一組受約束混凝土柱柱體開裂原因的分析及修復措施

中建一局集團第五建筑有限公司 北京 100024

1 工程概況

龍泉首府項目位于山東棗莊市滕州市龍泉北路。地下部分由一體化地下車庫將11 棟高層住宅樓和1 座會所共12 棟樓連接為一個整體。

由于地庫（基礎）上方建有樓房的部位沉降要大于無上部建筑部位，所以沉降后澆帶要在主樓完工以后才封閉。完工后的地庫頂板將填滿厚1.5 m的土做成綠化頂。

出現(xiàn)裂縫的地下室柱（P5、M5）位于5#、6#樓之間，在地庫外圍西側，均為400 mm×400 mm的鋼筋混凝土柱。這2 根柱在拆模時便發(fā)現(xiàn)裂縫，走向與水平方向成60°角。隨著時間推移，裂縫不斷增寬。在拆模后的3 個月，裂縫最寬達5～6 mm，此后裂縫無明顯發(fā)展。

圖1 地下車庫局部平面

圖2 裂縫柱位置及狀況

2 分析開裂原因

柱P5、M5均位于地庫凹入邊的拐角處，結構相同。其X方向全高（3.60 m）受厚300 mm的地庫外墻約束，Y方向受墻高2.40 m、厚300 mm外墻約束。柱上部， -X方向有400 mm×900 mm的梁。兩柱下方的基礎厚500 mm、其余部分的底板厚250 mm。綜上所述，柱周邊的構件均為厚大的混凝土構件。當這些周邊構件的收縮、膨脹產(chǎn)生的應力應變達到極限值時，將在結構最薄弱處開裂釋放應力[1-4]。

由于柱P5，M5所在位置上部的建筑荷載與施工荷載較小，而且與主樓相距較遠并隔有后澆帶，故不會受到主樓沉降的影響。其開裂原因分析時可首先排除豎向荷載，需要討論的是橫向荷載的方向：是單向還是雙向水平力、有無彎矩破壞因素。據(jù)文獻可知，橫向荷載與彎矩破壞通常在地震破壞試驗中有體現(xiàn)。Yoshimura & Tsumura在一篇國際會議論文中描述了一個短柱剪力破換的試驗，即在柱頂Y方向施加一個恒定的水平約束以及水平的防扭轉約束，然后在Y方向施加水平力，直至破壞；其剪力破壞裂縫與本項目的很相似（圖3、圖4）。Yoshimura & Tsumura 的試驗還發(fā)現(xiàn)：Y方向的約束力越大，X方向的抗剪越差；軸向約束小，X方向的抗剪越弱。

圖3 柱M5效果圖

圖4 Yoshimura & Tsumura 的剪力破換試驗的效果圖

通過比較，不難看出本項目中的柱P5、M5的軸向（Z方向）約束小，Y方向約束大，使得X方向的抗剪能力差。其次，外墻的高差也造成了薄弱環(huán)節(jié)：一段650 mm的短柱特別容易受剪力破壞。

除了結構因素，溫度變化和混凝土自身體積變化造成的應力也是開裂的重要原因。柱P5、 M5所在區(qū)域施工在12月初進行，其上主梁寬400 mm、深900 mm，水化熱較大，且?guī)毂谥苓叢考际禽^大的混凝土構件，更不易散熱。再者地庫主梁配筋量大，柱頂節(jié)點處鋼筋尤為密集，鋼的比熱約為0.46 J/（g·℃），而混凝土比熱約為0.9～1.0 J/（g·℃），所以，在混凝土早齡期的升溫階段中，鋼筋的升溫要比包裹其的混凝土快，溫升造成的主梁膨脹在柱頂施加X方向應力，造成了柱的剪力裂縫。

3 觀測、取證

柱P5、M5所在區(qū)域施工結束后，天氣逐漸轉暖，晝夜溫差帶來的脹縮、混凝土的收縮使得裂紋有所發(fā)展。在齡期2 個月之后體積變化趨小，不再對結構構成威脅。

修復工作在應力基本釋放完畢后進行。此前，技術人員在發(fā)現(xiàn)裂縫的柱頂設置了觀測點，記錄其位移。經(jīng)觀察，自2013年12月至2014年2月底，柱P5、M5的觀測點水平方向位移了4 mm，至6月，觀測點水平方向位移仍然維持在5 mm以內(nèi)，裂紋也沒有繼續(xù)增寬。在觀測期間，柱P5、M5所在位置被隔離，無施工荷載。

4 修補方法及結果

在觀測證實柱P5、M5的裂縫發(fā)展穩(wěn)定之后，工作人員設置了臨時支撐開始修補。首先剔除開裂面的混凝土保護層，用金剛鉆在暴露的柱表面鑿上凹凸的肌理。然后圍繞著柱布置縱向加固鋼筋（圖5），環(huán)繞縱筋再布置箍筋，箍筋端部植入原有墻體內(nèi)。在原柱表面刷表面劑，然后圍繞鋼筋籠支模，注入C50混凝土（原柱為C40混凝土）；加固后的柱截面增大到650 mm ×650 mm。

圖5 柱加固鋼筋布置示意

2個柱子在進行了加固處理之后情況穩(wěn)定。此后的半年多，經(jīng)跟蹤觀測未發(fā)現(xiàn)任何異常現(xiàn)象。

5 結語

1）柱P5、M5的原設計有些強梁弱柱，我們認為強柱弱梁更合理，因此加固時將柱的截面適當放大、加強。

2）考慮到周邊構件對柱的約束大，且分布不對稱：Y方向柱全高有約束；X方向與柱相接的外墻又比柱矮（從墻頂?shù)搅旱子幸欢螀^(qū)間在X方向無約束，形成了一段短柱），柱頂-X方向又有一條大尺寸主梁。此處短柱處于內(nèi)力矛盾之交結點，極易受剪力破壞，建議設計加強[5,6]。