關于懸臂梁裂縫原因分析與處理的思考

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 引言

當前，我國大規模的城市基礎設施建設、城市化進程與規模項目新建、改建、擴建方興未艾。據報道，2018 年，我國混凝土產量達到 23.5×108m3，2019 年，達到 24×108m3，且呈上升趨勢，混凝土結構因其良好的抗壓性能和耐火性，優越的可塑性和價格的經濟性，鋼筋與混凝土的力學性能匹配性得以廣泛使用。但混凝土結構因裂縫的出現常引起人們的恐慌與不安。產生裂縫的機理有多重因素（見圖1）。大多數裂縫的原因并不單純為某一類，或兼而有之，或有主次之分，但結構性裂縫的出現和發展更是工程技術人員的重中之重。結構裂縫寬度與結構應力豐滿程度有關，裂縫的形態和裂縫的寬度反映了結構抗力消耗的程度【1】，特別是呈脆性破壞的彎剪裂縫更值得我們關注與探究。

圖1 影響裂縫的各種因素

2 工程背景

某多層商住樓，底層為商場，2 層以上為住宅，框架結構，沉管灌注樁基礎，框架柱截面尺寸為450mm×450mm，框架柱距為4.5m，2 層沿街樓面原設計為矩形截面懸臂梁（180mm×600mm）外掛連續梁（矩形截面180mm×600mm），其上為女兒墻，懸臂梁頂配筋3 根φ25mm，梁下2 根φ12mm（均為Ⅱ級），箍筋φ8mm@200mm（Ⅰ級），混凝土強度等級C20（見圖2）。后因住戶需要，將女兒墻及懸臂梁上改造增加用作一排自行車庫房，鋼筋混凝土屋面，板厚120mm，前后普通磚砌體墻，厚度分別為180mm、120mm，為了保證結構安全，設計人員在每個懸臂梁端部下增設1 根鋼筋混凝土柱，柱基礎為4m 長松木樁基礎【2】（見圖 3）。

圖2 改建前懸臂梁挑檐圖

圖3 改建后懸臂梁與自行車棚圖

竣工驗收投入使用后不久，部分懸臂梁下獨立柱出現了明顯下沉且有歪斜現象（原地基屬深達0.8～3.5m 厚軟土層），隨后半年，懸臂梁有輕微裂縫且隨時間推移有發展趨勢，引起業主不安，遂通知監理單位、施工單位，項目總監現場觀察后，下達工程（質量整改）監理通知單，要求施工單位查明原因盡快拿出整改方案，著手進行處理（暫用鋼管支撐）。施工單位技術負責人查看現象，認為問題比較嚴重，可能不是一般質量問題，當即決定聘請原設計人員和幾位專家到場，進一步進行診斷。

3 現場勘查

原設計人員及幾位專家在現場勘查發現，凡出現裂縫的懸臂梁端下的獨立柱均存在下沉且有歪斜現象，沒有下沉的獨立柱的懸臂梁均沒有裂縫。現場測量，獨立柱下沉的深度為60～80mm，懸臂梁裂縫寬度已達4～7mm，180mm 外墻頂外傾達70～85mm（見圖4）。專家分析，實際上，裂縫“懸臂梁”的受力又恢復了改建前狀態，獨立柱已發揮不了作用。原懸臂梁在改建后是一次超靜定結構，現在需要經過力學分析與計算后，再制定補強或加固方案。

圖4 懸臂梁裂縫圖

4 設計復核

依據文獻【3～5】，參照現場改建后的自行車庫結構布置與建筑做法，分析傳遞給懸臂梁的荷載及路徑，懸臂梁間距4.5m，計算跨度取2.2m，自行車庫在懸臂梁上均設置180mm厚普通磚砌體橫隔墻（未抹灰），凈高取2.6m，屋面板跨度取3.0m，屋面荷載設計值綜合建筑做法，取值5.5kN/m2。現僅進行立柱增加前后及裂縫出現后，懸臂梁抗彎、剪承載力復核計算。具體計算情況如下（本案不涉及連系梁、框架柱及基礎、立柱及基礎計算，此處不考慮）。

1）立柱增加前：

式中，q1為無立柱時水平梁承受的線性均布荷載設計值；F1為無立柱時水平梁梁端承受的集中力設計值；MA1為無立柱時水平梁根部彎矩設計值；VA1為無立柱時水平梁根部剪力設計值；l0為水平梁計算跨度。

2）立柱增加后：

式中，q2為立柱增加后水平梁承受的線性均布荷載設計值；F2為立柱增加后水平梁梁端承受的集中力設計值；MA2為立柱增加后水平梁根部彎矩設計值；VA2為立柱增加后水平梁根部剪力設計值；M中2為立柱增加后水平梁中部彎矩設計值。

3）立柱脫離后（裂縫出現）：

式中，q3為立柱脫離后水平梁承受的線性均布荷載設計值；F3為立柱脫離后水平梁梁端承受的集中力設計值；MA3為立柱脫離后水平梁根部彎矩設計值；VA3為立柱柱脫離后水平梁根部剪力設計值。

4）水平梁受力狀態與承載力比較；

彎矩內力見圖5，剪力內力見圖6。

5 裂縫分析處理結論

經過結構計算得出，裂縫出現是由于懸臂梁在加層（自行車車庫）后，造成水平構件改變了受力狀態，產生了新荷載效應，后增加的立柱使結構的承載力得以抵抗，后由于主要構件立柱的變形位移，使得水平構件的受力彎剪承載力嚴重不足，實際抗彎承載力僅占設計值的46.3%，抗剪承載力僅占設計值的53.8%，從裂縫形狀來看，屬負彎矩引起的彎剪裂縫，破壞是脆性破壞，懸臂梁裂縫是結構性裂縫，是重大安全隱患。

圖5 水平梁不同狀態彎矩圖比較

圖6 水平梁不同狀態剪力圖比較

處理方案：（1）拆除自行車車庫，問題永久解決。問題是，絕大部分立柱沒有發生托離懸臂梁也沒有裂縫的，仍可以使用，再者，住戶停放車問題突出沒有解決；（2）解決裂縫問題，給予加固補強。通過權衡比較，結合專家建議，業主按方案（2）處理，先采用環氧樹脂壓力灌漿加固懸臂梁裂縫補強，后采用靜壓方樁托換基礎，頂升鋼筋混凝土立柱，使立柱復原。

經近3 年觀測，加固處理的懸臂梁未見任何裂縫，說明懸臂梁加固補強處理成功。

6 關于事故問題的思考

1）這次質量事故的根本原因是由于后續設計人員對立柱采用的木樁基礎的變形與主體框架結構的沉管灌注樁變形不一致而造成的。事實證明，同一種結構不宜采用不同的基礎方案。同時，審核人員沒有把好質量關，項目監理人員沒有及時發現隱患也是此次事故的原因。

2）加層建筑或改變建筑使用功能，必須考慮后續影響，同時，對可能出現的不利狀況和帶來的結構影響應給予充分計算，并采取有效的消除措施。

3）裂縫原因與癥狀多種多樣，必須建立在準確地分析原因的基礎上，才能對癥下藥，結構性裂縫的處理，不可掩蓋或草率處理。

4）本案在處理立柱頂升前對水平梁裂縫注漿加固，防止其受到外力時崩塌，頗有成效。

5）本案在加層增添立柱時，如果將鋼筋混凝土結構立柱的主筋與懸臂梁的受力鋼筋進行可靠連接，則當立柱因為軟弱地基的不均勻沉降60～80mm 時，作為一次超靜定結構的水平梁的內力又將是什么形態，水平梁會發生裂縫嗎？如果會發生裂縫，裂縫會在什么部位？這些問題都值得探究。

6）本案如果在加層增添立柱時，將懸臂梁上設置的自行車庫進行向內平移，會發生什么狀況？對2 層框架梁有什么影響？在滿足車庫使用功能的條件下，什么位置較為有利？同樣值得思考。

7）地基不均勻沉降與地質勘察報告反映的地基承載力特征值有關，對于高壓縮性軟土層的后期持續沉降應有預估，在結構設計時，應考慮與主體結構的一致性，并加強處理。

8）立柱脫離后，水平梁又恢復成懸臂梁，其實際承受的彎矩與其承載力之比為386.6/178.8=2.16∶1，承受的剪力與其抗剪承載力之比為228.1/122.5=1.86∶1。雖然后者比值不如前者大，但裂縫出現與發展原因為抗剪不足，這就是受彎構件抗剪要求高于抗彎能力的合理解釋。

9）同樣跨度、同樣荷載布置的水平梁，靜定結構與超靜定結構相比，在支座或跨內任何部位，彎矩與剪力均有顯著差別，如本案裂縫發生前后，支座A 的彎矩之比為386.6/28.8=13.42∶1，228.1/65.4=3.49∶1。說明，超靜定結構比靜定結構具有內力分布合理等優點，于結構配筋有利，且一次超靜定結構減少一個約束后，仍可承受荷載，但超靜定結構對支座約束提出了更高要求。