某鋼筋混凝土框架結構開裂原因分析

蔣志軍，陳 偉，鄭開彬，段佐剛

（1.重慶市建筑科學研究院有限公司，重慶 400020；2.重慶市建設工程質量檢驗測試中心有限公司，重慶 400020）

0 引言

混凝土結構作為一種最常見的結構形式，由于其施工工藝成熟、耐久性好等優(yōu)點，已成為建設工程領域中的主要結構形式。隨著混凝土結構的大量應用，其自身存在的一些問題，尤其是裂縫問題，變得越來越普遍。雖然說裂縫是伴隨著混凝土結構出現的，無法完全避免，但對于某些因變形或受外力作用引起的開裂和變形，應重點進行關注，并及時進行結構安全鑒定和維修加固，排除相應安全隱患。

對于混凝土結構開裂原因的分析和鑒定，目前有很多學者和工程師已進行過大量有益的研究與探討［1-4］，本文通過對某在建工程混凝土開裂情況進行現場檢測，分析引起開裂的原因，給出了相應的處理措施。

1 工程概況

工程為多層框架結構（主要為無梁樓蓋），總建筑面積約 2 200 m2。該工程（G）-（V）/（2）-（6）軸范圍基礎采用機械成孔灌注樁基礎，樁基礎持力層為中風化泥巖，中風化泥巖的天然單軸抗壓強度標準值為 6.4 MPa，其地基承載力設計特征值為 2.53 MPa。

該工程主體結構設計合理使用年限 50 年，結構安全等級為二級，結構重要性系數 1.0；抗震設防烈度為 6 度；設計基本地震加速度 0.05g；設計地震分組為第一組；抗震設防類別為標準設防類（丙類）；基本風壓值 0.40 kN/m2，地面粗糙度類別為 C 類。基頂～7.7 m（絕對標高 308.8 m）層（G）-（V）/（2）-（6）軸范圍現澆柱、梁、板及柱帽的混凝土設計強度等級均為 C30。

房屋在修建過程中，由于施工臨時道路的隔斷，部分區(qū)域結構尚未修建。在對結構已建部分擋墻外側填土施工時，發(fā)現部分梁柱節(jié)點以及柱出現不同程度的開裂現象。

2 現場情況調查

2.1 混凝土構件開裂狀況調查

現場對該項目委托范圍現澆柱、墻、梁、板外觀進行檢查，發(fā)現委托范圍的部分構件存在不同程度的開裂情況。具體如下。

1）-1 層（基頂至 305.0～308.5 m 標高范圍）現澆柱普遍存在開裂現象，裂縫主要分布在柱頂、柱底部位，U形水平裂縫，個別柱裂縫為 L 形水平裂縫，底部裂縫與頂部裂縫為反方向，部分現澆柱傾斜明顯。

2）-1 層、1 層（基頂至 308.8 m 標高范圍）地下室外墻存在豎向、斜向裂縫以及不規(guī)則龜裂，部分裂縫呈現下大上小的特征。

3）-1 層（305.0～308.5 m 標高范圍）部分現澆梁與現澆柱交接處底部存在開裂現象。

4）-1 層（絕對標高 305.0～308.8 m）柱、梁、板等現澆構件未發(fā)現明顯開裂、破損及變形缺陷。

現場典型裂縫圖片如圖 1～圖 3 所示。

圖1 基頂～307.9 m 6/Q 軸柱柱頂處環(huán)向裂縫（最大寬度 δ max=2.0 mm）

圖2 基頂～307.9m 6/S 軸柱柱底處環(huán)向裂縫（最大寬度 δ max=2.0 mm）

圖3 305.0 m 5/H-U 軸梁柱節(jié)點處水平裂縫（最大寬度 δmax=5.0 mm）

2.2 混凝土柱傾斜狀況調查

現場采用全站儀對部分柱、墻垂直度進行檢測。現場共檢測 89 根柱，所抽測柱子傾斜值范圍為20.8～279.7 mm，遠大于傾斜值允許值（20.3 mm）。現場柱傾斜情況如圖 4、圖 5 所示。

圖4 基頂～305.0 m 3/T 軸柱傾斜照片（傾斜值：172.7 mm）

圖5 基頂～308.5 m 5/T 軸柱傾斜照片（傾斜值：257.1 mm）

2.3 結構構件基本情況

對現場的混凝土強度、構件截面尺寸及配筋情況進行了抽查，抽查結果滿足原設計要求。

2.4 擋墻外側填土情況

現場對擋墻填土進行查看，發(fā)現施工現場直接就地采用回填土進行墻后回填，回填土的性能指標不滿足設計要求。

2.5 房屋修建情況

查看房屋設計圖紙，目前房屋整體并未修建完成，設計房屋平面圖如圖 6、圖 7 所示，其中陰影部分為已修建部分。

圖6 基頂-7.7 m（絕對標高 308.8 m）層柱平面布置圖（單位：mm）

圖7 1 層（絕對標高 306.7～308.8 m）層結構平面圖（單位：mm）

截至現場進行檢測鑒定時，圖紙中所示的未修建部分尚未開始修建。

3 計算分析

3.1 結構已建部分計算分析

根據現場結構形式以及所受土壓力荷載，建立結構三維有限元分析模型，模型如圖 8 所示。

圖8 三維有限元分析模型

模型中梁、柱、擋墻、樓板均按設計值建模，構件混凝土強度等級均取設計值 C30，柱底部采用固定支承。根據現場填土參數，計算擋墻后主動土壓力，將計算所得主動土壓力加載至擋墻，計算得到土壓力作用下結構變形如圖 9 所示。

圖9 土壓力作用下結構變形圖

根據計算結果，-1層柱頂處理論水平位移最大值為 82 mm。

3.2 整體結構計算分析

當結構剩余未修建部分修建完成后，在墻后填土情況下，對結構受力情況進行計算分析。結構整體修建完成后結構模型如圖 10 所示。

圖10 三維有限元分析模型（整體結構）

同樣，模型中梁、柱、擋墻、樓板均按設計值建模，構件混凝土強度等級均取設計值 C30，柱底部采用固定支承。根據現場填土參數，計算擋墻后主動土壓力，將計算所得主動土壓力加載至擋墻，計算得到土壓力作用下結構變形如圖 11 所示。

圖11 土壓力作用下結構變形圖（整體結構）

根據計算結果，-1 層柱頂處理論水平位移最大值為 13 mm。

4 結構開裂原因分析

4.1 理論分析

1）結構現狀建模計算結果表明，由于現狀結構有兩跨尚未修建，造成結構整體抗側向剛度減小，在墻后填土作用下，出現了側向位移偏大，現場結構構件破損情況與建模計算結果一致。

2）在墻后土壓力作用下，現狀結構（有兩跨未修建）-1 層柱頂處水平位移值較大，超過規(guī)范限值。

3）當對整體結構（包含未修建部分）進行計算分析時，在墻后土壓力作用下，結構 -1 層柱頂處水平位移值處于正常范圍，未超過規(guī)范限值。

4.2 現場檢測分析

1）根據目前結構出現的撓度和開裂情況，判定本次開裂是由于擋墻后填土造成的，因此現場應立刻停止擋墻后的填土。

2）抽檢現澆墻、柱、梁、板的混凝土強度、截面尺寸、主要受力鋼筋數量、鋼筋間距等參數基本滿足設計和相關規(guī)范要求。

3）現澆柱、墻、梁裂縫寬度在 1.0～11.0 mm，多數裂縫寬度遠超規(guī)范允許值。

4）現場所抽測現澆柱的垂直度偏差，單層偏差在2.5～275.0 mm，多數現澆柱單層垂直度偏差大于規(guī)范允許值；現澆柱總偏差在 20.8～279.7 mm，均大于規(guī)范允許值。

5）對已建部分墻、柱、梁的裂縫形態(tài)、分布位置及柱傾斜方向、垂直度偏差等檢測結果進行綜合分析，現澆構件開裂、傾斜由外荷載（水平推力）作用產生，裂縫寬度及現澆柱垂直度偏差均超出規(guī)范允許值，結構整體受損嚴重。

5 結論

1）本次結構開裂主要原因包含兩個方面：①墻后填土是造成本次結構開裂的直接原因；②現有結構并未完全修建完成，已修建部分水平抗力尚不足以抵抗墻后水平土壓力，當結構整體修建完成后，可以滿足墻后填土的要求。

2）根據前述分析與鑒定結論，本次結構構件所產生的裂縫為受填土影響造成構件變形而引起的裂縫，此類裂縫已影響了結構的安全使用，需立即進行相應的處理和加固。

近年來，受場地不均勻堆載或填土引起的結構變形或傾倒的工程案例越來越多。通過本工程的檢測、分析和鑒定，為其他類似工程提供有益的參考。 Q