郭 磊，梁健衡，林小兵，呂海霞

（1、廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司 廣州 510500；2、廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣州 510635）

0 引言

預(yù)應(yīng)力混凝土經(jīng)過(guò)近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，現(xiàn)在已成為土建工程中一種十分重要的結(jié)構(gòu)形式。隨著國(guó)內(nèi)預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)的發(fā)展，已建成了一大批預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的建筑。隨著社會(huì)的發(fā)展，建筑的使用功能要求越來(lái)越復(fù)雜化、多樣化，一批已建成的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)建筑的功能改造要求（如樓板開(kāi)洞增加扶梯、提高樓板承載能力等）也逐漸變得越來(lái)越迫切［1，2］。雖然對(duì)于預(yù)應(yīng)力樓板開(kāi)洞有一定量的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬研究［3，4］，但由于目前國(guó)內(nèi)的實(shí)際應(yīng)用工程較少、積累不多，尚未形成一整套完善的處理工藝工法，使得此類型的改造工程較難得到推進(jìn)。本文基于目前的這種現(xiàn)狀，針對(duì)無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力樓板開(kāi)洞施工工法進(jìn)行可行性研究，為日后同類型工程的開(kāi)展提供參考。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試件設(shè)計(jì)

依據(jù)已有的工程實(shí)例，結(jié)合試驗(yàn)條件及研究?jī)?nèi)容，設(shè)計(jì)了3 塊預(yù)應(yīng)力樓板進(jìn)行試驗(yàn)，分別為不開(kāi)洞預(yù)應(yīng)力樓板B1、鋼板加固的開(kāi)洞預(yù)應(yīng)力樓板B2 及開(kāi)洞預(yù)應(yīng)力樓板B3（無(wú)加固）。試驗(yàn)中試件的主要參數(shù)的具體取值如表1所示。

預(yù)應(yīng)力樓板的開(kāi)洞情況［5］以及鋼板框加固洞口情況［6］如圖1、圖2所示。其中鋼板框加固和無(wú)加固預(yù)應(yīng)力樓板的配筋情況完全相同，為了分析數(shù)據(jù)的一致性，無(wú)開(kāi)洞預(yù)應(yīng)力樓板的尺寸和配筋均與開(kāi)洞預(yù)應(yīng)力樓板相同，無(wú)開(kāi)洞預(yù)應(yīng)力樓板的板面鋼筋拉通。

試驗(yàn)用混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為C40，3 個(gè)試件28 d立方體抗壓強(qiáng)度為 37.9 MPa、38.5 MPa、35.8 MPa。

預(yù)應(yīng)力鋼筋采用公稱直徑為12.7 的鋼絞線，最大拉力196.1 kN，抗拉強(qiáng)度1 990 MPa，最大力總伸長(zhǎng)率4.9%，彈性模量 195±10 GPa［7，8］。

普通鋼筋箍筋和樓板鋼筋采用HPB300，梁柱受力鋼筋選用HRB400。

1.2 試驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容及測(cè)點(diǎn)布置

本次樓板試驗(yàn)主要測(cè)試4 項(xiàng)內(nèi)容，分別為樓板和鋼筋應(yīng)變測(cè)試、樓板撓度測(cè)試、預(yù)應(yīng)力損傷及裂縫變化情況。

⑴應(yīng)變測(cè)試：采用電阻式應(yīng)變片，B1 號(hào)板共布置21 個(gè)應(yīng)變測(cè)試點(diǎn)，如圖3b 中點(diǎn)1～20 及中心點(diǎn)。B2號(hào)及B3 號(hào)板共布置25 個(gè)應(yīng)變測(cè)試點(diǎn)，如圖3a 中點(diǎn)1～20 及31～34 號(hào)點(diǎn)。所有的應(yīng)變測(cè)點(diǎn)均布置在樓板的下表面。在試驗(yàn)中分別測(cè)試各級(jí)荷載作用下和卸載后樓板應(yīng)變的變化情況。

表1 試件型號(hào)及數(shù)量Tab.1 Types and Quantities of Specimens

圖1 樓板開(kāi)洞及預(yù)應(yīng)力鋼筋布置示意圖Fig.1 Floor Slab Opening and Prestressed Steel Bar Layout Schematic

⑵撓度測(cè)試：采用位移計(jì)，B1 號(hào)板共布置11 個(gè)撓度測(cè)點(diǎn)，分別為點(diǎn) 41～50 及點(diǎn) 53。B2 號(hào)和 B3 號(hào)板共布置12 個(gè)應(yīng)變測(cè)試點(diǎn)，分別為點(diǎn)41～50 及點(diǎn)53。所有的撓度測(cè)點(diǎn)均布置在樓板的下表面。在試驗(yàn)中分別測(cè)試在各級(jí)荷載作用下和卸載后樓板撓度的變化情況，如圖4所示。

⑶預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力測(cè)試：在端部采用壓力傳感器測(cè)預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力變化，為點(diǎn)51、52 和60 的位置，如圖4所示。

圖2 鋼板框加固洞口示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Steel Frame Reinforcement Hole

圖3 應(yīng)變片布置圖Fig.3 Strain Gauge Layout

圖4 位移計(jì)布置圖Fig.4 Displacement Meter Layout

⑷裂縫觀測(cè)：采用裂縫測(cè)寬儀觀察裂縫的出現(xiàn)并測(cè)量裂縫寬度，主要觀測(cè)在荷載作用下樓板裂縫的發(fā)展情況。

⑸普通鋼筋的應(yīng)力測(cè)試：采用鋼筋應(yīng)變片，布置了10 個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別為測(cè)點(diǎn)21～30。如圖5所示。

圖5 普通鋼筋應(yīng)變片布置圖Fig.5 Ordinary Steel Strain Gauge Layout

1.3 加載方式

通過(guò)對(duì)樓板施加12 個(gè)點(diǎn)的荷載近似模擬均布荷載。逐級(jí)加載每級(jí)增加1.1 kN/m2，每級(jí)加載持續(xù)10 min，當(dāng)出現(xiàn)明顯裂縫后，每級(jí)增加0.6 kN/m2。如若發(fā)生以下情況表明試件達(dá)到極限承載能力，即可停止加載，并分五級(jí)卸載。

2 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

2.1 不開(kāi)洞樓板B1結(jié)果分析

不開(kāi)洞樓板的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖6～圖8所示，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，不開(kāi)洞樓板從荷載180 kN 開(kāi)始，產(chǎn)生可見(jiàn)裂縫，混凝土應(yīng)變變化出現(xiàn)拐點(diǎn)，裂縫不斷擴(kuò)張，應(yīng)變迅速增大，在荷載增大到415 kN，39 號(hào)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的鋼筋失效。在荷載增大到440 kN 停止加載時(shí)，樓板并未發(fā)生過(guò)大變形。最大位移為36.92 mm。

圖6 B1 板混凝土各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變變化Fig.6 Strain Variation of B1 Slab Concrete at Various Measuring Points

圖7 B1 板普通鋼筋各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變變化Fig.7 Variation of Strain of B1 Plate Common Steel Bar at Various Measuring Points

圖8 B1 板混凝土板各測(cè)點(diǎn)位移變化Fig.8 Variation of Displacement at Each Measuring Point of B1 Slab Concrete Slab

2.2 鋼板加固開(kāi)洞樓板B2結(jié)果分析

鋼板加固開(kāi)洞樓板B2 的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖9～圖12，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，鋼板加固開(kāi)洞樓板從荷載189 kN 開(kāi)始，產(chǎn)生可見(jiàn)裂縫，混凝土應(yīng)變變化出現(xiàn)拐點(diǎn)，裂縫不斷擴(kuò)張，應(yīng)變迅速增大，在荷載增大到255 kN，樓板發(fā)生巨響時(shí)刻，測(cè)得某根普通鋼筋應(yīng)變出現(xiàn)拐點(diǎn)，不再增大，應(yīng)為粘結(jié)失效。在400 kN 停止加載時(shí)，樓板并未發(fā)生過(guò)大變形，只是鋼板局部粘結(jié)失效。最大位移為36.33 mm。

圖9 B2 板混凝土各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變變化Fig.9 Variation of Strain at Rach Measuring Point of B2 Slab Concrete

圖10 B2 板普通鋼筋各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變變化Fig.10 Variation of Strain at Each Measuring Point of Common Reinforcement in B2 Slab

圖11 B2 板加固鋼板各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變變化Fig.11 Variation of Strain at Each Measuring Point of Steel Plate Strengthened with B2 Plate

2.3 開(kāi)洞樓板（不加固）B3結(jié)果分析

不加固開(kāi)洞樓板試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖13、圖14所示。試驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)開(kāi)洞樓板從荷載180 kN 開(kāi)始，產(chǎn)生可見(jiàn)裂縫，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，在荷載增大到136 kN時(shí)，局部混凝土應(yīng)變變化出現(xiàn)拐點(diǎn)，裂縫不斷擴(kuò)張，應(yīng)變迅速增大，在荷載增大到265 kN，樓板發(fā)生巨響時(shí)刻，預(yù)應(yīng)力筋拉斷。在395 kN 停止加載時(shí)，樓板裂縫和位移均較大。最大位移為45.315 mm。實(shí)際極限荷載應(yīng)取265 kN。

圖12 B2 板混凝土板各測(cè)點(diǎn)位移變化Fig.12 Variation of Displacement at Each Measuring Point of B2 Slab Concrete Slab

圖13 B3 板普通鋼筋各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變變化Fig.13 Variation of Strain of Common Steel Bar in B3 Plate at Various Measuring Points

圖14 B3 板混凝土板各測(cè)點(diǎn)位移變化Fig.14 Variation of Displacement at Each Measuring Point of B3 Slab Concrete Slab

2.4 對(duì)比分析

3 塊樓板的最大位移隨荷載變化規(guī)律的差異如圖15所示，普通鋼筋應(yīng)力隨荷載變化規(guī)律差異如圖16所示。試驗(yàn)研究表明，開(kāi)洞會(huì)降低開(kāi)裂承載能力及極限承載能力，而合理的設(shè)置加固鋼板，可以避免開(kāi)裂荷載降低，甚至可以一定程度上減緩開(kāi)裂。同時(shí)鋼板加固可以一定成度上提高極限荷載，減少撓度，如表2所示。但是需保證鋼板與混凝土的粘結(jié)可靠。鋼板加固樓板B2 的開(kāi)裂荷載相對(duì)開(kāi)洞樓板B3 的開(kāi)裂荷載提高了39%，較不開(kāi)洞樓板B1 提高了5%，主要原因是鋼板加固減少了樓板支撐間距，相當(dāng)于減小了“計(jì)算跨度”［9-10］。鋼板加固樓板B2 的開(kāi)裂荷載相對(duì)開(kāi)洞樓板B3 的開(kāi)裂荷載提高了39%，較不開(kāi)洞樓板B1 提高了5%，主要原因是鋼板加固減少了樓板支撐間距，相當(dāng)于減小了“計(jì)算跨度”。

鋼板加固樓板B2 的極限荷載相對(duì)開(kāi)洞樓板B3的極限荷載提高了51%，較不開(kāi)洞樓板B1 略小3.6%，鋼板加固樓板達(dá)到極限荷載主要原因是鋼板與混凝土粘結(jié)失效引起。開(kāi)洞樓板相對(duì)于不開(kāi)洞樓板的開(kāi)裂荷載降低了24%，極限荷載降低了36%。因此，樓板開(kāi)洞對(duì)樓板的強(qiáng)度削弱較大，而鋼板加固可以有效提高開(kāi)洞樓板的強(qiáng)度，鋼板粘結(jié)可靠的情況下，可以基本保證開(kāi)洞樓板的強(qiáng)度與不開(kāi)洞樓板強(qiáng)度相當(dāng)。

表2 3 塊板的承載能力及撓度對(duì)比Tab.2 Comparisons of Bearing Capacity of Three Plates

圖15 3 塊板的最大位移隨荷載變化對(duì)比Fig.15 Comparison of Maximum Displacement of Three Plates with Load Change

圖16 3 塊板的普通鋼筋應(yīng)變隨荷載變化對(duì)比Fig.16 Comparisons of Strain of Common Steel Bars with Load Change in Three Plates

3 結(jié)論建議

⑴樓板開(kāi)洞會(huì)降低樓板的開(kāi)裂荷載和極限承載能力。

⑵適當(dāng)合理的對(duì)洞口進(jìn)行加固，可以有效提高開(kāi)裂荷載和極限荷載，減少撓度。

⑶開(kāi)洞后預(yù)應(yīng)力筋切斷，對(duì)預(yù)應(yīng)力筋補(bǔ)張拉完成后可以保證樓板的承載能力。

⑷對(duì)于現(xiàn)有樓板開(kāi)洞，原普通鋼筋需被截?cái)?，截?cái)嗪笮璨扇〈胧┍ＷC普通鋼筋的錨固。

⑸鋼板加固需保證鋼板和混凝土的粘結(jié)作用有效。