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摘 要：本文对随机抽取的碳纤维布加固后的钢筋混凝土现浇板进行了现场堆料实荷加载检验。对试验板的挠度、裂缝情况进行了测试，并对试验结果以及该现浇板的承载能力进行了分析。通过对该碳纤维加固现浇板工程的效果进行了评价，为现浇板的后期使用及加固处理提供了依据。
关键词：现浇板；荷载试验；挠度；评定
In-situ Load Test and Performance Evaluation of a Reinforced Concrete Slab Strengthened with CFRP
MI Xing
(1. Shandong Provincial Academy of Building Research, Jinan 250031)
Abstract: Real heaped load tests were conducted for the reinforced concrete slabs strengthened with Carbon Fiber Reinforced Polymer randomly selected from reinforced concrete slabs of a project. The flexibility and crack of the reinforced concrete slab were tested. The test results and the bearing capacity were analyzed. It offered a foundation for its later period working and reinforcement of reinforced concrete slabs.
Keywords: reinforced concrete slabs; load test; deflection; flexibility; evaluation
1 前言
既有建筑以及新建建筑由于使用功能的改变、设计或施工的失误、结构本身长时间的老化，规范要求的改变及地震作用等突发作用的影响等原因，造成结构承载力不满足要求，从而需要进行加固、修复。与传统的结构加固技术相比，碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer 简称CFRP)由于具有轻质高强、耐腐蚀性和耐久性强、施工便捷、结构影响较小等优点，近年来在土木工程领域中的研究与应用得到了迅速发展。目前，国内外很多学者对碳纤维加固技术进行了大量的研究，对于CFRP片材加固钢筋混凝土构件的计算方法和理论已经趋于成熟，我国也制定了相应的《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》(CECS146: 2003)[1]和《混凝土结构加固设计规范》GB 50367-2006[2]。
目前，国内外很多学者对碳纤维加固技术进行了大量的研究，对于碳纤维(CFRP)片材加固钢筋混凝土梁、柱构件开展了大量的试验研究及理论分析[3-8]。但对于碳纤维布加固钢筋混凝土现浇板的试验研究相对较少。基于此，本文对碳纤维布加固钢筋混凝土现浇板进行了现场荷载试验研究。
2、试验概况
该住宅楼，5层砖混结构，楼面采用现浇板，板的厚度为100mm，混凝土设计强度等级为C20。由于设计变更，采用碳纤维布对该楼板进行了加固处理；其结构平面布置及CFRP粘贴示意图如图1所示，其中该现浇板在14-16-C轴、16-C-F轴为简支板，在14-16-F轴、14-C-F轴为连续板。碳纤维布粘贴方式如图2所示。
粘贴碳纤维布加固完成后，随机对其中一块加固后的现浇板进行了现场荷载试验主要测试了该现浇板在试验荷载作用下的挠度和裂缝变化情况，以及承载力情况。
3 现浇板荷载试验方案
3.1 试验荷载
现浇板的试验荷载标准值为：
式中： ——试验荷载标准值； ——恒荷载标准值； ——活荷载标准值。
经计算，现浇板的试验荷载标准值为： =3.0kN，其中 =1.0kN， =2.0kN。
考虑到静载试验仅为短期荷载，与长期荷载引起的效应不一样；为此，现浇板的试验荷载设计值取为：4.5 kN。
加载情况如图3所示。
3.2 测试仪器及布置
现场荷载试验主要进行变形测量和裂缝观察。变形测量采用的仪器为百分表；裂缝观察采用裂缝观测仪进行观测。百分表布置在支座和跨中部位，安装和固定百分表应注意以下几个问题： 1）每个百分表应固定在一个独立的脚手架上；2）读数时不得对固定百分表的脚手架产生扰动； 3）百分表的安裝应使测量人员读数方便，同时，使测试仪器在试验过程中尽量少受干扰。百分表安装如图4所示。
3.3 加载方式
现浇板试验采用分9级（每级为0.5 KN/m2）进行加载至设计荷载，当加载至荷载标准值后，持荷不少于1.0小时，当加载至荷载设计值后持荷24小时，其余各级荷载均持荷15分钟；随后分9级进行卸载，卸载至荷载标准值后，持荷不少于1.0小时，其余各级荷载均持荷15分钟。在稳压的时间内，应仔细观察并记录裂缝的出现和开展情况，并记录试验板的变形值；持续时间结束后，观察并记录现浇板的变形和裂缝情况。
3.4 加载步骤
现浇板的荷载试验按下列步骤进行：1）在现浇板的所在楼层的下面设置脚手架；2）固定百分表，调整并记录初始读数；3）用砂子作为荷载，每级荷载均布地加在现浇板上；4）按3.3节的试验方案进行加载和卸载，并记录变形和裂缝情况；5）卸载完成后，静停1h观察记录残余变形值。
4 试验结果
现浇板的现场试验结果如表1所示。
4.1 变形结果分析
各级荷载作用下跨中变形实测值可按下式计算：
(1)
式中： ——外加试验荷载作用下，构件跨中的挠度实测值；
——外加试验荷载作用下，构件跨中的位移实测值；
、 、 、 ——外加试验荷载作用下，构件左支座沉陷位移实测值；
根据变形测试结果表1及公式(1)计算汇总得到现浇板外加试验荷载(不包括自重)的跨中挠度值如表1所示。
由表1绘制的加试验荷载(不包括自重)作用下现浇板荷载—变形（跨中挠度）曲线如图5所示。
现浇板自重产生的变形值[9-11]：
(2)
式中： ——构件自重产生的跨中挠度值；
——构件自重；
——从外加试验荷载至构件出现裂缝的前一级荷载为止的外加荷载值；
——从外加试验荷载至构件出现裂缝的前一级荷载为止的外荷载产生的跨中挠度实测值。
现浇板跨中的短期挠度值为
(3)
式中： ——外加试验荷载(包括自重)作用下构件跨中挠度实测值；
、 ——符号意义同前。
根据公式(1)—(3)计算可得：构件自重为 ＝2.5KN（按100mm厚现浇板计），现浇板自重产生的变形值为 ＝1.99mm，CFRP加固后现浇板跨中短期挠度值为： =4.37mm。
考虑短期荷载与长期荷载引起的效应不同时，该CFRP加固后现浇板荷载设计值作用下板跨中挠度实测值为7.40mm（4.5kN）。
根据《混凝土结构设计规范》[12]的受弯构件挠度允许值规定：对于跨度小于7m的屋盖构件挠度限值为 ，本试验CFRP加固后现浇板挠度实测值小于允许限值28mm。
4.2 现浇板裂缝的观察结果分析
该现浇板在试验过程中，可能出现的裂缝是在板面的四周和板底跨中对角线方向，根据每级荷载试验及观察，两板在第5级荷载出现细微裂缝，原有裂缝微有扩展，由实测结果表明，新产生裂缝最大宽度为0.15mm，不超过0.2mm。
4.3 残余变形
残余变形的百分率可按下式计算：
(4)
式中——残余挠度百分率；
——卸载并静停1h后的跨中残余挠度；
—— 恒压持续24h时的跨中挠度值。
完全卸载24小时候，测量得到该CFRP加固现浇板跨中挠度值为1.02mm。
5 试验结果评定
现浇板荷载试验结果必须满足下列三个条件[1]，否则要进行加固处理。
（1）
式中： ——跨中挠度实测值；
——构件短期挠度允许值，按《混凝土结构设计规范》的规定选取。
（2）
式中： ——试验板最大裂缝宽度实测值；
——板最大裂缝宽度允许值，按《混凝土结构设计规范》的规定选取。
（3）
式中： ——残余变形百分率；
——残余变形百分率允许值，取15%。现浇板的评定结果如表2所示。
6 结语
现浇板现场荷载试验结果表明：
（1）得到了试验分级加载过程中CFRP加固现浇板有参考意义的荷载—变形(P—Δ)曲线；该荷载—变形曲线在试验荷载作用下基本呈直线状态。
（2）荷载卸零后，各测点的相对残余变形在15%以内，说明该CFRP加固现浇板在试验荷载作用下基本处于弹性工作状态。
（3）CFRP加固现浇板荷载试验产生的裂缝宽度不超过规定的限值。
（4）粘贴CFRP加固现浇板技术是切实可行的、可靠的、安全的；该试验也确实证明这种加固新技术是方便、快捷、高效的。保证粘结强度和端头锚固措施是碳纤维板充分发挥作用的先决条件。
注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看
关键词：现浇板；荷载试验；挠度；评定
In-situ Load Test and Performance Evaluation of a Reinforced Concrete Slab Strengthened with CFRP
MI Xing
(1. Shandong Provincial Academy of Building Research, Jinan 250031)
Abstract: Real heaped load tests were conducted for the reinforced concrete slabs strengthened with Carbon Fiber Reinforced Polymer randomly selected from reinforced concrete slabs of a project. The flexibility and crack of the reinforced concrete slab were tested. The test results and the bearing capacity were analyzed. It offered a foundation for its later period working and reinforcement of reinforced concrete slabs.
Keywords: reinforced concrete slabs; load test; deflection; flexibility; evaluation
1 前言
既有建筑以及新建建筑由于使用功能的改变、设计或施工的失误、结构本身长时间的老化，规范要求的改变及地震作用等突发作用的影响等原因，造成结构承载力不满足要求，从而需要进行加固、修复。与传统的结构加固技术相比，碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer 简称CFRP)由于具有轻质高强、耐腐蚀性和耐久性强、施工便捷、结构影响较小等优点，近年来在土木工程领域中的研究与应用得到了迅速发展。目前，国内外很多学者对碳纤维加固技术进行了大量的研究，对于CFRP片材加固钢筋混凝土构件的计算方法和理论已经趋于成熟，我国也制定了相应的《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》(CECS146: 2003)[1]和《混凝土结构加固设计规范》GB 50367-2006[2]。
目前，国内外很多学者对碳纤维加固技术进行了大量的研究，对于碳纤维(CFRP)片材加固钢筋混凝土梁、柱构件开展了大量的试验研究及理论分析[3-8]。但对于碳纤维布加固钢筋混凝土现浇板的试验研究相对较少。基于此，本文对碳纤维布加固钢筋混凝土现浇板进行了现场荷载试验研究。
2、试验概况
该住宅楼，5层砖混结构，楼面采用现浇板，板的厚度为100mm，混凝土设计强度等级为C20。由于设计变更，采用碳纤维布对该楼板进行了加固处理；其结构平面布置及CFRP粘贴示意图如图1所示，其中该现浇板在14-16-C轴、16-C-F轴为简支板，在14-16-F轴、14-C-F轴为连续板。碳纤维布粘贴方式如图2所示。
粘贴碳纤维布加固完成后，随机对其中一块加固后的现浇板进行了现场荷载试验主要测试了该现浇板在试验荷载作用下的挠度和裂缝变化情况，以及承载力情况。
3 现浇板荷载试验方案
3.1 试验荷载
现浇板的试验荷载标准值为：
式中： ——试验荷载标准值； ——恒荷载标准值； ——活荷载标准值。
经计算，现浇板的试验荷载标准值为： =3.0kN，其中 =1.0kN， =2.0kN。
考虑到静载试验仅为短期荷载，与长期荷载引起的效应不一样；为此，现浇板的试验荷载设计值取为：4.5 kN。
加载情况如图3所示。
3.2 测试仪器及布置
现场荷载试验主要进行变形测量和裂缝观察。变形测量采用的仪器为百分表；裂缝观察采用裂缝观测仪进行观测。百分表布置在支座和跨中部位，安装和固定百分表应注意以下几个问题： 1）每个百分表应固定在一个独立的脚手架上；2）读数时不得对固定百分表的脚手架产生扰动； 3）百分表的安裝应使测量人员读数方便，同时，使测试仪器在试验过程中尽量少受干扰。百分表安装如图4所示。
3.3 加载方式
现浇板试验采用分9级（每级为0.5 KN/m2）进行加载至设计荷载，当加载至荷载标准值后，持荷不少于1.0小时，当加载至荷载设计值后持荷24小时，其余各级荷载均持荷15分钟；随后分9级进行卸载，卸载至荷载标准值后，持荷不少于1.0小时，其余各级荷载均持荷15分钟。在稳压的时间内，应仔细观察并记录裂缝的出现和开展情况，并记录试验板的变形值；持续时间结束后，观察并记录现浇板的变形和裂缝情况。
3.4 加载步骤
现浇板的荷载试验按下列步骤进行：1）在现浇板的所在楼层的下面设置脚手架；2）固定百分表，调整并记录初始读数；3）用砂子作为荷载，每级荷载均布地加在现浇板上；4）按3.3节的试验方案进行加载和卸载，并记录变形和裂缝情况；5）卸载完成后，静停1h观察记录残余变形值。
4 试验结果
现浇板的现场试验结果如表1所示。
4.1 变形结果分析
各级荷载作用下跨中变形实测值可按下式计算：
(1)
式中： ——外加试验荷载作用下，构件跨中的挠度实测值；
——外加试验荷载作用下，构件跨中的位移实测值；
、 、 、 ——外加试验荷载作用下，构件左支座沉陷位移实测值；
根据变形测试结果表1及公式(1)计算汇总得到现浇板外加试验荷载(不包括自重)的跨中挠度值如表1所示。
由表1绘制的加试验荷载(不包括自重)作用下现浇板荷载—变形（跨中挠度）曲线如图5所示。
现浇板自重产生的变形值[9-11]：
(2)
式中： ——构件自重产生的跨中挠度值；
——构件自重；
——从外加试验荷载至构件出现裂缝的前一级荷载为止的外加荷载值；
——从外加试验荷载至构件出现裂缝的前一级荷载为止的外荷载产生的跨中挠度实测值。
现浇板跨中的短期挠度值为
(3)
式中： ——外加试验荷载(包括自重)作用下构件跨中挠度实测值；
、 ——符号意义同前。
根据公式(1)—(3)计算可得：构件自重为 ＝2.5KN（按100mm厚现浇板计），现浇板自重产生的变形值为 ＝1.99mm，CFRP加固后现浇板跨中短期挠度值为： =4.37mm。
考虑短期荷载与长期荷载引起的效应不同时，该CFRP加固后现浇板荷载设计值作用下板跨中挠度实测值为7.40mm（4.5kN）。
根据《混凝土结构设计规范》[12]的受弯构件挠度允许值规定：对于跨度小于7m的屋盖构件挠度限值为 ，本试验CFRP加固后现浇板挠度实测值小于允许限值28mm。
4.2 现浇板裂缝的观察结果分析
该现浇板在试验过程中，可能出现的裂缝是在板面的四周和板底跨中对角线方向，根据每级荷载试验及观察，两板在第5级荷载出现细微裂缝，原有裂缝微有扩展，由实测结果表明，新产生裂缝最大宽度为0.15mm，不超过0.2mm。
4.3 残余变形
残余变形的百分率可按下式计算：
(4)
式中——残余挠度百分率；
——卸载并静停1h后的跨中残余挠度；
—— 恒压持续24h时的跨中挠度值。
完全卸载24小时候，测量得到该CFRP加固现浇板跨中挠度值为1.02mm。
5 试验结果评定
现浇板荷载试验结果必须满足下列三个条件[1]，否则要进行加固处理。
（1）
式中： ——跨中挠度实测值；
——构件短期挠度允许值，按《混凝土结构设计规范》的规定选取。
（2）
式中： ——试验板最大裂缝宽度实测值；
——板最大裂缝宽度允许值，按《混凝土结构设计规范》的规定选取。
（3）
式中： ——残余变形百分率；
——残余变形百分率允许值，取15%。现浇板的评定结果如表2所示。
6 结语
现浇板现场荷载试验结果表明：
（1）得到了试验分级加载过程中CFRP加固现浇板有参考意义的荷载—变形(P—Δ)曲线；该荷载—变形曲线在试验荷载作用下基本呈直线状态。
（2）荷载卸零后，各测点的相对残余变形在15%以内，说明该CFRP加固现浇板在试验荷载作用下基本处于弹性工作状态。
（3）CFRP加固现浇板荷载试验产生的裂缝宽度不超过规定的限值。
（4）粘贴CFRP加固现浇板技术是切实可行的、可靠的、安全的；该试验也确实证明这种加固新技术是方便、快捷、高效的。保证粘结强度和端头锚固措施是碳纤维板充分发挥作用的先决条件。
注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看