框架外墻一條水平裂縫的力學分析與處理

楊 青 楊國兵

(1.滁州學院土木與建筑工程學院，安徽 滁州 239000； 2.安徽滁州技師學院，安徽 滁州 239000)

1 概述

裂縫是混凝土結構與生俱來的伴隨現象，正如一位德高望重的施工專家所言：“我一生都在與混凝土打交道，一生都在與裂縫作斗爭”[1]。混凝土結構裂縫雖然極其常見，但不能影響結構的使用功能和降低耐久性，如果由此對結構的安全性造成隱患，就更應該引起我們的警覺，所以我們應該對裂縫的形成原因與發展趨勢，給予合理分析與判斷。混凝土結構產生裂縫的原因十分復雜，有自身材料因素的，如混凝土摻合料問題、混凝土收縮、堿骨料反應、水化熱等原因產生的；有使用環境變化的，如火災、內部鋼筋銹蝕、酸鹽化學腐蝕等產生的；有施工原因如混凝土澆筑速度過快、振搗不充分、施工縫設置不當、混凝土保護層嚴重不足、模板支撐變形、模板下沉等；還與構件所受外力相關(如實際所受作用超出構件承載力)，大多數情況可能兼而有之。本文通過實例對典型受力構件的關鍵部位進行力學分析，探討裂縫是否在發出“求救信號”。

2 工程背景

某市經開區多層現澆框架結構廠房工程[2]，框架邊柱間距9 m，主體梁板柱結構施工已完畢，外墻砌筑在框架邊柱懸挑梁2 500 mm端處的連續梁200 mm×650 mm上，該懸臂梁尺寸為250 mm×700 mm，混凝土強度等級C20，底外墻采用180 mm厚黏土磚3.9 m高(M5混合砂漿)，與上層框架梁底頂緊(連接)，砌筑后一月余，發現該外墻頂部出現一道水平裂縫，平均縫寬8 mm，且已出現明顯亮縫伴有外傾現象(平均5 mm左右)，起初施工單位自己發現，懷疑可能是工期較緊，最近新進工人技能不過關，該邊墻砌筑時沒有嚴格規范操作，導致邊墻墻體垂直度發生偏差所致，為了確保墻體砌筑質量，不給工程造成安全隱患，進行拆除重砌(第一次)。不料兩個月后，“舊情”復發，自行挖開懸臂地梁進行查看，未發現裂縫，于是又拆除重砌(第二次)。又過三個月，等廠房底層混凝土地面澆筑后，老問題又出現了，這次情況更為嚴重，框架外墻下沉，造成墻頂裂縫平均寬度達11 mm，外傾9 mm，見圖1。監理單位巡視發現后，立即下達工程(質量整改)監理通知單，要求施工單位查找原因并給出處理方案。

3 現場勘查

這種情況顯然不是砌筑質量引起的，該裂縫必定是與結構異常變形相關，引起監理、建設和設計單位的高度重視，施工單位聘請行業幾名專家進行現場“會診”，砌體發生如此“形變”自然與支撐砌體的地下結構有關，再行拆除(第三次)，發現墻下設連續梁，經現場仔細觀察，該連續梁并沒有發現裂縫。專家分析，問題極有可能出在支撐連續梁的懸臂梁根部(此處彎矩和剪力最大)，再行挖出懸臂梁，竟然在柱與懸臂梁根部頂面沒有發現裂縫，但卻在懸臂梁中部頂發現幾條不同形狀的U形裂縫，達6 mm～8 mm。

4 力學驗算

查閱圖紙，該懸臂梁尺寸為250 mm×700 mm，受彎縱向受力鋼筋實配(3Φ18+3Φ18)，兩排，箍筋Φ10@150，混凝土強度等級C25，是否結構設計出了什么問題，下面依據文獻[3][4]進行抗彎復核計算如下(本案懸臂梁抗剪強度足夠，計算未展開)。

懸臂梁計算簡圖如圖2所示。

連續梁自重標準值：

0.20×0.65×25=3.25 kN/m。

連續梁上墻體(3 900高180 mm厚黏土磚)自重標準值：

18×0.18×3.9=12.64 kN/m。

作用在連續梁上線荷載設計值為：

q邊梁設=(12.64+3.25)×1.35=21.45 kN/m。

多跨連續梁作用于懸臂梁端的集中力設計值為：

F=V=(0.6+0.55)gln=1.15×21.45×9=222 kN(多跨連續梁支座左右剪力)。

懸臂梁自重標準值及設計值：q標=0.25×0.7×25=4.375 kN/m,q設=1.35×4.375=5.9 kN/m。

懸臂梁抗彎承載力：

原設計柱與懸臂梁(bh=250 mm×700 mm,C20,fc=9.6 N/mm2)根部：

Mu1=α1fcbh012ζ(1-0.5ζ)=1.0×9.6×250×6402×

0.297 7×(1-0.5×0.297 7)=249 kN·m。

懸臂梁實際控制截面處：

Mu2=α1fcbh022ζ(1-0.5ζ)=1.0×9.6×250×6652×

0.143 2×(1-0.5×0.143 2)=141.1 kN·m。

如“擴大截面”為450 mm×1 000 mm，受拉區配5Φ20(As=1 570 mm2)其抗彎承載力計算：

Mu3=α1fcb1h032ζ(1-0.5ζ)=1.0×9.6×450×9652×

0.113×(1-0.5×0.113)=428.9 kN·m。

外墻外傾與墻體穩定性有關，外墻頂端脫離上層梁后由鉸支變為自由端，墻體計算高度增加1倍，實際高厚比比原高厚比增加1倍，懸臂梁端部下撓加劇造成變形后墻體外傾。

5 現場查驗與結論

現場對懸臂梁混凝土強度回彈檢測，結論是：混凝土實際強度達到C20設計強度。鑿開懸臂梁與柱連接根部保護層，露出縱向受力負筋，發現鋼筋型號、根數、位置與圖紙(3Φ18+3Φ18)吻合。這就證明了在柱與懸臂梁部位結構抗力大于荷載效應值，況且由于該處之下有樁承臺支撐，沒有出現受拉裂縫是在意料之中。再在裂縫處開鑿，第一排鋼筋是3Φ18，再往下竟然沒有鋼筋(見圖3)。

原來是第二排鋼筋消失了，是施工人員的“創作”，如此裂縫處構件的抗拉承載力(3Φ18)明顯低于該處截面的彎矩設計值(Mu2=141.1 kN·m

6 事故處理

針對現場事故原因，根據工程現實條件與經濟原因，決定采用植筋加固處理(見圖4)。

1)要求施工單位根據專家意見(專家簽字)編制事故處理方案，報監理單位審批后實施。

2)鑿毛原懸臂梁，剔除松動的石子，用清水沖洗。

3)用環氧樹脂壓力注漿對原有裂縫進行處理，使裂縫“愈合”。

4)聘請有植筋資質單位的專業人員，在原懸臂梁頂上200 mm厚混凝土植筋5Φ20(植入長度300 mm)，下端100 mm厚混凝土植筋5Φ16(植入長度160 mm)，并隨后按規范要求進行現場拉拔試驗，確保植筋符合受拉鋼筋達到抗拉強度設計值規定。

5)在原懸臂梁構件實體上進行“擴大截面”，使原截面250 mm×700 mm變為450 mm×1 000 mm。箍筋按“新截面”重新依原設計設置，嚴格隱蔽工程驗收，采用比原設計提高一個強度等級(C25)澆筑混凝土(考慮新舊混凝土結合帶來強度降低，實際仍按C20強度參數計算)。

6)加強新澆筑混凝土養護，使混凝土強度達到設計值，經監理單位驗收合格后，方可進行后期墻體砌筑。

經近5年觀測，該部位墻體未見裂縫，說明工程事故處理成功。

7 結語

混凝土裂縫會直接導致結構劣化，關于混凝土劣化程度判定與分類，日本在1999年對全國混凝土結構物進行調查，結論是1964年—1974年期間的大規模建設造成的諸多混凝土劣化現象是由于施工速度過快，不追求精品質量而造成的。我國近20年來的大興土木，建設規模和速度堪稱世界一流，城市高架橋、國家高速公路橋、高鐵架橋、隧道支護和高層高跨建筑如雨后春筍般不斷涌現，美好鄉村建設、城市化進程導致的混凝土用量占全球總量的50%以上，很多工程，特別是稍早一些的工程都因為趕工期而“速成”，有人預測今后20年或更長一段時間內，我國用于處理混凝土劣化現象所投入的費用將是一筆很可觀的數目，因此，注重混凝土裂縫出現與發展，辨別有害裂縫并實時處理，對保證結構正常使用年限的安全與耐久至關重要。