组合楼板混凝土裂缝内因分析

组合楼板混凝土裂缝内因分析

张紫光,杨松,黄振添

（中国建筑第八工程局有限公司，广东汕头，515800）

摘要：混凝土作为一种建筑施工常见且原料易得的物质，其抗拉强度相对于抗压强度较低，当受到较大的拉应力的作用时会有裂缝产生。裂缝的存在直接影响混凝土结构的强度、耐久性甚至安全性，若混凝土的刚度偏弱，裂缝将进一步扩大，产生潜在的安全隐患。通过对组合楼板混凝土裂缝检测分析，为后续施工过程中提供有效的信息。

关键词：组合楼板；混凝土裂缝；内因；自振频率；刚度；

0引言：组合楼板由于其自重轻、强度高、施工方便快捷、易于工业化生产等优点在施工逐渐被使用，但组合楼板在实际施工中易于产生裂缝，其产生裂缝的原因众多，从试验结果分析来看，大致可归属为内因与外因两大方面。由于组合楼板成型过程中的环境复杂，且其施工过程同样复杂多样，故裂缝的产生外部影响因素甚多，混凝土原材、施工工艺及后续养护的方式方法不同，其出现裂缝的时间和裂缝样式也不同，因此本篇就对于此类外部因素不做讨论，本篇主要关注于混凝土楼板本身的内部结构特性如楼板自振频率、刚度等方面对混凝土楼板裂缝进行探讨。

1 楼板内部结构特性：实际设计的时候对楼板自振频率的的设计取值源于人对于楼板振动的反应。实验表明，振动的衰减速率，5次及以下持续循环的振动对于人是没有影响的。

其一是质量，楼板体系的质量取决于其上部荷载取值。一般来说，楼板结构的恒定荷载有多种组成，自重或二次结构、装饰装修的重量都是其质量;有效均布活荷载是指放置在楼板上的物体或人的活动。这些荷载与质量密切相关，因此与楼板的自振频率也密切相关。

其二是刚度，经研究和计算表面，刚度对楼板的自振频率有着直接影响。楼板体系舒适度的研究对象主要为竖向振动，相应的自振频率为竖向自振频率， 对于布置质量均匀、分部规则的简单楼板，可以将其等效为单自由度体系，采用单自由度体系的分析方法计算其竖向自振频率。

2 考虑自振频率的原因：普通工程的梁板结构，一般通过静力挠度保证结构使用的规范性要求，而忽略了人活动引起的楼板结构竖向振动问题。可以通过反应谱进行很好的类比理解，因为反应谱就是在地震动时程下对于单自由度的结构不同频率下的最大的响应。在我国抗震规范中，是将动力转化为静力进行计算，因为反应谱中的响应是最大的，就将其作为计算的指标。工程实践表明1~3Hz是人的各种活动一般频率，所以将设计楼板的自振频率进行一定范围的控制。

通过结构动力学的知识，可以知道自振频率是楼板固有特性，与其本身的刚度与质量有关。当楼板的自振频率比较低时，和人类的各类活动频率比较接近时，容易引起共振。《钢—混凝土组合楼盖结构设计与施工规程》中要求压型钢板组合楼盖的自振频率不小于15Hz,如图1。其他国家也有相应的规范，依据我国生产力和发展现状，一般情况下我们的指标要相对低一些，不过这次却相对较高，这是一个值得思考的问题。

图1：自振频率计算公式

加速度评价振动对人体的影响是比较通用的方法，因为这种方法相对比较直观，而且比较容易知道对人体的力是多少，所以更清楚明了一些。和地震反应谱一样，在通常情况而言，为了方便研究会观测其峰值加速度和均方根加速度来进行描述。而且，人类对于不同频率的振动是有不同的敏感性的差异的，所以需要考虑一定程度上的频率加权。

3 关于组合楼板自振频率的控制

经过具体的实验，可以得到的初步结论是对于不同情况的楼板，当它们的自振频率在 1~3Hz内，其结构的振动强度都是最大的，而人的活动产生的频率一般也集中在1~3Hz，所以楼板结构频率必须要大于 3Hz。

另一组实验反应，某组合楼板在自重作用下的自振频率为12.8Hz，如果人在楼板上进行跳动等活动时，可以感受到楼板相应的振动的，但是当外部增加一定荷载之后，结构的自振频率降低为 8.8Hz。原因是，增加荷载之后，实际上增加了分母的分量，因此相应的自振频率要减小。由此可见:当外加荷载以后，对楼板的激振会比较困难,虽然自振频率变低，但反而感到更加舒适安全。

上文提到压型钢板组合楼盖的自振频率不小于15Hz，与国外的差异十分巨大，说明为了保守起见国家限制了组合楼板在更大跨度上进行应用。因为国内常用的板型如果跨度大于3m以上，将很难满足自振频率15Hz的要求。

图2 Ansys有限元模型

在设计具有活荷载的楼板时，应要建立Ansys有限元模型（如图2）分析和计算楼板的自振频率。楼板的自振频率是结构本身的固有属性，与各类因素有关。对于无肋条楼盖的自振频率主要与板的抗弯刚度相关，根据板的抗弯刚度公式D=Eh³/（1-v²）所以可以根据此推导出提高自振频率的主要措施：提高混凝土强度或增加板厚，对于无肋楼盖可以增加肋条来增加其自振频率。

4总结：通过上述研究可以发现，组合楼板的自振频率及其刚度对于楼板成型过程中裂缝的产生有着重要影响，因此组合楼板在后续设计中需考虑其自振频率及其刚度的影响因素，减小施工过程中楼板裂缝的产生，保证施工质量。虽然组合楼板具有众多施工优点及经济性有点，但国内目前建筑依然应用较少，组合楼板适用于钢结构型建筑，且不太适宜高层或超高层结构，但组合楼板的各项优点效益使得其之后的应用将更加广泛。

参考文献：

[1]赵鸿铁.钢与混凝土组合结构.北京：科学出版社，2001

[2]陈中汉,胡夏闵.组合结构设计.北京：中国建筑工业出版社，2000 [3]严正庭,严力.钢结构设计手册.北京：中国建筑工业出版社，1989

[3]何文汇,马智刚.组合楼板自振频率的计算与试验研究[J].钢结构,2005(03):57-59+73.

[4]陆春华, 金伟良, 宋志刚. 基于振动舒适度要求的混凝土楼板自振频率分析[J]. 建筑科学,2010,26(07):43-46.

作者简介：张紫光,男,中国建筑第八工程局有限公司,广东汕头澄海区东海岸汕头市中心医院易地重建项目中建八局指挥部，邮编：515800