针对双向楼板颤振问题的安全性鉴定及处理

卢淑雯，刘 洋，高海军，封 云

（国家建筑工程质量监督检验中心，北京 100013）

0 引 言

楼盖发生振动，会引起使用人群的适应性问题，而且大多数楼板的舒适度问题均涉及结构的安全问题［1］。尤其对于有一定使用年限的建筑，当楼盖结构出现颤振现象后，存在如何进行楼板安全性鉴定及处理的问题。某银行营业厅当有行人走动时，钢筋混凝土双向楼板有较强的颤振感，等候人群感觉很不舒服且心理上感到恐惧。考虑正常使用状态下对楼板舒适度及安全性的要求，对该双向板进行现场检测、安全性鉴定、振动测试及数值模拟分析，给颤振楼板的后续处理提供详细可靠的数据支撑。

1 工程概况

中国邮储银行某支行始建于 2012年，为现浇多层钢筋混凝土框架结构，各层楼盖均为钢筋混凝土梁板结构，采用 C30 混凝土现浇而成，受力及分布钢筋均采用 HRB400 级钢筋。3层某房间的楼板，当有行人走动时有较强的颤振感且楼板有明显下挠，经委托对该楼板进行检测鉴定和振动测试。楼板的平面位置如图1填充部位所示。

图1 发生颤振的楼板结构平面图（单位：mm）

2 现场检测

2.1 外观质量普查

经检查发现，三层 B/C 轴～4/5 轴辖区楼板上部存在较多裂缝，裂缝 ①～③ 最小宽度为 0.15 mm、最大宽度为 0.70 mm，裂缝与受力裂缝典型特征不相符，裂缝分布如图2所示，且该房间楼板中部存在较大下挠，板中部局部下挠约 18 mm，如图3（a）所示；二层楼板上部存在少量干缩裂缝，且裂缝宽度在规范允许范围内。

2.2 楼板混凝土及钢筋检测

采用回弹结合芯样修正的方法对该建筑物混凝土构件的抗压强度进行抽样检测，所抽检楼板按批计算的混凝土抗压强度推定值为 38.4～40.1 MPa，符合原设计图纸混凝土强度 C30 的要求。

采用 PS-1000 混凝土结构雷达透视仪对钢筋配置情况进行抽样检测，检测操作遵守 JGJ/T 152－2008《混凝土中钢筋检测技术规程》［2］及 GB/T 50784－2013《混凝土结构现场检测技术标准》［3］相关规定进行，采用原位实测法测定钢筋直径为 10 mm，如图3（b）所示。抽检 2、3 两层 4 个房间内楼板的板底钢筋配置，均符合设计要求；抽检2、3 两层 4 个房间内楼板的负弯矩钢筋配置，其中有 5 处钢筋间距不满足设计要求。

采用钢筋磁感应探测仪对钢筋保护层厚度进行抽样检测，检测操作遵循 JGJ/T 152－2008《混凝土中钢筋检测技术规程》相关规定进行，共抽检 36 个主筋保护层厚度测点，其中有 33 个不符合设计要求，保护层不满足规范要求，是导致楼板开裂、下挠的原因之一［4］。

采用楼板测厚仪对楼板厚度进行抽样检测，受现场实际情况所限，只对三层发生明显颤振的房间楼板厚度进行检测，楼板厚度检测结果如表1所示。

共抽检 1 块楼板两个方向共 6 个测点处的板厚，其中有 3 个测点不符合设计要求。由此可见，该房间楼板长跨、短跨各方向都存在楼板厚度不均匀的现象，两方向中，楼板顶部标高不一致，最大高差为 41 mm，楼板厚度不均匀实际是混凝土保护层不满足规范的问题，导致楼板受力不均，同时影响楼板的自振频率等。

2.3 楼板振动测试

对 3 层 4/5～B/C 轴辖区楼板进行振动测试，于楼板中心处布置拾振器及数据采集设备，如图4（a）～（b）所示。振动测试时，楼板顶部无建筑装修层及除激励外的其他活荷载，振动测试激励为质量 80 kg 的成年人，激励的活动范围为双向板周边及中部区域，中部区域范围如图4（a）所示。

图3 测定钢筋直径示意图

表1 混凝土构件截面尺寸检测结果

图4 振动测点平面图及现场图

采用拾振器记录竖向的振动加速度和振动频率，共测试以下 4 种工况：地脉动、人在该楼板上行走（取行走在楼板周边和中心范围两种情况的较大值）、人在该楼板范围内跳跃（取在楼板周边和中心范围跳跃两种情况的较大值）、人在相邻楼板上跳跃（取在楼板周边和中心范围跳跃两种情况的较大值），现场振动测试结果如表2所示。

图5为地脉动工况下振动加速度时程曲线和频谱曲线；图6为人在该楼板上行走工况下振动加速度时程曲线和频谱曲线；图7为人在该楼板上跳跃工况下振动加速度时程曲线和频谱曲线；图8为人在相邻楼板上跳跃工况下振动加速度时程曲线和频谱曲线。

表2 振动测试数据

由表2及图5～8 可知，该楼板自振频率符合 GB 50010－2010《混凝土结构设计规范》［5］中第 3.4.6 条规定的限值；楼板振动加速度峰值超过文献［6］中第 3.7.7 条加速度限值，且人在楼板上行走时的加速度峰值较高使得行人感觉到不舒服［7］，建议对颤振楼板进行加固处理。

图5 地脉动振动加速度时程曲线及频谱曲线

图6 振动加速度时程曲线和频谱曲线（人在该楼板上行走）

图7 振动加速度时程曲线和频谱曲线（人在该楼板上跳跃）

3 数值模拟计算

由中国建筑科学研究院有限公司研制的 PKPM 3.2 版本建立模型，分别建立双向楼板的单跨和多跨两个模型，并采用 SLABCAD 模块对楼板划分网格，进行有限元计算和舒适度计算。

3.1 楼板钢筋核算结果

计算恒荷载为 6.0 kN/m2（包括楼板自重），活荷载为 3.5 kN/m2时，验算多跨楼板模型在荷载最不利工况下的楼板配筋面积，结合现场检测结果及原结构施工图可知，现场楼板钢筋间距、直径及配筋面积满足现行承载及相关规范的要求。

图8 振动加速度时程曲线和频谱曲线（人在相邻楼板上跳跃）

3.2 楼板舒适度计算结果

分别计算楼板的单跨和多跨两个模型的固有模态图和自振频率，其中，3 层 4～5 轴辖区的楼板振型模态图及振动频率如图9所示；3 层 3～6 轴辖区的楼板振型模态图及振动频率如图10所示。

图9 3层4～5轴辖区楼板振型模态图及频率

图10 3层3～6轴辖区的楼板振型模态图及振动频率

由图9可知，按照单跨模型计算时，第 1 阶模态参与系数为 58.4 %，有效质量系数为 85.8 %，楼板自振以第 1 阶模态为主；不考虑活荷载时计算出的楼板自振频率为 9.890 Hz，与表2现场振动测试工况及测试结果 9.766 Hz 相符合，频率误差仅为 1.3 %。由图10可知，按照多跨模型计算时，第 1 阶模态参与系数为 6.0 %，有效质量系数为 72.7 %，第 3 阶模态参与系数为 41.4 %，有效质量系数为 72.7 %，则楼板自振以第 3 阶模态为主，不考虑活荷载时计算出的振动频率为 11.240 Hz，与表2现场振动测试工况不一致，测试结果相差 15 %。综上可知，现场振动测试结果合理，符合双向楼板的振动力学性能。

4 鉴定结果及处理意见

经现场抽检可知，楼板表面有影响安全性的裂缝，发生颤振的房间楼板下挠超过相关规范的允许值，经抽检楼板的混凝土强度符合设计 C30 的要求，钢筋直径符合设计要求，局部钢筋间距不满足设计要求，钢筋保护层偏厚，不满足相关规范及设计要求。楼板自振频率符合规范要求，但楼板振动加速度峰值不符合规范要求。建议对楼板裂缝进行修补封闭处理；且对保护层不满足规范要求、加速度峰值不符合规范要求的楼板，进行加固处理，以提高其刚度和承载力。

5 加固及荷载试验验证

5.1 加固处理

中国邮储银行某支行委托某设计院对发生颤振的楼板进行整层加固，楼板采用增大截面结合底部贴碳纤维法加固，凿毛原混凝土楼面，在楼板表层配置 C10@200 钢筋网，保护层为 20 mm，共新增 C30 细石混凝土层共 60 mm，楼板底部贴 0.7 mm 厚碳纤维布。经加固后楼板质量、刚度均有明显增大，行人走动和跳跃均未出现明显振动，楼板舒适度满足要求。为验证加固后楼板的承载力是否满足正常使用极限状态的要求，对 3 层 4/5～B/C 轴辖区范围楼板进行荷载试验，主要检测加固后楼板在荷载加载过程中的挠度变形和板底裂缝。

5.2 荷载试验验证

由委托方提供的加固设计图纸可知，正常使用阶段1 层活荷载 4.0 kN/m2，2～3 层活载 3.5 kN/m2。

加载方案为：采用满铺沙袋、分级加载，沙袋每袋质量为 25kgf 0.1 %。试验前，抽查单包沙袋的质量，清理场地，在楼板表面均匀地沿长跨方向分割 3 格，短跨方向 3 格，共 9 格，便于控制单位面积加载量和荷载的均布施加。

加载分五级，第一至四级的加载量均为总加载量的 20 %，持荷 10 min 以上，进行挠度及裂缝观测，第五级加载量为总加载量的 20 %，持荷 30 min 以上，进行挠度及裂缝观测。卸载分三级，一、二级卸载量均为总加载量的 1/3，持荷 10 min 以上，进行挠度及裂缝观测，第三级卸载完成后持荷 60 min 以上读取挠度数据并观察裂缝。

图11 楼板挠度测点布置图（单位：mm）

图12 现场加载图片

图13 现场卸载后图片

三层楼板底挠度测点布置如图11所示；第一至五级现场加载图片如图12所示，第一～三级卸载后图片如图13所示，三层楼板荷载分级加/卸载统计如表3所示，6 个测点的荷载位移曲线如图14所示。

表3 三层楼板荷载分级加/卸载统计表

由图14可知，第五级加载持荷30 min后，楼板跨中最大位移为 3.7 mm，相当挠度值为 L0/1865，符合 GB 50010－2010《混凝土结构设计规范》对正常使用极限状态下挠度限值为 L0/200 的要求；且在加/卸荷载过程中未发现楼板底部出现裂缝。可见，该楼板加固方式合理，加固后双向楼板的正常使用极限状态满足相关规范的要求。

图14 荷载位移曲线

6 结 语

针对该银行营业厅的钢筋混凝土双向楼板存在的颤振问题，进行了现场检测及振动测试，并通过有限元数值模拟计算，论证了振动测试结果的合理性，经安全性鉴定表明，楼板保护层过厚、板承载力不足时同样容易引发正常使用状态下楼板的舒适度的问题。对加固后的楼板进行荷载试验，验证了双向板加固处理方法的合理性。

由工程实例，详细介绍了双向混凝土楼板发生颤振时，楼板安全性及舒适度指标检测步骤，相关的检测、鉴定程序可为类似工程提供参考。