晉 煒

(山西省建筑科學(xué)研究院，山西 太原 030001)

0 引言

近年來,我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，城市新建、擴(kuò)建、改建大量建筑，型鋼混凝土在建筑中運用廣泛，尤其在超高層及大跨結(jié)構(gòu)中尤為突出。我國在20世紀(jì)80年代開始型鋼混凝土結(jié)構(gòu)方面的研究。型鋼混凝土結(jié)構(gòu)就是在混凝土中配置型鋼，是以型鋼為鋼骨并在型鋼周圍配置鋼筋和澆筑混凝土構(gòu)件形式，內(nèi)置型鋼形式有如工字鋼、雙工字鋼、十字型鋼、角鋼、雙槽鋼、箱形方鋼管等。

型鋼混凝土的特點：1)充分利用材料，受力合理，充分利用鋼材抗拉性能和混凝土的抗壓性能，兩者融為一體，共同受力。2)抗側(cè)力好，穩(wěn)定性好，防火、耐久性好，兩者材料揚長避短，解決鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定及防火、防銹等，同時極大提高構(gòu)件的抗剪及構(gòu)件延性。3)施工周期縮短，施工方便，充分利用型鋼自身形成的鋼結(jié)構(gòu)體系，提高混凝土施工進(jìn)度。4)綜合經(jīng)濟(jì)效益好，較鋼結(jié)構(gòu)用鋼材省，且維護(hù)費用少，較鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，減少斷面，增加建筑面積。

1 工程概況

太原某建材商業(yè)綜合體，共計8個單體(1號～8號樓)，1號～8號樓地上5層，地下1層，單體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。地下1層為連為整體的地下車庫。1號～8號樓地上部分通過設(shè)置連廊相互連接，連廊一端作為單體邊跨，一端設(shè)抗震縫與另一單體脫離，結(jié)構(gòu)設(shè)計分區(qū)明確，連廊結(jié)構(gòu)設(shè)計為型鋼混凝土結(jié)構(gòu)(型鋼為內(nèi)置箱形方鋼管)，單體為混凝土框架結(jié)構(gòu)。主樓基礎(chǔ)型式為梁板式筏板基礎(chǔ)，連廊為柱下獨立基礎(chǔ)加防水板。施工中，施工組織安排為先施工單體主樓，后施工主樓間的連廊。但由于合同及經(jīng)濟(jì)糾紛，連廊施工明顯滯后，局部甚至停滯。2016年1月份(春節(jié)前)，現(xiàn)場人員發(fā)現(xiàn)多處連廊柱(設(shè)抗震縫側(cè))存在豎向細(xì)微裂縫，裂縫長度較長，但由于現(xiàn)場處于施工冬歇階段，現(xiàn)場人員并未足夠重視問題，待3月份左右(春節(jié)后)，現(xiàn)場需大面積開展工作時發(fā)現(xiàn)，連廊柱(設(shè)抗震縫側(cè))裂縫開展嚴(yán)重，局部地下室柱混凝土開裂剝離，觸目驚心。現(xiàn)場全面停工，排查問題原因。本文僅就問題最為嚴(yán)重的3號～4號間連廊柱說明問題，其他處情況類似。結(jié)構(gòu)平面圖見圖1，圖2，連廊地上層施工圖見圖3，柱開裂圖見圖4～圖6。

2 事故原因

為了進(jìn)一步觀察裂縫開展情況，3月份接受委托后，在現(xiàn)場開裂柱側(cè)面設(shè)置騎縫涂抹石膏餅，用于觀測裂縫的發(fā)展情況，經(jīng)過3個月的觀測發(fā)現(xiàn)，觀測初始階段(4月份～5月份)裂縫繼續(xù)發(fā)展，觀測后期階段(6月份)裂縫基本穩(wěn)定，局部還存在繼續(xù)開展情況，但速率已經(jīng)明顯減緩。從柱裂縫開展觀測可知，裂縫開展呈現(xiàn)一定規(guī)律，先柱側(cè)面局部或柱角豎向開裂，隨之裂縫向上下延伸，中間寬，兩頭細(xì)；存在多道豎向裂縫并排出現(xiàn)在柱一側(cè)現(xiàn)象；最為嚴(yán)重的裂縫是柱箱形方鋼管外側(cè)混凝土鼓曲，且與型鋼板剝離；地下層柱裂縫比地上層柱開裂嚴(yán)重。

根據(jù)裂縫開展情況及特點，分析結(jié)構(gòu)裂縫的思路按荷載、變形、材料三個因素分析問題，并希望結(jié)合以往工程經(jīng)驗來分析結(jié)構(gòu)柱開裂原因。

2.1 豎向力因素

根據(jù)原有圖紙計算可知，按型鋼混凝土柱計算，最大軸壓比計算值為0.17；考慮柱混凝土開裂失效及箱形方鋼管內(nèi)側(cè)未澆筑混凝土即按純箱形鋼結(jié)構(gòu)柱計算，最大軸壓比計算值為0.34。由此可以判定，在現(xiàn)場現(xiàn)有荷載下，豎向荷載難以讓型鋼混凝土開裂，更別說個別柱存在混凝土與型鋼剝落的嚴(yán)重開裂。

2.2 側(cè)向力因素

文獻(xiàn)[1]描述了三組型鋼混凝土試件在一定軸壓比下，當(dāng)柱頂受側(cè)向極限荷載作用下試件破壞形態(tài)：荷載較小時，無裂縫產(chǎn)生，隨著荷載加大至開裂荷載，柱子中下部兩側(cè)出現(xiàn)細(xì)微的水平裂縫，再次加大荷載，水平裂縫增加，出現(xiàn)多條剪切斜裂縫，并沿45°角方向向上或向下延伸，隨著數(shù)量的增加，裂縫不斷交匯，形成多條“X”形斜裂縫。文獻(xiàn)[2]介紹了結(jié)構(gòu)柱在一個方向受大約束，另一個方向受小約束時，受小約束方向柱抗側(cè)力差，易發(fā)生剪切破壞。當(dāng)遭遇結(jié)構(gòu)、溫度應(yīng)力、混凝土水化熱等因素，尤其地震作用下，結(jié)構(gòu)柱易在受剪弱的方向形成走向與水平方向成60°角的剪切裂縫。結(jié)合文獻(xiàn)和項目中柱裂縫發(fā)展特征可知，本項目中并未出現(xiàn)斜向裂縫，可以判定非側(cè)向力導(dǎo)致的裂縫。

2.3 地基變形因素

地基變形包括總沉降和差異沉降，通過調(diào)取第三方沉降觀測資料可知該區(qū)塊最大沉降量僅為11.84 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于200 mm(規(guī)范值)，差異沉降也滿足小于0.004(規(guī)范值)要求。再次如果是沉降變形導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)裂縫，應(yīng)該體現(xiàn)壓彎破壞形態(tài)，與項目現(xiàn)場柱開裂狀態(tài)不吻合，綜合考慮地基變形不是柱開裂的內(nèi)力主因。

2.4 材料因素

現(xiàn)場調(diào)查材料進(jìn)場資料，鋼材為正規(guī)廠家鋼材，合格證、復(fù)檢報告齊全并滿足設(shè)計要求；混凝土為正規(guī)廠家商品混凝土，同條件試塊強(qiáng)度滿足設(shè)計強(qiáng)度要求；現(xiàn)場超聲波檢測結(jié)構(gòu)柱，開裂型鋼混凝土柱并未發(fā)現(xiàn)明顯質(zhì)量缺陷。從柱裂縫開展情況可知，裂縫呈現(xiàn)一定規(guī)律，柱側(cè)面局部或柱角豎向開裂，隨之裂縫向上下延伸，中間寬，兩頭細(xì)；存在多道豎向裂縫并排出現(xiàn)在柱一側(cè)現(xiàn)象。裂縫應(yīng)為受力裂縫，非材料質(zhì)量問題導(dǎo)致的裂縫。

2.5 粘結(jié)滑移因素

國內(nèi)大量科研機(jī)構(gòu)研究表明：型鋼混凝土柱當(dāng)達(dá)到80%極限荷載以前,型鋼與混凝土之間的粘結(jié)滑移相對較小，之后則出現(xiàn)較大的粘結(jié)滑移。本項目根據(jù)實際施工進(jìn)度結(jié)合設(shè)計圖模擬計算，開裂嚴(yán)重的柱地下1層的柱軸壓比最大計算值為0.17(僅僅考慮純鋼結(jié)構(gòu)，鋼柱軸壓比最大計算值為0.34)，均小于0.80。如果按圖施工，規(guī)范操作，難以發(fā)生粘結(jié)滑移變形，故此類粘結(jié)滑移因素排除。

事故分析到此，柱開裂一定是內(nèi)力造成的結(jié)論是無疑的，但所有推斷在結(jié)構(gòu)工程經(jīng)驗及前人裂縫研究結(jié)論中一一否定，問題進(jìn)入了死結(jié)，難以解決。

為了盡快分析到問題的根源，我們在現(xiàn)場重新排查，拋開上面的經(jīng)驗分析，初步提出局部破損，通過觀察柱內(nèi)部實際情況查找原因。在此過程中我們意外發(fā)現(xiàn)未施工完的連廊柱箱形方鋼內(nèi)存滿雨水，可能是下雨天積水，無法排出，天長日久就存滿了(此時已接近7月份)。

通過對三個開裂最為嚴(yán)重的柱在距地1.8 m左右，鑿除型鋼外側(cè)混凝土500×500，切割200×200單側(cè)鋼板，準(zhǔn)備在型鋼內(nèi)部取混凝土芯樣，以便對問題進(jìn)一步調(diào)查。但切割型鋼鋼板過程中就不斷往外滲水，最后單側(cè)型鋼鋼板切開后發(fā)現(xiàn)，在距柱根部2.0 m左右，型鋼內(nèi)無混凝土，全部是水，在2.0 m以上調(diào)查發(fā)現(xiàn)是澆筑的混凝土如圖7，圖8所示。三個開裂的柱子情況類似。最后形成如下結(jié)論：連廊型鋼混凝土施工時，由于內(nèi)部型鋼柱先行施工，在樓層處型鋼梁連接處，柱內(nèi)設(shè)有內(nèi)襯鋼板，為方便澆筑箱形方鋼內(nèi)混凝土，內(nèi)襯鋼板中間開有孔洞，施工季適逢下雨，箱形方鋼內(nèi)灌滿雨水。待澆筑混凝土?xí)r，施工方并未按要求將方鋼管內(nèi)雨水排除，而是直接將泵管內(nèi)混凝土從孔內(nèi)卸料，在短時間內(nèi)下部來不及排除的雨水形成極大的水壓力，將骨料支撐，形成箱形方鋼管內(nèi)下部為雨水段，上部為混凝土段，待冬季來臨，水結(jié)冰，體積外擴(kuò)，形成巨大的膨脹力，而連廊抗震縫側(cè)，柱軸壓力小，柱外側(cè)約束力差，造成型鋼柱側(cè)面鋼板外鼓，混凝土開裂。

3 結(jié)語

1)本次工程事故是一次施工方未按要求操作造成的事故。事故再次提醒施工方嚴(yán)格按施工規(guī)范施工的必要性。但事故教訓(xùn)也值得設(shè)計人員思考：在后續(xù)型鋼混凝土豎向構(gòu)件設(shè)計時，如內(nèi)部型鋼為封閉式的如箱形方鋼管、圓管等時，可以在每樓層底部設(shè)構(gòu)造孔，方便雨水或雜物排除。

2)工程事故問題的分析，不僅要有豐富的工程經(jīng)驗，專業(yè)知識背景，還應(yīng)多因素，多角度對問題進(jìn)行分析。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳惠惠，劉 凡，王 帥．板壁式型鋼混凝土柱的擬靜力試驗研究[J].建筑科學(xué)，2016,32(1):48-52.

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[3] CECS 188:2005,鋼管混凝土疊合柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].