多層框架結構梁板構件的裂縫分析及加固處理

施 榮（酒泉職業技術學院土木工程系，甘肅 酒泉 735000）

框架結構是我國工業與民用建筑中應用最為廣泛的結構形式，其中大部分建筑建成使用多年，以設計基準期推算，已有相當多的房屋進入中老年期，目前發現一些重要的承重構件已出現裂縫，或在結構抗震上不能滿足概念設計要求，導致結構在設計基準期內出現承載力下降，適用性不滿足要求，耐久性降低等情況。為了保證這部分建筑物的使用安全，應在搞清結構梁板構件裂縫產生原因的基礎上，通過采取適當的加固措施，消除結構存在安全隱患，創造較大的經濟和社會效益。

1 梁板結構常見裂縫的分布形式及原因分析

1.1 產生裂縫的整體原因分析

依據大量的多層框架結構在工程設計、施工和使用方面的實踐經驗，結合梁板結構的受力特征和變性特征，總結出梁板結構裂縫產生的原因歸納為兩大類： 第一類由外載作用所引起，第二類由變形所引起（有溫度變形、收縮變形、地基不均勻或膨脹等）。其中第一類約占20%以上，以變形變化為主引起的裂縫，即非結構性裂縫；第二類約占80%左右，以荷載為主引起的裂縫，即結構性裂縫[1]。

1.2 裂縫的分布形式及機理分析

1.2.1 框架梁裂縫

根據工程計算數據和現場勘測析，框架梁常見裂縫主要有豎向裂縫和斜裂縫。

1)豎向裂縫主要集中在屋面梁中，裂紋與梁的軸線基本垂直，裂縫寬度一般為 0.05～0.28mm，呈現出中間大，兩端逐漸縮小的規律。按照“模箍作用”效應[2]，導致結構構件裂縫的主要原因是框架結構外露時間過長，結構內外溫差變化大引起的結構構件收縮和膨脹，在其內部形成約束應力而產生裂縫。

2）斜裂紋主要分布在梁的端部和次梁作用的位置，裂紋最大寬度為 0.28mm，通常在梁底主筋位置上方和梁頂主筋位置下方趨于閉合。梁端部和次梁作用處的斜裂縫，主要是因為在施工過程中，箍筋的選擇、布置和混凝土強度等級不滿足設計要求，造成梁的抗剪強度不夠引起的。

1.2.2 現澆混凝土樓板裂縫

現澆混凝土樓板裂縫常見形式主要有以下四種，如圖1所示。

1）樓板中部裂縫產生在樓板中部，與樓板短邊和長邊平行的橫向或縱向跨中裂縫，寬度可達0.5～1.5mm，在樓板整體連續澆注的工程中比較常見，如圖1（b）（c）所示。

2）在建筑物拐角處的斜裂縫與墻大約呈450，寬度不大于1.0mm，多數裂縫貫通樓板，發生在樓板分離式配筋的負筋或角部放射筋末端，這是現澆樓板普遍存在的通病，如圖1（a）所示。

以上兩種裂縫產生的原因是由于樓板混凝土在溫差和收縮特性共同作用下產生過大變形，而板角受到剛度相對較大的樓面梁約束，約束了樓板混凝土的自由變形，從而產生與墻體呈45°的斜裂縫和貫通縫。

3）板內埋設位置的裂縫位于板內埋設線管的地方，沿線管埋設方向分布，裂縫一般垂直于管長度方向且長度較短、縫寬較大，如圖1（d）所示。原因是預埋線管使樓板混凝土截面受到較多削弱，引起應力集中易產生裂縫；樓板混凝土與PVC管結合性較差且二者的溫度線膨脹系數相差較大，導致裂縫產生；板的厚度規定不適應現代建筑對預埋管線的要求。

表1 四種加固方案比較

圖1 裂縫分布形式圖

4）沿板支座的縱向裂縫發生在樓板混凝土上表面且沿支座長度方向的縱向裂縫，主要有沿縱向鋼筋方向的板面裂縫、沿梁邊或墻邊的裂縫、沿著樓板施工縫或后澆帶位置的裂縫等。產生原因是在樓板混凝土澆筑過程中，板支座負筋因各工種交叉作業時沒采取有效防護措施，人為踩踏導致位置下移且沒有及時修復，使板面負筋不能有效抵抗支座負彎矩而產生裂縫。

1.2.3 梁板構件的結構性裂縫

梁板構件的結構性裂縫以跨中附近豎向裂縫或支座附近的斜裂縫為主。產生裂縫一是因設計、施工或使用不合理導致樓板厚度減少，抗彎承載力不足，彎曲變形過大引起板底裂縫；二是由于縱筋或腹筋配置不符合標準要求，框架梁抗彎、抗剪承載力不足，引起跨中附近豎向裂縫和支座附近斜向裂縫。

2 框架梁板結構加固設計

2.1 加固方案的比較與選擇[3]-[4]

我國混凝土結構加固方案較多，多層框架結構梁、板、柱等承重構件，加固方法比較常見的有加大截面、粘貼碳素纖維加固、增設支點加固、粘鋼加固四種方案，以下對四種方案做一比較（表1）。

通過四種常見方案的對比可以看出，加大截面法成本較低但工期較長；外包鋼加固法和粘鋼加固法工期短、成本適中但適用范圍受到限制；相比而言，除工程造價和施工難度外，碳素纖維加固方法在施工環境、施工工期、占地面積等方面都優于其它方案。在實際工程中，方案選取要結合工程的自身特點、適用條件以及施工環境和經濟因素等綜合影響后確定。

2.2 框架梁板構件加固處理

1)框架梁加固處理

梁支座附近斜裂紋的處理，對于梁上支座附近和集中荷載作用處的斜裂紋，如果是因為梁體抗剪承載力不足引起構件抗剪承載力降低，加固設計主要是解決如何提高構件抗剪承載力的問題，可采取結構膠粘貼鋼板剪力箍的方法進行處理，鋼板表面抹1：3水泥砂漿20mm厚[5]。

如框架主梁端部箍筋配置情況不能滿足現行規范最小配箍率要求，加固設計時也可采用梁端粘貼U型碳纖維布提高構件抗剪能力。

2)框架樓板加固

如果樓板由于樓板厚度減少導致跨中抗彎承載力不足，加固設計時可采用板底粘貼碳纖維布提高樓板的抗彎承載力[6]。

對于樓板混凝土非結構性垂直裂縫（由溫度收縮、碳化、干燥等原因引起），一般對結構的承載力影響不大，可僅采用結構膠灌注劑加壓注入裂縫進行封閉加固處理。

3 施工技術要求

結合多年建筑承重結構加固處理經驗，本文重點對粘鋼加固、粘貼碳素纖維加固和外包鋼加固的施工流程及主要技術要求進行必要的梳理歸納。

3.1 粘鋼加固法施工技術要求[7]

1）粘鋼加固的施工工藝流程

粘鋼加固的施工工藝流程如圖2所示。

2）主要技術要求

(1)對鋼板粘貼面必須進行粗糙、除銹處理，用角磨機打磨鋼板表面直至出現金屬光澤，打磨的紋路應與鋼板受力方向垂直。

(2)清除混凝土表面油垢和其它雜物，用角磨機打磨混凝土表面至露出新面并用壓縮空氣吹凈表面浮塵，最后用棉布沾丙酮拭凈表面，待粘貼面完全干燥后備用。

圖2 粘鋼加固的施工工藝流程圖

(3)為了保證粘鋼板與混凝土表面充分接觸，要采用輔助機械手段施加壓力，如梁下粘鋼板通過千斤頂、墊板、頂桿所組成的系統加壓固定，梁上粘鋼板通過膨脹螺栓、角鋼、墊板所組成的系統加壓固定。

(4)用膩刀將配制好的膠粘劑涂抹在鋼板表面 (或混凝土表面)，膠斷面呈三角形狀（中間厚約3mm，邊緣厚約1mm），然后通過固定加壓系統將鋼板粘貼在混凝土表面，加壓時以膠液從鋼板邊縫擠出為度。

3.2 粘貼碳素纖維加固施工技術要求[8]

1）粘貼碳素纖維加固的施工工藝流程

粘貼碳素纖維加固的施工工藝流程如圖3所示。

圖3 粘貼碳素纖維加固的施工工藝流程

2）主要施工技術要求

(1)施工時必須做好用電安全技術交底，要保證電源及電氣設備與施工現場安全距離，操作人員要采取必要的安全防護措施。

(2)用打磨工具先去除混凝土表面的浮塵、油污等雜質，然后重點對易產生應力集中和影響粘貼的部位進行打磨處理。如將轉角粘貼處打磨成圓弧狀（R≥20mm）進行倒角處理、對加固構件混凝土表面的凸出部位進行磨平處理等。

(3)將粘貼膠均勻涂刷在處理好的混凝土表面，膠底厚度≤0.4mm，無流淌、氣泡現象發生。

(4)為保證施工質量，提高效率，通常在現場剪裁粘貼碳纖維布，且其長度≤3m。粘貼完畢，最外層碳纖維布還要做涂抹粘貼膠料和噴裹石英砂（2mm厚）的外表面處理。有防火要求的需進行必要的防護處理。

3.3 外包鋼加固施工技術要求

1）外包鋼加固施工工藝流程

外包鋼加固施工工藝流程如圖4所示。

圖4 外包鋼加固施工工藝流程圖

2）主要技術要求

(1)加固前應嚴格控制各樓層和屋面在正常使用期間的使用荷載，尤其是活荷載。各樓層活荷載標準值宜限制在1.0kN/m2以內，不應超過1.5kN/m2。

(2)裝修抹灰時應在水泥砂漿中滲入適量的環氧樹脂。

(3)進行橫向框架梁加固施工時，要鏟除梁表面的粉刷層和開裂破損層，并對梁內鋼筋作除銹沖洗處理；同時將梁端部左、右、下側的混凝土加固層（50mm×2mm范圍）進行徹底清除。

(4)通常采用外包厚度10mm 鋼板套箍、內填50mm厚(其中梁下側內填 70mm 厚)C35細石混凝土進行加固。

4 結 語

混凝土框架結構裂縫產生的原因與設計、施工、使用和材料等多種因素密切相關，針對不同的裂縫采取不同的控制和加固措施是必須的。框架結構梁板構件加固方法的選擇，應針對結構功能降低及加固的具體原因，依據結構的可靠性鑒定結果，結合工程的自身特點、適用條件以及施工技術、使用功能、經濟合理等因素確定。

[1]王鐵夢.工程結構裂縫控制.北京:中國建筑工業出版社[M],1997,5～6.

[2]混凝土結構設計規范[S].GB50010-2002,北京:中國建筑工業出版社，2002.

[3]混凝土結構加固設計規范[s].GB50367-2006,北京:中國建筑工業出版社，2006.

[4]聶淑華,翟愛良,劉春偉框架結構承重構件的常見裂縫及加固處理[J].山東農業大學學報(自然科學版),2006,37(1):79～82

[5]劉玉林,徐福泉.框架結構構件裂縫檢定及修復[J],建筑科學,2004(12):40～42.

[6]婁學軍，鋼筋混凝土板常見裂縫的成因分析及防治[J].建筑技術開發，2003,(6):52～54.

[7]段爾煥,李淑蘭等.工程安全鑒定與加固技術[M].北京:人民交通出版社,2004:18～22

[8]李松輝，趙國藩，王松根粘貼碳纖維布加固鋼筋混凝土預裂梁試驗研究[J].土木工程學報,2005,(10):88～92.