紅船豆樞紐工程啟閉機(jī)房框架梁裂縫分析與處理

裘華鋒

(浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310002)

0 引 言

混凝土結(jié)構(gòu)建筑物在建設(shè)過(guò)程和使用過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)不同程度、不同形式的裂縫，這是一種相當(dāng)普遍的一種缺陷.它是長(zhǎng)期困擾著建筑工程技術(shù)人員的技術(shù)難題.

混凝土裂縫的主要成因有以下情況:(1)由外荷載(靜、動(dòng)荷載)直接應(yīng)力引起的裂縫和次應(yīng)力引起的裂縫；(2)由變形變化引起的裂縫：包括結(jié)構(gòu)因溫度濕度變化、收縮、膨脹、不均勻沉陷等原因引起的裂縫[1].本文結(jié)合工程實(shí)例，通過(guò)計(jì)算分析該工程中混凝土框架梁產(chǎn)生裂縫的主要原因，并提出相應(yīng)的處理方案和預(yù)防措施.

1 工程概況

紅船豆樞紐工程中設(shè)有24孔泄洪閘，水閘每孔凈跨14.0 m，中墩寬2.5 m，邊墩寬2.0 m，基礎(chǔ)直接落于基巖，每孔孔底板中間設(shè)20 mm伸縮縫.檢修平臺(tái)以上設(shè)啟閉機(jī)房(見(jiàn)圖1)，框架結(jié)構(gòu)，每三孔為一計(jì)算單元，每單元長(zhǎng)度分別為49.50 m和50.25 m，單元與單位之間設(shè)20 mm寬伸縮縫(縫設(shè)在中墩上)，53.00高程以上主體結(jié)構(gòu)混凝土均采用C30混凝土.以啟閉平臺(tái)為界分別由二家施工單位施工，啟閉平臺(tái)以下和以上分別采用現(xiàn)場(chǎng)自拌和泵送商品混凝土，啟閉機(jī)房屋面一和屋面二上的框架梁(A梁、B梁、C梁、D梁)及屋面板澆筑完成后陸續(xù)發(fā)現(xiàn)大量細(xì)微裂縫.

圖1 結(jié)構(gòu)剖面布置圖

2 裂縫檢測(cè)

由于出現(xiàn)的裂縫較多且細(xì)小，靠肉眼難以準(zhǔn)確識(shí)別縫寬及縫深，故請(qǐng)專業(yè)的檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)裂縫的分布、寬度、深度等進(jìn)行了檢測(cè).檢測(cè)人員分別對(duì)1～24號(hào)孔的A、B梁和4～21號(hào)孔的C、D梁進(jìn)行了裂縫的分布、寬度檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果表明A、B梁上共有裂縫424條，裂縫寬度在0.02～0.28 mm之間，其中寬度不大于0.10 mm的共有188條，0.10～0.20 mm之間的共有112條，0.21～0.28 mm之間的有124條，裂縫長(zhǎng)度在0.35～1.15 m之間；C、D梁上共有裂縫913條，裂縫寬度在0.02～0.21 mm之間，其中寬度不大于0.10 mm的共有725條，0.10～0.20 mm之間的共有186條，0.21 mm的有2條，裂縫長(zhǎng)度在0.11～1.02 m之間；對(duì)8、16、19號(hào)孔的C、D梁進(jìn)行了裂縫深度檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果表明，8號(hào)孔C梁和D梁分別有2處貫穿性裂縫；16號(hào)孔C梁和D梁分別有1處和2處貫穿性裂縫；19號(hào)孔C梁和D梁分別有1處貫穿性裂縫，其余均為淺表性裂縫.通過(guò)對(duì)框架梁裂縫的檢測(cè)，表明裂縫皆為出現(xiàn)于梁腹且大致垂直于梁腹縱軸的豎向裂縫，且大部分在梁腹兩側(cè)非對(duì)稱出現(xiàn)，梁靠室外側(cè)明顯多于梁室內(nèi)側(cè)；有少數(shù)裂縫的上端延伸至梁頂?shù)陌宓?，但板底未發(fā)現(xiàn)開(kāi)裂；有較多的裂縫(尤其梁跨中央部位的裂縫)的下端延伸至梁下底邊，但均未繞過(guò)梁的底面形成U型裂縫；同一榀框架梁內(nèi)，中間跨的裂縫多于兩邊跨的裂縫；裂縫多數(shù)分布在跨中區(qū)段內(nèi).所有裂縫基本上呈上下端窄中間寬的棗核形，且通過(guò)觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)裂縫并未繼續(xù)發(fā)展.經(jīng)初步分析取8號(hào)孔上的D梁作為典型的裂縫(見(jiàn)圖2).

圖2 孔D梁(中間跨)展開(kāi)裂縫分布圖

3 裂縫類(lèi)型分析

經(jīng)用回彈儀進(jìn)行超聲回彈綜合法檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)據(jù)表明，框架梁的混凝土(齡期大于90天)強(qiáng)度均超過(guò)C40，部分甚至超過(guò)C50，混凝土強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求.梁的截面尺寸及保護(hù)層厚度經(jīng)檢測(cè)符合設(shè)計(jì)要求.通過(guò)觀測(cè)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)建筑物存在不均勻沉降現(xiàn)象，設(shè)計(jì)標(biāo)高亦無(wú)明顯變化，柱子無(wú)明顯的偏斜.經(jīng)核查該工程所采用的鋼筋和水泥的出廠合格證及進(jìn)場(chǎng)復(fù)驗(yàn)報(bào)告均符合要求.

用PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新校算且加入溫度荷載(溫降溫度場(chǎng)：-34°；溫升溫度場(chǎng)：22°)，驗(yàn)算結(jié)果表明實(shí)際配筋均能滿足要求，所有框架梁在正常使用情況下計(jì)算的最大裂縫寬度均小于0.3 mm，同時(shí)從裂縫出現(xiàn)時(shí),大部分設(shè)計(jì)恒、活荷載還未加載,可以排除裂縫是由外荷載引起.結(jié)合前述的裂縫檢測(cè)結(jié)果、裂縫特征及沉降觀測(cè)結(jié)果可以判斷，該工程框架梁的裂縫是屬于較典型的由變形變化(混凝土收縮)引起的裂縫.

4 裂縫驗(yàn)算

混凝土收縮根據(jù)計(jì)算公式[1]：εy(t)=εy(∞)·M1·M2·M3·…Mn·(1-e-0.01t),式中：εy(∞)為混凝土的終值取3.24×10-4;M1、M2、M3、…Mn為考慮非標(biāo)準(zhǔn)條件的修正系數(shù)，經(jīng)查表計(jì)算得1.2.梁表面的相對(duì)收縮變形(t=30天)：εy(30)=3.24×10-4×0.91×(1-e-0.01×30)=0.77×10-4.收縮當(dāng)量溫差根據(jù)計(jì)算公式[1]：T″=εy(t)/α，式中α為線膨脹系數(shù)取1×10-5,經(jīng)計(jì)算T″=7.7℃.內(nèi)外水化熱溫差一個(gè)月平均取值T′=35 ℃，梁表面總溫差T0=T′+T″=42.7 ℃.計(jì)算溫度應(yīng)力考慮到梁從拆模時(shí)開(kāi)始顯著降溫，其后逐漸降溫至出現(xiàn)裂縫，松馳系數(shù)H(t,T)表查取0.45，代入公式：σx(y)=0.45·E·α·T0/(1-u)·(y2/h2-1/3)=0.45×3.0×104×1×10-5×42.7/(1-0.2)×(y2/h2-1/3)=7.2×(y2/h2-1/3)，則表面最大應(yīng)力σmax=7.2×2/3=4.8 MPa(拉)，根據(jù)實(shí)際散熱條件(降溫較快)，松弛系數(shù)H(t,T)有可能大于0.45，應(yīng)力還有可能增高，裂縫可能在30天之前就已經(jīng)出現(xiàn).

對(duì)于C30混凝土，其抗拉強(qiáng)度Rf=2.3 MPa左右，考慮偏心非均勻受拉，取y=1.7，σmax=4.8 MPa>y·Rf=1.7×2.3=3.9 MPa(開(kāi)裂),可得出裂縫主要是由混凝土的溫度收縮引起的.

5 裂縫產(chǎn)生原因分析

裂縫產(chǎn)生原因較復(fù)雜，經(jīng)過(guò)多方調(diào)查、研究、翻閱有關(guān)資料,由統(tǒng)計(jì)分析可知框架梁開(kāi)裂的主要原因有以下幾方面:

(1)設(shè)計(jì)方面

本工程框架梁的截面尺寸(400×1 200/1 300)很大，框架梁上端受到現(xiàn)澆鋼筋混凝土板的約束，下端由于受到梁底較多縱向受力鋼筋的限制時(shí)，就會(huì)形成位于梁腹兩側(cè)中間寬、兩端窄的豎向棗核形裂縫，且多集中在框架梁的中部.這是由于在混凝土硬化時(shí)產(chǎn)生收縮，梁的上、下端配有較多縱筋，縱筋承擔(dān)著較大的收縮拉力，而梁的中部縱向腰筋較少(配筋率0.12%)，沒(méi)有足夠的強(qiáng)度以抵抗這種拉應(yīng)力而使混凝土受拉并大于其最大抗拉強(qiáng)度，所以混凝土框架梁發(fā)生開(kāi)裂[2].

同時(shí)本工程框架縱梁全長(zhǎng)達(dá)50 m接近規(guī)范[3]上限，設(shè)計(jì)時(shí)未充分考慮溫度收縮的影響，中間未設(shè)后澆帶或加強(qiáng)帶，同時(shí)混凝土內(nèi)也未摻加膨脹劑，故加劇了框架梁混凝土裂縫的出現(xiàn).

(2)材料方面

本工程混凝土采用泵送商品混凝土，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)回彈檢測(cè)混凝土強(qiáng)度均超過(guò)C40，部分甚至超過(guò)C50，比原設(shè)計(jì)強(qiáng)度C30高很多，查看其混凝土配合比等資料，發(fā)現(xiàn)實(shí)際每立方米膠凝材料用量為375 kg/m3，坍落度達(dá)180 mm，水泥用量和用水量均較大，通常隨著水泥用量的增大混凝土收縮也相應(yīng)的增加，混凝土內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力而產(chǎn)生裂縫.同建筑物的下部啟閉平臺(tái)由于采用的是自拌混凝土，施工采用的坍落度小，相對(duì)應(yīng)采用的水泥用量和用水量均較小，啟閉平臺(tái)至今沒(méi)有發(fā)現(xiàn)裂縫.

(3)施工方面

屋面框架梁主要施工期為5～7月份，且梁澆筑3天后就拆除了側(cè)模，表面又沒(méi)有及時(shí)覆蓋加上養(yǎng)護(hù)不到位，以至于框架梁混凝土表面失水過(guò)快而產(chǎn)生劇烈收縮，而且其表面失水遠(yuǎn)大于內(nèi)部，再加上結(jié)構(gòu)內(nèi)外水泥水化熱差(內(nèi)高外低)的影響，最后導(dǎo)致了框架梁混凝土外表收縮快且大、內(nèi)部收縮慢且小的不均勻收縮，而早期混凝土強(qiáng)度又低,不能抵抗這種變形應(yīng)力引起的混凝土框架梁由表至里的開(kāi)裂，同時(shí)由于框架梁朝室外側(cè)的面上承受江風(fēng)較大且受太陽(yáng)直射溫差大，所以出現(xiàn)朝室外面的梁面上裂縫數(shù)量大大多于朝室內(nèi)面梁上的裂縫數(shù)量現(xiàn)象.

6 裂縫處理建議

在施工及使用階段有無(wú)肉眼可見(jiàn)的裂縫是大部分業(yè)主評(píng)價(jià)工程質(zhì)量好壞的主要標(biāo)準(zhǔn).裂縫寬度即使是在規(guī)范容許的范圍內(nèi)，對(duì)結(jié)構(gòu)的安全影響不大，但也會(huì)給業(yè)主的心理帶來(lái)不安全感.若裂縫大于0.3 mm則會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的整體性和耐久性產(chǎn)生影響.從耐久性的角度出發(fā),裂縫的出現(xiàn)會(huì)引發(fā)滲漏、鋼筋銹蝕、結(jié)構(gòu)剛度降低、變形增大等一系列問(wèn)題，影響后續(xù)施工工作和結(jié)構(gòu)的正常使用.因此,必須對(duì)結(jié)構(gòu)的裂縫進(jìn)行修補(bǔ)[5].

本工程中裂縫經(jīng)檢測(cè)寬度多數(shù)在0.2 mm以下，少量在0.2～0.3 mm之間，裂縫對(duì)承載力無(wú)影響(自約束應(yīng)力系自平衡應(yīng)力，開(kāi)裂后應(yīng)力大部分消失)，理論上雖能滿足規(guī)范[4]的要求，但考慮到存在的裂縫很多給使用者心理造成恐懼感，為了確保投入使用后結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性，對(duì)結(jié)構(gòu)的裂縫進(jìn)行處理，具體方案如下：對(duì)穩(wěn)定的表面裂縫且寬度小于0.2 mm以下的裂縫采用環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行表面封閉；對(duì)穩(wěn)定的貫穿性裂縫及寬度0.2～0.3 mm之間的表面裂縫采用低壓灌漿處理的方法予以封閉，且灌漿時(shí)間最好選擇在冬季溫度最相對(duì)較低時(shí)進(jìn)行.

7 預(yù)防措施

針對(duì)本工程中框架梁出現(xiàn)的裂縫情況，提出以下預(yù)防措施：

(1)對(duì)長(zhǎng)度接近或超過(guò)規(guī)范限值的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮溫度收縮的影響，通過(guò)采用設(shè)置后澆帶或加強(qiáng)帶、設(shè)伸縮縫、混凝土內(nèi)摻加膨脹劑等措施.

(2)對(duì)截面較大的梁應(yīng)重視梁腹板構(gòu)造鋼筋的設(shè)置,適當(dāng)提高配筋率和縮小鋼筋的間距.

(3)嚴(yán)格控制混凝土的配合比，特別是高強(qiáng)度、大流動(dòng)性條件下的泵送商品混凝土.在滿足混凝土強(qiáng)度的情況下，盡量降低水泥用量；按施工要求選擇較低的坍落度，在滿足流動(dòng)性和泵送性的條件下，盡量降低單位用水量；粗骨料應(yīng)優(yōu)化級(jí)配設(shè)計(jì)，砂子選用中、粗砂，控制砂石中的含泥量，減少混凝土的收縮.

(4)在高溫季節(jié)或大風(fēng)天氣情況下澆筑混凝土，應(yīng)加強(qiáng)混凝土早期養(yǎng)護(hù)，及時(shí)覆蓋并加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)、適當(dāng)延長(zhǎng)側(cè)模的拆模時(shí)間[6]等措施，防止強(qiáng)風(fēng)和烈日曝曬的不利影響.

8 結(jié) 語(yǔ)

雖然混凝土結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)裂縫是很難避免的，且產(chǎn)生的原因是多方面的，但只要設(shè)計(jì)合理，施工過(guò)程中加強(qiáng)原材料控制，混凝土配合比設(shè)計(jì)合理，加強(qiáng)混凝土養(yǎng)護(hù)等措施，嚴(yán)格按施工規(guī)范及設(shè)計(jì)圖紙要求進(jìn)行施工，是完全可以減少甚至避免裂縫的產(chǎn)生.

對(duì)已產(chǎn)生的裂縫，應(yīng)根據(jù)裂縫的成因、特性、寬度、深度等因素，采用合理的裂縫修補(bǔ)方法，消除結(jié)構(gòu)存在的安全隱患.

參考文獻(xiàn)：

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[4] 四川省建設(shè)委員會(huì).GB 50292-1999民用建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1999.

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[6] 中國(guó)建筑有限股份公司.建筑施工手冊(cè)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2012.