预应力开洞楼板研究

2019-11-01梁健衡林小兵吕海霞

广东土木与建筑 2019年10期

郭磊，梁健衡，林小兵，吕海霞

（1、广东省建筑科学研究院集团股份有限公司广州 510500；2、广东水利电力职业技术学院广州 510635）

0 引言

预应力混凝土经过近半个世纪的发展，现在已成为土建工程中一种十分重要的结构形式。随着国内预应力混凝土技术的发展，已建成了一大批预应力混凝土结构的建筑。随着社会的发展，建筑的使用功能要求越来越复杂化、多样化，一批已建成的预应力混凝土结构建筑的功能改造要求（如楼板开洞增加扶梯、提高楼板承载能力等）也逐渐变得越来越迫切［1，2］。虽然对于预应力楼板开洞有一定量的实验与数值模拟研究［3，4］，但由于目前国内的实际应用工程较少、积累不多，尚未形成一整套完善的处理工艺工法，使得此类型的改造工程较难得到推进。本文基于目前的这种现状，针对无粘结预应力楼板开洞施工工法进行可行性研究，为日后同类型工程的开展提供参考。

1 试验方法

1.1 试件设计

依据已有的工程实例，结合试验条件及研究内容，设计了3 块预应力楼板进行试验，分别为不开洞预应力楼板B1、钢板加固的开洞预应力楼板B2 及开洞预应力楼板B3（无加固）。试验中试件的主要参数的具体取值如表1所示。

预应力楼板的开洞情况［5］以及钢板框加固洞口情况［6］如图1、图2所示。其中钢板框加固和无加固预应力楼板的配筋情况完全相同，为了分析数据的一致性，无开洞预应力楼板的尺寸和配筋均与开洞预应力楼板相同，无开洞预应力楼板的板面钢筋拉通。

试验用混凝土的强度等级为C40，3 个试件28 d立方体抗压强度为 37.9 MPa、38.5 MPa、35.8 MPa。

预应力钢筋采用公称直径为12.7 的钢绞线，最大拉力196.1 kN，抗拉强度1 990 MPa，最大力总伸长率4.9%，弹性模量 195±10 GPa［7，8］。

普通钢筋箍筋和楼板钢筋采用HPB300，梁柱受力钢筋选用HRB400。

1.2 试验测试内容及测点布置

本次楼板试验主要测试4 项内容，分别为楼板和钢筋应变测试、楼板挠度测试、预应力损伤及裂缝变化情况。

⑴应变测试：采用电阻式应变片，B1 号板共布置21 个应变测试点，如图3b 中点1～20 及中心点。B2号及B3 号板共布置25 个应变测试点，如图3a 中点1～20 及31～34 号点。所有的应变测点均布置在楼板的下表面。在试验中分别测试各级荷载作用下和卸载后楼板应变的变化情况。

表1 试件型号及数量Tab.1 Types and Quantities of Specimens

图1 楼板开洞及预应力钢筋布置示意图Fig.1 Floor Slab Opening and Prestressed Steel Bar Layout Schematic

⑵挠度测试：采用位移计，B1 号板共布置11 个挠度测点，分别为点 41～50 及点 53。B2 号和 B3 号板共布置12 个应变测试点，分别为点41～50 及点53。所有的挠度测点均布置在楼板的下表面。在试验中分别测试在各级荷载作用下和卸载后楼板挠度的变化情况，如图4所示。

⑶预应力筋的应力测试：在端部采用压力传感器测预应力钢筋的应力变化，为点51、52 和60 的位置，如图4所示。

图2 钢板框加固洞口示意图Fig.2 Schematic Diagram of Steel Frame Reinforcement Hole

图3 应变片布置图Fig.3 Strain Gauge Layout

图4 位移计布置图Fig.4 Displacement Meter Layout

⑷裂缝观测：采用裂缝测宽仪观察裂缝的出现并测量裂缝宽度，主要观测在荷载作用下楼板裂缝的发展情况。

⑸普通钢筋的应力测试：采用钢筋应变片，布置了10 个测点，分别为测点21～30。如图5所示。

图5 普通钢筋应变片布置图Fig.5 Ordinary Steel Strain Gauge Layout

1.3 加载方式

通过对楼板施加12 个点的荷载近似模拟均布荷载。逐级加载每级增加1.1 kN/m2，每级加载持续10 min，当出现明显裂缝后，每级增加0.6 kN/m2。如若发生以下情况表明试件达到极限承载能力，即可停止加载，并分五级卸载。

2 试验结果对比分析

2.1 不开洞楼板B1结果分析

不开洞楼板的实验数据如图6～图8所示，从试验数据可以看出，不开洞楼板从荷载180 kN 开始，产生可见裂缝，混凝土应变变化出现拐点，裂缝不断扩张，应变迅速增大，在荷载增大到415 kN，39 号测点对应的钢筋失效。在荷载增大到440 kN 停止加载时，楼板并未发生过大变形。最大位移为36.92 mm。

图6 B1 板混凝土各测点应变变化Fig.6 Strain Variation of B1 Slab Concrete at Various Measuring Points

图7 B1 板普通钢筋各测点应变变化Fig.7 Variation of Strain of B1 Plate Common Steel Bar at Various Measuring Points

图8 B1 板混凝土板各测点位移变化Fig.8 Variation of Displacement at Each Measuring Point of B1 Slab Concrete Slab

2.2 钢板加固开洞楼板B2结果分析

钢板加固开洞楼板B2 的试验数据如图9～图12，从试验数据可以看出，钢板加固开洞楼板从荷载189 kN 开始，产生可见裂缝，混凝土应变变化出现拐点，裂缝不断扩张，应变迅速增大，在荷载增大到255 kN，楼板发生巨响时刻，测得某根普通钢筋应变出现拐点，不再增大，应为粘结失效。在400 kN 停止加载时，楼板并未发生过大变形，只是钢板局部粘结失效。最大位移为36.33 mm。

图9 B2 板混凝土各测点应变变化Fig.9 Variation of Strain at Rach Measuring Point of B2 Slab Concrete

图10 B2 板普通钢筋各测点应变变化Fig.10 Variation of Strain at Each Measuring Point of Common Reinforcement in B2 Slab

图11 B2 板加固钢板各测点应变变化Fig.11 Variation of Strain at Each Measuring Point of Steel Plate Strengthened with B2 Plate

2.3 开洞楼板（不加固）B3结果分析

不加固开洞楼板试验数据如图13、图14所示。试验现象发现开洞楼板从荷载180 kN 开始，产生可见裂缝，从试验数据可以看出，在荷载增大到136 kN时，局部混凝土应变变化出现拐点，裂缝不断扩张，应变迅速增大，在荷载增大到265 kN，楼板发生巨响时刻，预应力筋拉断。在395 kN 停止加载时，楼板裂缝和位移均较大。最大位移为45.315 mm。实际极限荷载应取265 kN。

图12 B2 板混凝土板各测点位移变化Fig.12 Variation of Displacement at Each Measuring Point of B2 Slab Concrete Slab

图13 B3 板普通钢筋各测点应变变化Fig.13 Variation of Strain of Common Steel Bar in B3 Plate at Various Measuring Points

图14 B3 板混凝土板各测点位移变化Fig.14 Variation of Displacement at Each Measuring Point of B3 Slab Concrete Slab

2.4 对比分析

3 块楼板的最大位移随荷载变化规律的差异如图15所示，普通钢筋应力随荷载变化规律差异如图16所示。试验研究表明，开洞会降低开裂承载能力及极限承载能力，而合理的设置加固钢板，可以避免开裂荷载降低，甚至可以一定程度上减缓开裂。同时钢板加固可以一定成度上提高极限荷载，减少挠度，如表2所示。但是需保证钢板与混凝土的粘结可靠。钢板加固楼板B2 的开裂荷载相对开洞楼板B3 的开裂荷载提高了39%，较不开洞楼板B1 提高了5%，主要原因是钢板加固减少了楼板支撑间距，相当于减小了“计算跨度”［9-10］。钢板加固楼板B2 的开裂荷载相对开洞楼板B3 的开裂荷载提高了39%，较不开洞楼板B1 提高了5%，主要原因是钢板加固减少了楼板支撑间距，相当于减小了“计算跨度”。

钢板加固楼板B2 的极限荷载相对开洞楼板B3的极限荷载提高了51%，较不开洞楼板B1 略小3.6%，钢板加固楼板达到极限荷载主要原因是钢板与混凝土粘结失效引起。开洞楼板相对于不开洞楼板的开裂荷载降低了24%，极限荷载降低了36%。因此，楼板开洞对楼板的强度削弱较大，而钢板加固可以有效提高开洞楼板的强度，钢板粘结可靠的情况下，可以基本保证开洞楼板的强度与不开洞楼板强度相当。