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某醫院地下車庫柱開裂損傷原因與預防
發布時間:2020-01-13

  摘    要: 為探析地下室結構框架柱產生水平通縫的原因,結合實際工程案例確定了其重要影響因素,包括溫度收縮應力、頂板局部堆載。以實際地下室結構為分析原型,在結合設計資料、施工背景和現場檢測結果的基礎上,按實際施工過程對結構受力進行有限元分析模擬,分析了框架柱承載能力及其內力變形情況。通過對比實際裂縫分布狀態、裂縫形式與模型計算分析結果,驗證其分析成因的正確性。并針對其具體損傷成因,提出了相應的預防解決措施。

  關鍵詞: 地下車庫; 框架柱; 局部堆載; 溫度效應; 水平裂縫;

  0、 引言

  在實踐過程中,因地下結構設計缺陷和施工技術質量問題以及地面建筑規劃、景觀規劃不合理等原因,地下結構在建造或使用過程中會發生損傷破壞,造成頂板撓曲變形、產生裂縫,甚至坍塌,事故一旦發生,其后果極其嚴重。本文針對某醫院地下車庫柱開裂損傷情況,從多方面分析其柱損傷的成因,希望為類似工程實際問題提供參考和預防措施。
 

某醫院地下車庫柱開裂損傷原因與預防
 

  1、 工程背景

  某醫院廣場地下車庫為一層框架結構,其平面布置圖如圖1所示(部分)。該地下車庫層高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。梁板混凝土強度等級均為C30;柱截面尺寸為400×400mm,柱的混凝土強度等級為C30。其上部為醫院休閑廣場,建筑長度為72。8m,寬度為45。74m,建筑面積為3329。87m[2]。該工程于2017年4月開始地下室施工,2017年7月完成澆筑后澆帶。由于其他原因工程擱置數月,未及時覆土也未對頂板采取其他保溫措施,使其地下室頂板暴露數月。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,堆放土最高為3m左右。堆放后不久,發現地下室區域大量柱發生水平開裂現象,立即采取局部降載措施。

  圖1 地下車庫結構部分平面布置
圖1 地下車庫結構部分平面布置

  2、 現場檢測情況

  外觀質量檢查:地下室頂板處多數梁柱節點核心區(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象。

  圖2 框架柱裂縫形式
圖2 框架柱裂縫形式

  依據《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規程》(JGJ/T 23—2011),現場對該工程地下一層框架柱進行檢測,經檢測,柱的混凝土強度等級均滿足C30要求。采用ZBL-R630型混凝土鋼筋檢測儀對本工程受檢區框架柱柱縱筋數量、箍筋間距及混凝土保護層厚度情況進行了檢測。框架柱鋼筋數量及箍筋間距均符合設計要求,混凝土保護層厚度也滿足規定的合格要求。

  3、 開裂受損原因分析

  3.1、 地下車庫承載力驗算

  根據原施工圖和現場檢測結果,采用北京盈建科軟件有限責任公司編制的YJK-A(1.9.0版)軟件進行承載力計算。本工程現場檢測時,地下室頂板已有至少1m高的覆土用于綠化,且在實際施工過程中東北側還有3.0m左右高的堆土。綜上,地下室頂板計算荷載取值如下:覆土恒荷載:20kN/m[2]×1m=20kN/m[2],局部3m高堆土恒荷載取54kN/m[2],施工荷載取4kN/m[3]。利用YJK鑒定加固模塊功能,將原始實配柱鋼筋表錄入至“柱施工圖”菜單中。其鑒定計算結果表明:在施工階段,11根框架柱(集中在堆載附近的柱)實配鋼筋小于計算鋼筋,承載力不滿足要求。實際堆載處周圍受損柱數量為8根,計算結果與實際柱破壞位置基本吻合,說明局部堆載是引起柱破壞的主要因素。為進一步探析柱損傷的原因,本文將模擬實際施工過程分別考慮溫度效應及局部堆載的作用,進行柱裂縫成因分析。

  3.2、 溫度效應的影響

  地下車庫從澆帶澆筑完成到框架柱出現裂縫,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與住院樓頂板相連,東側與擋土墻相連,西側設有伸縮縫。由于地下室擋土墻具有較大的側向剛度,屬于連續式約束,故車庫頂板東側可設為嵌固狀。當頂板承受均勻溫度差T(降溫為負)時,頂板邊緣將向中間產生收縮。本文運用YJK軟件,對溫度荷載引起的構件變形、構件均勻升溫或降溫進行模擬,分析溫度效應對柱的影響。通過分析,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。由于西側設有伸縮縫,位于伸縮縫附近的構件受溫度影響可沿長方向發生水平伸縮,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力使結構產生內力重分布,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生破壞,當框架柱端部混凝土邊緣拉應力大于混凝土極限抗拉強度時就會產生裂縫。以伸縮縫右側體系為例,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,則裂縫首先會在矩形截面一角處出現裂縫,框架柱的裂縫產生過程如圖5所示,這與現場所觀察到的裂縫開展位置一致。

  圖3 地下室框架柱位移
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4 伸縮縫位置處柱的變形和彎矩

  圖5 最大彎矩截面處應力
圖5 最大彎矩截面處應力

  3.3、 局部堆載的影響

  局部堆載不僅僅增加了堆載處的內力值,還影響其相鄰一跨柱的彎矩值,使其堆載周圍結構內力重分布。為了進一步說明局部堆載對柱的影響,本文采用兩種工況對比分析局部堆載對柱的附加作用效應。

  工況一為地下室頂板均勻覆土,工況二為地下室頂板按實際堆土范圍(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,且局部堆載對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,表明局部堆載對堆載周圍柱的彎矩值影響要大于堆載處正下方的柱。按實際配筋驗算,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此位置處的柱端彎矩值有較大的影響,使之誘導破壞的可能性增大,這與現場柱破壞位置基本吻合。綜上所述,工程施工期間應盡量避免臨時超限荷載的堆放,如必須臨時超限堆載,則應盡可能作用于整跨板上,不宜布置半跨堆載,避免擴大受損范圍。

  表1 柱端x方向彎矩值(kN/m)
表1 柱端x方向彎矩值(kN/m)

  4、 結論

  (1)通過有限元軟件分析了局部堆載對地下車庫框架柱的影響,計算結果表明局部堆載是引起框架柱產生裂縫的主要原因。局部堆載超限是施工方常常會犯的錯誤,但局部堆放的位置和超載量將直接影響到結構的最不利受力情況。施工單位應嚴格按照要求堆放荷載,避免超限堆載對結構產生影響。

  (2)溫度收縮對框架柱裂縫的產生有不可忽略的影響。工程實踐表明,留縫與否不是決定結構變形開裂的唯一條件,設置伸縮縫和后澆帶不一定能完全保證結構不開裂。設計師不應只考慮設計規范的內容,以留縫就不裂的設計原則,還應該對施工現場容易發生的問題進行充分的考慮,分析結構受力情況。當結構受溫度收縮影響較大時,應對伸縮縫位置處的框架柱著重設計,合理增大柱配筋。

  (3)此外,本工程框架柱出現大量貫通裂縫還與梁柱節點核心區施工質量有關,裂縫四周混凝土有浮漿夾渣,存在起砂現象。施工縫經常留設在柱的上端或下部,它的存在影響節點混凝土強度。施工縫處應嚴格按照施工規范要求清理干凈,鑿剔松散石子和薄弱層,充分濕潤,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合,最后澆筑混凝土并認真搗實。

  參考文獻

  [1]姜偉,袁勇,柳獻.地下結構中混凝土結構邊界約束效應分析[J].結構工程師,2011,27(1):61-65.
  [2]湯小平.超長混凝土地下室裂縫控制研究[D].南京:東南大學,2017.
  [3]王鐵夢.工程結構裂縫控制[M].北京:中國建筑工業出版社,2017.

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