某工业厂房混凝土楼板静载试验及有限元分析

某工业厂房混凝土楼板静载试验及有限元分析

卢云祥田涌冉群杨雪瑞

卢云祥田涌冉群杨雪瑞贵州省建筑科学研究检测中心贵阳550006

摘要：本文主要研究楼板结构在静载作用下，其结构安全使用性能的评估方法。针对工业厂房楼板结构跨度长、荷载大等特点，介绍了楼板结构现场静载试验的基本内容和方法。以贵州省都匀市某工业厂房为工程实例，采用现场注水加载试验及有限元技术，对该楼板结构的安全使用性能进行了分析与评估。结果表明，现场静载试验与有限元分析方法的有效结合，可为楼板结构的安全评估和加固等提供科学依据，为类似工程提供借鉴和参考。

关键词：工程检测；荷载试验；安全使用性能；数值仿真；工业厂房中图分类号：TU375文献标识码：B工业化发展道路是我国通往现代化的必经之路，在推进工业建设的进程中，各类产业园区孕育而生，较普通民用建筑，工业建筑尤其是工业厂房结构有着荷载大，跨度长等特点，工业建筑的质量安全紧系着我国国民经济命脉。作为建筑类检测机构，应结合科学可靠的理论分析手段与现场试验方法，验证厂房结构的安全使用性能，为我国工业化道路的健康发展保驾护航。

本文以贵州省都匀市某工业厂房为工程实例，采用现场注水加载试验及有限元技术，对厂房楼板结构的安全使用性能进行了分析与评估，为类似工程提供借鉴和参考。

1工程概况贵州省都匀市某厂房项目建筑面积约100万平米，由一系列标准厂房群组成，厂房结构形式为地上3～4层的钢筋混凝土框架结构，楼屋面板为钢筋混凝土现浇板，基础采用人工挖孔灌注桩，抗震等级为四级，建筑结构安全等级为二级，设计使用年限为50年。部分厂房外观见图1所示。

上述项目在施工过程中，发现部分楼板出现开裂现象。为确认楼板是否满足正常使用极限状态要求，现对其中3块楼板进行现场荷载试验。所检3块楼板分别为2#厂房、12#厂房和13#厂房5.97m标高处楼板，3块楼板的设计板厚均为120mm，平面尺寸均为9m×9m，板下主梁截面尺寸为300×800mm，次梁截面尺寸为250×550mm和250×600mm，次梁轴线间距为3m，梁、板、柱混凝土设计强度等级均为C40；楼板设计活荷载标准值为10kN/m2，准永久值系数为0.5，不含板重恒荷载标准值为1.5kN/m2。

图1厂房结构外观图2现场基本情况调查所检楼板未见异常堆载，现场检查情况如下：2#厂房标高5.790m板：板底混凝土结构未粉刷，个别部位有开裂、渗水现象，板底最大裂缝宽度为0.04mm；部分主、次梁跨中存在竖向裂缝，裂缝形态为中间宽两头窄，最大宽度为0.14mm；12#厂房标高5.790m板：板底混凝土结构已粉刷，板底存在开裂现象，裂缝最大宽度为0.04mm，板底渗水现象显著，且局部粉刷层空鼓、脱落；13#厂房标高5.790m板：板底混凝土结构已粉刷，板底未见明显开裂、渗水现象，个别主次梁交接处粉刷层开裂。

3荷载试验3.1试验荷载取值依据《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)第3.4.3条之规定，钢筋混凝土受弯构件正常使用极限状态荷载试验的试验荷载采用准永久组合[1]，本次外加试验荷载值为：2111.5100.56.5/jimmdGkqiQkjjSS?SkNm??????????3.2试验加载分级依据现场条件，试验加载采用注水加载，见图2所示。本次试验分6级加载，3级卸载，在达到使用状态试验荷载值以前，持荷时间为15min，在使用状态试验荷载值作用下，持荷时间为30min。

(a)现场注水加载(b)板下脚手架试验平台图2荷载试验现场4挠度和裂缝试验结果4.1检验允许值[2]依据《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)第3.4.3条及7.2条之规定，对受弯构件应考虑荷载长期作用对挠度增大的影响，经计算，所检楼板挠度增大系数?=2.0。

依据《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)第3.4.3条之规定，对钢筋混凝土受弯构件：当受弯构件的计算跨度7m≤0l≤9m时，构件挠度设计限值为0l/250，所检楼板0l=9m，挠度设计限值0250f??a???l?36.0mm。

挠度检验允许值：根据《混凝土结构试验方法标准》(GB/T50152-2012)第9.3.2条之规定，所检楼板的挠度检验允许值??sfa???a????18.0mm。

裂缝宽度检验允许值：所检楼板结构环境类别为一类，根据《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)第3.4.5条和《混凝土结构试验方法标准》(GB/T50152-2012)第9.3.3条之规定，所检楼板的最大裂缝宽度检验允许值??max??0.20mm。

4.2测点布置所检3块楼板的平面尺寸和结构布置均相同，挠度测点布置见图3所示。

图3测点布置图各测点挠度采用百分表进行测量，裂缝宽度采用裂缝测宽仪进行观测，见图4所示。

4.3测试结果楼板跨中挠度实测值应考虑构件自重产生的变形，并按下列公式计算。

2014年第11期研究探讨377000at?aq?ag00gbgba?a?MM式中，0ta—全部荷载作用下楼板跨中挠度的实测值(mm)；0qa—外加试验荷载作用下楼板跨中挠度的实测值(mm)；0ga—楼板自重及加荷设备重产生的跨中挠度值(mm)；gM—构件自重和加荷设备自重产生的跨中弯矩值(kN/m2)；bM—从外加试验荷载开始至构件出现裂缝以前的外加荷载产生的跨中弯矩值(kN/m2)；0ba—从外加试验荷载开始至构件出现裂缝以前的外加荷载产生的跨中挠度值(mm)；(a)百分表测挠度(b)裂缝测宽仪测裂缝图4现场测试2#厂房5.97m标高处楼板：外加试验荷载作用下跨中挠度0qa=1.62mm，自重作用下跨中挠度00gqgqa?a?MM=0.75mm；跨中挠度实测值000tqga?a?a=2.37mm<??sa?18.0mm。

12#厂房5.97m标高处楼板：外加试验荷载作用下跨中挠度0qa=2.05mm，自重作用下跨中挠度00gqgqa?a?MM=0.95mm；跨中挠度实测值000tqga?a?a=3.00mm<??sa?18.0mm。

13#厂房5.97m标高处楼板：外加试验荷载作用下跨中挠度0qa=1.83mm，自重作用下跨中挠度00gqgqa?a?MM=0.85mm；跨中挠度实测值000tqga?a?a=2.68mm<??sa?18.0mm。

所检3块楼板的荷载位移曲线见图5所示。

0.000.200.400.600.801.001.201.401.601.800%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%加载百分比挠度(mm)加载卸载(a)2#厂房楼板荷载位移曲线0.000.501.001.502.002.500%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%加载百分比挠度(mm)加载卸载(b)12#厂房楼板荷载位移曲线0.000.200.400.600.801.001.201.401.601.802.000%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%加载百分比挠度(mm)加载卸载(c)13#厂房楼板荷载位移曲线图5荷载位移曲线5应力应变测试结果5.1现场测试结构的静力测试通常是利用应变片测试结构在受荷时的应变，再根据Hooke定理计算出应力。其测试系统由应变片、电桥、静态应变仪，可采集系统构成。

本项目荷载试验过程中，采用DH3816静态应力应变测试仪对所检楼板结构进行应力应变测试，考虑到混凝土材料主要为脆性受拉破坏，适用于第一强度理论，即最大拉应力理论，且所检楼板均属双向板，因此在楼底跨中设置三向应变花以测试楼板跨中板底的第一主应力1?。测点布置图见图6，现场测试见图7。

图6应变测点布置图图7现场应力应变测试系统5.2现场测试结果2#厂房标高5.790m(4)-(5)/(C)-(D)板：跨中板底第一主应力1?实测值为0.509MPa，(1/C)/(4)-(5)梁底跨中应力实测值为0.975MPa，(1/4)/(C)-(D)梁底跨中应力实测值为1.040MPa；12#厂房标高5.790m(3)-(4)/(C)-(D)板：跨中板底第一主应力1?实测值为0.573MPa，(2/C)/(3)-(4)梁底跨中应力实测值为1.073MPa，(1/3)/(C)-(D)梁底跨中应力实测值为1.138MPa；13#厂房标高5.790m(7)-(8)/(B)-(C)板：跨中板底第一主应力1?实测值为0.568MPa，(2/B)/(7)-(8)梁底跨中应力实测值为1.008MPa，(1/7)/(B)-(C)梁底跨中应力实测值为1.105MPa；5.3有限元计算根据委托方提供的设计图纸，在有限元软件平台建立了所检楼板的有限元模型，为了符合实际情况和提高分析精度，梁、柱结构采用BEAM杆单元，板结构采用SHELL壳单元模拟。C40素混凝土弹性模量3.25×1010Pa，泊松比0.2；考虑构件实际配筋，采用下式计算钢筋混凝土的等效弹性模量：e1122EI?EI?EI式中，1E、2E分别为混凝土弹性模量和钢筋弹性模量，1I、2I分别为混凝土惯性矩和钢筋惯性矩，eE为钢筋混凝土的等效弹性模量，I为钢筋混凝土的惯性矩。

经有限元计算，所检楼板跨中板底第一主应力为0.401MPa，图6中7#、8#测点的梁底跨中单向应力分别为0.763MPa和0.808MPa。有限元模型及计算结果见图8。

(a)有限元模型(b)变形云图

6结语

经试验验证，所检3块楼板的挠度、裂缝测试结果均小于规范允许的检验值；且应力应变测试结果表明，3块楼板各测点应力实测值均小于C40混凝土抗拉强度设计值1.71MPa，各点实测值均与有限元计算值基本吻合，荷载试验过程中，楼板结构未出现任何破坏标志。综上，所检3块楼板均满足试验荷载作用下的正常使用要求。本文以贵州省都匀市某工业厂房为工程实例，采用现场注水加载试验及有限元技术，对该楼板结构的安全使用性能进行了分析与评估。结果表明，现场静载试验与有限元分析方法的有效结合，可为楼板结构的安全评估和加固等提供科学依据，为类似工程提供借鉴和参考。

参考文献（References）

[1]混凝土结构设计规范(GB50010-2010)[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.

[2]混凝土结构试验方法标准(GB/T50152-2012)[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.