一種容易被忽視的混凝土梁端裂縫分析

魏 利 國

(山西省建筑科學研究院，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

(山西省建筑科學研究院，山西 太原 030001)

對建筑物在建設和使用過程中出現的不同程度、不同形式的裂縫進行了闡述，結合工程實際情況，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及特征，并結合計算具體分析了形成此裂縫的原因，通過具體的檢測方案，提出了預防此裂縫產生應采取的措施。

梁端裂縫，主拉應力，次應力，彎矩，剪力

1 概述

結構的破壞和倒塌是以結構構件的超極限狀態造成的，而這種狀態又多表現為裂縫的產生和發展。人們對建筑物在使用過程中出現的一些不同形式及不同程度的裂縫往往存在誤解，認為裂縫會對房屋結構產生一定的破壞，心里對裂縫的存在有一定的恐懼感，事實上有些裂縫確實對房屋的結構有影響，它會降低結構的承載力，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，例如在混凝土結構中，加速混凝土的中性化，加劇鋼筋銹蝕、保護層剝落等。因此，為保證建筑物結構安全，廣大技術人員應精確對裂縫產生原因、程度、特征及性質進行分析，并針對分析結果采取相應合理、經濟的加固處理措施，以增強建筑物的承載能力，提高結構的耐久性，延長建筑物的使用壽命。

從廣義上分析，結構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。當作用產生的應力超過結構材料的抗拉強度時，結構構件就會開裂，由此可以將裂縫分為以下三類：1)由靜動荷載等直接作用產生的直接應力引起的裂縫(此直接應力是按常規模型計算的應力)。2)由直接作用引發的結構次應力引起的裂縫。常規的計算模型和結構物實際工作狀態存在偏差是產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為結構的收縮、膨脹及不均勻沉降等。一般情況下，1)，3)兩種裂縫比較常見，也容易進行解決，而第2)種裂縫則很難判別。筆者在多年的工程檢測鑒定過程中，發現了一些第2)種類型的裂縫(即業界所謂的由直接作用引發的結構次應力裂縫)，為進一步深入分析該種裂縫的產生原因，并針對性地提出相應的處理意見，現結合一具體工程進行詳細的闡述。

2 工程實例

某辦公樓為砌體結構建筑，局部為4層。4層作為會議室，結構比較空曠，該建筑物層頂結構為四根L×h×b=7 500 mm×800 mm×300 mm的混凝土大梁，上鋪預應力混凝土空心板，墻內構造柱為370 mm×300 mm，梁擱置其中，構造柱和梁整澆為一體，該結構物的混凝土強度等級設計為C20。工程使用一年左右時，層頂的四根大梁出現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，經測量裂縫的最寬處達5 mm。為確定該類裂縫產生的原因及存在對結構的安全性的影響危害，現場對構件的相關情況進行了必要檢測復核確認。

2.1 實體混凝土強度

CECS 03：88鉆芯法檢測混凝土強度技術規程中對混凝土強度的測試有詳盡的要求，根據本規程具體要求，檢測人員在四根大梁上鉆取混凝土芯樣各3個，每個芯樣的直徑均為100 mm，鉆取后加工為標準試件，然后分別對12個試件的混凝土強度進行了測試，結果如表1所示。

表1 混凝土強度測試結果 MPa

混凝土芯樣取出后，經過觀察及對比，發現其表面密實，其強度比設計的C20的要求均高出許多。

2.2 現場及設計確認

在現場，專業檢測人員鑿開了裂縫兩側的底部和梁側，并使用超聲波檢測方法核對了梁主筋及箍筋的位置和數量，經對檢測結果進行分析對比，其結果與最初的設計完全一致，而且檢測人員對工程中所使用的原材料的原始試驗數據進行了調閱，發現其各項指標也都符合設計及有關規范的要求。經與設計人員溝通，了解到這些梁均按簡支梁進行設計計算。

2.3 裂縫情況

通過認真觀察，發現裂縫的形態具有如下兩個特征：

1)裂縫出現在距梁兩端0.8 m左右的位置。

2)裂縫自梁的上表面開始，沿梁側發展，其形態上寬下窄呈正“八”字形(見圖1)。

3 計算分析

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

其中，Mx為x點處的彎矩；q為均布荷載；l為梁的計算長度；x為距梁端A點的距離；ξ為x/l的比值；Qx為x點處的剪力；W2為梁截面系數；b為梁寬;h為梁高；σx為該截面混凝土的正應力；τx為該截面混凝土的剪應力。

在截面m—m處自上而下取5個單元體，具體見圖3中的1，2，3，4，5點處。該5個單元體的應力狀態如圖3所示。

主應力具體計算如下：

其中，σ1為該截面混凝土的主拉應力；σ3為該截面混凝土的主壓應力。

由計算可知，簡支梁在m—m截面第1)點處的應力為壓應力，即簡支梁中和軸上部為受壓狀態。而從梁的實際開裂狀態(裂縫特征1)，2))表明梁的上部為受拉狀態，裂縫是由于主拉應

力作用而產生的斜拉開裂。為什么會出現這樣的情況，筆者認為專業技術人員在設計此類梁時一般都是按照簡支進行計算，但在支座處梁與柱實際上是整體澆筑的，這樣支座就處在半固結端狀態(視梁柱剛度、梁伸入支座上排水平筋的多少而異)，因而使梁的實際受力狀態與設計假定不符(見圖4)。

梁實際的受力狀態計算如下：

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

由以上計算可以得出上述梁的裂縫的產生原因是因為結構的實際工作狀態與計算模型之間有偏差，也就是說在外荷載作用下，結構次應力引起的裂縫。

4 結語

針對上述具體實踐中存在的情況，建議專業設計人員在進行類似梁的設計時，應盡可能選擇與其實際受力狀態相符的力學模型，并在具體設計時采取一定的構造措施，這樣才能最大程度地避免此類裂縫的發生。

如果再遇到此類梁的開裂情況時，建議專業技術人員應首先進行相關的結構檢測，并結合對開裂截面處的結構復核，進而針對具體情況提出對裂縫梁比較經濟、合理有效的加固方案。

[1] CECS 03：88，鉆芯法檢測混凝土強度技術規程[S].

[2] GB/T 50784—2013，混凝土結構現場檢測技術標準[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(1965- )，男，工程師