某型鋼混凝土柱開裂事故分析

晉 煒

(山西省建筑科學研究院，山西 太原 030001)

0 引言

近年來,我國經濟高速發展，城市新建、擴建、改建大量建筑，型鋼混凝土在建筑中運用廣泛，尤其在超高層及大跨結構中尤為突出。我國在20世紀80年代開始型鋼混凝土結構方面的研究。型鋼混凝土結構就是在混凝土中配置型鋼，是以型鋼為鋼骨并在型鋼周圍配置鋼筋和澆筑混凝土構件形式，內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：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)抗側力好，穩定性好，防火、耐久性好，兩者材料揚長避短，解決鋼結構的穩定及防火、防銹等，同時極大提高構件的抗剪及構件延性。3)施工周期縮短，施工方便，充分利用型鋼自身形成的鋼結構體系，提高混凝土施工進度。4)綜合經濟效益好，較鋼結構用鋼材省，且維護費用少，較鋼筋混凝土結構，減少斷面，增加建筑面積。

1 工程概況

太原某建材商業綜合體，共計8個單體(1號～8號樓)，1號～8號樓地上5層，地下1層，單體結構為鋼筋混凝土框架結構。地下1層為連為整體的地下車庫。1號～8號樓地上部分通過設置連廊相互連接，連廊一端作為單體邊跨，一端設抗震縫與另一單體脫離，結構設計分區明確，連廊結構設計為型鋼混凝土結構(型鋼為內置箱形方鋼管)，單體為混凝土框架結構。主樓基礎型式為梁板式筏板基礎，連廊為柱下獨立基礎加防水板。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。但由于合同及經濟糾紛，連廊施工明顯滯后，局部甚至停滯。2016年1月份(春節前)，現場人員發現多處連廊柱(設抗震縫側)存在豎向細微裂縫，裂縫長度較長，但由于現場處于施工冬歇階段，現場人員并未足夠重視問題，待3月份左右(春節后)，現場需大面積開展工作時發現，連廊柱(設抗震縫側)裂縫開展嚴重，局部地下室柱混凝土開裂剝離，觸目驚心。現場全面停工，排查問題原因。本文僅就問題最為嚴重的3號～4號間連廊柱說明問題，其他處情況類似。結構平面圖見圖1，圖2，連廊地上層施工圖見圖3，柱開裂圖見圖4～圖6。

2 事故原因

為了進一步觀察裂縫開展情況，3月份接受委托后，在現場開裂柱側面設置騎縫涂抹石膏餅，用于觀測裂縫的發展情況，經過3個月的觀測發現，觀測初始階段(4月份～5月份)裂縫繼續發展，觀測后期階段(6月份)裂縫基本穩定，局部還存在繼續開展情況，但速率已經明顯減緩。從柱裂縫開展觀測可知，裂縫開展呈現一定規律，先柱側面局部或柱角豎向開裂，隨之裂縫向上下延伸，中間寬，兩頭細；存在多道豎向裂縫并排出現在柱一側現象；最為嚴重的裂縫是柱箱形方鋼管外側混凝土鼓曲，且與型鋼板剝離；地下層柱裂縫比地上層柱開裂嚴重。

根據裂縫開展情況及特點，分析結構裂縫的思路按荷載、變形、材料三個因素分析問題，并希望結合以往工程經驗來分析結構柱開裂原因。

2.1 豎向力因素

根據原有圖紙計算可知，按型鋼混凝土柱計算，最大軸壓比計算值為0.17；考慮柱混凝土開裂失效及箱形方鋼管內側未澆筑混凝土即按純箱形鋼結構柱計算，最大軸壓比計算值為0.34。由此可以判定，在現場現有荷載下，豎向荷載難以讓型鋼混凝土開裂，更別說個別柱存在混凝土與型鋼剝落的嚴重開裂。

2.2 側向力因素

文獻[1]描述了三組型鋼混凝土試件在一定軸壓比下，當柱頂受側向極限荷載作用下試件破壞形態：荷載較小時，無裂縫產生，隨著荷載加大至開裂荷載，柱子中下部兩側出現細微的水平裂縫，再次加大荷載，水平裂縫增加，出現多條剪切斜裂縫，并沿45°角方向向上或向下延伸，隨著數量的增加，裂縫不斷交匯，形成多條“X”形斜裂縫。文獻[2]介紹了結構柱在一個方向受大約束，另一個方向受小約束時，受小約束方向柱抗側力差，易發生剪切破壞。當遭遇結構、溫度應力、混凝土水化熱等因素，尤其地震作用下，結構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。結合文獻和項目中柱裂縫發展特征可知，本項目中并未出現斜向裂縫，可以判定非側向力導致的裂縫。

2.3 地基變形因素

地基變形包括總沉降和差異沉降，通過調取第三方沉降觀測資料可知該區塊最大沉降量僅為11.84 mm，遠遠小于200 mm(規范值)，差異沉降也滿足小于0.004(規范值)要求。再次如果是沉降變形導致的結構裂縫，應該體現壓彎破壞形態，與項目現場柱開裂狀態不吻合，綜合考慮地基變形不是柱開裂的內力主因。

2.4 材料因素

現場調查材料進場資料，鋼材為正規廠家鋼材，合格證、復檢報告齊全并滿足設計要求；混凝土為正規廠家商品混凝土，同條件試塊強度滿足設計強度要求；現場超聲波檢測結構柱，開裂型鋼混凝土柱并未發現明顯質量缺陷。從柱裂縫開展情況可知，裂縫呈現一定規律，柱側面局部或柱角豎向開裂，隨之裂縫向上下延伸，中間寬，兩頭細；存在多道豎向裂縫并排出現在柱一側現象。裂縫應為受力裂縫，非材料質量問題導致的裂縫。

2.5 粘結滑移因素

國內大量科研機構研究表明：型鋼混凝土柱當達到80%極限荷載以前,型鋼與混凝土之間的粘結滑移相對較小，之后則出現較大的粘結滑移。本項目根據實際施工進度結合設計圖模擬計算，開裂嚴重的柱地下1層的柱軸壓比最大計算值為0.17(僅僅考慮純鋼結構，鋼柱軸壓比最大計算值為0.34)，均小于0.80。如果按圖施工，規范操作，難以發生粘結滑移變形，故此類粘結滑移因素排除。

事故分析到此，柱開裂一定是內力造成的結論是無疑的，但所有推斷在結構工程經驗及前人裂縫研究結論中一一否定，問題進入了死結，難以解決。

為了盡快分析到問題的根源，我們在現場重新排查，拋開上面的經驗分析，初步提出局部破損，通過觀察柱內部實際情況查找原因。在此過程中我們意外發現未施工完的連廊柱箱形方鋼內存滿雨水，可能是下雨天積水，無法排出，天長日久就存滿了(此時已接近7月份)。

通過對三個開裂最為嚴重的柱在距地1.8 m左右，鑿除型鋼外側混凝土500×500，切割200×200單側鋼板，準備在型鋼內部取混凝土芯樣，以便對問題進一步調查。但切割型鋼鋼板過程中就不斷往外滲水，最后單側型鋼鋼板切開后發現，在距柱根部2.0 m左右，型鋼內無混凝土，全部是水，在2.0 m以上調查發現是澆筑的混凝土如圖7，圖8所示。三個開裂的柱子情況類似。最后形成如下結論：連廊型鋼混凝土施工時，由于內部型鋼柱先行施工，在樓層處型鋼梁連接處，柱內設有內襯鋼板，為方便澆筑箱形方鋼內混凝土，內襯鋼板中間開有孔洞，施工季適逢下雨，箱形方鋼內灌滿雨水。待澆筑混凝土時，施工方并未按要求將方鋼管內雨水排除，而是直接將泵管內混凝土從孔內卸料，在短時間內下部來不及排除的雨水形成極大的水壓力，將骨料支撐，形成箱形方鋼管內下部為雨水段，上部為混凝土段，待冬季來臨，水結冰，體積外擴，形成巨大的膨脹力，而連廊抗震縫側，柱軸壓力小，柱外側約束力差，造成型鋼柱側面鋼板外鼓，混凝土開裂。

3 結語

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格按施工規范施工的必要性。但事故教訓也值得設計人員思考：在后續型鋼混凝土豎向構件設計時，如內部型鋼為封閉式的如箱形方鋼管、圓管等時，可以在每樓層底部設構造孔，方便雨水或雜物排除。

2)工程事故問題的分析，不僅要有豐富的工程經驗，專業知識背景，還應多因素，多角度對問題進行分析。

參考文獻：

[1] 陳惠惠，劉 凡，王 帥．板壁式型鋼混凝土柱的擬靜力試驗研究[J].建筑科學，2016,32(1):48-52.

[2] 姚湘杰，郭孝存．一組受約束混凝土柱柱體開裂原因的分析及修復措施[J].建筑施工，2015(21):86-88.

[3] CECS 188:2005,鋼管混凝土疊合柱結構技術規程[S].