静停至少1h后读表及观察裂缝宽度，且每隔15min测取一次荷载和变形值，直到变形值在15min内不再明显增加为止。
收集数据后分级卸载，并在每一级荷载和卸载全部完成后测取变形值。
加载过程中，对加载区域的楼板存在的裂缝以及楼板挠度进行实时监控，当出现下列现象时应立即停止加载：
1)控制测点的变形、裂缝、应变等已达到或超过理论控制值;
2)结构的裂缝、变形急剧发展;
3)挠度达到跨度的1/50的承载力标志;
4)出现受拉主筋处裂缝宽度达到1.5mm的承载力标志;
5)出现钢筋应变达到0.01的承载力标志;
6)出现构件受拉主筋断裂的承载力标志;
7)出现弯曲受压区混凝土受压开裂、破碎的承载力标志;
8)出现受压构件的混凝土受压破碎、压溃的承载力标志;
9)发生其他形式的意外试验现象。
2.3 挠度检测
采用水准仪对所测楼板初始挠度进行检测并记录。每级加载并按要求静置后，通过百分表读数，计算楼板当前挠度值，并与挠度检验允许值进行比较。
依据标准50152中第9.3.2条、GB50010-2010《混凝土结构设计规范》(2015年版)(以下简称“标准50010”)中第7.2.1条及第3.4.3条[4]，结合楼板的钢筋配置，得出考虑荷载长期效应组合对挠度增大的影响系数θ，并进行后续计算。
经计算，判断当前等级加载、静置后所测挠度值是否大于挠度检验允许值。
2.4 裂缝宽度检测
依据标准50152中第9.3.3条、标准50010中第7.1.1条及第3.4.5条，查表得出所测楼板的设计最大裂缝宽度限值ωlim及最大裂缝宽度检验允许值ωmax。
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经检测，判断当前等级加载、静置后所测最大裂缝宽度是否大于最大裂缝宽度检验允许值。
3 荷载组合的选取
该楼建于2000年，该加固改造区域拟作为机房及电池间使用，应设计要求，后续使用年限按50年考虑，依据标准50152第9.1.4条和GB50009-2012《建筑结构荷载规范》(以下简称“荷载规范”)第3.2.5条[5]，可变荷载考虑设计使用年限的调整系数γL取1.0，该区域改造后设计使用活荷载为8.0kN/m2。
依据荷载规范第4.0.1条，本次试验荷载组合中永久荷载为楼板自重4.5kN/m2、高300mm的架空地板自重0.5kN/m2，下层吊顶自重0.2kN/m2;可变荷载为设计要求的机房使用活荷载8.0kN/m2。
通过规范标准的对比，可以发现标准50152和标准50784中均要求进行使用状态试验时，混凝土构件的最大加载限值取荷载的准永久组合，而标准50344中规定可变荷载不宜考虑频遇值和准永久值。
1)若按标准50344进行试验，则该楼板加载限值应取加固后使用活荷载和目前未作用在结构上的自重荷载(考虑1.1～1.2的超载系数φ，本次按1.2考虑)之和，如式(1)所示。
4 计算与检验
4.1 挠度检验
4.1.1 挠度检验允许值计算
依据标准50152中第9.3.2条和荷载规范中第3.4.3条、第7.2.1条，本次所测楼板跨度均小于7m，故挠度设计限值af均为l0/200，因该工程原始设计图纸信息缺失，经现场剔凿验证，考虑荷载长期效应组合对挠度增大的影响系数θ均取2.0进行计算。
依据标准50152中第9.3条规定，并结合委托方及设计单位提供的资料进行计算，本次试验楼板检验参数如下。
4.1.2 初始挠度检测
经预加载(0.86kN/m2)，确认支座平稳、仪表及加载设备工作正常后，将仪表归零，采用水准仪对所测楼板初始挠度进行检测，检测结果如表1所示。
经检测，所测楼板平行数字轴方向初始挠度为12.0mm，平行字母轴方向初始挠度为10.0mm;均小于试验规范要求的挠度检验允许值。
4.1.3 各级加载后挠度检测
开始分级加载，一至四级每级荷载加载完毕以后静停15min，然后读取各表读数，第五级加载完毕后静停1h，且每隔15min测取一次荷载和变形值，直到变形值在15min内不再明显增加为止。完成每级加载并按要求静置后，通过百分表读数，计算楼板当前挠度检验值，检测结果如表2至表3所示。
4.2 裂缝宽度检验
依据标准50152中第9.3.3条、标准50010中第7.1.1条及第3.4.5条，本次所测楼板所处环境均为一类，北京地区年平均相对湿度小于60%，经查表所测楼板的最大裂缝宽度限值ωlim=0.40，最大裂缝宽度检验允许值ωmax=0.25。
经初步检查，未发现所测楼板存在裂缝。完成每级加载并按要求静置后，对其进行全面检查，所测楼板在加载过程中，全程未发现新增裂缝，满足正常使用极限状态的裂缝宽度检验要求。
5 检验结论
本次试验所测楼板在正常使用极限状态结构性能的各项检验指标全部满足规范要求，该楼板的结构性能满足使用活荷载为8.0kN/m2对应的正常使用极限状态的检验要求。
目前该工程已按照设计使用荷载安全投入使用，各结构构件均工作正常。
6 结语
本文从荷载试验相关的规范标准出发，给出了试验中各个环节对应条文规定的差异，并结合实际案例展开深入讨论，总结结论如下。
1)当试验对象为正在使用的既有建筑中的构件时，考虑到下层空间正在使用，且后续仍需继续使用，为避免结构出现不可恢复且影响使用功能的缺陷，或造成人员财产损失，宜进行正常使用极限状态的原位加载试验;适用性检验可最大程度模拟构件正常使用过程中受力的真实状态。
2)试验中的荷载取值宜按照标准50152和标准50784的荷载组合要求进行计算选取，但对于目前未作用在结构上的恒载，建议考虑1.1～1.2的超载系数。
3)试验应设定验证性点位，计算支座的位移、变形量，从而排除支座变形对试验结果造成的影响。
4)卸载程序，建议遵循分级卸载的原则，可以避免荷载变化过快对所测构件造成不必要的损伤。
目前从事检测试验的机构和技术人员日益增多，对于规范的理解程度参差不齐，通常对荷载试验的试验类型和荷载组合缺乏清晰的认知，往往会以设计单位提供的荷载直接进行实荷加载，而忽略了荷载组合的选取，但对于大荷载的承重构件，错误的荷载组合取值可能导致所测构件出现不可逆的变形或损伤，甚至造成重大安全事故。当承接类似的大荷载既有建筑原位加载试验时，应当向设计单位及甲方说明荷载组合的选取，并在结论中注明试验是对所测构件正常使用极限状态的检验。——论文作者：杨 意1，闫熙臣1，白亚琼1，常卫华2
