鋼筋混凝土梁變形問題分析與探討

李 杰，張占華，肖 燕

（山東省建筑工程質(zhì)量檢驗檢測中心有限公司，山東 濟南 250000）

0 引言

鋼筋混凝土梁是混凝土結(jié)構(gòu)中主要的受彎構(gòu)件之一，極易產(chǎn)生變形現(xiàn)象（尤其是大跨度的鋼筋混凝土梁），由于荷載長期作用及徐變等因素影響，會導(dǎo)致梁產(chǎn)生下?lián)?、裂縫等現(xiàn)象。規(guī)范對于梁的變形有限值要求，在實際工程中，對于超過限值后梁承載力進行驗算很有意義。根據(jù)實際變形產(chǎn)生的原因進行分析和研究，針對不同情況，給出相應(yīng)的判斷和處理方案，以保證結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的耐久性和安全性。

1 變形的類型及處理辦法

工程上鋼筋混凝土梁常見的變形主要為以下幾種原因：整體變形引起的構(gòu)件變形、局部變形引起的變形、構(gòu)件自身變形。

1.1 整體變形原因

建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生不均勻沉降會引發(fā)構(gòu)件（包含墻柱梁板）的變形，實際工程遇到過由于各種原因引起的地基不均勻沉降。常見情況如首先是地質(zhì)勘察報告結(jié)果不準確，在沒有充分掌握地質(zhì)情況或地質(zhì)情況不準確進行施工是常見的原因之一。其次結(jié)構(gòu)各部分基礎(chǔ)荷載差異太大。再次結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)類型或參數(shù)差別大引發(fā)的不均勻沉降。還有就是施工過程中，沒有控制好地下排水等問題會引起地基不均勻沉降。實際工程如圖1 所示。

圖1 墨西哥城地基不均勻沉降引起的整體變形

總而言之，上述各種原因帶來的基礎(chǔ)不均勻沉降，使結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生附加應(yīng)力，一旦超出混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉能力，就會導(dǎo)致混凝土梁的變形、開裂等問題。

1.2 局部變形原因

結(jié)構(gòu)主體局部變形引起的單個構(gòu)件變形?；炷两Y(jié)構(gòu)主體局部變形也會帶來鋼筋混凝土柱、梁的變形、下?lián)?、受扭破壞等。發(fā)生局部變形的原因多數(shù)是因為建筑在施工中部分結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量沒有控制好，導(dǎo)致局部結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量差，引起局部軸線范圍內(nèi)的構(gòu)件變形。實際工程如圖2 所示。

圖2 某市房屋局部變形引起的梁、柱變形及破壞

1.3 自身原因

鋼筋混凝土梁自身設(shè)計缺陷或自身施工質(zhì)量較差等引起的變形。鋼筋混凝土梁變形驗算時，結(jié)構(gòu)設(shè)計師存在的計算疏忽問題，以及設(shè)計不夠保守都會導(dǎo)致鋼筋混凝土梁變形；施工單位在施工過程中存在偷工減料導(dǎo)致配筋、強度等出現(xiàn)問題都會引起梁承載力不足引起變形。還有就是鋼筋混凝土梁支護模板不標準引起的外觀變形。所以實際工程中首先要判斷是施工質(zhì)量尺寸偏差還是鋼筋混凝土梁的自身下?lián)献冃巍?/p>

以下結(jié)合某工程實例對鋼筋混凝土梁的變形問題進行進一步的討論和分析。通過詳細地檢測鑒定過程，科學(xué)計算和判定，詳細地分析和討論了鋼筋混凝土梁變形的特征和原因及處理方案。實際工程如圖3 所示。

圖3 某市房屋鋼筋混凝土梁變形

2 工程概況

某工程于 2019 年 3 月主體完工，為地上 1 層混凝土框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用柱下獨立基礎(chǔ)，該工程長度約為50 m，寬度約為 16.0 m?；狙海?.3 kN/m2，基本風壓 0.45 kN/m2，基礎(chǔ)和上部混凝土構(gòu)件強度等級均為C 30。現(xiàn)場照片如圖4 所示。

圖4 現(xiàn)場照片

3 鋼筋混凝土梁變形分析

3.1 現(xiàn)場調(diào)查

對現(xiàn)場鋼筋混凝土梁實際情況進行鑒定分析［1］，主要鑒定內(nèi)容及步驟如表1、表2 所示。

表1 鑒定情況表

3.2 變形問題研究

鋼筋混凝土梁在主要承受彎矩的區(qū)段內(nèi)，主要由下部縱向受力鋼筋，承擔彎矩所引起的拉力。變形問題就是構(gòu)件承載力主要是作用力超過了縱向受力鋼筋承載能力。梁不僅承擔彎矩也同時承受剪力作用，所以一般混凝土梁會配置橫向箍筋和斜向鋼筋。斜向鋼筋一般由縱向鋼筋彎起，故也稱彎起鋼筋。為了固定箍筋位置設(shè)置架立鋼筋及構(gòu)造鋼筋，對梁的縱向受力筋可以全部或部分施加預(yù)應(yīng)力。

撓度是結(jié)構(gòu)構(gòu)件安全的一個重要指標，設(shè)計時需要進行承載力的驗算和分析。對于本工程，根據(jù)規(guī)范要求，撓度限制為 l0/400［2］，l0 為計算跨度。上述表2 中撓度最大值應(yīng)該是端點高度與跨中變形最大處高度的差，同時需要考慮鋼筋混凝土梁兩端高差。根據(jù)上述結(jié)果發(fā)現(xiàn)：梁的撓度超限超出 20 % 以上的梁，梁底均出現(xiàn)裂縫；而撓度超限未超出 20 % 的梁，梁底均未出現(xiàn)裂縫。

規(guī)范規(guī)定，混凝土受彎構(gòu)件可根據(jù)構(gòu)件剛度用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法計算，均布荷載簡支梁跨中撓度：

式中：q為均布線荷載標準值，kN·m-1；E為鋼的彈性模量，N·mm-2；I為鋼的截面慣矩，mm。

對于開裂構(gòu)件，式（1）中 B 減小，相應(yīng)的撓度就變大，加上構(gòu)件實際承載力減小，因而會導(dǎo)致梁的進一步變形。對于此種說法，清華大學(xué)孫海林等對鋼筋混凝土梁長期變形計算進行過詳細地研究和討論［3］。

一旦發(fā)現(xiàn)梁存在裂縫后，需要更進一步地了解鋼筋混凝土梁裂縫的詳細數(shù)量和位置。現(xiàn)場再次進行重新檢測，檢測計劃為每隔 1 m 進行檢測，且觀察裂縫特征并記錄。檢查發(fā)現(xiàn)除撓度最大位置（跨中）外，其他位置均未發(fā)現(xiàn)裂縫。由此可以判斷裂縫是由變形引起，且梁下?lián)蠈儆跇?gòu)件自身原因。查閱圖紙和施工技術(shù)資料，該工程原設(shè)計不夠保守，加上施工單位對于大跨度梁施工經(jīng)驗不足，在施工過程中沒有合理的施工方案和監(jiān)測方案對于鋼筋混凝土梁起拱的控制。

針對上述變形，需要對該工程變形的鋼筋混凝土梁進行加固處理，以保證屋蓋結(jié)構(gòu)的安全。

4 防治措施

4.1 設(shè)計方面

對于大跨度的建筑結(jié)構(gòu)中的梁，設(shè)計人員應(yīng)保守設(shè)計，從梁的配筋數(shù)量、次梁的個數(shù)及受力構(gòu)件布置等角度進行構(gòu)件設(shè)計和計算，并在計算過程中考慮鋼筋混凝土梁的長期變形。對于大跨度的特殊建筑，應(yīng)該對不同結(jié)構(gòu)形式進行詳細的分析和比較，防止出現(xiàn)大跨度梁的變形問題。

4.2 施工方面

對于大跨度結(jié)構(gòu)建筑，施工過程根據(jù)制定的施工方案和監(jiān)測方案，對大跨度構(gòu)件變形做好控制，防止出現(xiàn)為搶奪工期，控制不好施工質(zhì)量導(dǎo)致的構(gòu)件變形等問題；對于大跨度結(jié)構(gòu)施工技術(shù)人員，應(yīng)該學(xué)習以往工程的實際施工經(jīng)驗，認真研究結(jié)構(gòu)圖紙，根據(jù)圖紙上對于大跨度梁坡度等要求進行施工和控制，從控制整體變形角度，確保圍護結(jié)構(gòu)整體均衡受力，在轉(zhuǎn)角部位應(yīng)采取加強措施。

防止不均勻沉降是防止變形的有效措施。對于軟土地區(qū)的支護體系插入深度應(yīng)達到滿足穩(wěn)定要求的較好下臥土層，若坑底土層均較軟弱，須加固被動區(qū)土體，并在基坑開挖前進行，預(yù)留充分的養(yǎng)護期。采用預(yù)應(yīng)力鋼管或型鋼支撐以減少墻體位移。施工時縮短基坑暴露時間，減少后期變形，基坑暴露后須及時鋪筑墊層。

對于預(yù)應(yīng)力的鋼筋混凝土梁的變形防治措施，首先是混凝土原材料的選取，這種方式主要是可以控制混凝土徐變對預(yù)應(yīng)力的影響，主要內(nèi)容有：配合比選取、外加劑的質(zhì)量和數(shù)量把控；其次是預(yù)應(yīng)力的控制，主要方式有預(yù)應(yīng)力張拉程序的控制；再次是安裝質(zhì)量的檢查，主要是管道變形、漏漿等病害檢查，可以使摩阻力減小，預(yù)應(yīng)力損失降低；然后嚴格控制錨具安裝，減少錨口預(yù)應(yīng)力損失。預(yù)應(yīng)力管道定位應(yīng)準確、牢固，以較小預(yù)應(yīng)力與設(shè)計中心的偏離。最后是施工監(jiān)控，對于重大工程混凝土澆筑的質(zhì)量等進行實時監(jiān)控，以防止超載而引起撓度偏差。工程實際監(jiān)測照片如圖5、圖6 所示。

圖5 實際工程采用設(shè)備進行監(jiān)測

圖6 技術(shù)人員監(jiān)測

5 處理辦法

對于上述工程實例，應(yīng)由設(shè)計院單位出具合理的加固設(shè)計方案，本文列舉兩種加固處理方法，具體方案如下所示。

1）鋼筋混凝土梁碳纖維加固。對鋼筋混凝土梁的裂縫采用環(huán)氧樹脂類裂縫修補膠壓力注漿并封閉裂縫。具體施工方法應(yīng)按照 CECS 293∶2011《房屋裂縫檢測與處理技術(shù)規(guī)程》［4］等相關(guān)規(guī)范要求進行。對于變形的鋼筋混凝土梁根據(jù)現(xiàn)場及實際情況建議粘貼碳纖維加固，采用一級、單位面積質(zhì)量為 300g/m2的碳纖維和 A 級結(jié)構(gòu)膠，材料性能應(yīng)符合 GB 50728－2011《工程結(jié)構(gòu)加固材料安全性鑒定技術(shù)規(guī)范》［5］的要求、且結(jié)構(gòu)膠應(yīng)通過耐長期應(yīng)力作用能力的檢驗。

2）鋼筋混凝土梁增大截面加固。①根據(jù)加固施工規(guī)范要求，搭設(shè)腳手架及模板等，并確保安裝牢固；②對鋼筋混凝土梁底部進行鑿毛處理，將鋼筋混凝土梁底部沿梁長度方向每邊預(yù)留 30～50 mm 鉆雙排孔，孔徑為 8 mm，間距 250 mm，孔深大于 10 倍直徑；③植筋：采用質(zhì)量較好的植筋膠將雙孔內(nèi)植入 L 形圓鋼，等到凝固后，綁扎圓鋼兩根，隨后將一層小于梁底寬度鋼絲網(wǎng)片鋪設(shè)在橫向鋼筋上，以防脫層等問題；④為了使沿梁底鋪設(shè)鋼絲網(wǎng)片方便，將梁底下?lián)系淖畹撞勘Ｗo層鑿除；⑤支梁底模：底模面距剔鑿后的梁底下?lián)喜课弧?5 mm，并保證底模安裝符合規(guī)范，側(cè)模采用鋼管步步緊及木橋加固；⑥澆筑細石混凝土：在灌注口一側(cè)澆筑細石混凝土，并進行插搗，以確?；炷翝仓|(zhì)量；⑦表面處理：在澆筑后第二天及時拆除側(cè)模，將表面剔鑿平整，用純水泥砂漿抹面收平；⑧待新澆混凝土強度達到設(shè)計強度可拆模板。

6 結(jié)語

本文根據(jù)鋼筋混凝土梁變形進行討論和分析，總結(jié)出了鋼筋混凝土梁變形的幾個主要原因。通過對某工程中鋼筋混凝土梁下?lián)献冃芜M行研究和討論，提出鋼筋混凝土梁變形超限值與構(gòu)件產(chǎn)生裂縫有相應(yīng)的關(guān)系，并針對出現(xiàn)的變形提出了相應(yīng)的防治措施，根據(jù)實際工程實例，給出了兩種不同加固處理方案。Q