某厂房过街楼支座开裂原因分析及修复方案

2020-05-01吕朝坤钱少英江克勤

浙江建筑 2020年2期

关键词：梁端楼面牛腿

吕朝坤,钱少英,江克勤

(1.浙江省建筑科学设计研究院有限公司,浙江杭州 310012；2. 浙江省建设工程质量检验站有限公司, 浙江杭州 310012；3. 浙江建筑特种技术工程公司，浙江杭州 310012)

1 工程概况

杭州市滨江区某公司1号、2号厂房均为5层现浇钢筋混凝土框架结构,基础采用预应力管桩。该两幢厂房端部3层以上设有过街楼,过街楼梁板均采用现浇钢筋混凝土结构,沿过街楼跨度方向楼、屋面梁支撑在厂房边跨柱上,过街楼结构平面布置图见图1。

图1 过街楼平面布置图

2 支座开裂情况检测及相关技术资料调查

厂房及过街楼建于2005年,在后期的使用中发现过街楼与1号厂房交接处3～5层过街楼楼面梁支座存在开裂的情况,且部分支座开裂较为严重。2015年9月对过街楼结构构件的开裂情况进行了检测,为了较为全面地分析过街楼支座开裂的原因,对过街楼支座的混凝土强度、钢筋设置情况、混凝土保护层厚度以及相关构件的开裂情况进行了检测,并查阅了设计、施工等技术资料。现场检测图见图2,现场检测及调查情况如下：

图2 支座开裂图片

1)采用回弹法检测支座的混凝土抗压强度,并根据混凝土龄期对回弹检测结果实测值予以修正[1],所检测的结构构件混凝土抗压强度修正值在25.7～37.8 MPa之间,检测结果均满足混凝土设计强度等级C25的要求。

2)实测支座主筋根数、主筋直径符合设计要求；箍筋间距偏差在-10～+12 mm之间,箍筋间距基本满足设计要求；纵向钢筋混凝土保护层厚度设计值为30 mm,实测混凝土保护层厚在25～37 mm之间,实测结果基本满足设计要求。

3)3层支座沿过街楼跨度方向内侧顶部以下约500 mm范围内混凝土碎裂、局部脱落,支座顶部预留梁端部竖向插筋弯曲,支座上部楼面梁端部斜裂缝与支座混凝土开裂方向一致；4层和5层支座垂直于过街楼跨度方向两侧面顶部以下斜裂缝,测点最大裂缝宽度在0.4～5 mm,支座上部楼面梁端部存在与支座裂缝方向一致的斜裂缝,楼面梁裂缝测点最大宽度在0.4～5 mm之间。

4)根据过街楼设计图纸,边柱为变截面柱,1层和2层柱截面尺寸为600 mm×750 mm,3层和4层柱截面尺寸为600 mm×400 mm,其中3层和4层柱顶均设有牛腿作为楼面梁支座,2层柱顶作为3层楼面梁支座,2层柱顶及3层和4层牛腿顶面均设有4Ф16的插筋；根据施工期间的沉降观测资料,施工后期厂房沉降已基本进入稳定状态,且过街楼两端厂房柱沉降差较小。

3 支座开裂原因鉴定分析

支座开裂可能是由于过街楼两端柱基不均匀沉降、支座承载力不足以及支座与楼面梁节点构造不合理等原因引起。

1)根据厂房单桩竖向抗压静载试验结果,单桩竖向抗压承载力满足设计要求；根据厂房桩基低应变法检测结果,桩身完整性符合设计要求；根据沉降观测资料,过街楼两端厂房柱沉降差较小；过街楼墙体及结构布置与设计图纸相符,使用过程中不存在增加楼面使用荷载的情况。

2)过街楼3层楼面梁支座为变截面柱下柱,按局部受压计算柱顶支座承载力[2]：

Fl≤1.35βcβlfcAln

(1)

(2)

式中：Fl为受压面上作用的局部压力设计值,取楼面梁支座剪力设计值,N；

βc为混凝土强度影响系数,取1.0；

βl为混凝土局部受压时的强度提高系数；

fc为混凝土轴心抗压强度设计值,当构件混凝土抗压强度实测值低于设计强度等级时取实测值,高于设计强度等级时取设计值,N；

Aln为混凝土局部受压净面积,mm2；

Ab为局部受压的计算底面积,mm2；

Al为混凝土局部受压面积，mm2。

考虑到过街楼3层楼面梁端部加腋,端部加腋部分平面尺寸与支座平面尺寸相同,计算中取Aln=Ab=Al。

根据楼面荷载布置情况计算,受压面上作用的压力设计值为301 kN,支座局部承载力计算值偏安全的取为2 142 kN,支座受压承载力远大于梁端压力,所以3层楼面梁支座变截面柱承载力满足要求。

3)过街楼4层和5层柱顶均设有牛腿作为楼面梁的支座,根据现场检测数据及设计图纸对牛腿裂缝控制及纵向受力钢筋截面面积进行计算,其中不考虑作用于牛腿顶部难以定量的水平拉力值Fhk、Fh,作用于牛腿顶部的按荷载标准组合计算的竖向力Fvk为243 kN,牛腿顶部纵向受力钢筋面积AS为1 520 mm2,

1 072 kN

(3)

(4)

牛腿裂缝控制及纵向受力钢筋截面面积计算结果均满足规范要求,牛腿开裂不可能是由于裂缝控制不满足要求或纵向受力钢筋配筋不足引起的。

4)梁在荷载的长期作用下会产生不断增大的非线性长期变形,梁的长期变形可以分为徐变变形和收缩变形[3]。徐变变形与荷载有关,收缩变形主要是结构材料自身的变形,与外加荷载无关。梁的收缩变形相当于在梁的端部增加等效弯矩,从而引起梁端部产生位移。

过街楼竣工后为连接1号、2号厂房之间的通道,主要供管理人员通行及休憩,过街楼楼面梁为现浇钢筋混凝土结构,梁两端简支在边柱支座上,截面尺寸为250 mm×1 100 mm,跨度为11.20 m。根据设计图纸及现场查勘情况,过街楼楼面梁支座预埋4Ф16插筋,支座顶部设有钢垫板,预埋插筋穿过钢垫板后直接浇筑在梁端混凝土内。通常情况下楼面梁端部与支座连接节点设计为简支,支座与梁底设置滑动支座,在长期变形时梁端在支座上可以自由伸缩；支座插筋与梁共同浇筑后预留插筋相当于在梁端和支座之间设置锚固钢筋,插筋在上述连接状态下可以承受剪力,限制了梁端的伸缩,使梁端与支座之间的受力状态变得复杂,梁端受到的约束力为锚固钢筋的抗剪承载力[4](锚栓钢材破坏受剪承载力、混凝土边缘破坏受剪承载力与混凝土剪撬破坏受剪承载力三者中的最小值)。

锚筋锚栓钢材破坏受剪承载力：

(5)

混凝土边缘破坏受剪承载力：

18.8 kN

(6)

混凝土剪撬破坏受剪承载力：

8.5kN

(7)

(8)

由式(5)～(8)可得锚固钢筋受剪承载力为8.5 kN,即支座受到的水平力值超过8.5 kN就会出现开裂现象。

楼面梁在单位温度变化下的线性变形为：

Δl=ΔCαcl=1×1×10-5×11 200=0.112 mm

(9)

线应变为：

(10)

混凝土应力为：

σc=Εcε=2.8×104×1×10-5=0.28 N/mm2

(11)

钢筋应力为：

σs=Esε=2.1×105×1×10-5=2.1 N/mm2

(12)

考虑到楼面梁受长期荷载作用非线性长期变形的影响[5],单位线应变下梁端产生的水平力为：

F=δ(AsEsσs+AcEcσc)=0.5×(4 555×2.1+

0.28×270 445)=42.6 kN

(13)

根据以上计算结果分析,支座受剪承载力小于梁端水平力,因此支座边缘混凝土在梁端水平力作用下产生破坏。由于3层楼面梁支座为变截面柱下柱,支座顶部未配置纵向受力钢筋,故该支座边缘受损较为严重,柱顶内侧边缘混凝土拉裂、局部脱落；4层和5层牛腿由于配置纵向受力钢筋,受损情况较轻,仅产生竖向或斜向裂缝,牛腿内侧边缘混凝土未出现较严重的脱落现象。

综合上述情况分析,过街楼楼面梁支座开裂是由于梁端与支座节点连接构造不合理,梁端与支座节点受力状态由于插筋的设置发生了改变,沿梁跨度方向的变形受到约束,在支座顶部产生了水平附加力,引起了支座混凝土受剪破坏。

4 修复方案

割断支座受损边缘处外露的插筋,凿除梁和支座疏松的混凝土至坚实基面,采用清水冲净基层后用C40灌浆料进行修补。修补完成后对梁和支座裂缝进行封闭处理,裂缝处理完成后再对支座采用粘贴钢板的方式进行加固。

1)裂缝采用环氧树脂浆液灌注处理：施工前先用钢丝刷刷净裂缝并用压缩空气吹去浮尘；在裂缝起点、交叉点等裂缝宽度较大位置均匀粘贴进浆嘴；用速凝胶封闭上下裂缝后将配置好的浆液通过灌浆机进行加压灌浆；待灌浆完成72 h后,打掉进浆嘴并铲除混凝土面上的胶泥；采用环氧树脂浆液灌注处理时,应确保裂缝表面清理干净、封缝可靠,灌胶嘴安装间距合适,灌胶顺序要求规范,并确保灌胶密实。

2)粘贴钢板加固处理：凿除构件表面的粉刷层,并打磨至坚实基层,清除表面粉尘并清洗干净,保持基面干燥；钢板厚度为10 mm,钢板安装前应进行打磨除锈处理；钢板先采用化学锚栓固定,并将相邻钢板在支座角部拼接处采用点焊焊接后再进行压力注胶；采用结构胶粘贴钢板时应保证结构胶密实、厚度合适且均匀；钢板粘贴完成后表面应立即进行除锈和清洗处理,涂刷两道防锈漆后采用25 mm厚1∶3水泥砂浆防护(即在结构胶未干时进行拍砂处理,然后做粉刷),为增加粉刷层粘结力,可涂刷界面剂或采取其他措施进行处理。

本工程于2015年10月修复工作完成后使用至今,支座及楼面梁均未发现开裂等异常情况。