某鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)開裂原因分析

蔣志軍，陳 偉，鄭開彬，段佐剛

（1.重慶市建筑科學(xué)研究院有限公司，重慶 400020；2.重慶市建設(shè)工程質(zhì)量檢驗(yàn)測試中心有限公司，重慶 400020）

0 引言

混凝土結(jié)構(gòu)作為一種最常見的結(jié)構(gòu)形式，由于其施工工藝成熟、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，已成為建設(shè)工程領(lǐng)域中的主要結(jié)構(gòu)形式。隨著混凝土結(jié)構(gòu)的大量應(yīng)用，其自身存在的一些問題，尤其是裂縫問題，變得越來越普遍。雖然說裂縫是伴隨著混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的，無法完全避免，但對于某些因變形或受外力作用引起的開裂和變形，應(yīng)重點(diǎn)進(jìn)行關(guān)注，并及時進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全鑒定和維修加固，排除相應(yīng)安全隱患。

對于混凝土結(jié)構(gòu)開裂原因的分析和鑒定，目前有很多學(xué)者和工程師已進(jìn)行過大量有益的研究與探討［1-4］，本文通過對某在建工程混凝土開裂情況進(jìn)行現(xiàn)場檢測，分析引起開裂的原因，給出了相應(yīng)的處理措施。

1 工程概況

工程為多層框架結(jié)構(gòu)（主要為無梁樓蓋），總建筑面積約 2 200 m2。該工程（G）-（V）/（2）-（6）軸范圍基礎(chǔ)采用機(jī)械成孔灌注樁基礎(chǔ)，樁基礎(chǔ)持力層為中風(fēng)化泥巖，中風(fēng)化泥巖的天然單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為 6.4 MPa，其地基承載力設(shè)計(jì)特征值為 2.53 MPa。

該工程主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理使用年限 50 年，結(jié)構(gòu)安全等級為二級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù) 1.0；抗震設(shè)防烈度為 6 度；設(shè)計(jì)基本地震加速度 0.05g；設(shè)計(jì)地震分組為第一組；抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類（丙類）；基本風(fēng)壓值 0.40 kN/m2，地面粗糙度類別為 C 類。基頂～7.7 m（絕對標(biāo)高 308.8 m）層（G）-（V）/（2）-（6）軸范圍現(xiàn)澆柱、梁、板及柱帽的混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級均為 C30。

房屋在修建過程中，由于施工臨時道路的隔斷，部分區(qū)域結(jié)構(gòu)尚未修建。在對結(jié)構(gòu)已建部分擋墻外側(cè)填土施工時，發(fā)現(xiàn)部分梁柱節(jié)點(diǎn)以及柱出現(xiàn)不同程度的開裂現(xiàn)象。

2 現(xiàn)場情況調(diào)查

2.1 混凝土構(gòu)件開裂狀況調(diào)查

現(xiàn)場對該項(xiàng)目委托范圍現(xiàn)澆柱、墻、梁、板外觀進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)委托范圍的部分構(gòu)件存在不同程度的開裂情況。具體如下。

1）-1 層（基頂至 305.0～308.5 m 標(biāo)高范圍）現(xiàn)澆柱普遍存在開裂現(xiàn)象，裂縫主要分布在柱頂、柱底部位，U形水平裂縫，個別柱裂縫為 L 形水平裂縫，底部裂縫與頂部裂縫為反方向，部分現(xiàn)澆柱傾斜明顯。

2）-1 層、1 層（基頂至 308.8 m 標(biāo)高范圍）地下室外墻存在豎向、斜向裂縫以及不規(guī)則龜裂，部分裂縫呈現(xiàn)下大上小的特征。

3）-1 層（305.0～308.5 m 標(biāo)高范圍）部分現(xiàn)澆梁與現(xiàn)澆柱交接處底部存在開裂現(xiàn)象。

4）-1 層（絕對標(biāo)高 305.0～308.8 m）柱、梁、板等現(xiàn)澆構(gòu)件未發(fā)現(xiàn)明顯開裂、破損及變形缺陷。

現(xiàn)場典型裂縫圖片如圖 1～圖 3 所示。

圖1 基頂～307.9 m 6/Q 軸柱柱頂處環(huán)向裂縫（最大寬度 δ max=2.0 mm）

圖2 基頂～307.9m 6/S 軸柱柱底處環(huán)向裂縫（最大寬度 δ max=2.0 mm）

圖3 305.0 m 5/H-U 軸梁柱節(jié)點(diǎn)處水平裂縫（最大寬度 δmax=5.0 mm）

2.2 混凝土柱傾斜狀況調(diào)查

現(xiàn)場采用全站儀對部分柱、墻垂直度進(jìn)行檢測?，F(xiàn)場共檢測 89 根柱，所抽測柱子傾斜值范圍為20.8～279.7 mm，遠(yuǎn)大于傾斜值允許值（20.3 mm）?，F(xiàn)場柱傾斜情況如圖 4、圖 5 所示。

圖4 基頂～305.0 m 3/T 軸柱傾斜照片（傾斜值：172.7 mm）

圖5 基頂～308.5 m 5/T 軸柱傾斜照片（傾斜值：257.1 mm）

2.3 結(jié)構(gòu)構(gòu)件基本情況

對現(xiàn)場的混凝土強(qiáng)度、構(gòu)件截面尺寸及配筋情況進(jìn)行了抽查，抽查結(jié)果滿足原設(shè)計(jì)要求。

2.4 擋墻外側(cè)填土情況

現(xiàn)場對擋墻填土進(jìn)行查看，發(fā)現(xiàn)施工現(xiàn)場直接就地采用回填土進(jìn)行墻后回填，回填土的性能指標(biāo)不滿足設(shè)計(jì)要求。

2.5 房屋修建情況

查看房屋設(shè)計(jì)圖紙，目前房屋整體并未修建完成，設(shè)計(jì)房屋平面圖如圖 6、圖 7 所示，其中陰影部分為已修建部分。

圖6 基頂-7.7 m（絕對標(biāo)高 308.8 m）層柱平面布置圖（單位：mm）

圖7 1 層（絕對標(biāo)高 306.7～308.8 m）層結(jié)構(gòu)平面圖（單位：mm）

截至現(xiàn)場進(jìn)行檢測鑒定時，圖紙中所示的未修建部分尚未開始修建。

3 計(jì)算分析

3.1 結(jié)構(gòu)已建部分計(jì)算分析

根據(jù)現(xiàn)場結(jié)構(gòu)形式以及所受土壓力荷載，建立結(jié)構(gòu)三維有限元分析模型，模型如圖 8 所示。

圖8 三維有限元分析模型

模型中梁、柱、擋墻、樓板均按設(shè)計(jì)值建模，構(gòu)件混凝土強(qiáng)度等級均取設(shè)計(jì)值 C30，柱底部采用固定支承。根據(jù)現(xiàn)場填土參數(shù)，計(jì)算擋墻后主動土壓力，將計(jì)算所得主動土壓力加載至擋墻，計(jì)算得到土壓力作用下結(jié)構(gòu)變形如圖 9 所示。

圖9 土壓力作用下結(jié)構(gòu)變形圖

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，-1層柱頂處理論水平位移最大值為 82 mm。

3.2 整體結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

當(dāng)結(jié)構(gòu)剩余未修建部分修建完成后，在墻后填土情況下，對結(jié)構(gòu)受力情況進(jìn)行計(jì)算分析。結(jié)構(gòu)整體修建完成后結(jié)構(gòu)模型如圖 10 所示。

圖10 三維有限元分析模型（整體結(jié)構(gòu)）

同樣，模型中梁、柱、擋墻、樓板均按設(shè)計(jì)值建模，構(gòu)件混凝土強(qiáng)度等級均取設(shè)計(jì)值 C30，柱底部采用固定支承。根據(jù)現(xiàn)場填土參數(shù)，計(jì)算擋墻后主動土壓力，將計(jì)算所得主動土壓力加載至擋墻，計(jì)算得到土壓力作用下結(jié)構(gòu)變形如圖 11 所示。

圖11 土壓力作用下結(jié)構(gòu)變形圖（整體結(jié)構(gòu)）

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，-1 層柱頂處理論水平位移最大值為 13 mm。

4 結(jié)構(gòu)開裂原因分析

4.1 理論分析

1）結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀建模計(jì)算結(jié)果表明，由于現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)有兩跨尚未修建，造成結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)向剛度減小，在墻后填土作用下，出現(xiàn)了側(cè)向位移偏大，現(xiàn)場結(jié)構(gòu)構(gòu)件破損情況與建模計(jì)算結(jié)果一致。

2）在墻后土壓力作用下，現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)（有兩跨未修建）-1 層柱頂處水平位移值較大，超過規(guī)范限值。

3）當(dāng)對整體結(jié)構(gòu)（包含未修建部分）進(jìn)行計(jì)算分析時，在墻后土壓力作用下，結(jié)構(gòu) -1 層柱頂處水平位移值處于正常范圍，未超過規(guī)范限值。

4.2 現(xiàn)場檢測分析

1）根據(jù)目前結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的撓度和開裂情況，判定本次開裂是由于擋墻后填土造成的，因此現(xiàn)場應(yīng)立刻停止擋墻后的填土。

2）抽檢現(xiàn)澆墻、柱、梁、板的混凝土強(qiáng)度、截面尺寸、主要受力鋼筋數(shù)量、鋼筋間距等參數(shù)基本滿足設(shè)計(jì)和相關(guān)規(guī)范要求。

3）現(xiàn)澆柱、墻、梁裂縫寬度在 1.0～11.0 mm，多數(shù)裂縫寬度遠(yuǎn)超規(guī)范允許值。

4）現(xiàn)場所抽測現(xiàn)澆柱的垂直度偏差，單層偏差在2.5～275.0 mm，多數(shù)現(xiàn)澆柱單層垂直度偏差大于規(guī)范允許值；現(xiàn)澆柱總偏差在 20.8～279.7 mm，均大于規(guī)范允許值。

5）對已建部分墻、柱、梁的裂縫形態(tài)、分布位置及柱傾斜方向、垂直度偏差等檢測結(jié)果進(jìn)行綜合分析，現(xiàn)澆構(gòu)件開裂、傾斜由外荷載（水平推力）作用產(chǎn)生，裂縫寬度及現(xiàn)澆柱垂直度偏差均超出規(guī)范允許值，結(jié)構(gòu)整體受損嚴(yán)重。

5 結(jié)論

1）本次結(jié)構(gòu)開裂主要原因包含兩個方面：①墻后填土是造成本次結(jié)構(gòu)開裂的直接原因；②現(xiàn)有結(jié)構(gòu)并未完全修建完成，已修建部分水平抗力尚不足以抵抗墻后水平土壓力，當(dāng)結(jié)構(gòu)整體修建完成后，可以滿足墻后填土的要求。

2）根據(jù)前述分析與鑒定結(jié)論，本次結(jié)構(gòu)構(gòu)件所產(chǎn)生的裂縫為受填土影響造成構(gòu)件變形而引起的裂縫，此類裂縫已影響了結(jié)構(gòu)的安全使用，需立即進(jìn)行相應(yīng)的處理和加固。

近年來，受場地不均勻堆載或填土引起的結(jié)構(gòu)變形或傾倒的工程案例越來越多。通過本工程的檢測、分析和鑒定，為其他類似工程提供有益的參考。 Q