一種容易被忽視的混凝土梁端裂縫分析

魏 利 國

(山西省建筑科學研究院，山西 太原 030001)

一種容易被忽視的混凝土梁端裂縫分析

魏 利 國

(山西省建筑科學研究院，山西 太原 030001)

對建筑物在建設和使用過程中出現(xiàn)的不同程度、不同形式的裂縫進行了闡述，結(jié)合工程實際情況，介紹了一種特殊裂縫即混凝土梁端上部開始的斜裂縫的形態(tài)及特征，并結(jié)合計算具體分析了形成此裂縫的原因，通過具體的檢測方案，提出了預防此裂縫產(chǎn)生應采取的措施。

梁端裂縫，主拉應力，次應力，彎矩，剪力

1 概述

結(jié)構的破壞和倒塌是以結(jié)構構件的超極限狀態(tài)造成的，而這種狀態(tài)又多表現(xiàn)為裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。人們對建筑物在使用過程中出現(xiàn)的一些不同形式及不同程度的裂縫往往存在誤解，認為裂縫會對房屋結(jié)構產(chǎn)生一定的破壞，心里對裂縫的存在有一定的恐懼感，事實上有些裂縫確實對房屋的結(jié)構有影響，它會降低結(jié)構的承載力，另外，滲漏也是由于裂縫引起的，使房屋的耐久性受到了影響，例如在混凝土結(jié)構中，加速混凝土的中性化，加劇鋼筋銹蝕、保護層剝落等。因此，為保證建筑物結(jié)構安全，廣大技術人員應精確對裂縫產(chǎn)生原因、程度、特征及性質(zhì)進行分析，并針對分析結(jié)果采取相應合理、經(jīng)濟的加固處理措施，以增強建筑物的承載能力，提高結(jié)構的耐久性，延長建筑物的使用壽命。

從廣義上分析，結(jié)構物在使用過程中承受著直接和間接兩方面的作用，直接作用包含有靜荷載、動荷載及其他荷載；間接作用包含有溫度、收縮及不均勻沉陷等。當作用產(chǎn)生的應力超過結(jié)構材料的抗拉強度時，結(jié)構構件就會開裂，由此可以將裂縫分為以下三類：1)由靜動荷載等直接作用產(chǎn)生的直接應力引起的裂縫(此直接應力是按常規(guī)模型計算的應力)。2)由直接作用引發(fā)的結(jié)構次應力引起的裂縫。常規(guī)的計算模型和結(jié)構物實際工作狀態(tài)存在偏差是產(chǎn)生這種裂縫的主要原因。3)由間接作用引起的裂縫。引起這類裂縫的原因為結(jié)構的收縮、膨脹及不均勻沉降等。一般情況下，1)，3)兩種裂縫比較常見，也容易進行解決，而第2)種裂縫則很難判別。筆者在多年的工程檢測鑒定過程中，發(fā)現(xiàn)了一些第2)種類型的裂縫(即業(yè)界所謂的由直接作用引發(fā)的結(jié)構次應力裂縫)，為進一步深入分析該種裂縫的產(chǎn)生原因，并針對性地提出相應的處理意見，現(xiàn)結(jié)合一具體工程進行詳細的闡述。

2 工程實例

某辦公樓為砌體結(jié)構建筑，局部為4層。4層作為會議室，結(jié)構比較空曠，該建筑物層頂結(jié)構為四根L×h×b=7 500 mm×800 mm×300 mm的混凝土大梁，上鋪預應力混凝土空心板，墻內(nèi)構造柱為370 mm×300 mm，梁擱置其中，構造柱和梁整澆為一體，該結(jié)構物的混凝土強度等級設計為C20。工程使用一年左右時，層頂?shù)乃母罅撼霈F(xiàn)了上寬下窄形狀為正“八”字形斜向裂縫，裂縫位于距梁兩端800 mm的位置上，經(jīng)測量裂縫的最寬處達5 mm。為確定該類裂縫產(chǎn)生的原因及存在對結(jié)構的安全性的影響危害，現(xiàn)場對構件的相關情況進行了必要檢測復核確認。

2.1 實體混凝土強度

CECS 03：88鉆芯法檢測混凝土強度技術規(guī)程中對混凝土強度的測試有詳盡的要求，根據(jù)本規(guī)程具體要求，檢測人員在四根大梁上鉆取混凝土芯樣各3個，每個芯樣的直徑均為100 mm，鉆取后加工為標準試件，然后分別對12個試件的混凝土強度進行了測試，結(jié)果如表1所示。

表1 混凝土強度測試結(jié)果 MPa

混凝土芯樣取出后，經(jīng)過觀察及對比，發(fā)現(xiàn)其表面密實，其強度比設計的C20的要求均高出許多。

2.2 現(xiàn)場及設計確認

在現(xiàn)場，專業(yè)檢測人員鑿開了裂縫兩側(cè)的底部和梁側(cè)，并使用超聲波檢測方法核對了梁主筋及箍筋的位置和數(shù)量，經(jīng)對檢測結(jié)果進行分析對比，其結(jié)果與最初的設計完全一致，而且檢測人員對工程中所使用的原材料的原始試驗數(shù)據(jù)進行了調(diào)閱，發(fā)現(xiàn)其各項指標也都符合設計及有關規(guī)范的要求。經(jīng)與設計人員溝通，了解到這些梁均按簡支梁進行設計計算。

2.3 裂縫情況

通過認真觀察，發(fā)現(xiàn)裂縫的形態(tài)具有如下兩個特征：

1)裂縫出現(xiàn)在距梁兩端0.8 m左右的位置。

2)裂縫自梁的上表面開始，沿梁側(cè)發(fā)展，其形態(tài)上寬下窄呈正“八”字形(見圖1)。

3 計算分析

為了確切弄清楚裂縫的原因，我們對簡支梁的受力情況進行了模擬，模擬結(jié)果如圖2所示，從圖2中可看出該簡支梁任一點處(距支座A的距離為X，截面m—m)的彎矩(Mx)，剪力(Qx)，正應力(σx)及剪應力(τx)在均布荷載作用下的計算如下：

其中，Mx為x點處的彎矩；q為均布荷載；l為梁的計算長度；x為距梁端A點的距離；ξ為x/l的比值；Qx為x點處的剪力；W2為梁截面系數(shù)；b為梁寬;h為梁高；σx為該截面混凝土的正應力；τx為該截面混凝土的剪應力。

在截面m—m處自上而下取5個單元體，具體見圖3中的1，2，3，4，5點處。該5個單元體的應力狀態(tài)如圖3所示。

主應力具體計算如下：

其中，σ1為該截面混凝土的主拉應力；σ3為該截面混凝土的主壓應力。

由計算可知，簡支梁在m—m截面第1)點處的應力為壓應力，即簡支梁中和軸上部為受壓狀態(tài)。而從梁的實際開裂狀態(tài)(裂縫特征1)，2))表明梁的上部為受拉狀態(tài)，裂縫是由于主拉應

力作用而產(chǎn)生的斜拉開裂。為什么會出現(xiàn)這樣的情況，筆者認為專業(yè)技術人員在設計此類梁時一般都是按照簡支進行計算，但在支座處梁與柱實際上是整體澆筑的，這樣支座就處在半固結(jié)端狀態(tài)(視梁柱剛度、梁伸入支座上排水平筋的多少而異)，因而使梁的實際受力狀態(tài)與設計假定不符(見圖4)。

梁實際的受力狀態(tài)計算如下：

其中，I2為梁的截面慣性矩；I1為柱的截面慣性矩；K為系數(shù)；h為梁高；l為梁的計算長度；U1為系數(shù)；Φ為分配系數(shù)；M3,M4為梁端彎矩；Q3,Q4為梁端剪力；Qx為x點處的剪力；Mx為x點處的彎矩。

由以上計算可以得出上述梁的裂縫的產(chǎn)生原因是因為結(jié)構的實際工作狀態(tài)與計算模型之間有偏差，也就是說在外荷載作用下，結(jié)構次應力引起的裂縫。

4 結(jié)語

針對上述具體實踐中存在的情況，建議專業(yè)設計人員在進行類似梁的設計時，應盡可能選擇與其實際受力狀態(tài)相符的力學模型，并在具體設計時采取一定的構造措施，這樣才能最大程度地避免此類裂縫的發(fā)生。

如果再遇到此類梁的開裂情況時，建議專業(yè)技術人員應首先進行相關的結(jié)構檢測，并結(jié)合對開裂截面處的結(jié)構復核，進而針對具體情況提出對裂縫梁比較經(jīng)濟、合理有效的加固方案。

[1] CECS 03：88，鉆芯法檢測混凝土強度技術規(guī)程[S].

[2] GB/T 50784—2013，混凝土結(jié)構現(xiàn)場檢測技術標準[S].

Akindofignoredconcretebeam-endcracks

WeiLiguo

(ShanxiAcademyofBuildingResearch,Taiyuan030001,China)

The paper illustrates building cracks with different degrees and different forms occurring in its construction and utilization process, introduces morphology and characteristics of a special kind of concrete beam-end inclined-crack by combining with actual engineering conditions, analyzes cracks forming causes by integrating with the calculation, and puts forward cracks preventing measures with specific detection scheme.

beam-end cracks, principal tension stress, secondary stress, bending moment, shearing force

TU312.3

：A

1009-6825(2017)24-0034-02

2017-06-15

魏利國(1965- )，男，工程師