某醫(yī)院廣場(chǎng)地下車庫(kù)柱損傷成因分析

傅睿

（中南林業(yè)科技大學(xué)土木工程學(xué)院 湖南長(zhǎng)沙 410004 中南林業(yè)科技大學(xué)工程流變學(xué)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湖南長(zhǎng)沙 410004）

0 引言

在實(shí)踐過(guò)程中，因地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷和施工技術(shù)質(zhì)量問(wèn)題以及地面建筑規(guī)劃、景觀規(guī)劃不合理等原因，地下結(jié)構(gòu)在建造或使用過(guò)程中會(huì)發(fā)生損傷破壞，造成頂板撓曲變形、產(chǎn)生裂縫，甚至坍塌，事故一旦發(fā)生，其后果極其嚴(yán)重。本文針對(duì)某醫(yī)院地下車庫(kù)柱開(kāi)裂損傷情況，從多方面分析其柱損傷的成因，希望為類似工程實(shí)際問(wèn)題提供參考和預(yù)防措施。

1 工程背景

某醫(yī)院廣場(chǎng)地下車庫(kù)為一層框架結(jié)構(gòu)，其平面布置圖如圖1所示（部分）。該地下車庫(kù)層高4.2m，頂板厚度為220mm，主梁截面尺寸為300mm×1000mm，次梁截面尺寸為250mm×350mm。梁板混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C30；柱截面尺寸為400×400mm，柱的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。其上部為醫(yī)院休閑廣場(chǎng)，建筑長(zhǎng)度為72.8m，寬度為45.74m，建筑面積為3329.87m2。該工程于2017年4月開(kāi)始地下室施工，2017年7月完成澆筑后澆帶。由于其他原因工程擱置數(shù)月，未及時(shí)覆土也未對(duì)頂板采取其他保溫措施，使其地下室頂板暴露數(shù)月。在此期間用于景觀施工的填土已集中堆放于地下室頂板東北側(cè)，堆放土最高為3m左右。堆放后不久，發(fā)現(xiàn)地下室區(qū)域大量柱發(fā)生水平開(kāi)裂現(xiàn)象，立即采取局部降載措施。

圖1 地下車庫(kù)結(jié)構(gòu)部分平面布置

2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)情況

外觀質(zhì)量檢查：地下室頂板處多數(shù)梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)（梁底下約20cm范圍）框架柱存在貫通水平裂縫，裂縫最大寬度為5mm如圖2（a）所示，最小寬度為1mm如圖2（b）所示，少部分框架柱存在非貫通裂縫如圖2（c）所示；部分柱根上方20cm范圍內(nèi)存在貫通水平裂縫如圖2（d）所示；框架柱裂縫處混凝土存在起砂現(xiàn)象。

依據(jù)《回彈法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 23—2011），現(xiàn)場(chǎng)對(duì)該工程地下一層框架柱進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)檢測(cè)，柱的混凝土強(qiáng)度等級(jí)均滿足C30要求。采用ZBL-R630型混凝土鋼筋檢測(cè)儀對(duì)本工程受檢區(qū)框架柱柱縱筋數(shù)量、箍筋間距及混凝土保護(hù)層厚度情況進(jìn)行了檢測(cè)?？蚣苤摻顢?shù)量及箍筋間距均符合設(shè)計(jì)要求，混凝土保護(hù)層厚度也滿足規(guī)定的合格要求。

3 開(kāi)裂受損原因分析

3.1 地下車庫(kù)承載力驗(yàn)算

根據(jù)原施工圖和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果，采用北京盈建科軟件有限責(zé)任公司編制的YJK-A（1.9.0版）軟件進(jìn)行承載力計(jì)算。本工程現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，地下室頂板已有至少1m高的覆土用于綠化，且在實(shí)際施工過(guò)程中東北側(cè)還有3.0m左右高的堆土。綜上，地下室頂板計(jì)算荷載取值如下：覆土恒荷載：20kN/m2×1m=20kN/m2，局部 3m 高堆土恒荷載取 54kN/m2，施工荷載取4kN/m3。利用YJK鑒定加固模塊功能，將原始實(shí)配柱鋼筋表錄入至“柱施工圖”菜單中。其鑒定計(jì)算結(jié)果表明：在施工階段，11根框架柱（集中在堆載附近的柱）實(shí)配鋼筋小于計(jì)算鋼筋，承載力不滿足要求。實(shí)際堆載處周圍受損柱數(shù)量為8根，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際柱破壞位置基本吻合，說(shuō)明局部堆載是引起柱破壞的主要因素。為進(jìn)一步探析柱損傷的原因，本文將模擬實(shí)際施工過(guò)程分別考慮溫度效應(yīng)及局部堆載的作用，進(jìn)行柱裂縫成因分析。

3.2 溫度效應(yīng)的影響

地下車庫(kù)從澆帶澆筑完成到框架柱出現(xiàn)裂縫，期間溫度下降約22℃。溫度降低引起混凝土收縮。該工程頂板南北兩側(cè)與住院樓頂板相連，東側(cè)與擋土墻相連，西側(cè)設(shè)有伸縮縫。由于地下室擋土墻具有較大的側(cè)向剛度，屬于連續(xù)式約束，故車庫(kù)頂板東側(cè)可設(shè)為嵌固狀。當(dāng)頂板承受均勻溫度差T（降溫為負(fù)）時(shí)，頂板邊緣將向中間產(chǎn)生收縮。本文運(yùn)用YJK軟件，對(duì)溫度荷載引起的構(gòu)件變形、構(gòu)件均勻升溫或降溫進(jìn)行模擬，分析溫度效應(yīng)對(duì)柱的影響。通過(guò)分析，框架柱的位移如圖3所示。由圖3可知，在溫度荷載作用下，邊柱的位移量要大于中間柱的位移量。由于西側(cè)設(shè)有伸縮縫，位于伸縮縫附近的構(gòu)件受溫度影響可沿長(zhǎng)方向發(fā)生水平伸縮，其變形圖和彎矩圖如圖4所示。由圖4可知，溫度所引起的收縮應(yīng)力使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)力重分布，且其框架柱的最大彎矩值位于柱上端，故伸縮縫處的柱受溫度影響柱端更易發(fā)生破壞，當(dāng)框架柱端部混凝土邊緣拉應(yīng)力大于混凝土極限抗拉強(qiáng)度時(shí)就會(huì)產(chǎn)生裂縫。以伸縮縫右側(cè)體系為例，靠近伸縮縫下端的邊柱，受東北方向的位移影響，x方向與y方向彎矩接近，則裂縫首先會(huì)在矩形截面一角處出現(xiàn)裂縫，框架柱的裂縫產(chǎn)生過(guò)程如圖5所示，這與現(xiàn)場(chǎng)所觀察到的裂縫開(kāi)展位置一致。

圖3 地下室框架柱位移

圖4 伸縮縫位置處柱的變形和彎矩

圖5 最大彎矩截面處應(yīng)力

3.3 局部堆載的影響

局部堆載不僅僅增加了堆載處的內(nèi)力值，還影響其相鄰一跨柱的彎矩值，使其堆載周圍結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布。為了進(jìn)一步說(shuō)明局部堆載對(duì)柱的影響，本文采用兩種工況對(duì)比分析局部堆載對(duì)柱的附加作用效應(yīng)。

工況一為地下室頂板均勻覆土，工況二為地下室頂板按實(shí)際堆土范圍（1-12～1-16軸交V～b軸）。由于柱端y方向彎矩值較小，故僅考慮柱端x方向的彎矩值（表1）。表1中局部堆載所引起的柱端彎矩附加值為工況二與工況一的差值。從表1可以看出，隨著荷載增大柱端彎矩值都有增大趨勢(shì)，且局部堆載對(duì)邊柱的附加彎矩值最大，邊柱破壞可能性最大。位于U軸線上的框架柱附加彎矩值均大于W軸上框架柱的附加彎矩值，表明局部堆載對(duì)堆載周圍柱的彎矩值影響要大于堆載處正下方的柱。按實(shí)際配筋驗(yàn)算，堆載下方有11根柱不滿足承載力要求，盡管堆載周圍框架柱的正截面承載力滿足要求，但較大的局部堆載仍對(duì)此位置處的柱端彎矩值有較大的影響，使之誘導(dǎo)破壞的可能性增大，這與現(xiàn)場(chǎng)柱破壞位置基本吻合。綜上所述，工程施工期間應(yīng)盡量避免臨時(shí)超限荷載的堆放，如必須臨時(shí)超限堆載，則應(yīng)盡可能作用于整跨板上，不宜布置半跨堆載，避免擴(kuò)大受損范圍。

表1 柱端x方向彎矩值（kN/m）

4 結(jié)論

（1）通過(guò)有限元軟件分析了局部堆載對(duì)地下車庫(kù)框架柱的影響，計(jì)算結(jié)果表明局部堆載是引起框架柱產(chǎn)生裂縫的主要原因。局部堆載超限是施工方常常會(huì)犯的錯(cuò)誤，但局部堆放的位置和超載量將直接影響到結(jié)構(gòu)的最不利受力情況。施工單位應(yīng)嚴(yán)格按照要求堆放荷載，避免超限堆載對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。

（2）溫度收縮對(duì)框架柱裂縫的產(chǎn)生有不可忽略的影響。工程實(shí)踐表明，留縫與否不是決定結(jié)構(gòu)變形開(kāi)裂的唯一條件，設(shè)置伸縮縫和后澆帶不一定能完全保證結(jié)構(gòu)不開(kāi)裂。設(shè)計(jì)師不應(yīng)只考慮設(shè)計(jì)規(guī)范的內(nèi)容，以留縫就不裂的設(shè)計(jì)原則，還應(yīng)該對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)容易發(fā)生的問(wèn)題進(jìn)行充分的考慮，分析結(jié)構(gòu)受力情況。當(dāng)結(jié)構(gòu)受溫度收縮影響較大時(shí)，應(yīng)對(duì)伸縮縫位置處的框架柱著重設(shè)計(jì)，合理增大柱配筋。

（3）此外，本工程框架柱出現(xiàn)大量貫通裂縫還與梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)施工質(zhì)量有關(guān)，裂縫四周混凝土有浮漿夾渣，存在起砂現(xiàn)象。施工縫經(jīng)常留設(shè)在柱的上端或下部，它的存在影響節(jié)點(diǎn)混凝土強(qiáng)度。施工縫處應(yīng)嚴(yán)格按照施工規(guī)范要求清理干凈，鑿剔松散石子和薄弱層，充分濕潤(rùn)，然后先刷一道1：0.5的素水泥漿，再灑25～30mm厚的1：2水泥砂漿以利充分結(jié)合，最后澆筑混凝土并認(rèn)真搗實(shí)。