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某医院地下车库柱开裂损伤原因与预防
发布时间:2020-01-13

  摘    要: 为探析地下室结构框架柱产生水平通缝的原因,结合实际工程案例确定了其重要影响因素,包括温度收缩应力、顶板局部堆载。以实际地下室结构为分析原型,在结合设计资料、施工背景和现场检测结果的基础上,按实际施工过程对结构受力进行有限元分析模拟,分析了框架柱承载能力及其内力变形情况。通过对比实际裂缝分布状态、裂缝形式与模型计算分析结果,验证其分析成因的正确性。并针对其具体损伤成因,提出了相应的预防解决措施。

  关键词: 地下车库; 框架柱; 局部堆载; 温度效应; 水平裂缝;

  0、 引言

  在实践过程中,因地下结构设计缺陷和施工技术质量问题以及地面建筑规划、景观规划不合理等原因,地下结构在建造或使用过程中会发生损伤破坏,造成顶板挠曲变形、产生裂缝,甚至坍塌,事故一旦发生,其后果极其严重。本文针对某医院地下车库柱开裂损伤情况,从多方面分析其柱损伤的成因,希望为类似工程实际问题提供参考和预防措施。
 

某医院地下车库柱开裂损伤原因与预防
 

  1、 工程背景

  某医院广场地下车库为一层框架结构,其平面布置图如图1所示(部分)。该地下车库层高4.2m,顶板厚度为220mm,主梁截面尺寸为300mm×1000mm,次梁截面尺寸为250mm×350mm。梁板混凝土强度等级均为C30;柱截面尺寸为400×400mm,柱的混凝土强度等级为C30。其上部为医院休闲广场,建筑长度为72.8m,宽度为45.74m,建筑面积为3329.87m[2]。该工程于2017年4月开始地下室施工,2017年7月完成浇筑后浇带。由于其他原因工程搁置数月,未及时覆土也未对顶板采取其他保温措施,使其地下室顶板暴露数月。在此期间用于景观施工的填土已集中堆放于地下室顶板东北侧,堆放土最高为3m左右。堆放后不久,发现地下室区域大量柱发生水平开裂现象,立即采取局部降载措施。

  图1 地下车库结构部分平面布置
图1 地下车库结构部分平面布置

  2、 现场检测情况

  外观质量检查:地下室顶板处多数梁柱节点核心区(梁底下约20cm范围)框架柱存在贯通水平裂缝,裂缝最大宽度为5mm如图2(a)所示,最小宽度为1mm如图2(b)所示,少部分框架柱存在非贯通裂缝如图2(c)所示;部分柱根上方20cm范围内存在贯通水平裂缝如图2(d)所示;框架柱裂缝处混凝土存在起砂现象。

  图2 框架柱裂缝形式
图2 框架柱裂缝形式

  依据《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》(JGJ/T 23—2011),现场对该工程地下一层框架柱进行检测,经检测,柱的混凝土强度等级均满足C30要求。采用ZBL-R630型混凝土钢筋检测仪对本工程受检区框架柱柱纵筋数量、箍筋间距及混凝土保护层厚度情况进行了检测。框架柱钢筋数量及箍筋间距均符合设计要求,混凝土保护层厚度也满足规定的合格要求。

  3、 开裂受损原因分析

  3.1、 地下车库承载力验算

  根据原施工图和现场检测结果,采用北京盈建科软件有限责任公司编制的YJK-A(1.9.0版)软件进行承载力计算。本工程现场检测时,地下室顶板已有至少1m高的覆土用于绿化,且在实际施工过程中东北侧还有3.0m左右高的堆土。综上,地下室顶板计算荷载取值如下:覆土恒荷载:20kN/m[2]×1m=20kN/m[2],局部3m高堆土恒荷载取54kN/m[2],施工荷载取4kN/m[3]。利用YJK鉴定加固模块功能,将原始实配柱钢筋表录入至“柱施工图”菜单中。其鉴定计算结果表明:在施工阶段,11根框架柱(集中在堆载附近的柱)实配钢筋小于计算钢筋,承载力不满足要求。实际堆载处周围受损柱数量为8根,计算结果与实际柱破坏位置基本吻合,说明局部堆载是引起柱破坏的主要因素。为进一步探析柱损伤的原因,本文将模拟实际施工过程分别考虑温度效应及局部堆载的作用,进行柱裂缝成因分析。

  3.2、 温度效应的影响

  地下车库从浇带浇筑完成到框架柱出现裂缝,期间温度下降约22℃。温度降低引起混凝土收缩。该工程顶板南北两侧与住院楼顶板相连,东侧与挡土墙相连,西侧设有伸缩缝。由于地下室挡土墙具有较大的侧向刚度,属于连续式约束,故车库顶板东侧可设为嵌固状。当顶板承受均匀温度差T(降温为负)时,顶板边缘将向中间产生收缩。本文运用YJK软件,对温度荷载引起的构件变形、构件均匀升温或降温进行模拟,分析温度效应对柱的影响。通过分析,框架柱的位移如图3所示。由图3可知,在温度荷载作用下,边柱的位移量要大于中间柱的位移量。由于西侧设有伸缩缝,位于伸缩缝附近的构件受温度影响可沿长方向发生水平伸缩,其变形图和弯矩图如图4所示。由图4可知,温度所引起的收缩应力使结构产生内力重分布,且其框架柱的最大弯矩值位于柱上端,故伸缩缝处的柱受温度影响柱端更易发生破坏,当框架柱端部混凝土边缘拉应力大于混凝土极限抗拉强度时就会产生裂缝。以伸缩缝右侧体系为例,靠近伸缩缝下端的边柱,受东北方向的位移影响,x方向与y方向弯矩接近,则裂缝首先会在矩形截面一角处出现裂缝,框架柱的裂缝产生过程如图5所示,这与现场所观察到的裂缝开展位置一致。

  图3 地下室框架柱位移
图3 地下室框架柱位移

  图4 伸缩缝位置处柱的变形和弯矩
图4 伸缩缝位置处柱的变形和弯矩

  图5 最大弯矩截面处应力
图5 最大弯矩截面处应力

  3.3、 局部堆载的影响

  局部堆载不仅仅增加了堆载处的内力值,还影响其相邻一跨柱的弯矩值,使其堆载周围结构内力重分布。为了进一步说明局部堆载对柱的影响,本文采用两种工况对比分析局部堆载对柱的附加作用效应。

  工况一为地下室顶板均匀覆土,工况二为地下室顶板按实际堆土范围(1-12~1-16轴交V~b轴)。由于柱端y方向弯矩值较小,故仅考虑柱端x方向的弯矩值(表1)。表1中局部堆载所引起的柱端弯矩附加值为工况二与工况一的差值。从表1可以看出,随着荷载增大柱端弯矩值都有增大趋势,且局部堆载对边柱的附加弯矩值最大,边柱破坏可能性最大。位于U轴线上的框架柱附加弯矩值均大于W轴上框架柱的附加弯矩值,表明局部堆载对堆载周围柱的弯矩值影响要大于堆载处正下方的柱。按实际配筋验算,堆载下方有11根柱不满足承载力要求,尽管堆载周围框架柱的正截面承载力满足要求,但较大的局部堆载仍对此位置处的柱端弯矩值有较大的影响,使之诱导破坏的可能性增大,这与现场柱破坏位置基本吻合。综上所述,工程施工期间应尽量避免临时超限荷载的堆放,如必须临时超限堆载,则应尽可能作用于整跨板上,不宜布置半跨堆载,避免扩大受损范围。

  表1 柱端x方向弯矩值(kN/m)
表1 柱端x方向弯矩值(kN/m)

  4、 结论

  (1)通过有限元软件分析了局部堆载对地下车库框架柱的影响,计算结果表明局部堆载是引起框架柱产生裂缝的主要原因。局部堆载超限是施工方常常会犯的错误,但局部堆放的位置和超载量将直接影响到结构的最不利受力情况。施工单位应严格按照要求堆放荷载,避免超限堆载对结构产生影响。

  (2)温度收缩对框架柱裂缝的产生有不可忽略的影响。工程实践表明,留缝与否不是决定结构变形开裂的唯一条件,设置伸缩缝和后浇带不一定能完全保证结构不开裂。设计师不应只考虑设计规范的内容,以留缝就不裂的设计原则,还应该对施工现场容易发生的问题进行充分的考虑,分析结构受力情况。当结构受温度收缩影响较大时,应对伸缩缝位置处的框架柱着重设计,合理增大柱配筋。

  (3)此外,本工程框架柱出现大量贯通裂缝还与梁柱节点核心区施工质量有关,裂缝四周混凝土有浮浆夹渣,存在起砂现象。施工缝经常留设在柱的上端或下部,它的存在影响节点混凝土强度。施工缝处应严格按照施工规范要求清理干净,凿剔松散石子和薄弱层,充分湿润,然后先刷一道1:0.5的素水泥浆,再洒25~30mm厚的1:2水泥砂浆以利充分结合,最后浇筑混凝土并认真捣实。

  参考文献

  [1]姜伟,袁勇,柳献.地下结构中混凝土结构边界约束效应分析[J].结构工程师,2011,27(1):61-65.
  [2]汤小平.超长混凝土地下室裂缝控制研究[D].南京:东南大学,2017.
  [3]王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京:中国建筑工业出版社,2017.

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