某廠房過街樓支座開裂原因分析及修復(fù)方案

呂朝坤,錢少英,江克勤

(1.浙江省建筑科學(xué)設(shè)計(jì)研究院有限公司,浙江 杭州 310012；2. 浙江省建設(shè)工程質(zhì)量檢驗(yàn)站有限公司, 浙江 杭州 310012；3. 浙江建筑特種技術(shù)工程公司，浙江 杭州 310012)

1 工程概況

杭州市濱江區(qū)某公司1號(hào)、2號(hào)廠房均為5層現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),基礎(chǔ)采用預(yù)應(yīng)力管樁。該兩幢廠房端部3層以上設(shè)有過街樓,過街樓梁板均采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),沿過街樓跨度方向樓、屋面梁支撐在廠房邊跨柱上,過街樓結(jié)構(gòu)平面布置圖見圖1。

圖1 過街樓平面布置圖

2 支座開裂情況檢測(cè)及相關(guān)技術(shù)資料調(diào)查

廠房及過街樓建于2005年,在后期的使用中發(fā)現(xiàn)過街樓與1號(hào)廠房交接處3～5層過街樓樓面梁支座存在開裂的情況,且部分支座開裂較為嚴(yán)重。2015年9月對(duì)過街樓結(jié)構(gòu)構(gòu)件的開裂情況進(jìn)行了檢測(cè),為了較為全面地分析過街樓支座開裂的原因,對(duì)過街樓支座的混凝土強(qiáng)度、鋼筋設(shè)置情況、混凝土保護(hù)層厚度以及相關(guān)構(gòu)件的開裂情況進(jìn)行了檢測(cè),并查閱了設(shè)計(jì)、施工等技術(shù)資料。現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)圖見圖2,現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及調(diào)查情況如下：

圖2 支座開裂圖片

1)采用回彈法檢測(cè)支座的混凝土抗壓強(qiáng)度,并根據(jù)混凝土齡期對(duì)回彈檢測(cè)結(jié)果實(shí)測(cè)值予以修正[1],所檢測(cè)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件混凝土抗壓強(qiáng)度修正值在25.7～37.8 MPa之間,檢測(cè)結(jié)果均滿足混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)C25的要求。

2)實(shí)測(cè)支座主筋根數(shù)、主筋直徑符合設(shè)計(jì)要求；箍筋間距偏差在-10～+12 mm之間,箍筋間距基本滿足設(shè)計(jì)要求；縱向鋼筋混凝土保護(hù)層厚度設(shè)計(jì)值為30 mm,實(shí)測(cè)混凝土保護(hù)層厚在25～37 mm之間,實(shí)測(cè)結(jié)果基本滿足設(shè)計(jì)要求。

3)3層支座沿過街樓跨度方向內(nèi)側(cè)頂部以下約500 mm范圍內(nèi)混凝土碎裂、局部脫落,支座頂部預(yù)留梁端部豎向插筋彎曲,支座上部樓面梁端部斜裂縫與支座混凝土開裂方向一致；4層和5層支座垂直于過街樓跨度方向兩側(cè)面頂部以下斜裂縫,測(cè)點(diǎn)最大裂縫寬度在0.4～5 mm,支座上部樓面梁端部存在與支座裂縫方向一致的斜裂縫,樓面梁裂縫測(cè)點(diǎn)最大寬度在0.4～5 mm之間。

4)根據(jù)過街樓設(shè)計(jì)圖紙,邊柱為變截面柱,1層和2層柱截面尺寸為600 mm×750 mm,3層和4層柱截面尺寸為600 mm×400 mm,其中3層和4層柱頂均設(shè)有牛腿作為樓面梁支座,2層柱頂作為3層樓面梁支座,2層柱頂及3層和4層牛腿頂面均設(shè)有4Ф16的插筋；根據(jù)施工期間的沉降觀測(cè)資料,施工后期廠房沉降已基本進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài),且過街樓兩端廠房柱沉降差較小。

3 支座開裂原因鑒定分析

支座開裂可能是由于過街樓兩端柱基不均勻沉降、支座承載力不足以及支座與樓面梁節(jié)點(diǎn)構(gòu)造不合理等原因引起。

1)根據(jù)廠房單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)結(jié)果,單樁豎向抗壓承載力滿足設(shè)計(jì)要求；根據(jù)廠房樁基低應(yīng)變法檢測(cè)結(jié)果,樁身完整性符合設(shè)計(jì)要求；根據(jù)沉降觀測(cè)資料,過街樓兩端廠房柱沉降差較小；過街樓墻體及結(jié)構(gòu)布置與設(shè)計(jì)圖紙相符,使用過程中不存在增加樓面使用荷載的情況。

2)過街樓3層樓面梁支座為變截面柱下柱,按局部受壓計(jì)算柱頂支座承載力[2]：

Fl≤1.35βcβlfcAln

(1)

(2)

式中：Fl為受壓面上作用的局部壓力設(shè)計(jì)值,取樓面梁支座剪力設(shè)計(jì)值,N；

βc為混凝土強(qiáng)度影響系數(shù),取1.0；

βl為混凝土局部受壓時(shí)的強(qiáng)度提高系數(shù)；

fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,當(dāng)構(gòu)件混凝土抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)值低于設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)時(shí)取實(shí)測(cè)值,高于設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)時(shí)取設(shè)計(jì)值,N；

Aln為混凝土局部受壓凈面積,mm2；

Ab為局部受壓的計(jì)算底面積,mm2；

Al為混凝土局部受壓面積，mm2。

考慮到過街樓3層樓面梁端部加腋,端部加腋部分平面尺寸與支座平面尺寸相同,計(jì)算中取Aln=Ab=Al。

根據(jù)樓面荷載布置情況計(jì)算,受壓面上作用的壓力設(shè)計(jì)值為301 kN,支座局部承載力計(jì)算值偏安全的取為2 142 kN,支座受壓承載力遠(yuǎn)大于梁端壓力,所以3層樓面梁支座變截面柱承載力滿足要求。

3)過街樓4層和5層柱頂均設(shè)有牛腿作為樓面梁的支座,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)及設(shè)計(jì)圖紙對(duì)牛腿裂縫控制及縱向受力鋼筋截面面積進(jìn)行計(jì)算,其中不考慮作用于牛腿頂部難以定量的水平拉力值Fhk、Fh,作用于牛腿頂部的按荷載標(biāo)準(zhǔn)組合計(jì)算的豎向力Fvk為243 kN,牛腿頂部縱向受力鋼筋面積AS為1 520 mm2,

1 072 kN

(3)

(4)

牛腿裂縫控制及縱向受力鋼筋截面面積計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求,牛腿開裂不可能是由于裂縫控制不滿足要求或縱向受力鋼筋配筋不足引起的。

4)梁在荷載的長(zhǎng)期作用下會(huì)產(chǎn)生不斷增大的非線性長(zhǎng)期變形,梁的長(zhǎng)期變形可以分為徐變變形和收縮變形[3]。徐變變形與荷載有關(guān),收縮變形主要是結(jié)構(gòu)材料自身的變形,與外加荷載無關(guān)。梁的收縮變形相當(dāng)于在梁的端部增加等效彎矩,從而引起梁端部產(chǎn)生位移。

過街樓竣工后為連接1號(hào)、2號(hào)廠房之間的通道,主要供管理人員通行及休憩,過街樓樓面梁為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),梁兩端簡(jiǎn)支在邊柱支座上,截面尺寸為250 mm×1 100 mm,跨度為11.20 m。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙及現(xiàn)場(chǎng)查勘情況,過街樓樓面梁支座預(yù)埋4Ф16插筋,支座頂部設(shè)有鋼墊板,預(yù)埋插筋穿過鋼墊板后直接澆筑在梁端混凝土內(nèi)。通常情況下樓面梁端部與支座連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)為簡(jiǎn)支,支座與梁底設(shè)置滑動(dòng)支座,在長(zhǎng)期變形時(shí)梁端在支座上可以自由伸縮；支座插筋與梁共同澆筑后預(yù)留插筋相當(dāng)于在梁端和支座之間設(shè)置錨固鋼筋,插筋在上述連接狀態(tài)下可以承受剪力,限制了梁端的伸縮,使梁端與支座之間的受力狀態(tài)變得復(fù)雜,梁端受到的約束力為錨固鋼筋的抗剪承載力[4](錨栓鋼材破壞受剪承載力、混凝土邊緣破壞受剪承載力與混凝土剪撬破壞受剪承載力三者中的最小值)。

錨筋錨栓鋼材破壞受剪承載力：

(5)

混凝土邊緣破壞受剪承載力：

18.8 kN

(6)

混凝土剪撬破壞受剪承載力：

8.5kN

(7)

(8)

由式(5)～(8)可得錨固鋼筋受剪承載力為8.5 kN,即支座受到的水平力值超過8.5 kN就會(huì)出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

樓面梁在單位溫度變化下的線性變形為：

Δl=ΔCαcl=1×1×10-5×11 200=0.112 mm

(9)

線應(yīng)變?yōu)椋?/p>

(10)

混凝土應(yīng)力為：

σc=Εcε=2.8×104×1×10-5=0.28 N/mm2

(11)

鋼筋應(yīng)力為：

σs=Esε=2.1×105×1×10-5=2.1 N/mm2

(12)

考慮到樓面梁受長(zhǎng)期荷載作用非線性長(zhǎng)期變形的影響[5],單位線應(yīng)變下梁端產(chǎn)生的水平力為：

F=δ(AsEsσs+AcEcσc)=0.5×(4 555×2.1+

0.28×270 445)=42.6 kN

(13)

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果分析,支座受剪承載力小于梁端水平力,因此支座邊緣混凝土在梁端水平力作用下產(chǎn)生破壞。由于3層樓面梁支座為變截面柱下柱,支座頂部未配置縱向受力鋼筋,故該支座邊緣受損較為嚴(yán)重,柱頂內(nèi)側(cè)邊緣混凝土拉裂、局部脫落；4層和5層牛腿由于配置縱向受力鋼筋,受損情況較輕,僅產(chǎn)生豎向或斜向裂縫,牛腿內(nèi)側(cè)邊緣混凝土未出現(xiàn)較嚴(yán)重的脫落現(xiàn)象。

綜合上述情況分析,過街樓樓面梁支座開裂是由于梁端與支座節(jié)點(diǎn)連接構(gòu)造不合理,梁端與支座節(jié)點(diǎn)受力狀態(tài)由于插筋的設(shè)置發(fā)生了改變,沿梁跨度方向的變形受到約束,在支座頂部產(chǎn)生了水平附加力,引起了支座混凝土受剪破壞。

4 修復(fù)方案

割斷支座受損邊緣處外露的插筋,鑿除梁和支座疏松的混凝土至堅(jiān)實(shí)基面,采用清水沖凈基層后用C40灌漿料進(jìn)行修補(bǔ)。修補(bǔ)完成后對(duì)梁和支座裂縫進(jìn)行封閉處理,裂縫處理完成后再對(duì)支座采用粘貼鋼板的方式進(jìn)行加固。

1)裂縫采用環(huán)氧樹脂漿液灌注處理：施工前先用鋼絲刷刷凈裂縫并用壓縮空氣吹去浮塵；在裂縫起點(diǎn)、交叉點(diǎn)等裂縫寬度較大位置均勻粘貼進(jìn)漿嘴；用速凝膠封閉上下裂縫后將配置好的漿液通過灌漿機(jī)進(jìn)行加壓灌漿；待灌漿完成72 h后,打掉進(jìn)漿嘴并鏟除混凝土面上的膠泥；采用環(huán)氧樹脂漿液灌注處理時(shí),應(yīng)確保裂縫表面清理干凈、封縫可靠,灌膠嘴安裝間距合適,灌膠順序要求規(guī)范,并確保灌膠密實(shí)。

2)粘貼鋼板加固處理：鑿除構(gòu)件表面的粉刷層,并打磨至堅(jiān)實(shí)基層,清除表面粉塵并清洗干凈,保持基面干燥；鋼板厚度為10 mm,鋼板安裝前應(yīng)進(jìn)行打磨除銹處理；鋼板先采用化學(xué)錨栓固定,并將相鄰鋼板在支座角部拼接處采用點(diǎn)焊焊接后再進(jìn)行壓力注膠；采用結(jié)構(gòu)膠粘貼鋼板時(shí)應(yīng)保證結(jié)構(gòu)膠密實(shí)、厚度合適且均勻；鋼板粘貼完成后表面應(yīng)立即進(jìn)行除銹和清洗處理,涂刷兩道防銹漆后采用25 mm厚1∶3水泥砂漿防護(hù)(即在結(jié)構(gòu)膠未干時(shí)進(jìn)行拍砂處理,然后做粉刷),為增加粉刷層粘結(jié)力,可涂刷界面劑或采取其他措施進(jìn)行處理。

本工程于2015年10月修復(fù)工作完成后使用至今,支座及樓面梁均未發(fā)現(xiàn)開裂等異常情況。

5 結(jié) 語

通過對(duì)杭州市濱江區(qū)某過街樓支座開裂的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及計(jì)算分析,確定支座開裂是由于梁端與支座節(jié)點(diǎn)的連接限制了梁沿跨度方向的變形,由此產(chǎn)生的節(jié)點(diǎn)附加力引起了混凝土開裂。根據(jù)鑒定分析情況設(shè)計(jì)了修復(fù)方案,修復(fù)施工完成后過街樓能夠正常使用。本工程的鑒定分析結(jié)果可供設(shè)計(jì)、施工人員在類似工程施工中予以借鑒。