负弯矩筋保护层厚度对楼面板受力和挠度影响

2022-04-20聂晓鹏朱国良高文艺

低温建筑技术 2022年3期

聂晓鹏，朱国良，高文艺

（贵州中建建筑科研设计院有限公司，贵阳 550006）

0 引言

钢筋混凝土结构中，梁和板是典型的受弯构件，受力特点是构件某一截面处同时存在受压区和受拉区。钢筋混凝土是由钢筋和混凝土两种不同性质材料结合的复合型材料，由于两种材料自身的性质相近，两者之间有良好的粘结力以及混凝土为钢筋提供碱性环境，起到保护钢筋的作用，所以决定了钢筋和混凝土可以协同工作。当外力作用于受弯构件，混凝土抵抗压应力，同时钢筋抵抗拉应力，使得钢筋混凝土性能发挥出各自的优势。李克飞、陈肇元［1］对混凝土结构从耐久性设计的方面叙述了钢筋保护层的规定。针对框架结构，贾文学［2］通过对国内外规范允许的混凝土结构钢筋保护层厚度进行比较，总结得出我国允许的钢筋保护层厚度决定的混凝土耐久性不及国外规范的规定。蔡国杰、黄聪等［3］从受力的角度强调了钢筋保护层厚度对工程结构的重要性。上述学者主要从耐久性方面对钢筋保护层进行研究，根据现有国家规范GB 50010对钢筋保护层的最新定义，结构构件中钢筋外边缘至构件表面范围用于保护钢筋的混凝土［4］，文中以某工程中一现浇楼面板为例，研究负弯矩筋保护层厚度超过设计要求值1倍时，对承载力和挠度的影响。

1 保护层厚度对混凝土影响

现行国家标准分别在承载力和耐久性两个方面按照不同环境类别确定了结构构件允许的最小混凝土保护层厚度，GB 50010《混凝土结构设计规范》［5］中表8.2.1规定了钢筋保护层的最小厚度，GB 50476《混凝土耐久性结构设计规范》［6］表4.3.1按照环境对钢筋腐蚀性的影响规定了混凝土保护层的最小厚度。两个标准侧重点不同，因此对混凝土保护层厚度要求不同。通过对现浇楼面板负弯矩筋混凝土保护层的检测结果以及现阶段混凝土材料特性，建议增大混凝土保护层厚度，原因如下：

（1）受施工工艺影响大，对于现浇混凝土楼面板，负弯矩钢筋下端安装有马凳筋，但在混凝土浇筑过程中，在混凝土冲击力和施工人员的踩踏下，负弯矩钢筋仍然会产生移位现象，此外楼面板浇筑厚度往往较大，所以使得楼面板负弯矩钢筋保护层厚度很难达到GB 50204《混凝土结构工程施工质量验收规范》［7］规范中附录E.0.4的规定。

（2）对于混凝土材料，为进一步降低混凝土生产成本，水泥用量逐渐降低，其他掺合料用量增加。水泥凝结硬化过程中产生的水化产物与混合材、掺合料等发生二次水化反应，消耗部分CaO［8］，在上述因素的综合影响下，造成碱环境强度减弱，最终导致碳化深度增大。

（3）通过总结工程检测资料及参考于立强［9］、孙德胜等［10］静载试验证明负弯矩筋保护层厚度偏大并不一定影响构件的承载力。

（4）当满足GB 50204规范中的允许负偏差值时，其混凝土保护层厚度最小值为10mm，接近GB 50476规范中最小混凝土保护层的1/2，对结构耐久性产生不利影响。

综上可知，在不影响承载力情况下，钢筋保护层厚度增大后一方面可以提高结构耐久性，另一方面降低施工人员的工作量。

2 工程概况

工程为部分框支剪力墙结构，地下2层地上32层，楼、屋面板为现浇板，混凝土强度等级为C30，楼面板设计厚度为100～130mm。采用钢筋牌号为HRB400，板底正筋直径为12mm，负弯矩钢筋直径为8mm，钢筋保护层厚度为15mm。

结构主体竣工后，有部分楼面板开裂，多数裂缝出现在板面与剪力墙连接处见图1，图1中数字为该条裂缝的最大宽度值，裂缝呈上宽下窄的深层裂缝，缝宽集中在0.3～0.8mm范围内。对开裂楼板板面负筋保护层厚度测量，经过数据汇总分析得出负筋保护层厚度在40mm左右，个别跨度较小板板面的钢筋保护层厚度最大值接近80mm，保护层最厚点已超过设计值的5倍。

图1 楼面板板面典型裂缝分布

为确定在承载力极限状态下楼面板的安全性，随机选取某块现浇楼面板进行分析见图2，通过测量楼面板的尺寸可以判定为双向板。根据收集资料了解到，楼面板混凝土脱模时间过早，混凝土终凝前在楼面板上堆载见照片1，推定楼面板产生的裂缝并非由于弯矩筋保护层厚度过大引起。

图2 楼面板几何尺寸（单位：mm）

照片1 楼面板裂缝形态

3 结构计算

3.1 配筋验算

所选取的现浇板几何尺寸b×h=8200mm×4700mm，楼板厚度为120mm，检测负弯矩筋保护层平均厚度为40mm，楼面板四周为固支。按照弹性薄板小挠度理论对四边固支双向板的弯矩值，h/b=0.57，泊松比为0时，查《建筑结构静力计算手册》表5.2-4计算跨中弯矩系数Mxc、Myc及端部弯矩系数弯矩系数［11］。

根据设计单位提供的荷载值，活荷载为2.0kN/m2，外加恒载为1.5kN/m2，楼面板厚度为120mm，楼板自重为25×0.12=3.0kN/m2。

荷载基本组合值：

以可变荷载控制S=1.2×（3.0+1.5）+1.4×2.0=8.2kN/m2

以永久荷载控制S2=1.35×（3.0+1.5）+1.4×0.7×2.0=8.035kN/m2

即q=8.2kN/m2，带入公式求跨中和支座处弯矩值。

按照GB 50010-2010《混凝土结构设计规范》第5.4.3款规定，对板负弯矩进行调幅20%，则调幅后支座处的弯矩见式（3）。根据调幅后的弯矩，计算单位板宽内的受力钢筋截面面积采用式（4）。

式中，γs=0.95，fy=360MPa，支座处h0=80mm，支座处配筋X方向Asx=302mm2，Y方向Asy=427mm2。

3.2 挠度计算

参考姜磊［12］和王勇［13］的论文中提出的经典塑性绞线理论，板跨中挠度是板厚的0.45倍，工程案例中板的厚度为120mm，则达到极限抵抗弯矩时，挠度值为58mm。当采用Dong模型时，屈服线形成时挠度值ν0见式（5）。

式中，fy为钢筋屈服强度；Es为钢筋弹性模量；L为板较长边的长度。

通过计算ν0=67.4mm。

采用弹性波板小挠度理论计算挠度值，见式（6）。

式中，fc为挠度系数；q为施加荷载值；l为楼面板短边尺寸；D为楼面板刚度。

通过计算f=2.15mm。但式（6）中各符号含义与支座处负弯矩筋保护层无关，因此保护层大小不影响挠度值。

基于假定理论不同，因此上述3种挠度计算值差异较大。

4 有限元分析

利用ANSYS软件采用分离式方法建立钢筋混凝土有限元模型见图3，混凝土采用SOLID65单元，钢筋采用link单元见图4，支座采用SOLID185单元，非线性分析过程中不考虑混凝土与钢筋的滑移。

图3 有限元模型

图4 负弯矩筋布置

为了使混凝土的非线性计算顺利收敛，混凝土材料参数中张开裂缝的剪切传递系数取0.5，闭合裂缝的剪切传递系数取1.0，单轴抗压强度取-1。经过试算分析，混凝土材料抗拉强度取值在3以上时数值模拟能够收敛。

考虑到沿板厚度方向尺寸较小，因此沿厚度方向网格划分长度为20mm，其它位置网格划分的长度为50mm，采用sweep命令进行网格划分见图5。

图5 单元网格划分

对负弯矩筋保护层厚度分别为20mm和40mm的现浇板进行数值分析。与板相连的梁下剪力墙/柱底的所有自由度进行约束，施加面荷载为6.84kN/m2，求解出楼面板支座处应力云图见图6、图7，楼面板挠度云图见图8、图9。

图6 保护层厚度20mm楼面板应力云图（单位：MPa）

图7 保护层厚度40mm楼面板应力云图（单位：MPa）

图8 保护层厚度20mm板跨中挠度（单位：mm）

图9 保护层厚度40mm板跨中挠度（单位：mm）

计算结果显示楼面板在沿长边方向支座处出现最大应力值，板跨中偏左出现挠度最大值。与负弯矩筋保护层厚度20mm相比，保护层为40mm的楼面板支座处出现最大应力值较大，所以支座处混凝土更容易出现结构裂缝。由于负弯矩钢筋保护层厚度增大，沿板厚方向有效截面减小，因此楼面板跨中挠度值增加3.8%。

5 静载试验

5.1 试验介绍

经统计受检结构多数现浇板支座负弯矩筋保护层厚度偏差值远超过GB 50204附录E.0.4结构实体纵向受力钢筋保护层厚度允许偏差（+8，-5）的要求，并且楼面板板面四周有开裂现象，按照GB 50204《混凝土结构工程施工质量验收规范》要求，评定为不合格且存在严重质量缺陷。为进一步验证该类板的承载力，依据GB/T 50152《混凝土结构试验方法标准》第9.1.7款的方法进行静载试验，第7.3.3款给出了符合性判定标准即弯曲挠度达到跨度的1/50（94mm）或受拉主筋处裂缝宽度达到1.5mm。

已知该楼面板的自重为3.0kN/m2，试验加载系数取1.2，则试验所需施加的荷载为6.84kN/m2（不包括板自重），采用重物堆载法加载，持荷过程及百分表布置分别见图10、图11。

图10 持荷过程

图11 百分表架设位置

5.2 试验结果

试验过程中记录各测点累计挠度变化值，图12为测点1、测点3、测点7和测点9的挠度变化曲线，图13为中间测点挠度变化曲线。

图12 角点挠度累计变化值

图13 中间点挠度累计变化值

5.3 结果分析

测点1、测点3、测点7和测点9位置处挠度值最小，说明该位置受到约束较大。4条边跨中挠度值次之，其中长边方向测点4和测点6挠度值大于测点2和测点8。由于测点6一层靠近阳台，使得该侧受到的竖向约束力较小，从而使得该点挠度值稍大于测点4位置处。测点5位于现浇板跨中处，挠度值最大，达到10.32mm，但远小于规范规定跨度值的1/50，板底出现最大裂缝宽度为0.06mm，板底裂缝出现的位置和形态见图14。板面裂缝由初始裂缝宽度0.46mm达到最大值1.3mm，裂缝未贯穿楼面板。