魏 利 國(guó)

(山西省建筑科學(xué)研究院，山西 太原 030001)

一種容易被忽視的混凝土梁端裂縫分析

魏 利 國(guó)

(山西省建筑科學(xué)研究院，山西 太原 030001)

對(duì)建筑物在建設(shè)和使用過程中出現(xiàn)的不同程度、不同形式的裂縫進(jìn)行了闡述，結(jié)合工程實(shí)際情況，介紹了一種特殊裂縫即混凝土梁端上部開始的斜裂縫的形態(tài)及特征，并結(jié)合計(jì)算具體分析了形成此裂縫的原因，通過具體的檢測(cè)方案，提出了預(yù)防此裂縫產(chǎn)生應(yīng)采取的措施。

梁端裂縫，主拉應(yīng)力，次應(yīng)力，彎矩，剪力

1 概述

結(jié)構(gòu)的破壞和倒塌是以結(jié)構(gòu)構(gòu)件的超極限狀態(tài)造成的，而這種狀態(tài)又多表現(xiàn)為裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。人們對(duì)建筑物在使用過程中出現(xiàn)的一些不同形式及不同程度的裂縫往往存在誤解，認(rèn)為裂縫會(huì)對(duì)房屋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的破壞，心里對(duì)裂縫的存在有一定的恐懼感，事實(shí)上有些裂縫確實(shí)對(duì)房屋的結(jié)構(gòu)有影響，它會(huì)降低結(jié)構(gòu)的承載力，另外，滲漏也是由于裂縫引起的，使房屋的耐久性受到了影響，例如在混凝土結(jié)構(gòu)中，加速混凝土的中性化，加劇鋼筋銹蝕、保護(hù)層剝落等。因此，為保證建筑物結(jié)構(gòu)安全，廣大技術(shù)人員應(yīng)精確對(duì)裂縫產(chǎn)生原因、程度、特征及性質(zhì)進(jìn)行分析，并針對(duì)分析結(jié)果采取相應(yīng)合理、經(jīng)濟(jì)的加固處理措施，以增強(qiáng)建筑物的承載能力，提高結(jié)構(gòu)的耐久性，延長(zhǎng)建筑物的使用壽命。

從廣義上分析，結(jié)構(gòu)物在使用過程中承受著直接和間接兩方面的作用，直接作用包含有靜荷載、動(dòng)荷載及其他荷載；間接作用包含有溫度、收縮及不均勻沉陷等。當(dāng)作用產(chǎn)生的應(yīng)力超過結(jié)構(gòu)材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件就會(huì)開裂，由此可以將裂縫分為以下三類：1)由靜動(dòng)荷載等直接作用產(chǎn)生的直接應(yīng)力引起的裂縫(此直接應(yīng)力是按常規(guī)模型計(jì)算的應(yīng)力)。2)由直接作用引發(fā)的結(jié)構(gòu)次應(yīng)力引起的裂縫。常規(guī)的計(jì)算模型和結(jié)構(gòu)物實(shí)際工作狀態(tài)存在偏差是產(chǎn)生這種裂縫的主要原因。3)由間接作用引起的裂縫。引起這類裂縫的原因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的收縮、膨脹及不均勻沉降等。一般情況下，1)，3)兩種裂縫比較常見，也容易進(jìn)行解決，而第2)種裂縫則很難判別。筆者在多年的工程檢測(cè)鑒定過程中，發(fā)現(xiàn)了一些第2)種類型的裂縫(即業(yè)界所謂的由直接作用引發(fā)的結(jié)構(gòu)次應(yīng)力裂縫)，為進(jìn)一步深入分析該種裂縫的產(chǎn)生原因，并針對(duì)性地提出相應(yīng)的處理意見，現(xiàn)結(jié)合一具體工程進(jìn)行詳細(xì)的闡述。

2 工程實(shí)例

某辦公樓為砌體結(jié)構(gòu)建筑，局部為4層。4層作為會(huì)議室，結(jié)構(gòu)比較空曠，該建筑物層頂結(jié)構(gòu)為四根L×h×b=7 500 mm×800 mm×300 mm的混凝土大梁，上鋪預(yù)應(yīng)力混凝土空心板，墻內(nèi)構(gòu)造柱為370 mm×300 mm，梁擱置其中，構(gòu)造柱和梁整澆為一體，該結(jié)構(gòu)物的混凝土強(qiáng)度等級(jí)設(shè)計(jì)為C20。工程使用一年左右時(shí)，層頂?shù)乃母罅撼霈F(xiàn)了上寬下窄形狀為正“八”字形斜向裂縫，裂縫位于距梁兩端800 mm的位置上，經(jīng)測(cè)量裂縫的最寬處達(dá)5 mm。為確定該類裂縫產(chǎn)生的原因及存在對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性的影響危害，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)構(gòu)件的相關(guān)情況進(jìn)行了必要檢測(cè)復(fù)核確認(rèn)。

2.1 實(shí)體混凝土強(qiáng)度

CECS 03：88鉆芯法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程中對(duì)混凝土強(qiáng)度的測(cè)試有詳盡的要求，根據(jù)本規(guī)程具體要求，檢測(cè)人員在四根大梁上鉆取混凝土芯樣各3個(gè)，每個(gè)芯樣的直徑均為100 mm，鉆取后加工為標(biāo)準(zhǔn)試件，然后分別對(duì)12個(gè)試件的混凝土強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如表1所示。

表1 混凝土強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果 MPa

混凝土芯樣取出后，經(jīng)過觀察及對(duì)比，發(fā)現(xiàn)其表面密實(shí)，其強(qiáng)度比設(shè)計(jì)的C20的要求均高出許多。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)及設(shè)計(jì)確認(rèn)

在現(xiàn)場(chǎng)，專業(yè)檢測(cè)人員鑿開了裂縫兩側(cè)的底部和梁側(cè)，并使用超聲波檢測(cè)方法核對(duì)了梁主筋及箍筋的位置和數(shù)量，經(jīng)對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比，其結(jié)果與最初的設(shè)計(jì)完全一致，而且檢測(cè)人員對(duì)工程中所使用的原材料的原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了調(diào)閱，發(fā)現(xiàn)其各項(xiàng)指標(biāo)也都符合設(shè)計(jì)及有關(guān)規(guī)范的要求。經(jīng)與設(shè)計(jì)人員溝通，了解到這些梁均按簡(jiǎn)支梁進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

2.3 裂縫情況

通過認(rèn)真觀察，發(fā)現(xiàn)裂縫的形態(tài)具有如下兩個(gè)特征：

1)裂縫出現(xiàn)在距梁兩端0.8 m左右的位置。

2)裂縫自梁的上表面開始，沿梁側(cè)發(fā)展，其形態(tài)上寬下窄呈正“八”字形(見圖1)。

3 計(jì)算分析

為了確切弄清楚裂縫的原因，我們對(duì)簡(jiǎn)支梁的受力情況進(jìn)行了模擬，模擬結(jié)果如圖2所示，從圖2中可看出該簡(jiǎn)支梁任一點(diǎn)處(距支座A的距離為X，截面m—m)的彎矩(Mx)，剪力(Qx)，正應(yīng)力(σx)及剪應(yīng)力(τx)在均布荷載作用下的計(jì)算如下：

其中，Mx為x點(diǎn)處的彎矩；q為均布荷載；l為梁的計(jì)算長(zhǎng)度；x為距梁端A點(diǎn)的距離；ξ為x/l的比值；Qx為x點(diǎn)處的剪力；W2為梁截面系數(shù)；b為梁寬;h為梁高；σx為該截面混凝土的正應(yīng)力；τx為該截面混凝土的剪應(yīng)力。

在截面m—m處自上而下取5個(gè)單元體，具體見圖3中的1，2，3，4，5點(diǎn)處。該5個(gè)單元體的應(yīng)力狀態(tài)如圖3所示。

主應(yīng)力具體計(jì)算如下：

其中，σ1為該截面混凝土的主拉應(yīng)力；σ3為該截面混凝土的主壓應(yīng)力。

由計(jì)算可知，簡(jiǎn)支梁在m—m截面第1)點(diǎn)處的應(yīng)力為壓應(yīng)力，即簡(jiǎn)支梁中和軸上部為受壓狀態(tài)。而從梁的實(shí)際開裂狀態(tài)(裂縫特征1)，2))表明梁的上部為受拉狀態(tài)，裂縫是由于主拉應(yīng)

力作用而產(chǎn)生的斜拉開裂。為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的情況，筆者認(rèn)為專業(yè)技術(shù)人員在設(shè)計(jì)此類梁時(shí)一般都是按照簡(jiǎn)支進(jìn)行計(jì)算，但在支座處梁與柱實(shí)際上是整體澆筑的，這樣支座就處在半固結(jié)端狀態(tài)(視梁柱剛度、梁伸入支座上排水平筋的多少而異)，因而使梁的實(shí)際受力狀態(tài)與設(shè)計(jì)假定不符(見圖4)。

梁實(shí)際的受力狀態(tài)計(jì)算如下：

其中，I2為梁的截面慣性矩；I1為柱的截面慣性矩；K為系數(shù)；h為梁高；l為梁的計(jì)算長(zhǎng)度；U1為系數(shù)；Φ為分配系數(shù)；M3,M4為梁端彎矩；Q3,Q4為梁端剪力；Qx為x點(diǎn)處的剪力；Mx為x點(diǎn)處的彎矩。

由以上計(jì)算可以得出上述梁的裂縫的產(chǎn)生原因是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)與計(jì)算模型之間有偏差，也就是說在外荷載作用下，結(jié)構(gòu)次應(yīng)力引起的裂縫。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)上述具體實(shí)踐中存在的情況，建議專業(yè)設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行類似梁的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能選擇與其實(shí)際受力狀態(tài)相符的力學(xué)模型，并在具體設(shè)計(jì)時(shí)采取一定的構(gòu)造措施，這樣才能最大程度地避免此類裂縫的發(fā)生。

如果再遇到此類梁的開裂情況時(shí)，建議專業(yè)技術(shù)人員應(yīng)首先進(jìn)行相關(guān)的結(jié)構(gòu)檢測(cè)，并結(jié)合對(duì)開裂截面處的結(jié)構(gòu)復(fù)核，進(jìn)而針對(duì)具體情況提出對(duì)裂縫梁比較經(jīng)濟(jì)、合理有效的加固方案。

[1] CECS 03：88，鉆芯法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程[S].

[2] GB/T 50784—2013，混凝土結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S].

Akindofignoredconcretebeam-endcracks

WeiLiguo

(ShanxiAcademyofBuildingResearch,Taiyuan030001,China)

The paper illustrates building cracks with different degrees and different forms occurring in its construction and utilization process, introduces morphology and characteristics of a special kind of concrete beam-end inclined-crack by combining with actual engineering conditions, analyzes cracks forming causes by integrating with the calculation, and puts forward cracks preventing measures with specific detection scheme.

beam-end cracks, principal tension stress, secondary stress, bending moment, shearing force

TU312.3

：A

1009-6825(2017)24-0034-02

2017-06-15

魏利國(guó)(1965- )，男，工程師