某钢筋混凝土框架结构开裂原因分析

蒋志军，陈 伟，郑开彬，段佐刚

（1.重庆市建筑科学研究院有限公司，重庆 400020；2.重庆市建设工程质量检验测试中心有限公司，重庆 400020）

0 引言

混凝土结构作为一种最常见的结构形式，由于其施工工艺成熟、耐久性好等优点，已成为建设工程领域中的主要结构形式。随着混凝土结构的大量应用，其自身存在的一些问题，尤其是裂缝问题，变得越来越普遍。虽然说裂缝是伴随着混凝土结构出现的，无法完全避免，但对于某些因变形或受外力作用引起的开裂和变形，应重点进行关注，并及时进行结构安全鉴定和维修加固，排除相应安全隐患。

对于混凝土结构开裂原因的分析和鉴定，目前有很多学者和工程师已进行过大量有益的研究与探讨［1-4］，本文通过对某在建工程混凝土开裂情况进行现场检测，分析引起开裂的原因，给出了相应的处理措施。

1 工程概况

工程为多层框架结构（主要为无梁楼盖），总建筑面积约 2 200 m2。该工程（G）-（V）/（2）-（6）轴范围基础采用机械成孔灌注桩基础，桩基础持力层为中风化泥岩，中风化泥岩的天然单轴抗压强度标准值为 6.4 MPa，其地基承载力设计特征值为 2.53 MPa。

该工程主体结构设计合理使用年限 50 年，结构安全等级为二级，结构重要性系数 1.0；抗震设防烈度为 6 度；设计基本地震加速度 0.05g；设计地震分组为第一组；抗震设防类别为标准设防类（丙类）；基本风压值 0.40 kN/m2，地面粗糙度类别为 C 类。基顶～7.7 m（绝对标高 308.8 m）层（G）-（V）/（2）-（6）轴范围现浇柱、梁、板及柱帽的混凝土设计强度等级均为 C30。

房屋在修建过程中，由于施工临时道路的隔断，部分区域结构尚未修建。在对结构已建部分挡墙外侧填土施工时，发现部分梁柱节点以及柱出现不同程度的开裂现象。

2 现场情况调查

2.1 混凝土构件开裂状况调查

现场对该项目委托范围现浇柱、墙、梁、板外观进行检查，发现委托范围的部分构件存在不同程度的开裂情况。具体如下。

1）-1 层（基顶至 305.0～308.5 m 标高范围）现浇柱普遍存在开裂现象，裂缝主要分布在柱顶、柱底部位，U形水平裂缝，个别柱裂缝为 L 形水平裂缝，底部裂缝与顶部裂缝为反方向，部分现浇柱倾斜明显。

2）-1 层、1 层（基顶至 308.8 m 标高范围）地下室外墙存在竖向、斜向裂缝以及不规则龟裂，部分裂缝呈现下大上小的特征。

3）-1 层（305.0～308.5 m 标高范围）部分现浇梁与现浇柱交接处底部存在开裂现象。

4）-1 层（绝对标高 305.0～308.8 m）柱、梁、板等现浇构件未发现明显开裂、破损及变形缺陷。

现场典型裂缝图片如图 1～图 3 所示。

图1 基顶～307.9 m 6/Q 轴柱柱顶处环向裂缝（最大宽度 δ max=2.0 mm）

图2 基顶～307.9m 6/S 轴柱柱底处环向裂缝（最大宽度 δ max=2.0 mm）

图3 305.0 m 5/H-U 轴梁柱节点处水平裂缝（最大宽度 δmax=5.0 mm）

2.2 混凝土柱倾斜状况调查

现场采用全站仪对部分柱、墙垂直度进行检测。现场共检测 89 根柱，所抽测柱子倾斜值范围为20.8～279.7 mm，远大于倾斜值允许值（20.3 mm）。现场柱倾斜情况如图 4、图 5 所示。

图4 基顶～305.0 m 3/T 轴柱倾斜照片（倾斜值：172.7 mm）

图5 基顶～308.5 m 5/T 轴柱倾斜照片（倾斜值：257.1 mm）

2.3 结构构件基本情况

对现场的混凝土强度、构件截面尺寸及配筋情况进行了抽查，抽查结果满足原设计要求。

2.4 挡墙外侧填土情况

现场对挡墙填土进行查看，发现施工现场直接就地采用回填土进行墙后回填，回填土的性能指标不满足设计要求。

2.5 房屋修建情况

查看房屋设计图纸，目前房屋整体并未修建完成，设计房屋平面图如图 6、图 7 所示，其中阴影部分为已修建部分。

图6 基顶-7.7 m（绝对标高 308.8 m）层柱平面布置图（单位：mm）

图7 1 层（绝对标高 306.7～308.8 m）层结构平面图（单位：mm）

截至现场进行检测鉴定时，图纸中所示的未修建部分尚未开始修建。

3 计算分析

3.1 结构已建部分计算分析

根据现场结构形式以及所受土压力荷载，建立结构三维有限元分析模型，模型如图 8 所示。

图8 三维有限元分析模型

模型中梁、柱、挡墙、楼板均按设计值建模，构件混凝土强度等级均取设计值 C30，柱底部采用固定支承。根据现场填土参数，计算挡墙后主动土压力，将计算所得主动土压力加载至挡墙，计算得到土压力作用下结构变形如图 9 所示。

图9 土压力作用下结构变形图

根据计算结果，-1层柱顶处理论水平位移最大值为 82 mm。

3.2 整体结构计算分析

当结构剩余未修建部分修建完成后，在墙后填土情况下，对结构受力情况进行计算分析。结构整体修建完成后结构模型如图 10 所示。

图10 三维有限元分析模型（整体结构）

同样，模型中梁、柱、挡墙、楼板均按设计值建模，构件混凝土强度等级均取设计值 C30，柱底部采用固定支承。根据现场填土参数，计算挡墙后主动土压力，将计算所得主动土压力加载至挡墙，计算得到土压力作用下结构变形如图 11 所示。

图11 土压力作用下结构变形图（整体结构）

根据计算结果，-1 层柱顶处理论水平位移最大值为 13 mm。

4 结构开裂原因分析

4.1 理论分析

1）结构现状建模计算结果表明，由于现状结构有两跨尚未修建，造成结构整体抗侧向刚度减小，在墙后填土作用下，出现了侧向位移偏大，现场结构构件破损情况与建模计算结果一致。

2）在墙后土压力作用下，现状结构（有两跨未修建）-1 层柱顶处水平位移值较大，超过规范限值。

3）当对整体结构（包含未修建部分）进行计算分析时，在墙后土压力作用下，结构 -1 层柱顶处水平位移值处于正常范围，未超过规范限值。

4.2 现场检测分析

1）根据目前结构出现的挠度和开裂情况，判定本次开裂是由于挡墙后填土造成的，因此现场应立刻停止挡墙后的填土。

2）抽检现浇墙、柱、梁、板的混凝土强度、截面尺寸、主要受力钢筋数量、钢筋间距等参数基本满足设计和相关规范要求。

3）现浇柱、墙、梁裂缝宽度在 1.0～11.0 mm，多数裂缝宽度远超规范允许值。

4）现场所抽测现浇柱的垂直度偏差，单层偏差在2.5～275.0 mm，多数现浇柱单层垂直度偏差大于规范允许值；现浇柱总偏差在 20.8～279.7 mm，均大于规范允许值。

5）对已建部分墙、柱、梁的裂缝形态、分布位置及柱倾斜方向、垂直度偏差等检测结果进行综合分析，现浇构件开裂、倾斜由外荷载（水平推力）作用产生，裂缝宽度及现浇柱垂直度偏差均超出规范允许值，结构整体受损严重。

5 结论

1）本次结构开裂主要原因包含两个方面：①墙后填土是造成本次结构开裂的直接原因；②现有结构并未完全修建完成，已修建部分水平抗力尚不足以抵抗墙后水平土压力，当结构整体修建完成后，可以满足墙后填土的要求。

2）根据前述分析与鉴定结论，本次结构构件所产生的裂缝为受填土影响造成构件变形而引起的裂缝，此类裂缝已影响了结构的安全使用，需立即进行相应的处理和加固。

近年来，受场地不均匀堆载或填土引起的结构变形或倾倒的工程案例越来越多。通过本工程的检测、分析和鉴定，为其他类似工程提供有益的参考。 Q