一起特殊的牛腿開裂工程質量事故分析

程 彥,柴靜江,嚴遠飛,任麗麗

(1.衢州康平建設工程檢測有限公司,浙江 衢州 324000；2.衢州康平建筑工程司法鑒定事務所,浙江 衢州 324000)

1 工程概況

某化工園區市政公用工程管廊,為雙柱管架、橫向框架鋼筋混凝土梁柱+縱向鋼梁結構,上鋪各種工業輸送管道,見圖1。該管廊工程于2013年開工建設,2014年竣工。2015年業主陸續發現部分混凝土牛腿開裂,見圖2；部分三角形水平支撐與框架橫梁連接處撕開,見圖3。

圖1 市政公用工程管廊 圖2 混凝土牛腿開裂 圖3 三角形水平支撐與框架橫梁連接處撕開

業主于2015年對開裂牛腿進行了修補,其中破壞較嚴重的,鑿除損傷層,錨板上重新焊接錨筋,用灌漿料加大牛腿截面澆筑。2016年,業主發現更多牛腿開裂,并且有部分2015年經過處理的牛腿重新開裂,最嚴重的狀況為金屬錨板垂直縱梁方向側移約30 mm，且4根金屬錨筋均與金屬錨板斷開。2017年,業主決定委托鑒定,以查明牛腿開裂原因,為下一步的加固修復提供依據。

2 情況調查與勘驗

根據現場實際情況,本次對14榀管架15個開裂牛腿,進行了詳細的調查與勘驗,基本情況如下：

1)采用鋼卷尺測量混凝土與鋼結構構件尺寸偏差,結果符合設計和規范要求[1-2]。

2)采用鋼筋探測儀配合鑿開驗證方法檢測牛腿配筋和鋼筋保護層厚度,結果符合設計和規范要求[1]。

3)采用回彈法檢測牛腿混凝土抗壓強度,結果符合設計要求。

4)采用洛氏硬度計檢測并推算鋼板抗拉強度,結果符合設計要求。

5)檢查金屬錨筋直徑和埋置深度,結果符合設計要求。

6)混凝土(除牛腿外)外觀基本正常,無明顯裂縫、傾斜和下沉。

7)鋼結構外觀基本正常,縱梁(H型鋼)跨中撓度符合設計和規范要求[3]。

8)部分鋼結構金屬輕微銹蝕,對結構安全影響輕微。

9)中間橫梁與縱梁采用兩條側面長邊角焊縫滿焊，縱梁與牛腿金屬錨板采用兩條側面長邊角焊縫滿焊，牛腿金屬錨板與金屬錨筋采用T形焊接；個別縱梁與牛腿金屬錨板漏焊；部分T形焊接焊縫高度小于6 mm,不符合受力預埋件規范要求[4]。

10)開裂牛腿的金屬錨板基本為垂直縱梁方向側移,部分金屬錨板平行縱梁方向一側向上翹起與混凝土脫空。

11)金屬錨筋基本為焊接點垂直縱梁方向側移或被剪斷。部分金屬錨筋平行縱梁方向一側向上拔起,部分金屬錨筋中度銹蝕。

12)部分三角形水平支撐與框架橫梁連接處撕開或三角形水平支撐輕度壓彎。

13)中間橫梁一側懸挑梁鋪設有一根黑色鋼絲網骨架塑料復合管,采用管卡固定,管卡底部鋼板與中間橫梁采用兩條側面短邊斷續角焊縫,焊縫總長度約120 mm,超過4根金屬錨筋T形焊接焊縫總長度；其余管道固定于鋼筋混凝土橫梁且為其他材質。

3 原因分析

通過初步判斷,由于金屬錨板基本為垂直縱梁方向側移,從而排除縱梁較長引起的熱脹冷縮因素影響。經過仔細的梳理與統計,我們發現一個共性現象：本次調查與勘驗的15個牛腿中有14個位于有黑色鋼絲網骨架塑料復合管一側,因此推斷,牛腿開裂與黑色鋼絲網骨架塑料復合管直接相關。同時,經過原因分析后,可知剩余的1個開裂牛腿也與黑色鋼絲網骨架塑料復合管相關。

3.1 鋼絲網骨架塑料復合管

本工程所用鋼絲網骨架塑料復合管是用高強度鋼絲網骨架和熱塑性塑料聚乙烯為原材料,鋼絲纏繞網作為骨架增強體,以高密度聚乙烯(HDPE)為基體,采用高性能的HDPE改性粘結樹脂將鋼絲骨架與內、外層高密度聚乙烯緊密地連接在一起[5],使之具有優良的復合性能。由于鋼絲網骨架的加強作用使鋼絲網骨架聚乙烯復合管的剛性、耐沖擊性及尺寸穩定性優于任何一種純塑料管材,同時網狀鋼骨架本身又是一種柔性結構,因此該管材具有“剛柔相濟”的特點。尤其是管材抗蠕變性能好,持久機械強度高,使管材在受到外力作用產生彎曲變形時,具有優良的彈性變形恢復能力；同時,在恢復過程中,如同已經拉弦的弓箭,彈性變形恢復力將強大而持久。

3.2 垂直方向彎矩形成及破壞過程

1)鋼絲網骨架塑料復合管在點A、C、E、G用管卡扣住(點B、D、F無管卡),管卡與中間橫梁(H型鋼)上翼板焊接連接,中間橫梁與縱梁(H型鋼)上翼板焊接連接,鋼梁下翼板在點H、L與牛腿金屬錨板焊接連接,金屬錨板與金屬錨筋焊接連接,金屬錨筋埋于牛腿混凝土中。結構平面及管道位置示意圖見圖4。

圖4 結構平面及管道位置示意圖

2)由于施工原因,管卡安裝點C向內側偏移,管道固定后,點A、B、C、D、E、F、G未處于一條直線上,鋼絲網骨架塑料復合管橫向水平彈性彎曲變形(弧形彎曲),產生強大持久的向外側橫向水平彈性恢復力f。力f通過剛性連接(焊接)向混凝土與鋼結構構件傳遞,從而形成以金屬錨板O1端為支點的垂直方向彎矩m。在彎矩m作用下：當彎矩m產生的上拔力大于金屬錨筋與混凝土的粘結力時,金屬錨筋2向上拔起,金屬錨板O2端上翹與混凝土脫空,雨水或潮濕空氣進入后錨筋銹蝕,造成牛腿混凝土銹脹開裂破壞。見圖5。

圖5 (1-1剖面)垂直方向彎矩示意圖

3.3 水平方向扭矩形成及破壞過程

圖6 結構平面、管道位置及水平方向扭矩示意圖

1)各構件連接方式同3.2節,結構平面、管道位置及水平方向扭矩示意圖見圖6。檢查中發現牛腿U的鋼梁下翼板與牛腿金屬錨板漏焊。

2)由于施工原因,管卡安裝點C向內側偏移,管卡安裝點E向外側偏移,管道固定后,點A、B、C、D、E、F、G未處于一條直線上,鋼絲網骨架塑料復合管橫向水平彈性彎曲變形(波浪形彎曲),產生強大持久的橫向水平彈性恢復力f1(向外側)與f2(向內側)。力f1(向外側)與f2(向內側)(焊接)通過剛性連接(焊接)向混凝土與鋼結構構件傳遞,在HLUR范圍內形成扭矩u。在扭矩u作用下：①牛腿U、H的金屬錨板向外側移動,牛腿L、R的金屬錨板向內側移動,帶動金屬錨筋擠壓混凝土,混凝土處于劈裂受壓狀態。當牛腿混凝土抗劈裂強度小于金屬錨筋與錨板T形焊接焊縫強度時,混凝土首先擠壓開裂破壞；當牛腿混凝土抗劈裂強度大于金屬錨筋與錨板T形焊接焊縫強度時,金屬錨筋首先被剪斷。②由于牛腿U的鋼梁下翼板與牛腿金屬錨板漏焊,因此現場只觀察到U端縱梁橫向外側移動,牛腿混凝土及金屬錨筋均未破壞。③三角形水平支撐K-N、P-S處于受壓狀態,造成輕度壓彎。④三角形水平支撐M-I、T-Q處于受拉狀態,由于牛腿U的鋼梁下翼板與金屬錨板漏焊,導致三角形水平支撐T-Q所受拉力遠遠大于其他幾個三角形水平支撐?，F場也觀察到Q點連接處三角形水平支撐與框架橫梁已經完全撕開,情況最為嚴重。

3)本次金屬錨筋T形焊接焊縫處被剪斷,而非其他焊接部位,主要是：從情況調查與勘驗可知,管卡底部鋼板與中間橫梁焊縫總長度超過金屬錨筋T形焊接焊縫總長度；同時,4根金屬錨筋T形焊接焊縫并非均勻受力(影響因素有：焊接質量差異,扭矩力臂大小,牛腿混凝土抗劈裂強度高低等)。破壞首先產生于最薄弱環節,即4根金屬錨筋并非同時剪斷,而是依次剪斷,且其剪斷力遠遠小于其他焊縫的焊接力。因此,破壞部位只能是金屬錨筋T形焊接焊縫處。

4 結 語

鋼絲網骨架塑料復合管具有優良的彈性變形恢復能力。但是由于管卡橫向水平方向安裝存在偏差,管道固定后橫向水平彈性彎曲變形,將產生強大持久的橫向水平彈性恢復力。該力通過剛性連接向混凝土與鋼結構構件傳遞,形成垂直方向彎矩或水平方向扭矩。垂直方向彎矩使金屬錨筋向上拔起,平行縱梁方向一側金屬錨板上翹與混凝土脫空,雨水或潮濕空氣進入后錨筋銹蝕,造成牛腿混凝土銹脹開裂破壞。水平方向扭矩使金屬錨板橫向側移,金屬錨筋對混凝土產生擠壓力,造成牛腿混凝土擠壓開裂破壞或金屬錨筋被剪斷；同時,扭矩作用于三角形水平支撐,造成部分三角形水平支撐與框架橫梁連接處撕開或三角形水平支撐輕度壓彎。

總結本次工程質量事故的發生,偶然之中含有必然,因此提出以下建議：

1)安裝時,應熟悉鋼絲網骨架塑料復合管的相關性能；

2)在中間橫梁上安裝管卡時,應控制管道縱向軸線方向的偏差；

3)如果條件允許,管卡與中間橫梁可采用活動連接方式。