晉 煒

(山西省建筑科學(xué)研究院，山西 太原 030001)

0 引言

近年來(lái),我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，城市新建、擴(kuò)建、改建大量建筑，型鋼混凝土在建筑中運(yùn)用廣泛，尤其在超高層及大跨結(jié)構(gòu)中尤為突出。我國(guó)在20世紀(jì)80年代開(kāi)始型鋼混凝土結(jié)構(gòu)方面的研究。型鋼混凝土結(jié)構(gòu)就是在混凝土中配置型鋼，是以型鋼為鋼骨并在型鋼周?chē)渲娩摻詈蜐仓炷翗?gòu)件形式，內(nèi)置型鋼形式有如工字鋼、雙工字鋼、十字型鋼、角鋼、雙槽鋼、箱形方鋼管等。

型鋼混凝土的特點(diǎn)：1)充分利用材料，受力合理，充分利用鋼材抗拉性能和混凝土的抗壓性能，兩者融為一體，共同受力。2)抗側(cè)力好，穩(wěn)定性好，防火、耐久性好，兩者材料揚(yáng)長(zhǎng)避短，解決鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定及防火、防銹等，同時(shí)極大提高構(gòu)件的抗剪及構(gòu)件延性。3)施工周期縮短，施工方便，充分利用型鋼自身形成的鋼結(jié)構(gòu)體系，提高混凝土施工進(jìn)度。4)綜合經(jīng)濟(jì)效益好，較鋼結(jié)構(gòu)用鋼材省，且維護(hù)費(fèi)用少，較鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，減少斷面，增加建筑面積。

1 工程概況

太原某建材商業(yè)綜合體，共計(jì)8個(gè)單體(1號(hào)～8號(hào)樓)，1號(hào)～8號(hào)樓地上5層，地下1層，單體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。地下1層為連為整體的地下車(chē)庫(kù)。1號(hào)～8號(hào)樓地上部分通過(guò)設(shè)置連廊相互連接，連廊一端作為單體邊跨，一端設(shè)抗震縫與另一單體脫離，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分區(qū)明確，連廊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為型鋼混凝土結(jié)構(gòu)(型鋼為內(nèi)置箱形方鋼管)，單體為混凝土框架結(jié)構(gòu)。主樓基礎(chǔ)型式為梁板式筏板基礎(chǔ)，連廊為柱下獨(dú)立基礎(chǔ)加防水板。施工中，施工組織安排為先施工單體主樓，后施工主樓間的連廊。但由于合同及經(jīng)濟(jì)糾紛，連廊施工明顯滯后，局部甚至停滯。2016年1月份(春節(jié)前)，現(xiàn)場(chǎng)人員發(fā)現(xiàn)多處連廊柱(設(shè)抗震縫側(cè))存在豎向細(xì)微裂縫，裂縫長(zhǎng)度較長(zhǎng)，但由于現(xiàn)場(chǎng)處于施工冬歇階段，現(xiàn)場(chǎng)人員并未足夠重視問(wèn)題，待3月份左右(春節(jié)后)，現(xiàn)場(chǎng)需大面積開(kāi)展工作時(shí)發(fā)現(xiàn)，連廊柱(設(shè)抗震縫側(cè))裂縫開(kāi)展嚴(yán)重，局部地下室柱混凝土開(kāi)裂剝離，觸目驚心?，F(xiàn)場(chǎng)全面停工，排查問(wèn)題原因。本文僅就問(wèn)題最為嚴(yán)重的3號(hào)～4號(hào)間連廊柱說(shuō)明問(wèn)題，其他處情況類(lèi)似。結(jié)構(gòu)平面圖見(jiàn)圖1，圖2，連廊地上層施工圖見(jiàn)圖3，柱開(kāi)裂圖見(jiàn)圖4～圖6。

2 事故原因

為了進(jìn)一步觀察裂縫開(kāi)展情況，3月份接受委托后，在現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)裂柱側(cè)面設(shè)置騎縫涂抹石膏餅，用于觀測(cè)裂縫的發(fā)展情況，經(jīng)過(guò)3個(gè)月的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，觀測(cè)初始階段(4月份～5月份)裂縫繼續(xù)發(fā)展，觀測(cè)后期階段(6月份)裂縫基本穩(wěn)定，局部還存在繼續(xù)開(kāi)展情況，但速率已經(jīng)明顯減緩。從柱裂縫開(kāi)展觀測(cè)可知，裂縫開(kāi)展呈現(xiàn)一定規(guī)律，先柱側(cè)面局部或柱角豎向開(kāi)裂，隨之裂縫向上下延伸，中間寬，兩頭細(xì)；存在多道豎向裂縫并排出現(xiàn)在柱一側(cè)現(xiàn)象；最為嚴(yán)重的裂縫是柱箱形方鋼管外側(cè)混凝土鼓曲，且與型鋼板剝離；地下層柱裂縫比地上層柱開(kāi)裂嚴(yán)重。

根據(jù)裂縫開(kāi)展情況及特點(diǎn)，分析結(jié)構(gòu)裂縫的思路按荷載、變形、材料三個(gè)因素分析問(wèn)題，并希望結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn)來(lái)分析結(jié)構(gòu)柱開(kāi)裂原因。

2.1 豎向力因素

根據(jù)原有圖紙計(jì)算可知，按型鋼混凝土柱計(jì)算，最大軸壓比計(jì)算值為0.17；考慮柱混凝土開(kāi)裂失效及箱形方鋼管內(nèi)側(cè)未澆筑混凝土即按純箱形鋼結(jié)構(gòu)柱計(jì)算，最大軸壓比計(jì)算值為0.34。由此可以判定，在現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)有荷載下，豎向荷載難以讓型鋼混凝土開(kāi)裂，更別說(shuō)個(gè)別柱存在混凝土與型鋼剝落的嚴(yán)重開(kāi)裂。

2.2 側(cè)向力因素

文獻(xiàn)[1]描述了三組型鋼混凝土試件在一定軸壓比下，當(dāng)柱頂受側(cè)向極限荷載作用下試件破壞形態(tài)：荷載較小時(shí)，無(wú)裂縫產(chǎn)生，隨著荷載加大至開(kāi)裂荷載，柱子中下部?jī)蓚?cè)出現(xiàn)細(xì)微的水平裂縫，再次加大荷載，水平裂縫增加，出現(xiàn)多條剪切斜裂縫，并沿45°角方向向上或向下延伸，隨著數(shù)量的增加，裂縫不斷交匯，形成多條“X”形斜裂縫。文獻(xiàn)[2]介紹了結(jié)構(gòu)柱在一個(gè)方向受大約束，另一個(gè)方向受小約束時(shí)，受小約束方向柱抗側(cè)力差，易發(fā)生剪切破壞。當(dāng)遭遇結(jié)構(gòu)、溫度應(yīng)力、混凝土水化熱等因素，尤其地震作用下，結(jié)構(gòu)柱易在受剪弱的方向形成走向與水平方向成60°角的剪切裂縫。結(jié)合文獻(xiàn)和項(xiàng)目中柱裂縫發(fā)展特征可知，本項(xiàng)目中并未出現(xiàn)斜向裂縫，可以判定非側(cè)向力導(dǎo)致的裂縫。

2.3 地基變形因素

地基變形包括總沉降和差異沉降，通過(guò)調(diào)取第三方沉降觀測(cè)資料可知該區(qū)塊最大沉降量?jī)H為11.84 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于200 mm(規(guī)范值)，差異沉降也滿(mǎn)足小于0.004(規(guī)范值)要求。再次如果是沉降變形導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)裂縫，應(yīng)該體現(xiàn)壓彎破壞形態(tài)，與項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)柱開(kāi)裂狀態(tài)不吻合，綜合考慮地基變形不是柱開(kāi)裂的內(nèi)力主因。

2.4 材料因素

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查材料進(jìn)場(chǎng)資料，鋼材為正規(guī)廠(chǎng)家鋼材，合格證、復(fù)檢報(bào)告齊全并滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求；混凝土為正規(guī)廠(chǎng)家商品混凝土，同條件試塊強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求；現(xiàn)場(chǎng)超聲波檢測(cè)結(jié)構(gòu)柱，開(kāi)裂型鋼混凝土柱并未發(fā)現(xiàn)明顯質(zhì)量缺陷。從柱裂縫開(kāi)展情況可知，裂縫呈現(xiàn)一定規(guī)律，柱側(cè)面局部或柱角豎向開(kāi)裂，隨之裂縫向上下延伸，中間寬，兩頭細(xì)；存在多道豎向裂縫并排出現(xiàn)在柱一側(cè)現(xiàn)象。裂縫應(yīng)為受力裂縫，非材料質(zhì)量問(wèn)題導(dǎo)致的裂縫。

2.5 粘結(jié)滑移因素

國(guó)內(nèi)大量科研機(jī)構(gòu)研究表明：型鋼混凝土柱當(dāng)達(dá)到80%極限荷載以前,型鋼與混凝土之間的粘結(jié)滑移相對(duì)較小，之后則出現(xiàn)較大的粘結(jié)滑移。本項(xiàng)目根據(jù)實(shí)際施工進(jìn)度結(jié)合設(shè)計(jì)圖模擬計(jì)算，開(kāi)裂嚴(yán)重的柱地下1層的柱軸壓比最大計(jì)算值為0.17(僅僅考慮純鋼結(jié)構(gòu)，鋼柱軸壓比最大計(jì)算值為0.34)，均小于0.80。如果按圖施工，規(guī)范操作，難以發(fā)生粘結(jié)滑移變形，故此類(lèi)粘結(jié)滑移因素排除。

事故分析到此，柱開(kāi)裂一定是內(nèi)力造成的結(jié)論是無(wú)疑的，但所有推斷在結(jié)構(gòu)工程經(jīng)驗(yàn)及前人裂縫研究結(jié)論中一一否定，問(wèn)題進(jìn)入了死結(jié)，難以解決。

為了盡快分析到問(wèn)題的根源，我們?cè)诂F(xiàn)場(chǎng)重新排查，拋開(kāi)上面的經(jīng)驗(yàn)分析，初步提出局部破損，通過(guò)觀察柱內(nèi)部實(shí)際情況查找原因。在此過(guò)程中我們意外發(fā)現(xiàn)未施工完的連廊柱箱形方鋼內(nèi)存滿(mǎn)雨水，可能是下雨天積水，無(wú)法排出，天長(zhǎng)日久就存滿(mǎn)了(此時(shí)已接近7月份)。

通過(guò)對(duì)三個(gè)開(kāi)裂最為嚴(yán)重的柱在距地1.8 m左右，鑿除型鋼外側(cè)混凝土500×500，切割200×200單側(cè)鋼板，準(zhǔn)備在型鋼內(nèi)部取混凝土芯樣，以便對(duì)問(wèn)題進(jìn)一步調(diào)查。但切割型鋼鋼板過(guò)程中就不斷往外滲水，最后單側(cè)型鋼鋼板切開(kāi)后發(fā)現(xiàn)，在距柱根部2.0 m左右，型鋼內(nèi)無(wú)混凝土，全部是水，在2.0 m以上調(diào)查發(fā)現(xiàn)是澆筑的混凝土如圖7，圖8所示。三個(gè)開(kāi)裂的柱子情況類(lèi)似。最后形成如下結(jié)論：連廊型鋼混凝土施工時(shí)，由于內(nèi)部型鋼柱先行施工，在樓層處型鋼梁連接處，柱內(nèi)設(shè)有內(nèi)襯鋼板，為方便澆筑箱形方鋼內(nèi)混凝土，內(nèi)襯鋼板中間開(kāi)有孔洞，施工季適逢下雨，箱形方鋼內(nèi)灌滿(mǎn)雨水。待澆筑混凝土?xí)r，施工方并未按要求將方鋼管內(nèi)雨水排除，而是直接將泵管內(nèi)混凝土從孔內(nèi)卸料，在短時(shí)間內(nèi)下部來(lái)不及排除的雨水形成極大的水壓力，將骨料支撐，形成箱形方鋼管內(nèi)下部為雨水段，上部為混凝土段，待冬季來(lái)臨，水結(jié)冰，體積外擴(kuò)，形成巨大的膨脹力，而連廊抗震縫側(cè)，柱軸壓力小，柱外側(cè)約束力差，造成型鋼柱側(cè)面鋼板外鼓，混凝土開(kāi)裂。

3 結(jié)語(yǔ)

1)本次工程事故是一次施工方未按要求操作造成的事故。事故再次提醒施工方嚴(yán)格按施工規(guī)范施工的必要性。但事故教訓(xùn)也值得設(shè)計(jì)人員思考：在后續(xù)型鋼混凝土豎向構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)，如內(nèi)部型鋼為封閉式的如箱形方鋼管、圓管等時(shí)，可以在每樓層底部設(shè)構(gòu)造孔，方便雨水或雜物排除。

2)工程事故問(wèn)題的分析，不僅要有豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，專(zhuān)業(yè)知識(shí)背景，還應(yīng)多因素，多角度對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分析。

參考文獻(xiàn)：

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