某廠房過街樓支座開裂原因分析及修復方案

呂朝坤,錢少英,江克勤

(1.浙江省建筑科學設計研究院有限公司,浙江 杭州 310012；2. 浙江省建設工程質量檢驗站有限公司, 浙江 杭州 310012；3. 浙江建筑特種技術工程公司，浙江 杭州 310012)

1 工程概況

杭州市濱江區某公司1號、2號廠房均為5層現澆鋼筋混凝土框架結構,基礎采用預應力管樁。該兩幢廠房端部3層以上設有過街樓,過街樓梁板均采用現澆鋼筋混凝土結構,沿過街樓跨度方向樓、屋面梁支撐在廠房邊跨柱上,過街樓結構平面布置圖見圖1。

圖1 過街樓平面布置圖

2 支座開裂情況檢測及相關技術資料調查

廠房及過街樓建于2005年,在后期的使用中發現過街樓與1號廠房交接處3～5層過街樓樓面梁支座存在開裂的情況,且部分支座開裂較為嚴重。2015年9月對過街樓結構構件的開裂情況進行了檢測,為了較為全面地分析過街樓支座開裂的原因,對過街樓支座的混凝土強度、鋼筋設置情況、混凝土保護層厚度以及相關構件的開裂情況進行了檢測,并查閱了設計、施工等技術資料。現場檢測圖見圖2,現場檢測及調查情況如下：

圖2 支座開裂圖片

1)采用回彈法檢測支座的混凝土抗壓強度,并根據混凝土齡期對回彈檢測結果實測值予以修正[1],所檢測的結構構件混凝土抗壓強度修正值在25.7～37.8 MPa之間,檢測結果均滿足混凝土設計強度等級C25的要求。

2)實測支座主筋根數、主筋直徑符合設計要求；箍筋間距偏差在-10～+12 mm之間,箍筋間距基本滿足設計要求；縱向鋼筋混凝土保護層厚度設計值為30 mm,實測混凝土保護層厚在25～37 mm之間,實測結果基本滿足設計要求。

3)3層支座沿過街樓跨度方向內側頂部以下約500 mm范圍內混凝土碎裂、局部脫落,支座頂部預留梁端部豎向插筋彎曲,支座上部樓面梁端部斜裂縫與支座混凝土開裂方向一致；4層和5層支座垂直于過街樓跨度方向兩側面頂部以下斜裂縫,測點最大裂縫寬度在0.4～5 mm,支座上部樓面梁端部存在與支座裂縫方向一致的斜裂縫,樓面梁裂縫測點最大寬度在0.4～5 mm之間。

4)根據過街樓設計圖紙,邊柱為變截面柱,1層和2層柱截面尺寸為600 mm×750 mm,3層和4層柱截面尺寸為600 mm×400 mm,其中3層和4層柱頂均設有牛腿作為樓面梁支座,2層柱頂作為3層樓面梁支座,2層柱頂及3層和4層牛腿頂面均設有4Ф16的插筋；根據施工期間的沉降觀測資料,施工后期廠房沉降已基本進入穩定狀態,且過街樓兩端廠房柱沉降差較小。

3 支座開裂原因鑒定分析

支座開裂可能是由于過街樓兩端柱基不均勻沉降、支座承載力不足以及支座與樓面梁節點構造不合理等原因引起。

1)根據廠房單樁豎向抗壓靜載試驗結果,單樁豎向抗壓承載力滿足設計要求；根據廠房樁基低應變法檢測結果,樁身完整性符合設計要求；根據沉降觀測資料,過街樓兩端廠房柱沉降差較小；過街樓墻體及結構布置與設計圖紙相符,使用過程中不存在增加樓面使用荷載的情況。

2)過街樓3層樓面梁支座為變截面柱下柱,按局部受壓計算柱頂支座承載力[2]：

Fl≤1.35βcβlfcAln

(1)

(2)

式中：Fl為受壓面上作用的局部壓力設計值,取樓面梁支座剪力設計值,N；

βc為混凝土強度影響系數,取1.0；

βl為混凝土局部受壓時的強度提高系數；

fc為混凝土軸心抗壓強度設計值,當構件混凝土抗壓強度實測值低于設計強度等級時取實測值,高于設計強度等級時取設計值,N；

Aln為混凝土局部受壓凈面積,mm2；

Ab為局部受壓的計算底面積,mm2；

Al為混凝土局部受壓面積，mm2。

考慮到過街樓3層樓面梁端部加腋,端部加腋部分平面尺寸與支座平面尺寸相同,計算中取Aln=Ab=Al。

根據樓面荷載布置情況計算,受壓面上作用的壓力設計值為301 kN,支座局部承載力計算值偏安全的取為2 142 kN,支座受壓承載力遠大于梁端壓力,所以3層樓面梁支座變截面柱承載力滿足要求。

3)過街樓4層和5層柱頂均設有牛腿作為樓面梁的支座,根據現場檢測數據及設計圖紙對牛腿裂縫控制及縱向受力鋼筋截面面積進行計算,其中不考慮作用于牛腿頂部難以定量的水平拉力值Fhk、Fh,作用于牛腿頂部的按荷載標準組合計算的豎向力Fvk為243 kN,牛腿頂部縱向受力鋼筋面積AS為1 520 mm2,

1 072 kN

(3)

(4)

牛腿裂縫控制及縱向受力鋼筋截面面積計算結果均滿足規范要求,牛腿開裂不可能是由于裂縫控制不滿足要求或縱向受力鋼筋配筋不足引起的。

4)梁在荷載的長期作用下會產生不斷增大的非線性長期變形,梁的長期變形可以分為徐變變形和收縮變形[3]。徐變變形與荷載有關,收縮變形主要是結構材料自身的變形,與外加荷載無關。梁的收縮變形相當于在梁的端部增加等效彎矩,從而引起梁端部產生位移。

過街樓竣工后為連接1號、2號廠房之間的通道,主要供管理人員通行及休憩,過街樓樓面梁為現澆鋼筋混凝土結構,梁兩端簡支在邊柱支座上,截面尺寸為250 mm×1 100 mm,跨度為11.20 m。根據設計圖紙及現場查勘情況,過街樓樓面梁支座預埋4Ф16插筋,支座頂部設有鋼墊板,預埋插筋穿過鋼墊板后直接澆筑在梁端混凝土內。通常情況下樓面梁端部與支座連接節點設計為簡支,支座與梁底設置滑動支座,在長期變形時梁端在支座上可以自由伸縮；支座插筋與梁共同澆筑后預留插筋相當于在梁端和支座之間設置錨固鋼筋,插筋在上述連接狀態下可以承受剪力,限制了梁端的伸縮,使梁端與支座之間的受力狀態變得復雜,梁端受到的約束力為錨固鋼筋的抗剪承載力[4](錨栓鋼材破壞受剪承載力、混凝土邊緣破壞受剪承載力與混凝土剪撬破壞受剪承載力三者中的最小值)。

錨筋錨栓鋼材破壞受剪承載力：

(5)

混凝土邊緣破壞受剪承載力：

18.8 kN

(6)

混凝土剪撬破壞受剪承載力：

8.5kN

(7)

(8)

由式(5)～(8)可得錨固鋼筋受剪承載力為8.5 kN,即支座受到的水平力值超過8.5 kN就會出現開裂現象。

樓面梁在單位溫度變化下的線性變形為：

Δl=ΔCαcl=1×1×10-5×11 200=0.112 mm

(9)

線應變為：

(10)

混凝土應力為：

σc=Εcε=2.8×104×1×10-5=0.28 N/mm2

(11)

鋼筋應力為：

σs=Esε=2.1×105×1×10-5=2.1 N/mm2

(12)

考慮到樓面梁受長期荷載作用非線性長期變形的影響[5],單位線應變下梁端產生的水平力為：

F=δ(AsEsσs+AcEcσc)=0.5×(4 555×2.1+

0.28×270 445)=42.6 kN

(13)

根據以上計算結果分析,支座受剪承載力小于梁端水平力,因此支座邊緣混凝土在梁端水平力作用下產生破壞。由于3層樓面梁支座為變截面柱下柱,支座頂部未配置縱向受力鋼筋,故該支座邊緣受損較為嚴重,柱頂內側邊緣混凝土拉裂、局部脫落；4層和5層牛腿由于配置縱向受力鋼筋,受損情況較輕,僅產生豎向或斜向裂縫,牛腿內側邊緣混凝土未出現較嚴重的脫落現象。

綜合上述情況分析,過街樓樓面梁支座開裂是由于梁端與支座節點連接構造不合理,梁端與支座節點受力狀態由于插筋的設置發生了改變,沿梁跨度方向的變形受到約束,在支座頂部產生了水平附加力,引起了支座混凝土受剪破壞。

4 修復方案

割斷支座受損邊緣處外露的插筋,鑿除梁和支座疏松的混凝土至堅實基面,采用清水沖凈基層后用C40灌漿料進行修補。修補完成后對梁和支座裂縫進行封閉處理,裂縫處理完成后再對支座采用粘貼鋼板的方式進行加固。

1)裂縫采用環氧樹脂漿液灌注處理：施工前先用鋼絲刷刷凈裂縫并用壓縮空氣吹去浮塵；在裂縫起點、交叉點等裂縫寬度較大位置均勻粘貼進漿嘴；用速凝膠封閉上下裂縫后將配置好的漿液通過灌漿機進行加壓灌漿；待灌漿完成72 h后,打掉進漿嘴并鏟除混凝土面上的膠泥；采用環氧樹脂漿液灌注處理時,應確保裂縫表面清理干凈、封縫可靠,灌膠嘴安裝間距合適,灌膠順序要求規范,并確保灌膠密實。

2)粘貼鋼板加固處理：鑿除構件表面的粉刷層,并打磨至堅實基層,清除表面粉塵并清洗干凈,保持基面干燥；鋼板厚度為10 mm,鋼板安裝前應進行打磨除銹處理；鋼板先采用化學錨栓固定,并將相鄰鋼板在支座角部拼接處采用點焊焊接后再進行壓力注膠；采用結構膠粘貼鋼板時應保證結構膠密實、厚度合適且均勻；鋼板粘貼完成后表面應立即進行除銹和清洗處理,涂刷兩道防銹漆后采用25 mm厚1∶3水泥砂漿防護(即在結構膠未干時進行拍砂處理,然后做粉刷),為增加粉刷層粘結力,可涂刷界面劑或采取其他措施進行處理。

本工程于2015年10月修復工作完成后使用至今,支座及樓面梁均未發現開裂等異常情況。

5 結 語

通過對杭州市濱江區某過街樓支座開裂的現場檢測及計算分析,確定支座開裂是由于梁端與支座節點的連接限制了梁沿跨度方向的變形,由此產生的節點附加力引起了混凝土開裂。根據鑒定分析情況設計了修復方案,修復施工完成后過街樓能夠正常使用。本工程的鑒定分析結果可供設計、施工人員在類似工程施工中予以借鑒。