钢筋混凝土结构构件受力裂缝及加固处理的探讨

2022-10-19

混凝土的抗拉强度比抗压强度小得多, 在不大的拉应力下就可能出现裂缝。过宽的裂缝会影响结构的正常使用功能, 导致构件中钢筋的锈蚀, 降低结构的耐久性;同时, 过宽的裂缝影响结构的外观, 引起人们心理上的不安。过去, 使用荷载下钢筋的应力不高, 一般构件的裂缝并不构成严重的问题。但是随着高强度钢筋的采用, 钢筋工作应力的提高, 以及日益突出的耐久性问题, 裂缝控制越来越成为需要特别考虑的问题。

1 受力裂缝的受力方式探讨

受力裂缝是由外荷载引起的包括常规结构计算中的主要应力以及其他结构次应力造成的裂缝。受力裂缝按受力方式可分为弯曲裂缝、剪切裂缝、断开裂缝、扭曲裂缝以及局部应力裂缝。

1.1 弯曲裂缝

钢筋混凝土构件的裂缝和变形具有相当的复杂性, 目前较为成熟的研究还只局限于钢筋混凝土受弯构件在荷载作用下的竖向弯曲裂缝宽度计算以及变形计算。对于受弯构件和压弯构件, 当弯矩最大截面的受拉区混凝土的拉应力超过混凝土的抗拉极限强度时, 将产生弯曲裂缝。可见, 弯曲裂缝与与钢筋锈蚀率无明显关系, 随着荷载的增大, 裂缝宽度增大, 长度延伸, 缝数增多, 当采用螺纹钢筋时, 裂缝间可见较短的次裂缝。当结构配筋较少时, 裂缝少而宽, 结构可能发生脆性破坏。

1.2 剪切裂缝

剪切裂缝也叫做斜裂缝, 一般产生与剪应力最大的部位。对受弯构件和压弯构件, 裂缝往往发生于支座附近。通常从下部开始开裂, 随着荷载增大, 裂缝长度也不断增长并且向受压区域延伸, 裂缝缝数不断增多并分岔, 裂缝区也逐渐向跨中方向扩大。剪切裂缝一旦出现, 就应加强观察。如裂缝发展缓慢并限制在受拉区。裂缝宽度在限值以内, 此时还允许;但如裂缝不断发展或者裂缝已接近受压区, 则不论其宽度和长度如何都应及时予以必要的加固处理。

1.3 断开裂缝

开裂缝钢筋混凝土构件受拉时进入整个截面的裂缝称为断开裂缝。首先发生在剪应力最大的部位。随着荷载的增大, 裂缝压也向跨中方向扩大。混凝土内拉应力达到受拉极限, 产生裂缝并退出工作, 全部拉力由钢筋承担, 荷载继续增大, 钢筋应力达到流动极限, 裂缝很快超过设计规范允许宽度, 这时多为构件接近破坏的状态。

1.4 劈开裂缝

钢筋混凝土结构构件 (如框架柱) 受压超过一定限度时, 沿构件出现平行与受力方向的短而粗的平行裂缝, 随着内力的增大, 裂缝宽度将不断增大, 箍筋间的纵筋发生压屈, 向外凸出, 混凝土被压碎, 构件即告破坏。

1.5 扭曲裂缝

混凝土构件受扭转与弯曲作用时, 一侧腹部首先出现一条或多条呈45°方向的斜裂缝, 并向相邻面以螺旋方向展开。

1.6 局部应力裂缝

当构件 (如牛腿) 受到较大局部压力, 在局部受压区出现与受力方向大致平行的多条裂缝。

2 混凝土结构构件受力裂缝产生的主要原因

混凝土结构构件受力裂缝产生的主要原因有设计和施工两方面。

2.1 设计方面

引起混凝土结构构件受力裂缝的原因, 在设计方面主要是设计失误, 如:结构方案及布置不合理, 结构计算错误, 结构抗裂性过低, 以及结构构造不合理等。内力分析常见的错误是, 计算简图与实际不符, 荷载取值偏小或漏项;承载力计算常见的错误是, 安全度取值偏低, 配筋量不足, 只算抗弯, 不算抗剪、抗扭;结构抗裂验算常易被忽视, 尤其是手算;结构构造不合理, 主要是配筋不合理, 只配受力钢筋, 忽略构造钢筋的作用和配置, 如梁板入墙不配负筋, 高梁不设腰筋等。

2.2 施工方面

引起混凝土结构构件受力裂缝的原因, 在施工方面主要是混凝土、钢筋及模板三个方面的失误导致强度达不到设计要求。混凝土方面, 如混凝土配合比不当或泵送时改变了配合比, 混凝土掺合料拌合不匀, 混凝土搅拌时间过长, 混凝土浇筑顺序安排不当, 混凝土振捣不充分, 混凝土硬化前受震动或受力, 混凝土养护不及时或受冻。钢筋方面, 如混凝土在结硬前钢筋被扰动, 保护层过小, 钢筋少配或误配。模板方面, 如模板变形, 模板支撑下降, 模板漏浆, 过早拆模。

3 钢筋混凝土结构构件的加固方法

3.1 直接加固法

直接加固法是通过一些技术措施, 直接提高构件截面的承载力刚度等, 目前常用的直接加固法有以下几种。

3.1.1 大截面加固法

加大截面加固法是一种传统的加固的方法, 是采用同种材料即混凝土和钢筋对水工程原结构进行加固补强的一种施工技术。其技术要点就在于用钢筋混凝土来增大原水工程混凝土结构截面面积以提高结构的承载力为目的的一种传统方法。加大截面加固法施工工艺简单、适应性强, 并具有成熟的设计和施工经验;适用于梁、板、柱、墙和一般构造物的混凝土的加固;但现场施工的湿作业时间长, 对生产和生活有一定的影响, 且加固后的建筑物净空有一定的减小。鉴于此, 该方法适用于水工程中病险的梁、板、柱、墙等钢筋混凝土结构的加固。在钢筋混凝土受弯构件受压区加混凝土现浇层, 可增加截面有效高度, 扩大截面面积, 从而提高构件正截面抗弯, 斜截面抗剪能力和截面刚度, 起到加固补强的作用。?另外, 需要指出的是该法最大的施工问题, 就是必须保证新、旧两部分钢筋混凝土共同受力并整体工作的问题, 而新、旧混凝土的结合面却是加固结构受力时的薄弱环节。如在原有钢筋混凝土柱的周边, 浇筑一层钢筋混凝土围套, 通过采取一些有效技术措施保证新旧钢筋混凝土形成整体, 这样就可以提高柱的承载力和刚度。

3.1.2 外包钢加固法

包钢加固法是把型钢或钢板等材料包在被加固构件的外侧, 采用四角包裹角钢, 角钢间用扁钢相连。然后灌注结构胶与原结构粘结、键合。使后加型钢与原结构共同工作, 特别适用于需大幅度提高构件承载力的结构。外包钢加固法分湿式与干式两种情况。两者相比, 干式外包钢施工较为简便, 湿式外包钢加固施工较为复杂。但承载力提高量、整体工作性能及受力特点干式外包钢不如湿式外包钢有效。如在钢筋混凝土柱的四角, 设置角钢, 并用缀板将角钢连成一体, 采取一些技术措施保证角钢参与工作, 这样就起到了对柱子的加固作用。外包钢加固混凝土构件时, 型钢表面必须进行防护处理。可以在外包钢的表面点焊一层钢丝, 然后用1∶3水泥砂浆抹25mm厚的保护层, 亦可采用聚合物砂浆或其他饰面材料加以保护。

3.1.3 预应力加固法

预应力加固法是采用外加预应力的钢拉杆对结构进行加固的方法, 适用于要求提高承载力、刚度和抗裂性及加固后所占用空间小的桥梁。可分为预应力拉杆加固和预应力撑杆加固, 其中预应力拉杆加固主要用于受弯构件, 以梁身为锚固体, 通过预应力张拉对梁的受拉区域施加外力, 以抵消结构本身的自重, 减少车辆荷载作用下的应力, 能够减少梁体出现过多的裂缝, 以及减小裂缝宽度。预应力撑杆加固主要用于桥梁下部结构的轴心受压墩柱, 但在实践中桥梁墩柱加固也很少采用这种方法。根据预应力筋的工作情况, 一种是在原构件的体外, 通过锚固端与支撑点传递力, 另一种是张拉后再浇混凝土, 通过新旧混凝土之间的粘结传递力。

3.1.4 外部粘贴加固法

粘贴钢板加固法是混凝土构件和桥梁加固中采用较多的一种方法。目前外部粘贴加固法主要有粘钢加固法和纤维加固法两种。粘钢加固法是在构件表面用特制的建筑结构胶粘贴钢板, 以提高结构件承载力的一种加固方法。这种加固方法具有施工方便、周期短、占用空间不大、对环境影响小, 以及加固后不影响结构的外观等优点, 因此是一种适用面广的先进加固方法, 不仅建筑, 而且公路桥梁也普遍采用。纤维增强复合材料加固法是把高性能的纤维织物, 如玻璃纤维、碳纤维和阿拉米德纤维等, 放置在环氧树脂等基材上, 经胶合凝固后形成的。纤维是用纱结合成不同的几何形状, 可以是单一方向的也可以是不同方向的, 它决定复合材料的结构特性。树脂则是作为粘结介质, 传递分布纤维间的应力, 保证其形成整体均匀受力。

3.2 间接加固法

目前常用的间接加固法有以下几种。

3.2.1 增设构件加固法

设构件加固法是在原有构件之间增加新的构件, 如两棍屋架间加设一副新屋架, 在两根梁之间增加一道新梁, 在两根柱子之间增加一个新柱等, 以减少原有构件的受荷面积, 减少荷载效应, 达到结构加固的目的。该方法对原有建筑的建筑功能可能会有影响。所以该方法一般适合于增加构件后不影响使用要求的民用建筑梁柱等的加固。

3.2.2 增设支点加固法

设支点加固法是在梁、板等构件上增设支点, 在柱子、屋架之间增设支撑构件, 减少结构构件的计算跨度 (长度) , 减少荷载效应, 发挥构件潜力, 增加结构的稳定性, 达到结构加固的目的。按照支撑结构的受力性能, 增设支点加固法分为刚性支点加固法和弹性支点加固法。在刚性支点加固法中, 新增设支点的变形相对被加固构件的变形而非常小, 可以近似视为不动支点, 例如在梁的中间设置一个支撑柱, 该柱通过受压把荷载传递给基础, 由于支撑构件受压, 所以变形非常小。在弹性支点加固法中, 新增设支点的变形较大, 不能忽略不计。例如在梁的中间, 沿其垂直方向设置一道梁, 该新加梁通过受弯把荷载传递到两端的支撑结构上, 由于支撑构件受弯, 变形较大。

3.2.3 增加结构整体性加固法

增加结构整体性加固是通过增设支撑等一些构造措施使多个结构构件形成整体共同工作。由于整体结构破坏的概率明显小于单位构件, 因此在不加固原有构件中任一构件的情况下, 整体结构可靠度提高了, 达到了结构加固的目的。

3.2.4 改变结构刚度比加固法

改变结构刚度比加固法是对采取一些局部措施, 改变原有结构的刚度比, 调整结构在荷载作用下的内力分布, 改善结构受力状况, 达到加固的目的。该方法一般多用于提高结构抗水平作用的能力。

3.2.5 卸载加固法

采用新型轻质材料置换原有建筑分隔和装饰材料, 如用轻质墙板置换原有砖隔墙等, 通过减少荷载提高结构的可靠性, 达到结构加固的目的。

摘要：近年来, 建筑结构类型不断创新, 各种新型建筑材料也不断涌现以适应建筑业的发展要求。同时, 我们必须清醒地认识到, 实际工程中还存在一些问题:建筑物垮塌事故时有发生, 造成一定的人员伤亡和财产损失;工程质量问题不少, 返工修复造成一定的资源浪费。鉴于此, 本文对混凝土结构中受力裂缝加以分析总结, 提出了具体的防治措施和相应的加固方案。

关键词：受力裂缝,混凝土结构,加固