混凝土樓板結構性能檢驗方法的研究

楊 意，閆熙臣，白亞瓊，常衛華

（1.北京市建設工程質量第二檢測所有限公司，北京 100045；2.中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013）

0 引言

隨著城鎮化進程的不斷深入，我國的一線城市建筑密度趨于飽和，大量的既有建筑加固改造工程涌現。當工程缺乏改造設計依據，或對單個構件或結構局部承載能力存在質疑時，目前最直觀也是最常見的就是采用原位加載試驗的方法對混凝土構件結構性能進行驗證。

本文通過對比 GB/T 50152－2012《混凝土結構試驗方法標準》［1］（以下簡稱“標準 50152”）、GB/T 50784－2013《混凝土結構現場檢測技術標準》［2］（以下簡稱“標準 50784”）和 GB/T 50344－2019《建筑結構檢測技術標準》［3］（以下簡稱“標準 50344”）三本國家現行標準的相關條文，結合實際案例，從試驗類型、試驗流程、荷載組合、檢驗計算和檢驗結論五個方面深入探討各個環節對試驗準確性造成的影響。

1 試驗類型的選擇

1.1 實際案例工程概況

北京市某高層建筑機房加固工程，高層框架核心筒結構，14 層局部使用功能擬發生改變，采用粘碳纖維布的方法進行補強處理，加固后該樓層設計使用活荷載為 8.0 kN/m2。為了解加固后承載能力，抽取加固改造區域的一塊樓板進行了原位加載試驗，該工程為典型的加固后原位加載法荷載試驗。

1.2 試驗類型分析

目前該樓正在使用，為避免結構出現不可恢復且影響使用功能的損傷，本次試驗僅驗證構件正常使用極限狀態下的結構性能。

常見的承載能力檢驗工作中，對于既有建筑的原位加載試驗，通常會進行正常使用極限狀態的試驗，而對于科學驗證性試驗或預制構件廠常見的結構性能試驗，在采取相應保護措施后應進行承載力極限狀態的試驗。

2 試驗流程

試驗流程由百分表的架設、加卸載程序、撓度檢測和裂縫寬度檢測四個主要部分組成，其中加卸載程序是整個試驗準確性的重要保障。

2.1 百分表的架設

根據現場情況以及設計試驗要求，14 層局部加固改造區域的樓面，整塊板布置 9 塊百分表，分別布置在板兩端及跨中，百分表布置示意圖如圖 1 所示，圖中 1# 至 5# 點為撓度計算觀測點位，① 至 ④ 點為支座位移驗證性觀測點位。

圖1 百分表布置示意圖

采用腳手架作為表架支撐，利用大量斜撐進行固定，以保證在實驗過程中儀表的穩定。

另設一套腳手架支承體系作為保護性支座，兩套腳手架相互獨立，正常試驗過程中不得相互接觸或借力，避免對試驗結果造成影響。

2.2 加卸載程序

依據標準 50152 第 5.2.12 條，結合現場條件，并綜合成本考慮，本次試驗采用流體（水）進行均布加載，加載方式示意圖如圖 2 所示。

圖2 加載方式示意圖

本次試驗分五級加載，加載前對樓板進行全面宏觀檢查，查看樓板現有裂縫，詳細記錄現有裂縫分布情況，繪制示意圖并對裂縫寬度進行記錄。分級加載前進行預加載，檢查支座平穩、儀表和加載設備正常工作后，對百分表進行歸零。前四級每級靜停 10 min 后讀表及觀察裂縫寬度，并觀察記錄裂縫發展情況，第五級靜停至少 1 h 后讀表及觀察裂縫寬度，且每隔 15 min 測取一次荷載和變形值，直到變形值在 15 min 內不再明顯增加為止。

收集數據后分級卸載，并在每一級荷載和卸載全部完成后測取變形值。

加載過程中，對加載區域的樓板存在的裂縫以及樓板撓度進行實時監控，當出現下列現象時應立即停止加載：

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）撓度達到跨度的 1/50 的承載力標志；

4）出現受拉主筋處裂縫寬度達到 1.5 mm 的承載力標志；

5）出現鋼筋應變達到 0.01 的承載力標志；

6）出現構件受拉主筋斷裂的承載力標志；

7）出現彎曲受壓區混凝土受壓開裂、破碎的承載力標志；

8）出現受壓構件的混凝土受壓破碎、壓潰的承載力標志；

9）發生其他形式的意外試驗現象。

2.3 撓度檢測

采用水準儀對所測樓板初始撓度進行檢測并記錄。

每級加載并按要求靜置后，通過百分表讀數，計算樓板當前撓度值，并與撓度檢驗允許值進行比較。

依據標準 50152 中第 9.3.2 條、GB 50010－2010《混凝土結構設計規范》（2015 年版）（以下簡稱“標準 50010”）中第 7.2.1 條及第 3.4.3 條［4］，結合樓板的鋼筋配置，得出考慮荷載長期效應組合對撓度增大的影響系數θ，并進行后續計算。

經計算，判斷當前等級加載、靜置后所測撓度值是否大于撓度檢驗允許值。

2.4 裂縫寬度檢測

依據標準 50152 中第 9.3.3 條、標準 50010 中第 7.1.1 條及第 3.4.5 條，查表得出所測樓板的設計最大裂縫寬度限值ωlim及最大裂縫寬度檢驗允許值ωmax。

經檢測，判斷當前等級加載、靜置后所測最大裂縫寬度是否大于最大裂縫寬度檢驗允許值。

3 荷載組合的選取

該樓建于 2000 年，該加固改造區域擬作為機房及電池間使用，應設計要求，后續使用年限按 50 年考慮，依據標準 50152 第 9.1.4 條和 GB 50009－2012《建筑結構荷載規范》（以下簡稱“荷載規范”）第 3.2.5 條［5］，可變荷載考慮設計使用年限的調整系數γL取 1.0，該區域改造后設計使用活荷載為 8.0 kN/m2。

依據荷載規范第 4.0.1 條，本次試驗荷載組合中永久荷載為樓板自重 4.5 kN/m2、高 300 mm 的架空地板自重 0.5 kN/m2，下層吊頂自重 0.2 kN/m2；可變荷載為設計要求的機房使用活荷載 8.0 kN/m2。

通過規范標準的對比，可以發現標準 50152 和標準 50784 中均要求進行使用狀態試驗時，混凝土構件的最大加載限值取荷載的準永久組合，而標準 50344 中規定可變荷載不宜考慮頻遇值和準永久值。

1）若按標準 50344 進行試驗，則該樓板加載限值應取加固后使用活荷載和目前未作用在結構上的自重荷載（考慮 1.1～1.2 的超載系數φ，本次按 1.2 考慮）之和，如式（1）所示。

2）若按標準 50152 和標準 50784 進行試驗，則該樓板加載限值應取準永久組合。

依據荷載規范第 3.2.10 條，本次試驗，

荷載組合的效應設計值如式（2）所示。

=（4.5+0.5+0.2）+0.8×（8.0）=11.6 kN/m2

式中：Sd為效應設計值；SGjk為按第j個永久荷載標準值Gjk計算的荷載效應值；SQik為按第i個可變荷載標準值Qik計算的荷載效應值；φqi為第i個可變荷載的準永久值系數。

實際加載值如式（3）所示。

式中：Sd為效應設計值；SG為永久荷載效應的標準值。

綜合考慮該項目現場情況，為避免結構形成不可逆的損傷，造成不必要的人員及財產損失，本次試驗選取較為保守的荷載組合，按標準 50152 和標準 50784 進行試驗。

經稱重，蓄水池自重約 0.04 kN/m2，蓄水加載量約為 6.9-0.04=6.86 kN/m2，水的容重為 10 kN/m3，故蓄水總高度約為 0.686 m。

確定預加載量為 0.86 kN/m2，分級加載第一級至第五級加載量均為 1.2 kN/m2。

4 計算與檢驗

4.1 撓度檢驗

4.1.1 撓度檢驗允許值計算

依據標準 50152 中第 9.3.2 條和荷載規范中第 3.4.3 條、第 7.2.1 條，本次所測樓板跨度均小于 7 m，故撓度設計限值af均為l0/200，因該工程原始設計圖紙信息缺失，經現場剔鑿驗證，考慮荷載長期效應組合對撓度增大的影響系數θ均取 2.0 進行計算。

依據標準 50152 中第 9.3 條規定，并結合委托方及設計單位提供的資料進行計算，本次試驗樓板檢驗參數如下。

撓度設計限值如式（4）、式（5）所示。

4.1.2 初始撓度檢測

經預加載（0.86 kN/m2），確認支座平穩、儀表及加載設備工作正常后，將儀表歸零，采用水準儀對所測樓板初始撓度進行檢測，檢測結果如表 1 所示。

經檢測，所測樓板平行數字軸方向初始撓度為12.0 mm，平行字母軸方向初始撓度為 10.0 mm；均小于試驗規范要求的撓度檢驗允許值。

4.1.3 各級加載后撓度檢測

開始分級加載，一至四級每級荷載加載完畢以后靜停 15 min，然后讀取各表讀數，第五級加載完畢后靜停 1 h，且每隔 15 min 測取一次荷載和變形值，直到變形值在 15 min 內不再明顯增加為止。完成每級加載并按要求靜置后，通過百分表讀數，計算樓板當前撓度檢驗值，檢測結果如表 2 至表 3 所示。

經檢測，所測樓板在分五級加載至 6.86 kN/m2（即設計使用活荷載為 8.0 kN/m2時的正常使用極限狀態的試驗加載值）的過程中最大撓度檢驗值均小于規范要求的撓度檢驗允許值，滿足正常使用極限狀態的撓度檢驗要求。

表1 初始撓度檢測結果匯總表 mm

4.2 裂縫寬度檢驗

依據標準 50152 中第 9.3.3 條、標準 50010 中第 7.1.1 條及第 3.4.5 條，本次所測樓板所處環境均為一類，北京地區年平均相對濕度小于 60 %，經查表所測樓板的最大裂縫寬度限值ωlim=0.40，最大裂縫寬度檢驗允許值ωmax=0.25。

表2 測點累計變形實測值 mm

表3 消除支座影響后累計變形實測值 mm

經初步檢查，未發現所測樓板存在裂縫。完成每級加載并按要求靜置后，對其進行全面檢查，所測樓板在加載過程中，全程未發現新增裂縫，滿足正常使用極限狀態的裂縫寬度檢驗要求。

5 檢驗結論

本次試驗所測樓板在正常使用極限狀態結構性能的各項檢驗指標全部滿足規范要求，該樓板的結構性能滿足使用活荷載為 8.0 kN/m2對應的正常使用極限狀態的檢驗要求。

目前該工程已按照設計使用荷載安全投入使用，各結構構件均工作正常。

6 結語

本文從荷載試驗相關的規范標準出發，給出了試驗中各個環節對應條文規定的差異，并結合實際案例展開深入討論，總結結論如下。

1）當試驗對象為正在使用的既有建筑中的構件時，考慮到下層空間正在使用，且后續仍需繼續使用，為避免結構出現不可恢復且影響使用功能的缺陷，或造成人員財產損失，宜進行正常使用極限狀態的原位加載試驗；適用性檢驗可最大程度模擬構件正常使用過程中受力的真實狀態。

2）試驗中的荷載取值宜按照標準 50152 和標準 50784 的荷載組合要求進行計算選取，但對于目前未作用在結構上的恒載，建議考慮 1.1～1.2 的超載系數。

3）試驗應設定驗證性點位，計算支座的位移、變形量，從而排除支座變形對試驗結果造成的影響。

4）卸載程序，建議遵循分級卸載的原則，可以避免荷載變化過快對所測構件造成不必要的損傷。

目前從事檢測試驗的機構和技術人員日益增多，對于規范的理解程度參差不齊，通常對荷載試驗的試驗類型和荷載組合缺乏清晰的認知，往往會以設計單位提供的荷載直接進行實荷加載，而忽略了荷載組合的選取，但對于大荷載的承重構件，錯誤的荷載組合取值可能導致所測構件出現不可逆的變形或損傷，甚至造成重大安全事故。當承接類似的大荷載既有建筑原位加載試驗時，應當向設計單位及甲方說明荷載組合的選取，并在結論中注明試驗是對所測構件正常使用極限狀態的檢驗。Q