關(guān)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(xué)院土木與建筑工程學(xué)院，安徽 滁州 239000；2.安徽滁州技師學(xué)院，安徽 滁州 239000）

1 引言

當(dāng)前，我國大規(guī)模的城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、城市化進(jìn)程與規(guī)模項(xiàng)目新建、改建、擴(kuò)建方興未艾。據(jù)報(bào)道，2018 年，我國混凝土產(chǎn)量達(dá)到 23.5×108m3，2019 年，達(dá)到 24×108m3，且呈上升趨勢(shì)，混凝土結(jié)構(gòu)因其良好的抗壓性能和耐火性，優(yōu)越的可塑性和價(jià)格的經(jīng)濟(jì)性，鋼筋與混凝土的力學(xué)性能匹配性得以廣泛使用。但混凝土結(jié)構(gòu)因裂縫的出現(xiàn)常引起人們的恐慌與不安。產(chǎn)生裂縫的機(jī)理有多重因素（見圖1）。大多數(shù)裂縫的原因并不單純?yōu)槟骋活?，或兼而有之，或有主次之分，但結(jié)構(gòu)性裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展更是工程技術(shù)人員的重中之重。結(jié)構(gòu)裂縫寬度與結(jié)構(gòu)應(yīng)力豐滿程度有關(guān)，裂縫的形態(tài)和裂縫的寬度反映了結(jié)構(gòu)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(guān)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(jié)構(gòu)，沉管灌注樁基礎(chǔ)，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(shè)計(jì)為矩形截面懸臂梁（180mm×600mm）外掛連續(xù)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(jí)），箍筋φ8mm@200mm（Ⅰ級(jí)），混凝土強(qiáng)度等級(jí)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(jié)構(gòu)安全，設(shè)計(jì)人員在每個(gè)懸臂梁端部下增設(shè)1 根鋼筋混凝土柱，柱基礎(chǔ)為4m 長松木樁基礎(chǔ)【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(yàn)收投入使用后不久，部分懸臂梁下獨(dú)立柱出現(xiàn)了明顯下沉且有歪斜現(xiàn)象（原地基屬深達(dá)0.8～3.5m 厚軟土層），隨后半年，懸臂梁有輕微裂縫且隨時(shí)間推移有發(fā)展趨勢(shì)，引起業(yè)主不安，遂通知監(jiān)理單位、施工單位，項(xiàng)目總監(jiān)現(xiàn)場觀察后，下達(dá)工程（質(zhì)量整改）監(jiān)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(jìn)行處理（暫用鋼管支撐）。施工單位技術(shù)負(fù)責(zé)人查看現(xiàn)象，認(rèn)為問題比較嚴(yán)重，可能不是一般質(zhì)量問題，當(dāng)即決定聘請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)人員和幾位專家到場，進(jìn)一步進(jìn)行診斷。

3 現(xiàn)場勘查

原設(shè)計(jì)人員及幾位專家在現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)，凡出現(xiàn)裂縫的懸臂梁端下的獨(dú)立柱均存在下沉且有歪斜現(xiàn)象，沒有下沉的獨(dú)立柱的懸臂梁均沒有裂縫?，F(xiàn)場測量，獨(dú)立柱下沉的深度為60～80mm，懸臂梁裂縫寬度已達(dá)4～7mm，180mm 外墻頂外傾達(dá)70～85mm（見圖4）。專家分析，實(shí)際上，裂縫“懸臂梁”的受力又恢復(fù)了改建前狀態(tài)，獨(dú)立柱已發(fā)揮不了作用。原懸臂梁在改建后是一次超靜定結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在需要經(jīng)過力學(xué)分析與計(jì)算后，再制定補(bǔ)強(qiáng)或加固方案。

圖4 懸臂梁裂縫圖

4 設(shè)計(jì)復(fù)核

依據(jù)文獻(xiàn)【3～5】，參照現(xiàn)場改建后的自行車庫結(jié)構(gòu)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(jì)算跨度取2.2m，自行車庫在懸臂梁上均設(shè)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(shè)計(jì)值綜合建筑做法，取值5.5kN/m2。現(xiàn)僅進(jìn)行立柱增加前后及裂縫出現(xiàn)后，懸臂梁抗彎、剪承載力復(fù)核計(jì)算。具體計(jì)算情況如下（本案不涉及連系梁、框架柱及基礎(chǔ)、立柱及基礎(chǔ)計(jì)算，此處不考慮）。

1）立柱增加前：

式中，q1為無立柱時(shí)水平梁承受的線性均布荷載設(shè)計(jì)值；F1為無立柱時(shí)水平梁梁端承受的集中力設(shè)計(jì)值；MA1為無立柱時(shí)水平梁根部彎矩設(shè)計(jì)值；VA1為無立柱時(shí)水平梁根部剪力設(shè)計(jì)值；l0為水平梁計(jì)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(shè)計(jì)值；F2為立柱增加后水平梁梁端承受的集中力設(shè)計(jì)值；MA2為立柱增加后水平梁根部彎矩設(shè)計(jì)值；VA2為立柱增加后水平梁根部剪力設(shè)計(jì)值；M中2為立柱增加后水平梁中部彎矩設(shè)計(jì)值。

3）立柱脫離后（裂縫出現(xiàn)）：

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

4）水平梁受力狀態(tài)與承載力比較；

彎矩內(nèi)力見圖5，剪力內(nèi)力見圖6。

5 裂縫分析處理結(jié)論

經(jīng)過結(jié)構(gòu)計(jì)算得出，裂縫出現(xiàn)是由于懸臂梁在加層（自行車車庫）后，造成水平構(gòu)件改變了受力狀態(tài)，產(chǎn)生了新荷載效應(yīng)，后增加的立柱使結(jié)構(gòu)的承載力得以抵抗，后由于主要構(gòu)件立柱的變形位移，使得水平構(gòu)件的受力彎剪承載力嚴(yán)重不足，實(shí)際抗彎承載力僅占設(shè)計(jì)值的46.3%，抗剪承載力僅占設(shè)計(jì)值的53.8%，從裂縫形狀來看，屬負(fù)彎矩引起的彎剪裂縫，破壞是脆性破壞，懸臂梁裂縫是結(jié)構(gòu)性裂縫，是重大安全隱患。

圖5 水平梁不同狀態(tài)彎矩圖比較

圖6 水平梁不同狀態(tài)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(fā)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(bǔ)強(qiáng)。通過權(quán)衡比較，結(jié)合專家建議，業(yè)主按方案（2）處理，先采用環(huán)氧樹脂壓力灌漿加固懸臂梁裂縫補(bǔ)強(qiáng)，后采用靜壓方樁托換基礎(chǔ)，頂升鋼筋混凝土立柱，使立柱復(fù)原。

經(jīng)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(bǔ)強(qiáng)處理成功。

6 關(guān)于事故問題的思考

1）這次質(zhì)量事故的根本原因是由于后續(xù)設(shè)計(jì)人員對(duì)立柱采用的木樁基礎(chǔ)的變形與主體框架結(jié)構(gòu)的沉管灌注樁變形不一致而造成的。事實(shí)證明，同一種結(jié)構(gòu)不宜采用不同的基礎(chǔ)方案。同時(shí)，審核人員沒有把好質(zhì)量關(guān)，項(xiàng)目監(jiān)理人員沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)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(xù)影響，同時(shí)，對(duì)可能出現(xiàn)的不利狀況和帶來的結(jié)構(gòu)影響應(yīng)給予充分計(jì)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(zhǔn)確地分析原因的基礎(chǔ)上，才能對(duì)癥下藥，結(jié)構(gòu)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(duì)水平梁裂縫注漿加固，防止其受到外力時(shí)崩塌，頗有成效。

5）本案在加層增添立柱時(shí)，如果將鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)立柱的主筋與懸臂梁的受力鋼筋進(jìn)行可靠連接，則當(dāng)立柱因?yàn)檐浫醯鼗牟痪鶆虺两?0～80mm 時(shí)，作為一次超靜定結(jié)構(gòu)的水平梁的內(nèi)力又將是什么形態(tài)，水平梁會(huì)發(fā)生裂縫嗎？如果會(huì)發(fā)生裂縫，裂縫會(huì)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(shí)，將懸臂梁上設(shè)置的自行車庫進(jìn)行向內(nèi)平移，會(huì)發(fā)生什么狀況？對(duì)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(zhì)勘察報(bào)告反映的地基承載力特征值有關(guān)，對(duì)于高壓縮性軟土層的后期持續(xù)沉降應(yīng)有預(yù)估，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮與主體結(jié)構(gòu)的一致性，并加強(qiáng)處理。

8）立柱脫離后，水平梁又恢復(fù)成懸臂梁，其實(shí)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(xiàn)與發(fā)展原因?yàn)榭辜舨蛔?，這就是受彎構(gòu)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(jié)構(gòu)與超靜定結(jié)構(gòu)相比，在支座或跨內(nèi)任何部位，彎矩與剪力均有顯著差別，如本案裂縫發(fā)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(jié)構(gòu)比靜定結(jié)構(gòu)具有內(nèi)力分布合理等優(yōu)點(diǎn)，于結(jié)構(gòu)配筋有利，且一次超靜定結(jié)構(gòu)減少一個(gè)約束后，仍可承受荷載，但超靜定結(jié)構(gòu)對(duì)支座約束提出了更高要求。