鋼筋混凝土屋面井字梁裂縫的分析
發(fā)布時間：2010-01-14 共1頁
1 工程概況
某幼兒園1995年8月開工，于1996年12月竣工交付使用，建筑面積1643m２，為一幢3層框架及部分磚混結(jié)構(gòu)建筑。鋼筋混凝土梁式樁基，三層局部樓面及屋面為井字梁結(jié)構(gòu)。于1999 年3月發(fā)現(xiàn)①～⑤軸、A～D軸間井字梁兩側(cè)屋面板底以下部位出現(xiàn)多道肉眼可見的垂直裂縫。在清除表面粉刷層后發(fā)現(xiàn)裂縫沿構(gòu)件截面高度呈上寬下窄狀，寬度約0.5～1mm ，多為表面裂縫，基本未貫穿梁底，且都分布在跨中區(qū)域，在LB梁上的分布多于LA1及LA2梁，同時井字梁的周邊梁與其下砌體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了明顯的錯位.
2 裂縫原因分析
(1)該樓共設(shè)8個沉降觀測點(diǎn)。根據(jù)基礎(chǔ)沉降觀測結(jié)果，由于為樁基礎(chǔ)，沉降量均較小，最 沉降量10.4mm，最小沉降量9.3mm，最差異沉降僅1.1mm，故可排除基礎(chǔ)沉降量過引起梁體裂縫的可能。
(2)對梁體進(jìn)行回彈測得混凝土強(qiáng)度等級達(dá)到C20，符合原設(shè)計要求，故可排除梁身混凝土強(qiáng) 度等級不足引起梁體開裂的可能。
(3)該井字梁結(jié)構(gòu)系夏季施工，原定屋面做法為剛性防水層上用1∶10水泥珍珠巖找坡，再做 架空層隔熱，而后考慮鋁白色SBS具有反光、防漏的雙重作用，而改用鋁白色塑膜面SBS防水卷材 替代架空層。通過實(shí)地檢查發(fā)現(xiàn)，該防水材料已老化變質(zhì)，其上鋁白色也已退盡。寧波地區(qū)冬季最低室外溫度在-5℃左右，室內(nèi)溫度可達(dá)到10℃，夏季室外溫度可達(dá)到38℃左右，在陽光直射處則可達(dá)到45℃以上，室內(nèi)溫度為30℃左右。該井字梁層面上雖做有珍珠巖找坡層， 但厚度較薄，且其上SBS已失去原有的反光作用，故該層面保溫性較差，梁體的室內(nèi)外溫差無論冬夏季至少在10℃以上。
3 設(shè)計計算的復(fù)核
現(xiàn)以LB梁為例進(jìn)行裂縫寬度復(fù)核。該構(gòu)件的裂縫控制等級應(yīng)為三級，最裂縫允許寬度為0 .3mm。復(fù)核工作分兩部分進(jìn)行。
(1)按受彎構(gòu)件驗(yàn)算梁體裂縫寬度，其最不利情況應(yīng)是荷載效應(yīng)與溫度效應(yīng)產(chǎn)生的彎矩疊加 。 因該梁是夏季施工的，冬季則產(chǎn)生收縮變形，梁頂與梁底的溫差使梁頂收縮于梁底，因此 ，冬季溫度效應(yīng)產(chǎn)生的跨中彎矩與荷載效應(yīng)產(chǎn)生的跨中彎矩是同號的，即冬季二者的影響是疊加的。
經(jīng)計算得屋面綜合荷載q＝7.58kN/m２，區(qū)格的長a和寬b分別為3.4m和3m，則荷載效應(yīng)產(chǎn)生的彎矩
Ml＝0.34qa２b＝0.34×7.58 ×3.4２×3＝4kN·m
而由構(gòu)件上下表面溫差產(chǎn)生的溫度彎矩Mt：
Mt＝ＥＩαΔt/h＝Ｅbh２αΔt/1 2＝2.55×１０４×２５０×７００×７００×１０^－５×１０／１２＝２６００００００Ｎ·mm＝２６kN·m
其中E為C20混凝土彈性模量取2.55×10４N/mm２；α為C20混凝土線膨脹系數(shù)，取1×1 0^－５，I為構(gòu)件截面慣性矩，矩形時為bh^３／１２，(b為構(gòu)件寬250mm，h為構(gòu)件高度700mm)；Δt為構(gòu)件上、下表面溫差，取為10℃。
因而M＝Ml＋Mt＝８９.4＋２６＝１１５.4k N·m
按《混凝土設(shè)計規(guī)范(GBJ 10-89)》受彎構(gòu)件公式算得最裂縫寬度Ｗmax＝0.215mm＜0.3mm。
(2)按受拉構(gòu)件驗(yàn)算梁體裂縫寬度。由于該梁為夏季施工，冬季則產(chǎn)生收縮變形，但受支座的約束，在混凝土內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力。如夏季施工時的溫度為35℃，冬季按0℃計算，則冬夏溫 差將達(dá)35℃左右。如近似按軸心受拉構(gòu)件驗(yàn)算，則可算得最裂縫寬度Ｗmax＝0.82mm＞0.3mm。
由計算過程中得知，溫度變形產(chǎn)生的伸縮應(yīng)力很(本例為781kN)，雖然計算中已考慮了鋼筋 混凝土構(gòu)件同磚混結(jié)構(gòu)的協(xié)同變形因素，但由于兩者的線膨脹系數(shù)不同，磚混部分還是對構(gòu)件產(chǎn)生了較的約束。
(3)很明顯，本工程屋面井字梁側(cè)面出現(xiàn)裂縫的主要原因是由于冬夏季溫差引起的混凝土收縮變形以及冬季室內(nèi)外溫差所產(chǎn)生內(nèi)力效應(yīng)的影響疊加于荷載效應(yīng)的綜合作用結(jié)果。因該梁是在夏季施工的，而且保溫隔熱措施較差，在冬季的低溫下，沿梁長方向產(chǎn)生收縮。當(dāng)收縮變形受到支座的約束時，在梁體內(nèi)產(chǎn)生了拉應(yīng)力。由于混凝土的抗拉強(qiáng)度較低，當(dāng)拉應(yīng)力超過抗拉強(qiáng)度時，便產(chǎn)生裂縫。此外，設(shè)計中沒有按構(gòu)件由于溫度收縮變形引起的拉應(yīng)力進(jìn)行抗拉強(qiáng)度驗(yàn)算，抗拉筋明顯不足，也是導(dǎo)致井字梁構(gòu)件裂縫的主要原因之一。由于LA1、L A2梁配筋于LB梁，故裂縫在LB梁上分布較廣。
4 處理措施
該工程從竣工到發(fā)現(xiàn)裂縫已經(jīng)過兩年多時間，此后又經(jīng)過近三個月的現(xiàn)場裂縫發(fā)展的觀測， 證實(shí)裂縫的開展已處于穩(wěn)定狀態(tài)。引起構(gòu)件裂縫的主要因素——混凝土收縮變形由于各種井字梁及 其支承系統(tǒng)的協(xié)調(diào)變形已趨穩(wěn)定，同時按溫度效應(yīng)與荷載效應(yīng)組合驗(yàn)算構(gòu)件抗彎強(qiáng)度證明梁截面承載力能夠滿足使用要求，故工程上僅按溫度裂縫的因素對構(gòu)件作了如下處理。
(1)改善屋面保溫性能?？紤]到原有屋面防水材料SBS已老化變質(zhì)，為防止屋面滲漏，揭去重 做。同時重新在屋面上鋪設(shè)了架空層，以降低梁體的冬夏季溫差與室內(nèi)外溫差。
(2)鑒于構(gòu)件裂縫寬度較小，故采用表面處理法施工。具體方法為：鑿去裂縫兩側(cè)各寬5cm范圍內(nèi)的粉刷層，對裂縫處用水沖洗，然后刷摻有107膠的水泥漿，最后用1∶2水泥砂漿抹平鑿出的凹槽。對井字梁邊梁與支承墻體間的錯位處，先貼上寬300mm的鉛絲網(wǎng)，再用水泥砂漿進(jìn)行重新粉刷。同時在構(gòu)件修補(bǔ)后經(jīng)過一年左右的跟蹤觀測，沒有發(fā)現(xiàn)新裂縫產(chǎn)生，因此可以認(rèn)定以上分析結(jié)果以及裂縫處理方法是正確的。
5 結(jié)束語
對于象井字梁構(gòu)件這類體量較，相互之間約束又較多的混凝土構(gòu)件，為防止產(chǎn)生溫度裂縫 可采取如下一些措施：
(1)選擇適宜的季節(jié)澆注混凝土。因?yàn)榛炷恋目估瓘?qiáng)度較低，為防止其收縮變形使梁體內(nèi) 產(chǎn) 生拉應(yīng)力，應(yīng)盡量選擇溫度低的季節(jié)澆注。必須在熱天澆筑時，可采用冰水或深井水拌制， 或設(shè)置簡易的遮陽裝置，并對骨料進(jìn)行噴水預(yù)冷卻，以降低混凝土的攪拌和澆筑溫度。
(2)選用水化熱小和收縮小的水泥(如礦渣水泥、粉煤灰水泥)，選用級配良好的骨料，并嚴(yán)格控制砂、石子的含熱量，盡量降低水灰比，合理使用減水劑，加強(qiáng)振搗，以減少水化熱， 提高混凝土的密實(shí)性和抗拉強(qiáng)度。
(3)做好保溫隔熱工作，盡量減少構(gòu)件的冬夏季溫差和室內(nèi)外溫差。
(4)加強(qiáng)設(shè)計驗(yàn)算工作，對構(gòu)件因冬夏季溫差引起的伸縮變形和室內(nèi)外溫差引起的彎曲變形 進(jìn)行裂縫寬度驗(yàn)算，配足抗拉鋼筋。
(5)盡量采用獨(dú)立的結(jié)構(gòu)形式，使構(gòu)件能夠進(jìn)行自由的伸縮變形。
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某幼兒園1995年8月開工，于1996年12月竣工交付使用，建筑面積1643m２，為一幢3層框架及部分磚混結(jié)構(gòu)建筑。鋼筋混凝土梁式樁基，三層局部樓面及屋面為井字梁結(jié)構(gòu)。于1999 年3月發(fā)現(xiàn)①～⑤軸、A～D軸間井字梁兩側(cè)屋面板底以下部位出現(xiàn)多道肉眼可見的垂直裂縫。在清除表面粉刷層后發(fā)現(xiàn)裂縫沿構(gòu)件截面高度呈上寬下窄狀，寬度約0.5～1mm ，多為表面裂縫，基本未貫穿梁底，且都分布在跨中區(qū)域，在LB梁上的分布多于LA1及LA2梁，同時井字梁的周邊梁與其下砌體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了明顯的錯位.
2 裂縫原因分析
(1)該樓共設(shè)8個沉降觀測點(diǎn)。根據(jù)基礎(chǔ)沉降觀測結(jié)果，由于為樁基礎(chǔ)，沉降量均較小，最 沉降量10.4mm，最小沉降量9.3mm，最差異沉降僅1.1mm，故可排除基礎(chǔ)沉降量過引起梁體裂縫的可能。
(2)對梁體進(jìn)行回彈測得混凝土強(qiáng)度等級達(dá)到C20，符合原設(shè)計要求，故可排除梁身混凝土強(qiáng) 度等級不足引起梁體開裂的可能。
(3)該井字梁結(jié)構(gòu)系夏季施工，原定屋面做法為剛性防水層上用1∶10水泥珍珠巖找坡，再做 架空層隔熱，而后考慮鋁白色SBS具有反光、防漏的雙重作用，而改用鋁白色塑膜面SBS防水卷材 替代架空層。通過實(shí)地檢查發(fā)現(xiàn)，該防水材料已老化變質(zhì)，其上鋁白色也已退盡。寧波地區(qū)冬季最低室外溫度在-5℃左右，室內(nèi)溫度可達(dá)到10℃，夏季室外溫度可達(dá)到38℃左右，在陽光直射處則可達(dá)到45℃以上，室內(nèi)溫度為30℃左右。該井字梁層面上雖做有珍珠巖找坡層， 但厚度較薄，且其上SBS已失去原有的反光作用，故該層面保溫性較差，梁體的室內(nèi)外溫差無論冬夏季至少在10℃以上。
3 設(shè)計計算的復(fù)核
現(xiàn)以LB梁為例進(jìn)行裂縫寬度復(fù)核。該構(gòu)件的裂縫控制等級應(yīng)為三級，最裂縫允許寬度為0 .3mm。復(fù)核工作分兩部分進(jìn)行。
(1)按受彎構(gòu)件驗(yàn)算梁體裂縫寬度，其最不利情況應(yīng)是荷載效應(yīng)與溫度效應(yīng)產(chǎn)生的彎矩疊加 。 因該梁是夏季施工的，冬季則產(chǎn)生收縮變形，梁頂與梁底的溫差使梁頂收縮于梁底，因此 ，冬季溫度效應(yīng)產(chǎn)生的跨中彎矩與荷載效應(yīng)產(chǎn)生的跨中彎矩是同號的，即冬季二者的影響是疊加的。
經(jīng)計算得屋面綜合荷載q＝7.58kN/m２，區(qū)格的長a和寬b分別為3.4m和3m，則荷載效應(yīng)產(chǎn)生的彎矩
Ml＝0.34qa２b＝0.34×7.58 ×3.4２×3＝4kN·m
而由構(gòu)件上下表面溫差產(chǎn)生的溫度彎矩Mt：
Mt＝ＥＩαΔt/h＝Ｅbh２αΔt/1 2＝2.55×１０４×２５０×７００×７００×１０^－５×１０／１２＝２６００００００Ｎ·mm＝２６kN·m
其中E為C20混凝土彈性模量取2.55×10４N/mm２；α為C20混凝土線膨脹系數(shù)，取1×1 0^－５，I為構(gòu)件截面慣性矩，矩形時為bh^３／１２，(b為構(gòu)件寬250mm，h為構(gòu)件高度700mm)；Δt為構(gòu)件上、下表面溫差，取為10℃。
因而M＝Ml＋Mt＝８９.4＋２６＝１１５.4k N·m
按《混凝土設(shè)計規(guī)范(GBJ 10-89)》受彎構(gòu)件公式算得最裂縫寬度Ｗmax＝0.215mm＜0.3mm。
(2)按受拉構(gòu)件驗(yàn)算梁體裂縫寬度。由于該梁為夏季施工，冬季則產(chǎn)生收縮變形，但受支座的約束，在混凝土內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力。如夏季施工時的溫度為35℃，冬季按0℃計算，則冬夏溫 差將達(dá)35℃左右。如近似按軸心受拉構(gòu)件驗(yàn)算，則可算得最裂縫寬度Ｗmax＝0.82mm＞0.3mm。
由計算過程中得知，溫度變形產(chǎn)生的伸縮應(yīng)力很(本例為781kN)，雖然計算中已考慮了鋼筋 混凝土構(gòu)件同磚混結(jié)構(gòu)的協(xié)同變形因素，但由于兩者的線膨脹系數(shù)不同，磚混部分還是對構(gòu)件產(chǎn)生了較的約束。
(3)很明顯，本工程屋面井字梁側(cè)面出現(xiàn)裂縫的主要原因是由于冬夏季溫差引起的混凝土收縮變形以及冬季室內(nèi)外溫差所產(chǎn)生內(nèi)力效應(yīng)的影響疊加于荷載效應(yīng)的綜合作用結(jié)果。因該梁是在夏季施工的，而且保溫隔熱措施較差，在冬季的低溫下，沿梁長方向產(chǎn)生收縮。當(dāng)收縮變形受到支座的約束時，在梁體內(nèi)產(chǎn)生了拉應(yīng)力。由于混凝土的抗拉強(qiáng)度較低，當(dāng)拉應(yīng)力超過抗拉強(qiáng)度時，便產(chǎn)生裂縫。此外，設(shè)計中沒有按構(gòu)件由于溫度收縮變形引起的拉應(yīng)力進(jìn)行抗拉強(qiáng)度驗(yàn)算，抗拉筋明顯不足，也是導(dǎo)致井字梁構(gòu)件裂縫的主要原因之一。由于LA1、L A2梁配筋于LB梁，故裂縫在LB梁上分布較廣。
4 處理措施
該工程從竣工到發(fā)現(xiàn)裂縫已經(jīng)過兩年多時間，此后又經(jīng)過近三個月的現(xiàn)場裂縫發(fā)展的觀測， 證實(shí)裂縫的開展已處于穩(wěn)定狀態(tài)。引起構(gòu)件裂縫的主要因素——混凝土收縮變形由于各種井字梁及 其支承系統(tǒng)的協(xié)調(diào)變形已趨穩(wěn)定，同時按溫度效應(yīng)與荷載效應(yīng)組合驗(yàn)算構(gòu)件抗彎強(qiáng)度證明梁截面承載力能夠滿足使用要求，故工程上僅按溫度裂縫的因素對構(gòu)件作了如下處理。
(1)改善屋面保溫性能?？紤]到原有屋面防水材料SBS已老化變質(zhì)，為防止屋面滲漏，揭去重 做。同時重新在屋面上鋪設(shè)了架空層，以降低梁體的冬夏季溫差與室內(nèi)外溫差。
(2)鑒于構(gòu)件裂縫寬度較小，故采用表面處理法施工。具體方法為：鑿去裂縫兩側(cè)各寬5cm范圍內(nèi)的粉刷層，對裂縫處用水沖洗，然后刷摻有107膠的水泥漿，最后用1∶2水泥砂漿抹平鑿出的凹槽。對井字梁邊梁與支承墻體間的錯位處，先貼上寬300mm的鉛絲網(wǎng)，再用水泥砂漿進(jìn)行重新粉刷。同時在構(gòu)件修補(bǔ)后經(jīng)過一年左右的跟蹤觀測，沒有發(fā)現(xiàn)新裂縫產(chǎn)生，因此可以認(rèn)定以上分析結(jié)果以及裂縫處理方法是正確的。
5 結(jié)束語
對于象井字梁構(gòu)件這類體量較，相互之間約束又較多的混凝土構(gòu)件，為防止產(chǎn)生溫度裂縫 可采取如下一些措施：
(1)選擇適宜的季節(jié)澆注混凝土。因?yàn)榛炷恋目估瓘?qiáng)度較低，為防止其收縮變形使梁體內(nèi) 產(chǎn) 生拉應(yīng)力，應(yīng)盡量選擇溫度低的季節(jié)澆注。必須在熱天澆筑時，可采用冰水或深井水拌制， 或設(shè)置簡易的遮陽裝置，并對骨料進(jìn)行噴水預(yù)冷卻，以降低混凝土的攪拌和澆筑溫度。
(2)選用水化熱小和收縮小的水泥(如礦渣水泥、粉煤灰水泥)，選用級配良好的骨料，并嚴(yán)格控制砂、石子的含熱量，盡量降低水灰比，合理使用減水劑，加強(qiáng)振搗，以減少水化熱， 提高混凝土的密實(shí)性和抗拉強(qiáng)度。
(3)做好保溫隔熱工作，盡量減少構(gòu)件的冬夏季溫差和室內(nèi)外溫差。
(4)加強(qiáng)設(shè)計驗(yàn)算工作，對構(gòu)件因冬夏季溫差引起的伸縮變形和室內(nèi)外溫差引起的彎曲變形 進(jìn)行裂縫寬度驗(yàn)算，配足抗拉鋼筋。
(5)盡量采用獨(dú)立的結(jié)構(gòu)形式，使構(gòu)件能夠進(jìn)行自由的伸縮變形。
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