某型钢混凝土柱开裂事故分析

2018-07-04晋炜

山西建筑 2018年15期

晋炜

(山西省建筑科学研究院，山西太原 030001)

0 引言

近年来,我国经济高速发展，城市新建、扩建、改建大量建筑，型钢混凝土在建筑中运用广泛，尤其在超高层及大跨结构中尤为突出。我国在20世纪80年代开始型钢混凝土结构方面的研究。型钢混凝土结构就是在混凝土中配置型钢，是以型钢为钢骨并在型钢周围配置钢筋和浇筑混凝土构件形式，内置型钢形式有如工字钢、双工字钢、十字型钢、角钢、双槽钢、箱形方钢管等。

型钢混凝土的特点：1)充分利用材料，受力合理，充分利用钢材抗拉性能和混凝土的抗压性能，两者融为一体，共同受力。2)抗侧力好，稳定性好，防火、耐久性好，两者材料扬长避短，解决钢结构的稳定及防火、防锈等，同时极大提高构件的抗剪及构件延性。3)施工周期缩短，施工方便，充分利用型钢自身形成的钢结构体系，提高混凝土施工进度。4)综合经济效益好，较钢结构用钢材省，且维护费用少，较钢筋混凝土结构，减少断面，增加建筑面积。

1 工程概况

太原某建材商业综合体，共计8个单体(1号～8号楼)，1号～8号楼地上5层，地下1层，单体结构为钢筋混凝土框架结构。地下1层为连为整体的地下车库。1号～8号楼地上部分通过设置连廊相互连接，连廊一端作为单体边跨，一端设抗震缝与另一单体脱离，结构设计分区明确，连廊结构设计为型钢混凝土结构(型钢为内置箱形方钢管)，单体为混凝土框架结构。主楼基础型式为梁板式筏板基础，连廊为柱下独立基础加防水板。施工中，施工组织安排为先施工单体主楼，后施工主楼间的连廊。但由于合同及经济纠纷，连廊施工明显滞后，局部甚至停滞。2016年1月份(春节前)，现场人员发现多处连廊柱(设抗震缝侧)存在竖向细微裂缝，裂缝长度较长，但由于现场处于施工冬歇阶段，现场人员并未足够重视问题，待3月份左右(春节后)，现场需大面积开展工作时发现，连廊柱(设抗震缝侧)裂缝开展严重，局部地下室柱混凝土开裂剥离，触目惊心。现场全面停工，排查问题原因。本文仅就问题最为严重的3号～4号间连廊柱说明问题，其他处情况类似。结构平面图见图1，图2，连廊地上层施工图见图3，柱开裂图见图4～图6。

2 事故原因

为了进一步观察裂缝开展情况，3月份接受委托后，在现场开裂柱侧面设置骑缝涂抹石膏饼，用于观测裂缝的发展情况，经过3个月的观测发现，观测初始阶段(4月份～5月份)裂缝继续发展，观测后期阶段(6月份)裂缝基本稳定，局部还存在继续开展情况，但速率已经明显减缓。从柱裂缝开展观测可知，裂缝开展呈现一定规律，先柱侧面局部或柱角竖向开裂，随之裂缝向上下延伸，中间宽，两头细；存在多道竖向裂缝并排出现在柱一侧现象；最为严重的裂缝是柱箱形方钢管外侧混凝土鼓曲，且与型钢板剥离；地下层柱裂缝比地上层柱开裂严重。

根据裂缝开展情况及特点，分析结构裂缝的思路按荷载、变形、材料三个因素分析问题，并希望结合以往工程经验来分析结构柱开裂原因。

2.1 竖向力因素

根据原有图纸计算可知，按型钢混凝土柱计算，最大轴压比计算值为0.17；考虑柱混凝土开裂失效及箱形方钢管内侧未浇筑混凝土即按纯箱形钢结构柱计算，最大轴压比计算值为0.34。由此可以判定，在现场现有荷载下，竖向荷载难以让型钢混凝土开裂，更别说个别柱存在混凝土与型钢剥落的严重开裂。

2.2 侧向力因素

文献[1]描述了三组型钢混凝土试件在一定轴压比下，当柱顶受侧向极限荷载作用下试件破坏形态：荷载较小时，无裂缝产生，随着荷载加大至开裂荷载，柱子中下部两侧出现细微的水平裂缝，再次加大荷载，水平裂缝增加，出现多条剪切斜裂缝，并沿45°角方向向上或向下延伸，随着数量的增加，裂缝不断交汇，形成多条“X”形斜裂缝。文献[2]介绍了结构柱在一个方向受大约束，另一个方向受小约束时，受小约束方向柱抗侧力差，易发生剪切破坏。当遭遇结构、温度应力、混凝土水化热等因素，尤其地震作用下，结构柱易在受剪弱的方向形成走向与水平方向成60°角的剪切裂缝。结合文献和项目中柱裂缝发展特征可知，本项目中并未出现斜向裂缝，可以判定非侧向力导致的裂缝。

2.3 地基变形因素

地基变形包括总沉降和差异沉降，通过调取第三方沉降观测资料可知该区块最大沉降量仅为11.84 mm，远远小于200 mm(规范值)，差异沉降也满足小于0.004(规范值)要求。再次如果是沉降变形导致的结构裂缝，应该体现压弯破坏形态，与项目现场柱开裂状态不吻合，综合考虑地基变形不是柱开裂的内力主因。

2.4 材料因素

现场调查材料进场资料，钢材为正规厂家钢材，合格证、复检报告齐全并满足设计要求；混凝土为正规厂家商品混凝土，同条件试块强度满足设计强度要求；现场超声波检测结构柱，开裂型钢混凝土柱并未发现明显质量缺陷。从柱裂缝开展情况可知，裂缝呈现一定规律，柱侧面局部或柱角竖向开裂，随之裂缝向上下延伸，中间宽，两头细；存在多道竖向裂缝并排出现在柱一侧现象。裂缝应为受力裂缝，非材料质量问题导致的裂缝。

2.5 粘结滑移因素

国内大量科研机构研究表明：型钢混凝土柱当达到80%极限荷载以前,型钢与混凝土之间的粘结滑移相对较小，之后则出现较大的粘结滑移。本项目根据实际施工进度结合设计图模拟计算，开裂严重的柱地下1层的柱轴压比最大计算值为0.17(仅仅考虑纯钢结构，钢柱轴压比最大计算值为0.34)，均小于0.80。如果按图施工，规范操作，难以发生粘结滑移变形，故此类粘结滑移因素排除。

事故分析到此，柱开裂一定是内力造成的结论是无疑的，但所有推断在结构工程经验及前人裂缝研究结论中一一否定，问题进入了死结，难以解决。

为了尽快分析到问题的根源，我们在现场重新排查，抛开上面的经验分析，初步提出局部破损，通过观察柱内部实际情况查找原因。在此过程中我们意外发现未施工完的连廊柱箱形方钢内存满雨水，可能是下雨天积水，无法排出，天长日久就存满了(此时已接近7月份)。

通过对三个开裂最为严重的柱在距地1.8 m左右，凿除型钢外侧混凝土500×500，切割200×200单侧钢板，准备在型钢内部取混凝土芯样，以便对问题进一步调查。但切割型钢钢板过程中就不断往外渗水，最后单侧型钢钢板切开后发现，在距柱根部2.0 m左右，型钢内无混凝土，全部是水，在2.0 m以上调查发现是浇筑的混凝土如图7，图8所示。三个开裂的柱子情况类似。最后形成如下结论：连廊型钢混凝土施工时，由于内部型钢柱先行施工，在楼层处型钢梁连接处，柱内设有内衬钢板，为方便浇筑箱形方钢内混凝土，内衬钢板中间开有孔洞，施工季适逢下雨，箱形方钢内灌满雨水。待浇筑混凝土时，施工方并未按要求将方钢管内雨水排除，而是直接将泵管内混凝土从孔内卸料，在短时间内下部来不及排除的雨水形成极大的水压力，将骨料支撑，形成箱形方钢管内下部为雨水段，上部为混凝土段，待冬季来临，水结冰，体积外扩，形成巨大的膨胀力，而连廊抗震缝侧，柱轴压力小，柱外侧约束力差，造成型钢柱侧面钢板外鼓，混凝土开裂。