预制楼梯结构性能检验要点分析与实例

2020-10-30蒋向于吴玉龙

工程质量 2020年3期

张军，顾盛，蒋向于，吴玉龙

（昆山市建设工程质量检测中心，江苏昆山 215337）

0 引言

装配式建筑具有工业化水平高、安装施工快、减少人力成本、节能环保等优点，已成为国内外建筑业发展的主流方向［1-2］。其中，预制楼梯施工方便快捷，安装就位后即可实时用于施工人员通行及材料运输，对于现场施工效率提升发挥了重要作用。因此，预制楼梯往往是装配式建筑预制方案中的必选项目之一。

为确保预制楼梯的质量安全可靠，GB 50204－2015《混凝土结构工程施工质量验收规范》［3］（以下简称“《验收规范》”）规定梁、板类受弯构件进场时应进行结构性能检验，并规定了预制构件结构性能的检验指标。可见，结构性能检验是评定预制楼梯进场质量的重要措施。然而，目前预制楼梯结构性能检验尚无标准图集可参考，按《验收规范》进行挠度限值检验时，预制楼梯自重作用下的挠度值往往被忽视，其测算方法以及水平加载方式下的荷载折减计算方法也不为检测人员所熟知。本文以某平放加载的预制楼梯为例，介绍荷载折减及挠度测量的计算过程及注意事项。

1 挠度检验

1.1 挠度检验允许值的确定

挠度是评价预制楼梯结构性能的一项关键指标，按《验收规范》及 GB 50010－2010《混凝土结构设计规范》［4］的规定，对混凝土受弯构件，挠度检验允许值按荷载准永久组合计算，对预应力混凝土受弯构件，挠度检验允许值按荷载标准组合计算。本文介绍的预制楼梯为非预应力受弯构件，挠度检验允许值［as］以荷载准永久组合值计算，按式（1）计算：

式中：［as］为挠度检验允许值，mm；［af］为受弯构件挠度限值，mm；θ 为考虑荷载长期效应组合对挠度增大的影响系数。

挠度限值［af］按表 1 取值；考虑荷载长期效应组合对挠度增大的影响系数 θ，按 GB 50010－2010《混凝土结构设计规范》确定。

表1 受弯构件的挠度限值

1.2 挠度值的量测

预制楼梯的挠度检验允许值是在准永久组合值作用下的挠度允许值，而准永久组合值包含自重。因此，在对挠度量测时也应该包括自重产生的挠度，如何准确测算自重作用下的挠度至为关键。

由于某些预制构件的挠度检验有标准图集参照，如 08 SG432－3《预应力混凝土双T板（坡板宽度 3.0 m）》［5］及 13 G440《大跨度预应力空心板（跨度4.2～18.0 m）》［6］中，挠度实测值和检验允许值均不包括构件自重作用下的挠度，导致一些检测人员形成惯性思维，在进行预制楼梯挠度检验时也忽略了自重作用下产生的挠度，将外加荷载下产生的挠度值与挠度允许值直接比较。

为求出自重作用下的挠度，以得到预制楼梯在准永久组合值作用下的真实挠度，《验收规范》的规定，在各级荷载下的跨中挠度实测值 as0应按式（2）～（4）计算：

式中：as0为全部荷载作用下构件跨中的挠度实测值，mm；aq0为外加试验荷载作用下构件跨中的挠度实测值，mm；ag0为构件自重及加荷设备重产生的跨中挠度值，mm；vm0为外加试验荷载作用下构件跨中的位移实测值，mm；vl0，vr0为外加试验荷载作用下构件左、右端支座沉陷的实测值，mm；Mg为构件自重和加荷设备重产生的跨中弯矩值，kN·m；Mb为从外加试验荷载开始至构件出现裂缝的前一级荷载为止的外加荷载产生的跨中弯矩值，kN·m；ab0为从外加试验荷载开始至构件出现裂缝的前一级荷载为止的外加荷载产生的跨中挠度实测值，mm。

由上述公式可知，预制楼梯自重作用下产生的跨中挠度值无法直接量测，需要通过测算获得。首先假定预制构件开裂之前挠度随荷载增加成线性变化，对预制楼梯出现裂缝的前一级荷载为止的外加荷载产生的跨中挠度实测值进行量测，再由预制楼梯自重产生的跨中弯矩值 Mg、预制楼梯出现裂缝的前一级荷载为止的外加荷载产生的跨中弯矩值 Mb和跨中挠度实测值 ab0三者按公式（4）计算得出。

2 构件水平放置的检验荷载

预制楼梯在进行结构性能检验时一般采用专用加载架的方式，如图 1 所示。但是，由于两端支座标高不同，且不同型号的楼梯要设置不同尺寸的加载架，使得加载试验操作不便。《混凝土结构工程施工质量验收规范 GB 50204－2015 实施指南》［7］指出预制楼梯一般采用专用加载架的方式，如不采用专用加载架，则多采用预制构件水平的加载方式，因此也可以选择水平加载方式对预制楼梯进行结构性能检验。

图1 预制楼梯专用加载架

预制楼梯属于梁板类简支受弯预制构件，选择水平加载方式时，弯矩剪力不能同时检验，常根据检测项目的重要性选择其一，一般选取弯矩为控制指标［8］。相较于专用加载方式，水平加载方式下预制楼梯的跨度变大，根据专用加载方式下的跨中弯矩和水平加载方式下的跨中弯矩等效原则，评定预制楼梯的力学性能指标时，需对预制楼梯水平放置加载的荷载值进行折减。

需要注意的是，专用加载方式下的设计荷载是水平方向分布的竖向荷载（见图 2），计算跨度为斜梯段的水平投影长度。通常情况下，设计单位会直接给出预制楼梯的自重，单位为 t 或 kN，在折算为线荷载时计算跨度务必采用斜梯段的水平投影长度，而不是斜梯段的长度。

图2 预制楼梯受力简图

对于一般的非预应力混凝土预制楼梯，应进行挠度、裂缝宽度和承载力检验，无需进行抗裂性能检验。由《验收规范》和 GB 50010－2010《混凝土结构设计规范》规定知，应求出荷载准永久组合值和荷载基本组合值，对于斜梯段长度为 l0预制楼梯，斜梯段水平投影长度为 l0′（见图 3），水平放置时两支座之间距离为 l1（见图 4），具体荷载计算如下。式中：Sd1为荷载准永久组合值，kN/m；Sd2为荷载基本组合值，kN/m；Ψq为准永久值系数；g 为恒荷载，kN/m2；q 为活荷载，kN/m2。

图3 专用加载方式

图4 水平加载方式

准永久组合下的恒荷载是指预制楼梯的梯段板自重和附属的栏杆、饰层等荷载。但预制楼梯进场进行结构性能检验时预制楼梯上并没有栏杆、饰层等恒载，因此在确定荷载准永久组合及荷载基本组合时应加上这部分附加恒载。在专用加载方式下，由于梯段板受到的活荷载和附加恒载为跨度上的面荷载，而梯段板的自重多为重量的量纲，在荷载组合时应将自重在计算跨度下转化为同一类型的荷载。则专用加载方式下荷载准永久组合值 S1和荷载基本组合值 S2为：

式中：S1为专用加载方式下荷载准永久组合值，kN/m；S2为专用加载方式下荷载基本组合值，kN/m；l0′为梯段板水平投影长度，m；q1为活荷载，kN/m2；q2为附加恒荷载，kN/m2；b1为楼梯踏步宽，m；G 为梯段板自重，kN；Ψq为准永久值系数。

水平加载方式下的计算跨度为两支撑之间的距离，根据跨中弯矩等效原则，得出水平加载方式下荷载准永久组合值S3和荷载基本组合值S4为：

式中：S3为水平加载方式下荷载准永久组合值，kN/m；S4为水平加载方式下荷载基本组合值，kN/m；l1为水平加载时两支撑之间的水平距离，m；l0′ 为梯段板水平投影长度，m。

3 工程实例

某装配式工程采用非预应力预制楼梯，混凝土强度等级为 C30，梯段板尺寸为 3.567 m×1.53 m×0.14 m，斜梯段的水平投影长度为 3.08 m，自重为 25.87 kN，恒荷载附加值为 1.50 kN/m2，活荷载为 3.50 kN/m2。由公式（7）、公式（8）计算专用加载方式下的荷载准永久组合值 S1与荷载基本组合值 S2：

根据现场情况采取水平加载方式（见图 5），两支撑间的跨度为 3.467 m，根据跨中弯矩等效原则，由公式（9）、公式（10）计算荷载水平加载时的准永久组合值和荷载基本组合值：

图5 预制楼梯加载示意图（单位：mm）

3.1 挠度检验

挠度检验应满足式（11）的要求：

根据《验收规范》和 GB 50010－2010《混凝土结构设计规范》，对于钢筋混凝土构件荷载准永久组合值挠度检验允许值为［αs］=［αf］/θ，［αf］=l0/200，由设计方提供的考虑长期荷载效应组合对挠度的增大系数 θ 为 1.744，则［αs］=3 467/（200×1.744）=9.94 mm。

采用百分表测量预制楼梯在外加荷载作用下产生的变形，按 GB/T 50152－2012《混凝土结构试验方法标准》［9］分别在预制楼梯两端支座和中间部分架设百分表（见图 5）。预制楼梯准永久组合加载值为：p1=10.13× 3.467-25.87=9.25 kN（不含自重），采用荷重块加载，按《验收规范》分级加载，并将预制楼梯自重作为第一次加载，各级荷载下楼梯变形量及挠度荷载变化曲线分别如表 2 及图 6 所示。

图6 挠度荷载变化曲线

表2 预制楼梯变形测量结果

当加载至第 3 级时达到准永久组合值，外加荷载作用下产生的挠 aq0度值为 0.86 mm。继续加载至第 5 级时，预制楼梯出现裂缝，裂缝开裂前一级外加荷载产生的跨中弯矩值 Mb为 5.53 k N·m，构件自重和加荷设备重产生的跨中弯矩值 Mg为 11.21 kN·m，从外加试验荷载开始至构件出现裂缝的前一级荷载为止的外加荷载产生的跨中挠度实测值 ab0为 1.19 mm，则构件自重及加荷设备重产生的跨中挠度值 ag0为：ag0=11.21/5.53×1.19=2.41 mm；全部荷载作用下构件跨中的挠度实测值 as0为：as0=0.86+2.41 mm=3.27 mm。

该预制楼梯加载至准永久荷载值时，挠度实测值为 3.27 mm，小于挠度限值 9.94 mm，满足挠度检验要求。