張 明

(鐵正檢測科技有限公司,山東 濟南 250000)

0 引言

鑒于某些工業(yè)廠房生產(chǎn)的特殊性,經(jīng)常會有車輛荷載運行其中,由于車輛荷載對建筑結(jié)構(gòu)影響的特異性,車輛荷載會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的影響,當車輛荷載的噸位較大時,車輛荷載對工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)的影響效應會被放大,對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響具有不確定性和突然性,存在巨大的安全隱患;近些年來國內(nèi)已經(jīng)有不少的檢測鑒定機構(gòu)對工業(yè)廠房的結(jié)構(gòu)安全性進行鑒定和評估,此類研究只是針對結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀進行安全評估,并未對原因進行分析和研究;同時亦有不少的科研院所和學者對構(gòu)件的損傷與裂縫進行了大量的試驗及研究分析,此類試驗研究通常只局限于室內(nèi)試驗和理論模型分析,并不能達到一種理想和準確的效果。

本文通過對某工業(yè)廠房在大噸位車輛荷載運行后現(xiàn)狀的調(diào)查與構(gòu)件損傷的檢測,對超載車輛運行后工業(yè)廠房的結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀進行安全性評估,并對此種工況下的一些有代表性的損傷比如梁板構(gòu)件裂縫進行建模計算和原因分析。

1 工程概況

某超載車輛運行后的工業(yè)廠房存在樓板底部裂紋、框架梁出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性裂紋等問題,并且少量樓板已產(chǎn)生混凝土脫落、鋼筋裸露現(xiàn)象。對此,需對梁板裂紋區(qū)域的樓面結(jié)構(gòu)進行檢測鑒定及問題原因分析[1]。

該建筑于2016年建造,地區(qū)的抗震設防烈度為6度;設計基本地震加速度為0.05g;設計地震分組為第三組,場地類別為Ⅲ類。主車間為地上2層框架結(jié)構(gòu),鑒定單元為下部平臺混凝土框架結(jié)構(gòu),鑒定單元建筑面積約為4 000 m2,該工程結(jié)構(gòu)設計基準期為50 a,主體結(jié)構(gòu)的安全等級為二級。

2 鑒定程序及內(nèi)容

2.1 鑒定程序

鑒定程序見圖1。

2.2 承重結(jié)構(gòu)的調(diào)查和檢測

上部承重結(jié)構(gòu)的調(diào)查和檢測項目見表1。

表1 上部承重結(jié)構(gòu)的調(diào)查和檢測項目

3 現(xiàn)場檢測情況

3.1 結(jié)構(gòu)布置及構(gòu)件尺寸

現(xiàn)場利用激光測距儀對該工程的結(jié)構(gòu)布置進行抽樣檢測,利用鋼卷尺對混凝土柱、梁的截面尺寸進行抽樣檢測,同時鉆取混凝土板芯樣檢測樓板截面尺寸,檢測結(jié)果見表2。

表2 構(gòu)件截面尺寸檢測結(jié)果

檢測結(jié)果表明:該工程的構(gòu)件尺寸及結(jié)構(gòu)布置均滿足設計要求。

3.2 混凝土強度檢測結(jié)果

依據(jù)JGJ/T 23—2011回彈法檢測混凝土抗壓強度技術(shù)規(guī)程和JGJ/T 384—2016鉆芯法檢測混凝土強度技術(shù)規(guī)程,鉆取梁與板的混凝土芯樣,用其抗壓強度修正柱、梁、板的回彈換算結(jié)果;經(jīng)鉆芯修正后,柱、梁、板的回彈法檢測混凝土強度結(jié)果見表3。結(jié)果表明:經(jīng)鉆芯修正后,一區(qū)構(gòu)件的混凝土強度在25.0 MPa～30.0 MPa之間。二區(qū)構(gòu)件的混凝土強度在30.0 MPa～35.0 MPa之間。因此一區(qū)混凝土構(gòu)件的強度推定等級為C25,二區(qū)混凝土構(gòu)件的強度推定等級為C30。

表3 構(gòu)件混凝土強度檢測結(jié)果

3.3 構(gòu)件鋼筋配置檢測結(jié)果

采用鋼筋檢測儀對柱、梁、板的鋼筋配置進行了抽樣檢測,檢測操作依據(jù)JGJ/T 152—2019混凝土中鋼筋檢測技術(shù)標準的有關(guān)規(guī)定進行。梁構(gòu)件的鋼筋配置檢測結(jié)果見表4。

表4 梁構(gòu)件鋼筋配置檢驗結(jié)果

檢測結(jié)果表明:抽檢柱、板的鋼筋配置均滿足原設計要求;部分梁存在缺陷,保護層厚度明顯不足[2],出現(xiàn)箍筋外露現(xiàn)象,經(jīng)抽樣檢測該部分梁的縱向受力鋼筋保護層厚度不滿足原設計要求。

3.4 構(gòu)件缺陷檢查結(jié)果

現(xiàn)場對該工程已開裂的梁板構(gòu)件裂縫進行檢測,檢測結(jié)果見表5,表6;檢測結(jié)果表明:一區(qū)和二區(qū)的梁板構(gòu)件均產(chǎn)生不同程度的損壞和裂縫,且一區(qū)的梁板損壞程度和裂縫寬度均比二區(qū)要嚴重得多。

表5 梁構(gòu)件裂縫檢查結(jié)果

表6 板構(gòu)件裂縫檢測結(jié)果

3.5 其他

經(jīng)檢測,未發(fā)現(xiàn)橫向受力構(gòu)件有較大撓度變形現(xiàn)象,未發(fā)現(xiàn)豎向受力構(gòu)件有較大傾斜變形現(xiàn)象,未發(fā)現(xiàn)基礎有明顯不均勻沉降現(xiàn)象,當前基礎工作正常。

4 安全性鑒定

4.1 構(gòu)件評級

該廠房部分柱、梁板混凝土實測抗壓強度修正值不滿足原設計強度等級的要求;且廠房一區(qū)、二區(qū)范圍內(nèi)的多數(shù)梁構(gòu)件在彎剪區(qū)段出現(xiàn)貫通斜裂縫。

依據(jù)GB 50144—2019工業(yè)建筑可靠性鑒定標準第6.2.2條混凝土構(gòu)件的承載能力項目應按6.2.2的規(guī)定評定等級。當構(gòu)件出現(xiàn)受壓及斜壓裂縫時,視其嚴重程度,承載能力項目直接評為c級或d級;當出現(xiàn)過寬的受拉裂縫、變形過大、嚴重的缺陷損傷及腐蝕情況時,尚應分析其不利情況對承載能力評級的影響,且承載能力項目評定等級不應高于b級。該廠房一區(qū)、二區(qū)范圍內(nèi)的多數(shù)梁構(gòu)件在彎剪區(qū)段出現(xiàn)貫通斜裂縫,其構(gòu)件評級為c級或d級,詳細構(gòu)件安全性評級見表5,表6。

4.2 計算單元評級

依據(jù)GB 50144—2019工業(yè)建筑可靠性鑒定標準第7.3.4條,當單層廠房上部承重結(jié)構(gòu)是由平面排架、平面框架或框排架組成的結(jié)構(gòu)體系時,其承載功能的等級可按下列規(guī)定近似評定:

將平面計算單元中的每種構(gòu)件按構(gòu)件的集合及其重要性區(qū)分為重要構(gòu)件集或次要構(gòu)件集。平面計算單元中每種構(gòu)件集的安全性等級可按標準中表7.3.4-1的規(guī)定評定,各平面計算單元的安全性等級宜按該平面計算單元內(nèi)各重要構(gòu)件集中的最低等級確定。

表7 上部承重結(jié)構(gòu)安全性鑒定評級結(jié)果表

4.3 上部承重結(jié)構(gòu)評級

上部承重結(jié)構(gòu)的安全性等級,應按結(jié)構(gòu)整體性和承載功能兩個項目評定,并取其中較低的評定等級作為上部承重結(jié)構(gòu)的安全性等級。依據(jù)GB 50144—2019工業(yè)建筑可靠性鑒定標準第7.3.4條,上部承重結(jié)構(gòu)承載功能等級可按表7的規(guī)定評定[3]。

4.4 鑒定單元安全性評級

依據(jù)GB 50144—2019工業(yè)建筑可靠性鑒定標準第8.0.1條,綜合地基基礎的安全性評定等級與上部結(jié)構(gòu)安全性評定等級,評定該廠房各鑒定單元的安全性等級如下:

一區(qū)下部平臺結(jié)構(gòu)鑒定單元的安全性等級為四級(極不符合國家現(xiàn)行標準的安全性要求,已嚴重影響整體安全,必須立即采取措施)[4]。二區(qū)下部平臺結(jié)構(gòu)鑒定單元的安全性等級為三級(不符合國家現(xiàn)行標準的安全性要求,影響整體安全,應采取措施)。

5 承載力驗算分析

5.1 計算信息

本次鑒定采用中國建筑科學研究院的PKPM計算分析程序,依據(jù)現(xiàn)行結(jié)構(gòu)設計規(guī)范GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范,對一區(qū)、二區(qū)下部平臺結(jié)構(gòu)進行分析。分別取梁、板彎矩最不利位置及剪力最不利位置施加設計車輛荷載(見圖2—圖4)。

5.2 計算工況

1)車輛荷載按照實際汽車荷載(額定載重量)取值。

2)材料強度分別按照一區(qū)和二區(qū)的實際混凝土強度等級進行計算(見表8)。

表8 構(gòu)件配筋驗算結(jié)果表

從表8可知,一區(qū)、二區(qū)構(gòu)件的計算配筋面積均是實際配筋面積的1.6倍,且一區(qū)構(gòu)件計算配筋面積是二區(qū)計算配筋面積的1.02倍。建模計算結(jié)果表明:在大噸位車輛荷載作用下一區(qū)和二區(qū)的構(gòu)件計算配筋面積均遠遠大于實際配筋面積,混凝土強度對建模計算配筋面積有影響,但影響很小。

6 構(gòu)件損傷機理分析

6.1 梁開裂原因分析

6.1.1 超載因素分析

該廠房一區(qū)、二區(qū)范圍內(nèi)的多數(shù)梁構(gòu)件在端部出現(xiàn)的貫通斜裂縫主要是由于使用荷載大于原設計引起的。依據(jù)原設計:該廠房梁構(gòu)件出現(xiàn)裂縫區(qū)域樓面設計汽車荷載為20 t,最大輪壓標準值為60.5 kN,當樓面上運行車輛超過設計荷載或有特殊車輛荷載時,應該采取加強措施后方能運行。

根據(jù)甲方提供的車輛參數(shù)表和現(xiàn)場調(diào)查,一區(qū)、二區(qū)作用效應最大的車輛實際荷載為40.5 t,最大輪壓為145 kN,遠超原設計值。

經(jīng)建模計算分析,一區(qū)和二區(qū)的構(gòu)件梁在實際荷載作用下支座處的負彎矩筋所需的配筋面積均大于實際的配筋面積,因此構(gòu)件梁端部的實配負彎矩鋼筋面積不足以承載實際車輛荷載,在梁的端部位置產(chǎn)生剪切裂縫。

6.1.2 混凝土強度因素分析

本次鑒定單元構(gòu)件設計混凝土強度等級為C30,經(jīng)現(xiàn)場混凝土強度檢測,部分構(gòu)件的強度達不到設計要求,一區(qū)的構(gòu)件混凝土強度推定等級為C25,二區(qū)的構(gòu)件混凝土強度推定等級為C30。

由表8可知,在相同的車輛荷載作用下,混凝土強度等級低的一區(qū)(C25)構(gòu)件計算配筋的面積(5 600 mm2)略微大于混凝土強度等級高的二區(qū)(5 600 mm2),但相差不大(1.02倍)。

由構(gòu)件損傷檢查結(jié)果可知,一區(qū)和二區(qū)在大噸位荷載作用下,梁板均產(chǎn)生不同程度的裂縫和損傷,一區(qū)(C25)由于混凝土強度等級低于二區(qū)(C30)混凝土強度等級,一區(qū)的梁板構(gòu)件損傷程度遠大于二區(qū),這與建模驗算分析結(jié)果(相差不大)有出入。

6.2 構(gòu)件開裂后承載性能分析

混凝土梁的受剪承載力計算公式為:

該式右側(cè)第一項為無腹筋梁(素混凝土梁)的受剪承載力,第二項是配箍筋后的受剪承載力提高值(而不是箍筋的受剪承載力)。對于配有腹筋的梁,箍筋限制了斜裂縫的開展,使混凝土剪壓區(qū)面積增大,提高了混凝土承擔的剪力。也就是第二項中有一部分屬于混凝土的作用。

斜裂縫出現(xiàn)后,梁中的混凝土已經(jīng)失去抗剪能力,而箍筋對抗剪能力的貢獻需要借助于混凝土完成,此時抗剪能力已經(jīng)比較弱。

因此在建模計算配筋面積相差不大的情況下,由于混凝土強度低會放大車輛荷載對構(gòu)件損傷的影響程度,以至一區(qū)和二區(qū)在計算負彎矩筋面積相差不大的情況下,出現(xiàn)一區(qū)構(gòu)件損傷遠遠大于二區(qū)的情況出現(xiàn)。

由于混凝土梁的受剪破壞為脆性破壞(破壞比較突然),建議應立即對出現(xiàn)斜裂縫的梁進行加固處理[5]。

6.3 板底混凝土裂縫及碎裂原因分析

該廠房一區(qū)、二區(qū)范圍內(nèi)個別板底面混凝土有裂縫及碎裂。裂縫形態(tài)為網(wǎng)狀裂縫,網(wǎng)狀裂縫是板頂面作用荷載較大產(chǎn)生的受力裂縫。板在梁板交界處板底面混凝土產(chǎn)生破碎并出現(xiàn)漏筋現(xiàn)象,這種破碎是由于使用荷載過大引起的,車輛輪壓作用于梁板交界處板頂面,在該位置板中會有因剪力引起的剪應力和彎矩引起的壓應力,混凝土剪壓共同作用下產(chǎn)生了破碎。

6.4 鋼筋保護層厚度不足對結(jié)構(gòu)的不利影響分析

1)鋼筋保護層厚度不足無法保證鋼筋與混凝土協(xié)同工作?；炷两Y(jié)構(gòu)中,鋼筋混凝土是由鋼筋和混凝土兩種不同材料組成的復合材料,兩種材料具有良好的黏結(jié)性能是它們共同工作的基礎。

2)鋼筋保護層厚度不足時,空氣中的有害氣體更容易到達鋼筋表面,引起鋼筋銹蝕。鋼筋裸露在大氣或者其他介質(zhì)中,容易受蝕生銹;而銹蝕鋼筋的有效截面減少,會影響結(jié)構(gòu)受力。

7 結(jié)語

1)本工業(yè)廠房一區(qū)下部平臺結(jié)構(gòu)鑒定單元的安全性等級為四級(極不符合國家現(xiàn)行標準的安全性要求,已嚴重影響整體安全,必須立即采取措施)。二區(qū)下部平臺結(jié)構(gòu)鑒定單元的安全性等級為三級(不符合國家現(xiàn)行標準的安全性要求,影響整體安全,應采取措施)。

2)廠房鑒定單元一區(qū)和二區(qū)在超載車輛運行后梁板構(gòu)件均出現(xiàn)不同程度的損傷和裂縫,且危害嚴重的剪切裂縫居多;混凝土強度等級低的一區(qū)(C25)要比強度等級高的二區(qū)(C30)更嚴重。

3)經(jīng)過建模分析計算在實際大噸位車輛荷載作用下,一區(qū)和二區(qū)的計算負彎矩筋面積要遠遠大于實際配筋面積(1.6倍)。一區(qū)(C25)和二區(qū)(C30)在混凝土強度等級不同的情況下,計算負彎矩筋面積幾乎相同。

4)在超載車輛運行后,構(gòu)件會在負彎矩區(qū)域產(chǎn)生剪切裂縫,混凝土強度等級的降低會增大這種破壞效應。