楊 青 楊國兵
(1.滁州學院土木與建筑工程學院,安徽 滁州 239000; 2.安徽滁州技師學院,安徽 滁州 239000)
裂縫是混凝土與生俱來的產物。產生裂縫的原因與機理一直是廣大學者、專家與工程技術人員探究的技術問題,混凝土結構使用中水分的滲透,被認為是通過混凝土內部由于原材料成分的物理、化學變化或配比或施工原因(如振搗不實),由混凝土內部水泥膠凝結構中的毛細管連通形成的,一般來說,大多數滲水部分是由于施工縫處理不當造成,滲(透)水是水池、水箱等構筑物所不能接受的損害結構功能性的現象,至少,它會造成水泥水化物Ca(OH)2的不斷溶出,導致混凝土強度下降、凍害及鋼筋銹蝕引起混凝土結構承載力和耐久性大幅下降,促使混凝土進一步劣化。
裂縫的發(fā)生原因通常包括幾種(見圖1),分析裂縫產生的機理,必須進行現場調查,借助于裂縫卡、刻度放大鏡和超聲儀,可以檢測裂縫的癥狀與位置參數(如裂縫的長度寬度深度),記錄在展開分析圖上,以期判斷是否影響結構的承載力、正常使用、耐久性,直至確定修復的方法,影響結構安全性的裂縫必須消除,加固補強或重建,一般耐久性裂縫大于0.4 mm~0.6 mm的活裂縫必須處理[1],小于0.2 mm~0.3 mm的穩(wěn)定裂縫可簡單處理或不處理,對影響結構使用功能要求如防水性能,裂縫大于0.2 mm的活裂縫必須處理,小于0.05 mm的穩(wěn)定裂縫可簡單處理或不處理。
某企業(yè)新建一露天地上鋼筋混凝土結構污水處理池[2],污水池長寬高尺寸為21 m×7 m×6 m(見圖2),水池分三格,水池壁等厚度300 mm,底板厚600 mm,池壁鋼筋Ⅰ級,豎向配筋Φ12@200,水平配筋Φ10@200,混凝土強度等級C20,池壁分三次澆筑,設兩道水平施工縫。
竣工驗收投入使用后,該污水處理池即發(fā)現有輕微裂縫,引起業(yè)主警覺(業(yè)主單位原來對施工單位的施工態(tài)度就不太滿意,意追責),當即通知施工單位與監(jiān)理單位,經觀察,滲水部位主要集中在兩道水平施工縫處,其他部位也有發(fā)現,環(huán)視水池四周,均有不同形狀的裂縫。監(jiān)理單位下達工程(質量整改)監(jiān)理通知單,要求施工單位查明原因盡快拿出整改方案報監(jiān)理審批后,著手進行修補。不料,10 d后,裂縫尚未來得及修補,漏水現象更為嚴重,裂縫寬度又有新進展。無奈,責成由施工單位負責聘請幾位專家現場進一步進行診斷。
幾位專家在現場勘察水池裂縫走向,整理出裂縫現狀圖如圖3所示。專家結合圖紙分析認為,該污水處理池的池壁出現的裂縫不一定完全就是施工原因造成的,從施工圖紙的表述看,并不能排除設計方面原因,有些明顯的構造要求,圖紙均沒有反映出。如作為水池,混凝土的強度等級不應低于C25,池壁與底板交接支座處未設置加勁腋。專家分析,水池除卻施工縫水平裂縫外,其下半部出現的“規(guī)則”斜裂縫似乎在暴露出“雙向板結構方面的問題”。
依據文獻[3]進行池壁抗彎復核計算如下:(本案底板沒有問題,地基承載力、池壁板抗剪強度足夠,計算未展開)為計算池壁承載力極限狀態(tài)作用效應基本組合設計值,根據水池類型及工況,恒載考慮污水壓力,活載考慮溫(濕)度作用。
污水重度取10.5 kN/m3,對池壁根部,水壓計算凈高取5.1 m,取1 m寬池壁為計算單元,永久作用的分項系數取1.27,水壓根部造成的荷載設計值為:
q=1.27×5.1×10.5=68 kN·m/m。
池壁水壓力彎矩計算圖如圖4所示,彎矩系數見表1,按以下公式計算彎矩,計算彎矩值見表2。
其中,Mx(M′x)為三邊固定、頂端鉸支雙向板水平向跨中(支座)彎矩;My(M′y)為三邊固定、頂端鉸支雙向板豎直向跨中(支座)彎矩;mx,m′x,my,m′y均為彎矩系數,見表1,可通過插入法取得。
表1 三邊固定、頂端鉸支雙向板在非齊頂壓力作用下的彎矩系數
表2 池壁(雙向板)水壓彎矩計算 kN·m/m
如圖5所示,考慮濕度作用,暴露在大氣中的水池池壁的溫差按Δt=10 ℃計算,三邊固定、頂端鉸支,按以下公式計算彎矩,彎矩系數見表3,計算彎矩值見表4。
Mxt=kxtαcΔtEch2ηs,Myt=kytαcΔtEch2ηs。
其中,Mxt,Myt分別為壁面濕度當量溫差引起壁板x,y方向的彎矩,kN·m/m;kxt,kyt分別為壁板x方向和y方向的彎矩系數;Ec為混凝土彈性模量,取3.0×104N/mm2;ηs為折減系數,按0.65采用;αc為混凝土線膨脹系數,取1×10-5/℃;h為壁板厚度。
表3 三邊固定、頂端鉸支雙向板在溫差作用下的彎矩系數
表4 池壁(雙向板)溫差彎矩計算 kN·m/m
污水池按承載能力極限狀態(tài)作用效應基本組合公式有:
S=γG1C1GG1k+γG(CwFwk+CsvFsv,k+CepFep,k+
CpFpk+CsΔsk)+ψcγQ(CQQk+Cmqmk+CtFtk)。
對于本案,上式可簡化為:S=γGCwFwk+γoCtFtk。
根據該公式,可得池壁最后彎矩見表5。
表5 池壁(雙向板)最終彎矩計算結果 kN·m/m
再根據受彎構件正截面承載力計算公式,可計算池壁配筋,見表6。
表6 池壁(雙向板)最終配筋計算結果 mm2/m
現場對污水池池壁檢測,壁厚(300±8) mm基本沒問題,查看混凝土供應商現場進料單及混凝土強度回彈檢測,結論是:混凝土實際強度僅達到C18(設計強度是C20)。
從施工縫裂縫處開鑿,發(fā)現鋼筋混凝土保護層僅為15 mm,鋼筋保護層明顯不足(按水池結構規(guī)程,污水池最小為35 mm)且設置鋼板止水板位置明顯偏(下)移,露出豎向與水平受力筋(雙層雙向)型號、根數、位置與圖紙(鋼筋Ⅰ級,豎向配筋Φ12@200,水平配筋Φ10@200)吻合。這就證明了施工單位在按圖施工方面,的確存在一些偏差,特別是混凝土澆筑振搗與養(yǎng)護不到位(混凝土強度未達到設計強度),但大面積裂縫真正原因是設計方面存在嚴重缺陷。池壁厚度及根部水平和豎向受力鋼筋嚴重不足,造成結構實際承載遠遠超越其極限承載力,特別是池壁下部分的裂縫是結構性裂縫,是重大安全隱患。
原設計圖紙的池壁壁板水平跨中、支座實際配筋僅為理論值的67%和34%,豎向跨中、支座實際配筋也僅為理論值的92.2%和39.1%,這是一起典型的雙向板跨中及支座承載力嚴重不足的案例,所發(fā)生的現場裂縫的特征也完全符合其受力情況。故而出現受拉正截面承載力不足的明顯裂縫特征(實際上,隨著日后溫度荷載的加入,此裂縫發(fā)展后果將更為嚴重)。
現場實測與力學計算表明,這次質量事故的根本原因是,設計單位圖紙設計質量低劣,審核人員沒有把好關。現場施工人員施工工藝水平及施工態(tài)度是次要原因,造成嚴重危及結構安全的事故發(fā)生,同時項目監(jiān)理人員也沒有及時發(fā)現隱患所致。
針對現場事故原因,根據復核計算結果,專家決定采用在原池壁基礎上加“外套”方案進行加固處理。
1)要求施工單位根據專家意見(專家簽字)編制事故處理方案,報監(jiān)理單位審批后實施;
2)鑿毛原池壁混凝土,露出原內外雙層鋼筋網片,剔除松動的石子,用清水沖洗;
3)加強原施工縫處止水帶與混凝土之間節(jié)點接頭處理,必要時聘請有資質單位處理;
4)在原池壁鋼筋外重新綁扎鋼筋網片,實行包封池壁,使所有池壁厚度達到460 mm。鋼筋Ⅲ級,豎向配筋Φ18@100,水平配筋Φ16@100,通過脹錨螺栓M14(@600 mm×600 mm),使其與加固鋼筋焊牢;
5)增加所有池壁支座加筋構造處理;
6)在原池壁構件實體上進行“擴大截面”時,確保混凝土保護層厚度達到35 mm。 “新截面”,監(jiān)理嚴格隱蔽工程驗收,新澆筑的混凝土強度采用C30抗?jié)BP6級(考慮新舊混凝土結合帶來強度降低,實際仍按C25強度參數計算);
7)加強新澆筑混凝土養(yǎng)護,使混凝土強度達到設計值,經監(jiān)理單位驗收合格后,方可組織驗收,驗收合格后投入使用。
經近3年觀測,該污水處理池池壁未見任何裂縫及滲水現象,說明污水池加固補強處理成功。
據相關文獻研究表明,與英國、美國和日本相比,我國混凝土結構裂縫發(fā)生的原因之一是由于設計恒荷載和活荷載標準值取值明顯較低,而材料的強度設計值又明顯高于前述國家,這就導致結構的抗力比其他國家低。但是,這絕不是成為我們對混凝土結構產生裂縫的借口,我們在面對建筑或構筑物裂縫進行分析和探討時,查明有害裂縫原因給出合理的解釋,并進行針對性處理非常必要。