薄壁方箱现浇混凝土空心楼盖结构检测及数值分析

耿 丽

(福建省建筑科学研究院有限责任公司 福建省绿色建筑技术重点实验室， 福建 福州 350108)

GBF薄壁方箱现浇混凝土空心楼盖是指按设计要求在楼板内放置埋入式薄壁方箱，经现场浇注混凝土而在楼板中形成空腔的楼盖结构，是一种传力明确的双向网格肋空心楼盖结构体系，又称“剪力键式双向空心大板”。

研究表明这种空心楼盖的受力特点近似于实心楼盖结构[1,2]，且自重轻、跨度大。该结构通过增加楼层的净高度最大限度地提高结构的利用率，适用于较大跨度楼盖和转换层等复杂结构。

本文以某GBF薄壁方箱现浇钢筋混凝土空心楼盖为例，对其进行混凝土超灌和裂缝检测，并对其拆模过程中楼板自重作用下变形进行监测。结合该工程阐述了薄壁方箱空心楼盖施工质量的控制要点。

1 工程概况

图1 空心楼盖结构平面示意/mm

图2 薄壁方箱空心板局部示意/mm

由于施工时部分方箱破损，填充体内出现积水积浆现象，楼面荷载超出设计要求，导致楼板拆模过程中板面、板底、梁侧、梁底、柱边等部位出现明显裂缝，影响了楼盖结构安全性，有必要对该薄壁方箱空心楼盖进行自重荷载下静载原位试验，并基于混凝土超灌检测结果对空心楼盖进行有限元分析，分析楼盖的结构安全性。

2 楼盖静载原位试验

9月27日上午8时至9月29日上午11时进行空心板模板支架的顶托拆除作业，作业时从板边向中部进行逐步拆除，拆模期间及之后的20 d时间内对楼板变形挠度进行监测，对板面、板底、梁柱构件进行裂缝检测。

2.1 原位试验方案

空心楼盖挠度监测采用吊锤法[3]，在板底面长、短跨方向共布置12个挠度测点，分别为沿板长跨方向(7—11轴)布置5个测点，短跨方向(J—M轴)布置7个测点，为保证测量数据的可靠性，板中心点处设置2个测点，测量结果取两测点平均值，板挠度测点分布见图3。挠度值采用数显百分表测量，每间隔一定时间对百分表读数进行记录。裂缝宽度采用刻度放大镜测量。

图3 板底面挠度测点布置示意/mm

2.2 楼盖挠度

短跨方向测点在9月27日至10月13日之间的挠度变化结果见图4，板中心测点3在每时间段的荷载-挠度值变化量见图5。

图4 短跨方向挠度变形曲线

图5 板跨中测点3挠度变形曲线

由图4，5可知，楼盖板在自重荷载作用下跨中挠度变化增长迅速，跨中最大挠度实测值为75.67 mm，根据GB/T 50152-2012《混凝土结构试验方法标准》[4]的规定，该值超出了短期静力加载试验的检验允许值(46.67 mm)。

2.3 裂缝检测

模板顶托拆除作业前，先对板面裂缝进行检查，未发现肉眼可见明显裂缝。模板顶托拆除期间及结束之后，对楼面裂缝进行检查。结果表明板面四角均出现斜向裂缝，最大裂缝宽度为0.42 mm(裂缝分布详图6，7)。板底仅对局部拆模区域进行裂缝检查，结果表明板底最大裂缝宽度为0.22 mm，均已超出GB/T 50152-2012《混凝土结构试验方法标准》[4]规定的短期静力加载试验检验限值(0.2 mm)。

图6 顶板及边梁侧面裂缝分布

图7 A区裂缝现场示意

随着顶托的逐步拆除，边梁侧面端部出现呈45°分布的裂缝，中部沿梁高方向出现多处竖向细小裂缝，底面出现平行于梁宽方向的细小裂缝。柱的侧面出现细小水平裂缝。梁柱构件裂缝分布见图6～8。

图8 梁柱构件裂缝示意

3 薄壁方箱空心楼盖有限元分析

3.1 方箱空心楼盖混凝土超灌检测

现场采用钻孔法对空心板方箱模内混凝土灌入情况进行检测。结果表明，空心楼板超灌混凝土体积量为152.57 m3，换算均布荷载为3.4 kN/m2，原设计楼板自重12.6 kN/m2，则现阶段楼板实际荷载标准值为16.0 kN/m2。

3.2 方箱空心楼盖数值计算模型及参数

对薄壁方箱钢筋混凝土空心楼盖的有限元分析采用弹塑性增量理论，混凝土单元采用Solid65单元，本构关系采用多线性等向强化模型。钢筋单元采用link8单元，本构关系采用双线性随动强化模型。空心楼盖板的相关计算参数见表1，2。空心楼盖采用整体式模型，即将钢筋弥散在混凝土单元的内部，用体积配筋率来指定钢筋的数量。有限元模型见图9。

表1 板材料物理参数

表2 板的计算参数

图9 空心板有限元模型

3.3 有限元分析结果

根据有限元计算结果，原设计荷载作用下空心板挠度值详图见图10。由图10可知，空心板在原设计恒载12.6 kN/m2，活载0.5 kN/m2作用下板中最大挠度计算值为110 mm，因空心板起拱值为50 mm，则板实际挠度值为60 mm，根据JGJ/T 268-2012《现浇混凝土空心楼盖技术规程》[5]的规定，该值满足楼盖挠度限值l0/300(84 mm)，符合结构设计要求，其中l0为板构件的计算跨度。

图10 原设计荷载作用下空心板挠度等值线图/m

实际荷载作用下空心板挠度值详图见图11。由图11可知，空心板承受实际荷载16.0 kN/m2时，在恒、活载作用下板中最大挠度计算值为150 mm，考虑板起拱值50 mm，实际挠度值为100 mm，超出规范限值(84 mm)，不满足结构的安全性要求，且该空心楼盖板荷载以恒载为主，过大变形具有危险性。

图11 实际荷载作用下空心板挠度等值线图/m

有限元计算结果大于现场静力试验值，由于空心板模板未完全拆除，还有部分模板起支撑作用，其次监测的变形量为模板在自重下的短期挠度值，而数值分析的结果为恒、活荷载下的长期变形量。

4 空心楼盖施工质量控制要点

由于施工过程中，薄壁箱体破损，导致楼板恒载过大，承载力不足，因此为保障空心楼板的结构安全性，GBF薄壁方箱现浇混凝土空心楼盖的施工应加强以下几方面的质量控制：

(1)GBF薄壁方箱在施工运输过程中要轻拿轻放，不得抛扔、挤压，安装前进行外观检查，完好箱体方可入模。

(2)板面钢筋绑扎及方箱安装时，需铺设操作走道，禁止直接踩踏箱体内模。

(3)方箱应有定位措施，保证上下板厚度和肋宽符合设计要求；内置箱体应有可靠的抗浮和水平滑移措施[6]。

(4)混凝土下料时不宜过猛，也不可太多。浇筑时混凝土输送泵出口应避免直接冲击箱体。混凝土浇筑时箱体与肋处应采用小振动棒进行振捣，避免振捣器直接触压薄壁。

(5)浇筑过程中要派专人跟踪检查，发现局部破损的方箱立即进行修补，做好质量控制与成品保护。

(6)模架拆除的混凝土强度应符合设计要求，楼板上承载施工模架时，应核算楼板在施工期间的安全性[7]。

5 结 论

(1)大跨度楼盖的自重占设计荷载比例较大，设计时应准确计算楼板自重荷载，避免由于自重造成楼板及周边梁柱构件发生较大变形，影响建筑的使用。

(2)应完善大跨度薄壁方箱空心楼盖的施工工艺，加强对施工过程的监管，控制现场浇筑的混凝土用量。

(3)应对大跨度混凝土空心楼盖拆模作业时构件变形实施监测，作为建筑后续使用安全性的重要依据。

(4)现场检测及有限元计算结果均表明，该工程空心楼盖结构安全性不满足设计要求，最大挠度超出规范限值，过大变形具有危险性，必须做拆除或加固处理。