现浇混凝土空心楼盖是一种在浇筑前预埋芯模而形成封闭空腔的钢筋混凝土板,如图1所示,该楼盖结构在减轻楼盖自重、减小地震作用、隔声、节能等方面较传统的实心板有较明显的优势,同时又有降低工程成本、改善使用功能的特点 ^[1],已在工程中广泛应用。

　　 但是,在实际工程中由于肋板及下翼缘板厚度较小,再者受到芯模阻挡,下翼缘板极易出现蜂窝、孔洞等混凝土不密实的质量问题,严重的形成局部空腔等重大质量问题,更有甚者使得空心楼盖出现受力裂缝 ^[2],导致其无法满足极限承载力和正常用极限状态的设计要求,对现浇混凝土空心楼盖质量的控制和检测就显得尤为重要 ^[3]。

　　 钢筋混凝土结构缺陷的检测分为有损检测和无损检测两种方法 ^[4]。对于大跨混凝土结构,采用钻孔抽芯锤击等有损检测方式,特别是对于装修完成的结构易造成破坏,且工作量大、效率低,不宜用于大范围连续检测。超声检测法 ^[4,5,6]是一种常用的无损检测方法,能对结构进行连续无损检测,但检测过程中需要发射和接收精确对位,效率较低,不适用于大规模的检测;其次是检测中需使用耦合剂,耦合剂涂抹的好坏将直接影响结果的精确程度,正在施工的现场难以保证耦合剂涂抹质量。地质雷达作为近年来兴起的一种无损检测技术,其检测过程不需采用耦合剂,具有快速、准确、直观、分辨率高的特点,可进行大范围连续检测,目前已广泛应用于公路、桥梁、隧道等混凝土结构的质量检测当中,并取得了良好的效果 ^[4,5]。

　　 空心楼盖下翼缘板往往较薄,规范 ^[1]要求其最小厚度为40mm,传统检测方法 ^[6]无法对其内部混凝土密实度进行快速有效探测。为此,本文以湖南省湘潭县某大跨度空心楼盖(图2)下翼缘的混凝土施工质量检测为例,通过研究不同施工质量的雷达图像,结合现场验证,提出了采用高频天线的雷达检测薄板及分析方法,并在实测中取得了良好的效果,可供实际工程量参考。

　　 地质雷达检测是基于电磁波在不同介质中传递的差异性特征,利用地质雷达向被测介质中辐射较高频率的电磁波,当较高频电磁波在传播中遇到不同介质间界面时会产生电磁波的反射现象。而不均匀物体界面上的反射系数则由界面处两相邻的不同介质的介电常数决定。根据雷达主机接收到反射回波的振幅及频率随时间变化的构成图像,进行分析 ^[7]。

　　 高频电磁波在岩石、混凝土等非磁性、非导电介质中的传播速度v为:

　　 $v=c/\sqrt{\epsilon {}_{\text{r}}}(1)$

　　 式中:c为真空中电磁波传播速度;ε_r为相对介质常数,混凝土中一般取6～8,亦可根据现场验证确定其真实值。

　　 电磁波在同一介质中的传递速度v是不变的,因此可通过测得的地面回波时间与介质回波时间的时间差ΔT,计算出被测目标物的所处深度H:

　　 ${\rm H}=v\times \Delta {\rm T}/2(2)$

　　 式中H为被测目标物的所处深度。

　　 电磁波在介质中的吸收系数β为:

　　 $\beta =\frac{\sigma }{2}\sqrt{\frac{\mu }{\epsilon }}(3)$

　　 式中:σ为导电率;ε为介电系数;μ为磁导率。

　　 电磁波在传播过程中,遇到不同的阻抗界面时将产生反射波和透射波,反射波能量大小取决于反射系数R,R的数学表达式为:

　　 $R=\frac{\sqrt{\epsilon {}_{\text{r}1}}-\sqrt{\epsilon {}_{\text{r}2}}}{\sqrt{\epsilon {}_{\text{r}1}}+\sqrt{\epsilon {}_{\text{r}2}}}(4)$

　　 式中ε_r1,ε_r2分别为电磁波传递过程中的界面两侧两相邻介质的相对介电常数。

　　 因此,通过正确地设置采集参数以及合理布置扫查路线,可有效检测出钢筋混凝土内部缺陷位置。

　　 基于以上原理,采用中国电波传播研究所研制的LTD-2100探地雷达,雷达天线频率为1 500MHz,采用自激自收记录,采样方式采用连续测量,天线方向与测线方向平行同步移动。

　　 结合空心楼盖结构内部芯模分布特点,现场对湘潭县某大跨度空心楼盖设定了纵横两个方向的雷达扫描路径,即Ⓐ-Ⓙ轴方向和(10)-(13)轴方向,见图3。

　　 通过对该空心楼盖进行的检测,雷达云图可以清晰地反映空心楼盖中存在的缺陷,图4列举了本次得到的雷达检测结果典型图片。图4(a)所示为翼缘板较厚且无明显空洞区域的空心楼盖雷达检测结果。可以看出,该区域没有不密实现象,板底界面清晰,钢筋连续反射明显,钢筋保护层厚度为30mm左右,翼缘板密实、厚度较厚,厚约100mm。图4(b)所示为翼缘板较薄且无明显空洞、区域内无不密实现象的空心楼盖雷达检测结果。可以看出,板底界面清晰,钢筋连续反射明显,钢筋保护层厚度为10mm左右,翼缘板密实、厚度较薄,约55mm。图4(c)所示为存在局部空腔区域的空心楼盖雷达检测结果。可以看出,该区域内反射明显,且无明显钢筋弧形反射,表明此区域混凝土偏少或没有混凝土,已形成局部空腔。

　　 该空心楼盖板底至芯模底之间的距离在55～100mm不等,表明芯模存在不同程度的上浮和下沉。

　　 该空心楼盖下翼缘板局部空腔数量较多,如图5所示,且大多集中在主梁或次梁附近,这是因为主次梁附近钢筋分布较密,振捣棒不易进入,加之芯模的阻碍,更易产生局部空腔等严重施工质量问题,因此施工过程中应重点关注施工质量。

　　 为确保雷达检测的有效性,本文采用局部破拆检测和孔内视频检测的方式对部分异常点进行验证。

　　 现场对1个正常点(1#点)和3个雷达检测异常点(2#～4#点)进行局部破拆检测,如图6所示。结果表明,1#点内混凝土密实,钢筋被有效包裹,钢筋保护层厚度为23mm,未见锈蚀;2#～4#点内可见较大范围的空腔,其深度与长度如表1所示,该区域下翼缘板的实际厚度几乎为零,仅剩4～6mm抹灰层遮盖,内部钢筋已锈蚀严重,亟需加固处理。

　　 采用100万像素的摄像头进行内窥成像,以探测空腔内部分布及钢筋锈蚀情况,孔内情况如图7所示。检测结果表明,下翼缘板的空腔具有一定的分布范围,与雷达探测到的空腔区域范围基本吻合。由于受到肋板的影响,空腔仅限于单个孔内,孔与孔之间并未贯通,整个楼盖中呈点状分布,见图5。

　　 同时,空腔内纵横向钢筋缺乏混凝土的有效包裹,且完全锈蚀,但未见空腔与周边区域连通。表明该空心楼盖在浇筑混凝土时,由于芯模的存在,粗骨料难以到达芯模底部,再加上振捣不及时,形成空腔这类严重混凝土施工质量问题较为普遍。

　　 结合局部破拆检测和孔内视频检测结果,本文提出的雷达检测方法能较准确地确定空心楼盖下翼缘薄板不密实区域的位置及延伸范围,可供类似工程采用。

　　 由于出现了空腔以及钢筋锈蚀严重,空心楼盖中下翼缘板近于失效而无法发挥其应有的作用,虽然目前检测到该楼盖的整体变形程度不大,但该建筑正处于装修阶段,活荷载并未完全施加,出于安全考虑,本文采用SAP2000软件对该楼盖进行等效梁单元模拟,建立以下两个对比分析模型:1)模型一,模拟空心楼盖下翼缘板完好的模型,将混凝土肋全部采用工字形截面梁单元;2)模型二,根据被检楼盖空腔位置分布情况,将空腔区域混凝土肋采用T形截面梁单元,以模拟实际检测情况。通过对比变形、抗弯承载力比(受弯构件组合弯矩值与极限抗弯承载力的比值)等参数用以评估该结构的安全性。模型中框架柱、主梁、暗梁采用梁单元模拟,采用梁单元模拟芯模之间的混凝土肋,其轴线如图8所示,有限元模型如图9所示。对X,Y向的混凝土肋以工字形截面梁单元替换,如图10所示。底部出现空腔的楼板,将其简化成T形截面梁,如图11所示。

　　 空心楼盖主要承受的荷载为自重荷载和活荷载,活荷载取5.0kN/m²。

　　 鉴于该建筑于2015年12月18日竣工,荷载组合分项系数采用当时规范 ^[8,9]的取值,分别在正常使用极限状态(标准组合)下计算变形值和在承载能力极限状态(基本组合)下计算内力值。

　　 由于该建筑目前尚处于装修阶段,仅有自重荷载,而活荷载尚未完全施加,分别计算恒荷载和活荷载单独作用下空心楼盖的变形情况,其计算结果如图12所示。由图12可以看出,在模型一中,由活荷载引起空心楼盖的最大变形值为9.7mm,由恒荷载引起空心楼盖的最大变形值为21.6mm,两者比值约为0.45,表明空心楼盖中活荷载引起的变形较大,鉴于目前该建筑正处于装修阶段,活荷载并未完全加上,若活荷载施加完毕,该空心楼盖的实际变形将会显著增加,因此需引起关注。

　　 比较两个模型在正常使用极限状态下的变形情况(图13),由图可见,正常使用极限状态下两模型最大变形值均位于跨中,模型二空心楼盖最大变形为42.2mm,模型一空心楼盖最大变形为31.4mm,两者比值约为1.35,表明下翼缘存在的空腔对空心楼盖的整体变形影响较大,若不处理,空心楼盖的变形将持续增大,从而会影响正常使用。

　　 根据承载能力极限状态计算空心楼盖构件的内力值,对混凝土肋采用抗弯承载力比校核,其结果如图14所示。由图14可以看出,在承载能力极限状态下,模型一空心楼盖各构件抗弯承载力比均小于1,而模型二空心楼盖各构件抗弯承载力比相较于模型一,在数值上明显高出许多,局部抗弯承载力比大于1,不满足承载力要求。这表明下翼缘板存在的空腔对整体结构受力影响较大,若不加以处理,空心楼盖不满足承载力要求的区域将不断扩大,存在安全隐患,因此亟需加固处理以确保其满足原设计要求。

　　 (1)基于空心楼盖的内部构造特点以及存在的施工质量问题,本文提出了以天线频率为1 500MHz的雷达检测薄板及分析方法,该方法能快速准确地确定空心楼盖下翼缘薄板因振捣不密实而形成的局部空腔位置及延伸范围。

　　 (2)检测结果表明,空心楼盖下翼缘板因芯模阻挡,混凝土仅能通过两侧横肋进入,但往往横肋尺寸偏小,浇筑混凝土时,粗骨料很难进入,极易造成级配不当,严重时形成空腔等施工质量问题。为此,建议在大面积现浇混凝土空心楼盖浇筑施工时,适当加强混凝土流动性,同时加强浇筑过程的质量监管。

　　 (3)有限元对比分析结果表明,因施工质量问题导致混凝土空心楼盖下翼缘存在局部空腔,使得这部分下翼缘板无法参与受力,造成其承载能力极限状态下的构件抗弯承载力比和正常使用极限状态下的变形均大幅度增加,表明施工质量问题对空心楼盖的结构受力性能造成了极严重的后果,亟需进行加固处理以确保满足原设计要求,确保结构安全。