多层框架结构梁板构件的裂缝分析及加固处理

施 荣（酒泉职业技术学院土木工程系，甘肃 酒泉 735000）

框架结构是我国工业与民用建筑中应用最为广泛的结构形式，其中大部分建筑建成使用多年，以设计基准期推算，已有相当多的房屋进入中老年期，目前发现一些重要的承重构件已出现裂缝，或在结构抗震上不能满足概念设计要求，导致结构在设计基准期内出现承载力下降，适用性不满足要求，耐久性降低等情况。为了保证这部分建筑物的使用安全，应在搞清结构梁板构件裂缝产生原因的基础上，通过采取适当的加固措施，消除结构存在安全隐患，创造较大的经济和社会效益。

1 梁板结构常见裂缝的分布形式及原因分析

1.1 产生裂缝的整体原因分析

依据大量的多层框架结构在工程设计、施工和使用方面的实践经验，结合梁板结构的受力特征和变性特征，总结出梁板结构裂缝产生的原因归纳为两大类： 第一类由外载作用所引起，第二类由变形所引起（有温度变形、收缩变形、地基不均匀或膨胀等）。其中第一类约占20%以上，以变形变化为主引起的裂缝，即非结构性裂缝；第二类约占80%左右，以荷载为主引起的裂缝，即结构性裂缝[1]。

1.2 裂缝的分布形式及机理分析

1.2.1 框架梁裂缝

根据工程计算数据和现场勘测析，框架梁常见裂缝主要有竖向裂缝和斜裂缝。

1)竖向裂缝主要集中在屋面梁中，裂纹与梁的轴线基本垂直，裂缝宽度一般为 0.05～0.28mm，呈现出中间大，两端逐渐缩小的规律。按照“模箍作用”效应[2]，导致结构构件裂缝的主要原因是框架结构外露时间过长，结构内外温差变化大引起的结构构件收缩和膨胀，在其内部形成约束应力而产生裂缝。

2）斜裂纹主要分布在梁的端部和次梁作用的位置，裂纹最大宽度为 0.28mm，通常在梁底主筋位置上方和梁顶主筋位置下方趋于闭合。梁端部和次梁作用处的斜裂缝，主要是因为在施工过程中，箍筋的选择、布置和混凝土强度等级不满足设计要求，造成梁的抗剪强度不够引起的。

1.2.2 现浇混凝土楼板裂缝

现浇混凝土楼板裂缝常见形式主要有以下四种，如图1所示。

1）楼板中部裂缝产生在楼板中部，与楼板短边和长边平行的横向或纵向跨中裂缝，宽度可达0.5～1.5mm，在楼板整体连续浇注的工程中比较常见，如图1（b）（c）所示。

2）在建筑物拐角处的斜裂缝与墙大约呈450，宽度不大于1.0mm，多数裂缝贯通楼板，发生在楼板分离式配筋的负筋或角部放射筋末端，这是现浇楼板普遍存在的通病，如图1（a）所示。

以上两种裂缝产生的原因是由于楼板混凝土在温差和收缩特性共同作用下产生过大变形，而板角受到刚度相对较大的楼面梁约束，约束了楼板混凝土的自由变形，从而产生与墙体呈45°的斜裂缝和贯通缝。

3）板内埋设位置的裂缝位于板内埋设线管的地方，沿线管埋设方向分布，裂缝一般垂直于管长度方向且长度较短、缝宽较大，如图1（d）所示。原因是预埋线管使楼板混凝土截面受到较多削弱，引起应力集中易产生裂缝；楼板混凝土与PVC管结合性较差且二者的温度线膨胀系数相差较大，导致裂缝产生；板的厚度规定不适应现代建筑对预埋管线的要求。

表1 四种加固方案比较

图1 裂缝分布形式图

4）沿板支座的纵向裂缝发生在楼板混凝土上表面且沿支座长度方向的纵向裂缝，主要有沿纵向钢筋方向的板面裂缝、沿梁边或墙边的裂缝、沿着楼板施工缝或后浇带位置的裂缝等。产生原因是在楼板混凝土浇筑过程中，板支座负筋因各工种交叉作业时没采取有效防护措施，人为踩踏导致位置下移且没有及时修复，使板面负筋不能有效抵抗支座负弯矩而产生裂缝。

1.2.3 梁板构件的结构性裂缝

梁板构件的结构性裂缝以跨中附近竖向裂缝或支座附近的斜裂缝为主。产生裂缝一是因设计、施工或使用不合理导致楼板厚度减少，抗弯承载力不足，弯曲变形过大引起板底裂缝；二是由于纵筋或腹筋配置不符合标准要求，框架梁抗弯、抗剪承载力不足，引起跨中附近竖向裂缝和支座附近斜向裂缝。

2 框架梁板结构加固设计

2.1 加固方案的比较与选择[3]-[4]

我国混凝土结构加固方案较多，多层框架结构梁、板、柱等承重构件，加固方法比较常见的有加大截面、粘贴碳素纤维加固、增设支点加固、粘钢加固四种方案，以下对四种方案做一比较（表1）。

通过四种常见方案的对比可以看出，加大截面法成本较低但工期较长；外包钢加固法和粘钢加固法工期短、成本适中但适用范围受到限制；相比而言，除工程造价和施工难度外，碳素纤维加固方法在施工环境、施工工期、占地面积等方面都优于其它方案。在实际工程中，方案选取要结合工程的自身特点、适用条件以及施工环境和经济因素等综合影响后确定。

2.2 框架梁板构件加固处理

1)框架梁加固处理

梁支座附近斜裂纹的处理，对于梁上支座附近和集中荷载作用处的斜裂纹，如果是因为梁体抗剪承载力不足引起构件抗剪承载力降低，加固设计主要是解决如何提高构件抗剪承载力的问题，可采取结构胶粘贴钢板剪力箍的方法进行处理，钢板表面抹1：3水泥砂浆20mm厚[5]。

如框架主梁端部箍筋配置情况不能满足现行规范最小配箍率要求，加固设计时也可采用梁端粘贴U型碳纤维布提高构件抗剪能力。

2)框架楼板加固

如果楼板由于楼板厚度减少导致跨中抗弯承载力不足，加固设计时可采用板底粘贴碳纤维布提高楼板的抗弯承载力[6]。

对于楼板混凝土非结构性垂直裂缝（由温度收缩、碳化、干燥等原因引起），一般对结构的承载力影响不大，可仅采用结构胶灌注剂加压注入裂缝进行封闭加固处理。

3 施工技术要求

结合多年建筑承重结构加固处理经验，本文重点对粘钢加固、粘贴碳素纤维加固和外包钢加固的施工流程及主要技术要求进行必要的梳理归纳。

3.1 粘钢加固法施工技术要求[7]

1）粘钢加固的施工工艺流程

粘钢加固的施工工艺流程如图2所示。

2）主要技术要求

(1)对钢板粘贴面必须进行粗糙、除锈处理，用角磨机打磨钢板表面直至出现金属光泽，打磨的纹路应与钢板受力方向垂直。

(2)清除混凝土表面油垢和其它杂物，用角磨机打磨混凝土表面至露出新面并用压缩空气吹净表面浮尘，最后用棉布沾丙酮拭净表面，待粘贴面完全干燥后备用。

图2 粘钢加固的施工工艺流程图

(3)为了保证粘钢板与混凝土表面充分接触，要采用辅助机械手段施加压力，如梁下粘钢板通过千斤顶、垫板、顶杆所组成的系统加压固定，梁上粘钢板通过膨胀螺栓、角钢、垫板所组成的系统加压固定。

(4)用腻刀将配制好的胶粘剂涂抹在钢板表面 (或混凝土表面)，胶断面呈三角形状（中间厚约3mm，边缘厚约1mm），然后通过固定加压系统将钢板粘贴在混凝土表面，加压时以胶液从钢板边缝挤出为度。

3.2 粘贴碳素纤维加固施工技术要求[8]

1）粘贴碳素纤维加固的施工工艺流程

粘贴碳素纤维加固的施工工艺流程如图3所示。

图3 粘贴碳素纤维加固的施工工艺流程

2）主要施工技术要求

(1)施工时必须做好用电安全技术交底，要保证电源及电气设备与施工现场安全距离，操作人员要采取必要的安全防护措施。

(2)用打磨工具先去除混凝土表面的浮尘、油污等杂质，然后重点对易产生应力集中和影响粘贴的部位进行打磨处理。如将转角粘贴处打磨成圆弧状（R≥20mm）进行倒角处理、对加固构件混凝土表面的凸出部位进行磨平处理等。

(3)将粘贴胶均匀涂刷在处理好的混凝土表面，胶底厚度≤0.4mm，无流淌、气泡现象发生。

(4)为保证施工质量，提高效率，通常在现场剪裁粘贴碳纤维布，且其长度≤3m。粘贴完毕，最外层碳纤维布还要做涂抹粘贴胶料和喷裹石英砂（2mm厚）的外表面处理。有防火要求的需进行必要的防护处理。

3.3 外包钢加固施工技术要求

1）外包钢加固施工工艺流程

外包钢加固施工工艺流程如图4所示。

图4 外包钢加固施工工艺流程图

2）主要技术要求

(1)加固前应严格控制各楼层和屋面在正常使用期间的使用荷载，尤其是活荷载。各楼层活荷载标准值宜限制在1.0kN/m2以内，不应超过1.5kN/m2。

(2)装修抹灰时应在水泥砂浆中渗入适量的环氧树脂。

(3)进行横向框架梁加固施工时，要铲除梁表面的粉刷层和开裂破损层，并对梁内钢筋作除锈冲洗处理；同时将梁端部左、右、下侧的混凝土加固层（50mm×2mm范围）进行彻底清除。

(4)通常采用外包厚度10mm 钢板套箍、内填50mm厚(其中梁下侧内填 70mm 厚)C35细石混凝土进行加固。

4 结 语

混凝土框架结构裂缝产生的原因与设计、施工、使用和材料等多种因素密切相关，针对不同的裂缝采取不同的控制和加固措施是必须的。框架结构梁板构件加固方法的选择，应针对结构功能降低及加固的具体原因，依据结构的可靠性鉴定结果，结合工程的自身特点、适用条件以及施工技术、使用功能、经济合理等因素确定。

[1]王铁梦.工程结构裂缝控制.北京:中国建筑工业出版社[M],1997,5～6.

[2]混凝土结构设计规范[S].GB50010-2002,北京:中国建筑工业出版社，2002.

[3]混凝土结构加固设计规范[s].GB50367-2006,北京:中国建筑工业出版社，2006.

[4]聂淑华,翟爱良,刘春伟框架结构承重构件的常见裂缝及加固处理[J].山东农业大学学报(自然科学版),2006,37(1):79～82

[5]刘玉林,徐福泉.框架结构构件裂缝检定及修复[J],建筑科学,2004(12):40～42.

[6]娄学军，钢筋混凝土板常见裂缝的成因分析及防治[J].建筑技术开发，2003,(6):52～54.

[7]段尔焕,李淑兰等.工程安全鉴定与加固技术[M].北京:人民交通出版社,2004:18～22

[8]李松辉，赵国藩，王松根粘贴碳纤维布加固钢筋混凝土预裂梁试验研究[J].土木工程学报,2005,(10):88～92.