一种容易被忽视的混凝土梁端裂缝分析

魏 利 国

(山西省建筑科学研究院，山西 太原 030001)

一种容易被忽视的混凝土梁端裂缝分析

魏 利 国

(山西省建筑科学研究院，山西 太原 030001)

对建筑物在建设和使用过程中出现的不同程度、不同形式的裂缝进行了阐述，结合工程实际情况，介绍了一种特殊裂缝即混凝土梁端上部开始的斜裂缝的形态及特征，并结合计算具体分析了形成此裂缝的原因，通过具体的检测方案，提出了预防此裂缝产生应采取的措施。

梁端裂缝，主拉应力，次应力，弯矩，剪力

1 概述

结构的破坏和倒塌是以结构构件的超极限状态造成的，而这种状态又多表现为裂缝的产生和发展。人们对建筑物在使用过程中出现的一些不同形式及不同程度的裂缝往往存在误解，认为裂缝会对房屋结构产生一定的破坏，心里对裂缝的存在有一定的恐惧感，事实上有些裂缝确实对房屋的结构有影响，它会降低结构的承载力，另外，渗漏也是由于裂缝引起的，使房屋的耐久性受到了影响，例如在混凝土结构中，加速混凝土的中性化，加剧钢筋锈蚀、保护层剥落等。因此，为保证建筑物结构安全，广大技术人员应精确对裂缝产生原因、程度、特征及性质进行分析，并针对分析结果采取相应合理、经济的加固处理措施，以增强建筑物的承载能力，提高结构的耐久性，延长建筑物的使用寿命。

从广义上分析，结构物在使用过程中承受着直接和间接两方面的作用，直接作用包含有静荷载、动荷载及其他荷载；间接作用包含有温度、收缩及不均匀沉陷等。当作用产生的应力超过结构材料的抗拉强度时，结构构件就会开裂，由此可以将裂缝分为以下三类：1)由静动荷载等直接作用产生的直接应力引起的裂缝(此直接应力是按常规模型计算的应力)。2)由直接作用引发的结构次应力引起的裂缝。常规的计算模型和结构物实际工作状态存在偏差是产生这种裂缝的主要原因。3)由间接作用引起的裂缝。引起这类裂缝的原因为结构的收缩、膨胀及不均匀沉降等。一般情况下，1)，3)两种裂缝比较常见，也容易进行解决，而第2)种裂缝则很难判别。笔者在多年的工程检测鉴定过程中，发现了一些第2)种类型的裂缝(即业界所谓的由直接作用引发的结构次应力裂缝)，为进一步深入分析该种裂缝的产生原因，并针对性地提出相应的处理意见，现结合一具体工程进行详细的阐述。

2 工程实例

某办公楼为砌体结构建筑，局部为4层。4层作为会议室，结构比较空旷，该建筑物层顶结构为四根L×h×b=7 500 mm×800 mm×300 mm的混凝土大梁，上铺预应力混凝土空心板，墙内构造柱为370 mm×300 mm，梁搁置其中，构造柱和梁整浇为一体，该结构物的混凝土强度等级设计为C20。工程使用一年左右时，层顶的四根大梁出现了上宽下窄形状为正“八”字形斜向裂缝，裂缝位于距梁两端800 mm的位置上，经测量裂缝的最宽处达5 mm。为确定该类裂缝产生的原因及存在对结构的安全性的影响危害，现场对构件的相关情况进行了必要检测复核确认。

2.1 实体混凝土强度

CECS 03：88钻芯法检测混凝土强度技术规程中对混凝土强度的测试有详尽的要求，根据本规程具体要求，检测人员在四根大梁上钻取混凝土芯样各3个，每个芯样的直径均为100 mm，钻取后加工为标准试件，然后分别对12个试件的混凝土强度进行了测试，结果如表1所示。

表1 混凝土强度测试结果 MPa

混凝土芯样取出后，经过观察及对比，发现其表面密实，其强度比设计的C20的要求均高出许多。

2.2 现场及设计确认

在现场，专业检测人员凿开了裂缝两侧的底部和梁侧，并使用超声波检测方法核对了梁主筋及箍筋的位置和数量，经对检测结果进行分析对比，其结果与最初的设计完全一致，而且检测人员对工程中所使用的原材料的原始试验数据进行了调阅，发现其各项指标也都符合设计及有关规范的要求。经与设计人员沟通，了解到这些梁均按简支梁进行设计计算。

2.3 裂缝情况

通过认真观察，发现裂缝的形态具有如下两个特征：

1)裂缝出现在距梁两端0.8 m左右的位置。

2)裂缝自梁的上表面开始，沿梁侧发展，其形态上宽下窄呈正“八”字形(见图1)。

3 计算分析

为了确切弄清楚裂缝的原因，我们对简支梁的受力情况进行了模拟，模拟结果如图2所示，从图2中可看出该简支梁任一点处(距支座A的距离为X，截面m—m)的弯矩(Mx)，剪力(Qx)，正应力(σx)及剪应力(τx)在均布荷载作用下的计算如下：

其中，Mx为x点处的弯矩；q为均布荷载；l为梁的计算长度；x为距梁端A点的距离；ξ为x/l的比值；Qx为x点处的剪力；W2为梁截面系数；b为梁宽;h为梁高；σx为该截面混凝土的正应力；τx为该截面混凝土的剪应力。

在截面m—m处自上而下取5个单元体，具体见图3中的1，2，3，4，5点处。该5个单元体的应力状态如图3所示。

主应力具体计算如下：

其中，σ1为该截面混凝土的主拉应力；σ3为该截面混凝土的主压应力。

由计算可知，简支梁在m—m截面第1)点处的应力为压应力，即简支梁中和轴上部为受压状态。而从梁的实际开裂状态(裂缝特征1)，2))表明梁的上部为受拉状态，裂缝是由于主拉应

力作用而产生的斜拉开裂。为什么会出现这样的情况，笔者认为专业技术人员在设计此类梁时一般都是按照简支进行计算，但在支座处梁与柱实际上是整体浇筑的，这样支座就处在半固结端状态(视梁柱刚度、梁伸入支座上排水平筋的多少而异)，因而使梁的实际受力状态与设计假定不符(见图4)。

梁实际的受力状态计算如下：

其中，I2为梁的截面惯性矩；I1为柱的截面惯性矩；K为系数；h为梁高；l为梁的计算长度；U1为系数；Φ为分配系数；M3,M4为梁端弯矩；Q3,Q4为梁端剪力；Qx为x点处的剪力；Mx为x点处的弯矩。

由以上计算可以得出上述梁的裂缝的产生原因是因为结构的实际工作状态与计算模型之间有偏差，也就是说在外荷载作用下，结构次应力引起的裂缝。

4 结语

针对上述具体实践中存在的情况，建议专业设计人员在进行类似梁的设计时，应尽可能选择与其实际受力状态相符的力学模型，并在具体设计时采取一定的构造措施，这样才能最大程度地避免此类裂缝的发生。

如果再遇到此类梁的开裂情况时，建议专业技术人员应首先进行相关的结构检测，并结合对开裂截面处的结构复核，进而针对具体情况提出对裂缝梁比较经济、合理有效的加固方案。

[1] CECS 03：88，钻芯法检测混凝土强度技术规程[S].

[2] GB/T 50784—2013，混凝土结构现场检测技术标准[S].

Akindofignoredconcretebeam-endcracks

WeiLiguo

(ShanxiAcademyofBuildingResearch,Taiyuan030001,China)

The paper illustrates building cracks with different degrees and different forms occurring in its construction and utilization process, introduces morphology and characteristics of a special kind of concrete beam-end inclined-crack by combining with actual engineering conditions, analyzes cracks forming causes by integrating with the calculation, and puts forward cracks preventing measures with specific detection scheme.

beam-end cracks, principal tension stress, secondary stress, bending moment, shearing force

TU312.3

：A

1009-6825(2017)24-0034-02

2017-06-15

魏利国(1965- )，男，工程师