第十二章框架结构裂缝分析实例

第十二章框架结构裂缝分析实例

返回总目录 第 12 章框架结构裂缝分析实例 教学提示：框架结构是当前覆盖面最广、使用量最大的一种结构形式，其设计技术与施工工艺都比较复杂，因此其事故率也最高，事故分析与处理的难度也最大。建议在教学中作为重点内容来关注。 教学要求：九起事故实例是近年来在国内工程学术界受关注较多、争论较多的实例，建议引导学生从争论中提高认识，从反面意见中拓宽思路。 随着时代的进展，砖石结构、竹木结构已逐渐退出历史舞台，纯钢结构独占超高层和大空间领域，钢筋混凝土装配式结构和砖混结构则由于耐震能力低，整体安全性差，在使用范围上受到限制。因此，整浇钢筋混凝土框架或刚架结构早已成为当今世界上使用面最大，最受欢迎的一种建筑结构形式。 整浇钢筋混凝土框钢架结构的特点是，只凭模板、钢筋、水泥、砂、石等几样价格低廉、资源丰富的材料，就能在施工现场按图塑造出各种复杂的结构型式。以技术含量不高的手工作业工艺，凭完全露天作业的恶劣环境条件，施工质量自难有效控制，由于施工原因造成的工程事故也就必多。对于各种体型复杂，规模偏大的现代建筑框架结构来说，由于其构造复杂，功能多样，从力学平衡条件、变形协调条件到本构关系合理条件极难同时控制，因此由于设计不合理原因形成的事故也就必多。同时，对于规模偏大，构造复杂的框架结构来说，其负荷量大，对地基基础的要求也偏高，因此，由于地基基础原因引起的结构事故也就必多。这就是钢筋混凝土框架或刚架结构事故率很高的原因。 框架结构虽有事故率高、裂缝多的特点，但它具有一定的延性，结构整体性好，往往在事故面前能充分发挥裂而不倒的优势。现结合以下工程实例对框架结构裂缝进行如下分析。 地基基础原因引起的框架结构裂缝事故三例 施工质量原因引起的框架结构裂缝事故两例 设计原因引起的框架结构裂缝事故四例 其他原因引起的框架结构裂损事故 本章内容 思考题与习题 地基基础原因引起的框架结构裂缝事故三例 一 . 黏土地基膨胀导致桩身倾斜引起的结构裂缝事故 1. 工程概况 1) 设计要点 兴建于 20 世纪 90 年代的某大学教学综合楼，建筑平面呈工字型，如图 12.1 所示。前楼 3 层为阶梯形教室，后楼 8 层为教学综合楼，前后楼之间用廊道连接，总建筑面积近 10000m2 ，钢筋混凝土框架结构，设防烈度为 7 度，抗震等级取 3 级。 2) 地质条件 地层构造如下： (1) 杂填土：由灰褐到褐红色，层厚 0.1m ～ 1.2m ，由松软到中密，含有植物根与建筑垃圾。 地基基础原因引起的框架结构裂缝事故三例 图 12.1 教学综合楼结构平面图 注： 1. 框架柱； 2. 纵梁； 3. 伸缩缝； 4. 框架梁。 地基基础原因引起的框架结构裂缝事故三例 (2) 黏土：由褐色到褐红色，局部夹细砂，发育较完整，土质较均匀，平均厚度约 6m 。 (3) 砂质黏土：以细、中砂为主要成分，层厚 1.5m ～ 2.5m ，由褐色到红色；中实，饱和，可塑；含氧化铁成分。 (4) 黏土夹漂石。红色，厚度不均，最大厚度为 5m 。 (5) 第三系风化岩，褐红色，较完整。 3) 施工概况 (1) 人工挖孔桩由专门队伍负责施工，按规范操作，质量监控正规，检测工作到位，竣工验收合格。 (2) 虽然没有完整的施工组织设计，且施工过程中发生过塔吊操作失误，行车塌落伤人等重大事故，也出现过拆模过早的现象。但是框架梁、柱和楼、屋面板等主体构件的混凝土强度等级均达到或超过设计强度，所用钢材材质的物理化学性能均符合规范要求，说明施工方面不存在大问题。 地基基础原因引起的框架结构裂缝事故三例 2. 裂缝现状 (1) 主体竣工时，并未发现肉眼可见的任何结构裂缝； (2) 工程进入装修阶段后，前后楼同时出现结构裂缝现象。 ① 前楼结构裂缝出现在楼板的支座线附近，裂缝走向与支座 ( 主框架梁 ) 平行，缝宽在 0.2mm 以上，肉眼可见。 ② 前楼二、三层卫生间漏水现象严重，根本无法投入使用。 ③ 后楼以墙面裂缝最为突出，东西山墙面上出现罕见的之字型裂缝和分枝状裂缝。每条裂缝蜿蜒曲折，长达数米。裂缝深度从面砖灰缝表皮一直贯通到墙体深部。 ④ 除山墙外，其他内外墙面均可见到裂缝，但以底层裂缝最为严重。 ⑤ 由于结构裂缝和楼屋面渗漏现象严重，在建成以后一段时期，不敢投入教学使用。 地基基础原因引起的框架结构裂缝事故三例 3. 机理分析 1) 裂缝产生的特殊性 (1) 框架填充墙理论上并不受力，填充墙上出现奇异裂缝，必然是框架梁、柱出现整体变形，迫使框架节点出现角变位，从而使填充墙受挤，因此，必然存在奇特原因。 (2) 整体框架，尤其是设计安全水准偏高 ( 按抗震设防 ) 的框架，纵梁支座和板支座附 近的负弯矩区，一般也由于塑性变形的影响，负弯矩值比理论计算值偏低，不应在此处出现裂缝。之所以在这里出现裂缝，也证明是框架出现整体变形所致，因此，必然存在特殊原因。 2) 裂缝合成的必然性 (1) 墙面上出现复杂产状的之字型裂缝和分叉形树枝状裂缝，必然有一组与裂缝产状 ( 裂缝方向 ) 相对应的主拉应力存在。 地基基础原因引起的框架结构裂缝事故三例 (2) 框架出现整体变形的可能性一般是框架柱出现倾斜，使填充墙的一侧边受到挤压力，上框架梁出现荷载条件下的正常挠曲变形，使填充墙墙顶的跨中 1/2 区域范围内受到垂直压力，而墙顶的两个角区附近出现上拔力 ( 由墙顶黏着力产生 ) ；下框架梁 ( 或地基梁 ) 则出现上凸挠曲变形，填充墙的底部为了与地基梁的变形协调，则必在墙上产生与主拉应力相适应的倒八字型裂缝。墙底部分的倒八字型裂缝与由墙顶的垂直压力 ( 重力 ) 或向上拔力和墙侧柱身传来的水平挤压力合成的主拉应力引起的裂缝组合以后，就必然形成墙面的之字型裂缝或树枝状裂缝。如图 12.2 所示。 图 12.2 填充墙上的之字型裂缝与树枝状裂缝合成图 注： 1. 地基梁上凸变形引起的填充墙上倒八字型裂缝； 2. 2’ 上部框架梁变形和重力对墙顶产生的 压 ( 拉 ) 力； 3. 柱身倾斜对墙身产生的侧向挤压力； 4. 墙顶下压力与侧挤力合成的主拉应力； 5. 墙顶上拔力与侧挤力合成的主拉应力； 6. 主拉应力 4 产生的倾斜裂缝； 7. 主拉应力 5 产 生的倾斜裂缝； 6 － 6 － 7 － 7 － 1 － 1 之字形或树枝状裂缝合成； 8. 框架柱倾斜方向。 地基基础原因引起的框架结构裂缝事故三例 ③ 框架柱出现倾斜变形后，主框架梁身亦出现向一侧倾斜，因而使一侧的楼板面有下抑趋势，板支座附近的负弯矩值衰减，而另一侧的板面有上翘趋势，板面负弯矩值激增，从而使裂缝首先在这里出现，裂缝走向与主框架梁平行，如图 12.3 所示。 图 12.3 板支座附近的顺主框架梁方向裂缝形成图 注： 1. 框架柱； 2. 主框架梁； 3. 纵梁（连梁）； 4. 楼板面； 5. 板面顺梁裂缝； 6. 挖孔桩及承台； 7. 黏土层膨胀压力； 8. 框架柱倾斜方向； 9. 楼板下抑与上翘趋势。 地基基础原因引起的框架结构裂缝事故三例 4. 原因认定 从以上的结构裂缝机理分析认定了墙面裂缝和板面裂缝的原因是由于框架出现倾斜变形，既然如此那就必须再找出框架柱出现倾斜变形的原因。 (1) 从工程地质条件可以认定，第三系红黏土必然属于具有一定膨胀势能的膨胀土， 6m 厚的红黏土夹在上下两个含水层之间，一旦吸水膨胀，必然会产生强大的各向异性的膨胀压力。 (2) 人工挖孔桩的施工工艺是分段掘进 ( 下挖 ) ，分段浇筑薄层钢筋混凝土护壁，浇筑条件困难，混凝土施工缝多，必然形成钢筋混凝土挖孔桩桩身与土体之间的输水通道，将上、下含水层中的水体输入黏土层，起到引“狼”入室的作用。 (3) 可以认定，红黏土吸水膨胀产生的膨胀压力就是导致人工挖孔桩桩身和框架柱倾斜的唯一原因。 (4) 可以认定，填充墙墙面裂缝、楼屋面板上裂缝主要也是膨胀土地基的破坏作用引起，另外施工管理不善，施工质量方面也可能存在一些问题，但决不是引起墙面和板面裂缝的原因。 地基基础原因引起的框架结构裂缝事故三例 5. 安全评估 (1) 由于通过桩身周围的护壁输水并进入黏土层有一个缓慢的时间过程，因此膨胀破坏作用的出现就要滞后很多。所以结构裂缝现象往往出现在主体结构竣工以后一段较长的时间内。 (2) 桩周一定范围内的土体吸水、膨胀、并软化以后，会成为一个不能传递膨胀压力的缓冲区，对桩身起了缓冲、保护作用。因此当桩与柱的倾斜变形和结构裂缝现象发展到一定程度后，就会稳定下来，不会无限度的发展下去。如图 12.4 所示。 地基基础原因引起的框架结构裂缝事故三例 (a) 桩柱平抛面 (b) 桩柱竖剖面 图 12.4 桩周黏土吸水膨胀机理 注： 1. 桩身； 2. 护壁； 3. 吸水软化区； 4. 膨胀势能释放区； 5. 未吸水 ( 稳定 ) 区。 地基基础原因引起的框架结构裂缝事故三例 (3) 在软化缓和区的外围，形成了一个膨胀势能释放区，膨胀压力会向外围，向下层土，尤其是向抵抗力最弱的上层覆盖土爆发，因此会对底层地面引起长期的、持续的隆起破坏作用。 二 . 土质不均、沉降不均引起的框架结构裂缝事故 1. 典型案例 一般框架结构都具有较大的抗地基不均匀沉降变形的能力，但某 8 层框架住宅楼却于建成后几个月之内，即发展成为危房，楼屋面板上、墙面上、梁、柱、节点上，普遍出现了宽度在 0.3mm 以上，长度在 500mm ～ 5000mm 之间的严重裂缝，使建筑面积为 5000m2 的工程面临报废的危险，这一事故实属罕见，可视为典型，也要从中吸取教训。 2. 工程概况 1) 地质条件 建筑场地属于海相沉积的漫滩阶地，地质剖面为：① 杂填土，厚 500mm ；② 中细砂， F k 取 160kPa ， E s 取 6.1MPa ，层厚 10m ，但层内夹有软弱透镜体；③ 淤泥质土， F k 取 85kPa ，层厚 7 ～ 8m ；④ 粉土层， F k 取 200kPa ， E s 取 9.3MPa ，构造稳定、深厚、未揭穿。 地基基础原因引起的框架结构裂缝事故三例 2) 设计要点 (1) 以 500mm 厚，带 600×1000 梁加强的筏板承重，以中细砂为持力层，筏底埋深为－ 2.5m ； (2) 以淤泥质土为下卧层，计算沉降量为 26.39cm ，这结果还是可以接受的。设计地耐力 P a 取 120kPa ，显然其值并不高。 3) 施工情况 施工管理正常，资料保管齐全，原材料测试质量合格。 3. 裂缝现状 (1) 楼地板面裂缝共计 132 条，平均裂缝长度 2.5m ，最大裂缝长度 5m ，有梁、板裂缝贯通现象，裂缝产状多样，有贯通裂缝、交叉裂缝、包角裂缝、对角线裂缝。 (2) 底层地面裂缝 15 条，其中沿散水坡纵向贯通裂缝一条，长达 55m ，柱脚为弧形裂缝。 (3) 墙面裂缝，沿窗角 1 ～ 8 层垂直贯通的外墙面裂缝计 8 条，与板面裂缝和梁上裂缝相呼应的内墙面裂缝尚未统计在内。 (4) 梁上裂缝，少数板面裂缝发展严重时，有梁面或梁底裂缝与之相呼应。 (5) 梁柱节点裂缝，共 8 处，为扭损裂缝。 地基基础原因引起的框架结构裂缝事故三例 4. 机理分析 1) 填充墙裂缝机理 框架梁、柱具有一定的刚度和抗变形能力，而填充墙则在理论上不受力。因此填充墙上由于地基下沉引起的裂缝必与框架的角变形有关，裂缝的产状和倾向也极有规律，如 图 12.5 所示。 图 12.5 填充墙上的裂缝机理图 注： 1. 挤压应力； 2. 垂直压应力 ( 重力 ) ； 3. 主拉应力； 4. 墙面裂缝； 5. 地基沉降曲线； 6. 整体变形趋势。 地基基础原因引起的框架结构裂缝事故三例 2) 框架节点裂损机理 框架节点上出现的扭损裂缝机理表明，个别框架柱基础出现了过大的沉降量，底层地面出现环柱脚的弧形裂缝，也说明柱基可能出现了冲剪破坏。 3) 板面复杂的裂缝机理和跨梁裂通的板面裂缝现象，以及沿散水坡出现的通长裂缝都表明了建筑物除了出现不均匀下沉之外，还出现整体下沉现象。 5. 原因认定 从结构裂缝机理得知裂缝原因出自地基下沉，但从设计角度检查，实不应该出现如此大的沉降量和沉降差，更不应出现如此严重、复杂的损坏现象。经仔细研究，认为主要原因有三点：一是对砂层内夹存软弱透镜体的异常情况未予关注，透镜体如果处在柱脚的直下方时，完全有可能被挤出，引起地基剪切破坏；二是施工进度太快，也是引起地基剪切破坏或冲剪破坏的重要原因；三是结构方案和构造设计不合理，柱网错乱，不能构成规整的空间结构体系，整体刚度很差。 地基基础原因引起的框架结构裂缝事故三例 6. 风险评估 (1) 按理来说， 30mm 以下的计算沉降量并不是不可以接受的，全国大量软土地基的平均沉降量都控制在 300mm 左右，但这是要有前提条件的：一是必须加强上部结构的抗变形能力；二是必须严格控制施工进度，让地基在负荷条件下有一个缓慢发展的稳定过程。 (2) 鉴于地基沉降现象尚未稳定，结构体系本来就存在先天性的缺憾，结构裂缝普遍出现以后，已失去了整体性和抵抗力，判定该楼为危房。 三 . 由于结构平面复杂由地应力扩散和沉降量叠加引起的地基不均匀沉降导致的框架结构裂缝事故 1. 典型案例 如图 12.6 所示。某商业大厦为 7 层框架结构，建筑面积近 12000m2 ，工程地质条件和设计与施工方面均不存在突出问题。只因为建筑平面复杂，由两个面积分别为 53m×18m 和 30m×18m 的矩形夹一个 45°×18m 的扇形组合而成，结果导致了严重的结构裂缝现象，最终被迫拆毁。其原因就是由于结构平面复杂，地应力扩散，沉降量叠加，引起了框架结构的严重裂缝。该工程问题比较突出，其中的经验与教训值得吸取。 地基基础原因引起的框架结构裂缝事故三例 图 12.6 某商业大厦结构平面与角点沉降量计算 2. 工程概况 1) 地质条件 地质剖面如下： (1) 杂填土， 1m ～ 2m ； (2) 粉细砂， 5m ～ 6m ， F k 取 170kPa ， E s 取 9MPa ； (3) 淤泥质土，厚 11m ， F k 取 100kPa ， E s 取 3.36MPa ； (4) 软黏土，厚 3m ， E s 取 9MPa ； (5) 砂质黏土，厚 3m ， E s 取 5.7MPa ，这层土以下即为深厚的硬质黏土。 地基基础原因引起的框架结构裂缝事故三例 2) 设计要点： (1) 设计采用加劲的筏板基础，并在设计前进行了广泛的工程调查，发现该工程邻近地段 6 层以下工程，凡是采用天然地基筏板基础的，均未出现过问题；而采用沉管灌注桩基础的，却因沉管穿透砂层遇到困难，以薄层粉沙为桩尖持力层可靠性也不是很高，因而频频出现问题。 (2) 结构设计是由设计院资深专家亲自把关完成。从基础设计到框架梁板的断面与配筋均留有充分的安全储备。 3) 施工情况 (1) 虽然施工单位的素质与质量水平和管理水平均不高，但在施工过程中均未发现明显的违规作业或偷工减料等现象。 (2) 主要建筑材料均有出厂证明和现场检测报告，混凝土试块和砂浆试块均合格。 地基基础原因引起的框架结构裂缝事故三例 4) 裂缝现状 (1) 纵轴方向内外填充墙上裂缝。从两端向中央扇形门厅处逐渐扩展，从底层向顶层逐层扩展，裂缝倾向呈正八字型对称；裂缝最大宽度在 30mm 以上。 (2) 横向填充墙上裂缝。从底层向顶层逐渐出现，裂缝倾向一边倒，即从临街面向后院一侧倾斜。 ① 板面裂缝。从底向顶逐层出现，但以屋顶板裂缝最为严重，裂缝宽度最大。 ② 梁上裂缝。梁底和梁顶面裂缝多数与楼板面裂缝和墙面裂缝相呼应，梁底混凝土保护层已出现爆裂现象，说明结构裂缝与建筑物整体变形有关，且已出现钢筋锈蚀现象。 ③ 框架节点混凝土碎裂。底层框架柱节点出现严重的混凝土酥裂现象，柱身出现水平裂缝，柱面装饰砖碎损脱落：说明底层柱受到强大的扭折力。 ④ 底层地面隆起，以中央扇形门厅处最为严重。上层楼面地砖亦有空鼓松动现象。 地基基础原因引起的框架结构裂缝事故三例 ⑤ 门窗已严重扭变，无法开启。 ⑥ 上下水管道扭断、错口。 ⑦ 扇形门厅口的大台阶显著下陷。 (3) 原因认定。从以上裂缝情况看，不须作过细的裂缝机理分析，就完全可以判定结构裂缝的原因是地基基础出现不均匀下降。但是在正常的工程地质和正常的施工条件下，偏于保守的结构设计，为什么会出现如此严重的地基下沉和结构变形？为了回答这一问题，进行了沉降计算。计算结果表明，两个矩形端角点的沉降量 ( 未考虑两部分相互影响增加的附加沉降量 ) 分别为 396mm 与 372mm ；而扇形门厅顶角点，即建筑物大阴角的叠加沉降量，也就是由两个矩形面积和一个扇形面积引起的叠加沉降量 ( 亦未计算三者相互影响的附加沉降量 ) 为 617mm ～ 820mm ，两端阳角点与中间阴角点的沉降差不小于 250mm 。由于屋顶水箱影响，建筑物的重心还与形心有 1258mm 的偏离，如此大的沉降量和沉降差，如此大的偏心荷载，再加上出现倾斜以后的偏心力矩，三个因素同时作用产生强大的扭曲应力是结构所无法承受的。 地基基础原因引起的框架结构裂缝事故三例 或许有人要问周围那么多同类建筑，用的是同样的天然地基筏板基础，甚至是条形基础，地耐力取值往往还高于本案例，却为什么能安全无恙？究其原因，就是商业大厦平面图形的特殊性 ( 如图 12.6 所示 ) 。如果把拐角图形更换为规整的矩形，并且赋予上部结构均匀的刚度和较强的整体性，再放慢施工进度，则即使出现较大的地基沉降，也是均匀沉降，往往不会为人所察觉。更不致引起严重的结构裂缝、整体变形和建筑物倾斜。只因为商业大厦的拐角平面图形的拐点处出现了严重的地基反力集中和地基沉降量叠加现象。而上部结构的刚度均匀与整体性又因为拐角图形而大打折扣，这就是事故的直接原因。 施工质量原因引起的框架结构裂缝事故两例 施工质量事故一般都由偶然出现的人为过失引起，没有一定的规律性，也不存在普遍性，所以很少为工程学术界所关注并作为专题来进行研究和报道。这里介绍的两个案例却属于例外，很有代表性，甚至得到了国家高层领导的关注，现作简要介绍如下： 一 . 某大酒店工程严重的施工质量事故 1. 工程概况 某大酒店工程建于南方一旅游城市，由 11 层、 9 层、 7 层的三座框架结构塔楼和一层地下室与一层裙房共同组合而成，总建筑面积 45000m2 。主体结构完工并经有关管理部门组织验收以后，有一个缓建过程。在复工续建时，从外表观察，发现工程质量欠佳。委托国家级权威质量检测单位进行了全面的、细致的质量检测与安全评估，发现了问题的严重性。后经过加固处理，历时一年多，所花费的资金在 200 万元 ( 人民币 ) 以上，值得引以 为戒。 施工质量原因引起的框架结构裂缝事故两例 2. 施工质量 质量检测与鉴定工作中所暴露的有关施工质量问题包括以下几个方面： 1) 外观质量问题 分两个方面，第一方面是线位偏差，包括中线偏差和垂直度偏差，尤其是框架柱的垂直度偏斜最为严重： (1) A 座 (11 层塔楼 ) 的框架柱垂直度偏斜量最小值为 15mm ，最大值为 133mm 。 (2) B 座 (9 层塔楼 ) 的框架柱垂直度偏斜量最小值为 71mm ，最大值为 128mm 。 (3) C 座 (7 层塔楼 ) 的框架柱垂直度偏斜量最小值为 120mm ，最大值为 129mm 。 外观质感差的第二个方面是不仅到处存在蜂窝、麻面、鼠洞等病灶，而且有浮砂、掉渣、松软等症状出现。这些显然是由混凝土强度不足而引起的。 施工质量原因引起的框架结构裂缝事故两例 2) 强度 经检测，证实了混凝土强度普遍不能满足设计要求： ① A 座 设计标号为 C40 的构件，实测为 C25 ，最低只达 C17 ； 设计标号为 C35 的构件，实测为 C26 ，最低只达 C15 ； ② B 座 设计标号为 C40 的构件，实测为 C27 ，最低只达 C18 ； 设计标号为 C35 的构件，实测为 C25 ，最低只达 C13 ； ③ C 座 设计标号为 C40 的构件，实测为 C30 ，最低只达 C15 ； ④ 地下室设计标号为 C35 的构件，实测为 C27 。 3) 尺寸 楼板厚度不满足设计要求的占 25 ％，大部分梁柱断面也存在尺寸欠缺的现象。 施工质量原因引起的框架结构裂缝事故两例 4) 裂缝 大梁裂缝和楼板裂缝现象较为普遍，尤以地下室顶板和屋顶板部位的梁板裂缝现象最为严重。缝宽达 0.35mm 以上。梁侧立面的垂直裂缝不是常见中间粗两端细的枣核形裂缝，而是下宽上窄、向梁底贯通与梁底裂缝交圈的裂缝。顶板裂缝则先见于板底，逐渐向板面扩展，缝宽在 0.35mm 以上，缝长 1m － 3m 。裂缝走向与主梁平行，一跨内有多条平行裂缝呈等距离分布。 5) 隐患 施工留下的最大质量隐患是钢筋不按图施工。经过钢筋扫描普查并作重点 ( 凿开混凝土 ) 验证，存在下列钢筋隐患： ① 梁柱端部和节点内部的箍筋没有按要求进行加密； ② 梁柱内箍筋普遍存在间距偏大的问题； ③ 柱内主筋有以小代大或数量短缺现象； ④ 柱内主筋有从焊接点 ( 现场电渣压力焊对接焊点 ) 脆断并错离 30mm ～ 50mm 的奇异现象。 施工质量原因引起的框架结构裂缝事故两例 3. 原因分析 以上因质量问题引起的事故程度严重。分析事故原因，显然不是技术水平问题，而是人为因素。因为事情是在经过施工、监理机构和业主等层层把关后出现的，不能不让人们倍加警惕！可喜的是，自从国家建筑法和质量管理条例颁布并强制执行以来，偷工减料、忽视质量的行为已得到强力打击。从事故调查的统计数字看，真正由于施工质量问题引起的重大事故所占比例已逐年下降。 4. 安全论证 由于问题的实质是混凝土的强度普遍偏低，而且钢筋隐患处处存在，就像人体患的白血病或艾滋病，属于一种全身性的症状。虽然在各种安全系数的支持下，短时期内工程在正常荷载条件下不一定出现问题。但从耐久性和抗灾害的最高安全目标来权衡，则是一个极严重的问题。 施工质量原因引起的框架结构裂缝事故两例 5. 处理方案 全身性疾病治疗，不同于局部病灶或创口的处理，不能用动刀子，做外科手术的办法去解决问题，只能按中医治病的理念，以内治为主，从强身固本着眼，进行全身性治疗，所以认为很多传统的结构加固处理方法，在这里都不太适应。必须对症下药，寻求新工艺，后面的第 17 章还将专门讨论结构加固这个问题。 二 . 某大粮库工程钢筋混凝土刚架柱施工质量事故 1. 工程概况 一大型国家粮库由 7 座长 60.0m 宽 30.0m 柱顶高 8.0m 的钢筋混凝土柱和刚梁组合的刚架结构库房组成。钢筋混凝土柱断面 400mm×800mm 。由于施工工艺比较落后，操作工人的技术不很熟练，在钢筋混凝土柱身全高 8.0m 范围内，每根柱竟留了 11 道施工缝，且对施工缝的接缝处理不当，使每一条施工缝形成了完全断裂的干缝。经过国家级检测单位检测，认为所有施工缝百分之百的不合格，已构成重大质量事故。 施工质量原因引起的框架结构裂缝事故两例 2. 施工质量 以进行抽检的 1# 与 2# 库房为代表，其施工质量情况如下。 (1) 混凝土强度表。 表 12-1 混凝土实测强度表 (2) 砌体强度满足要求 (3) 施工缝合格率。 1# 库房合格率 5.7 ％； 2# 库房合格率 0.0 ％。 (4) 钢筋。力学性能完全符合国家标准；电渣压力焊试件完全满足设计要求；化学成分含碳量略高；钢筋配置符合设计图纸。 施工质量原因引起的框架结构裂缝事故两例 3. 事故性质 从以上质量指标所反映的情况看，认为本案例的事故性质有如下特点： (1) 施工缝的出现源于施工工艺落后和工人素质偏低，但从其他质量指标完成的情况看，人们主观上还算尽了力，不存在质量意识低的问题，这是可以谅解的。 (2) 问题的实质是钢筋混凝土柱身存在若干条属于先天性的干缝。干缝只是个创口或病灶问题，不是全身性症状。只要缝合好创口，健康就可确保，不是疑难绝症。 (3) 因此认为此类事故属于偶然性人为过失引起的一般施工质量事故。把性质看得太严重，甚至惊动国家高层领导，似无此必要。 4. 处理措施 处理此类事故极为简便，只需外贴碳纤维布或抹丹强丝水泥砂浆将缝口封闭，并向缝内用手压泵压注水泥砂浆，即可完全将干缝充填，能够确保工程质量。关于这一问题，在后面的第 17 章将作专门论述，这里不多赘述。 设计原因引起的框架结构裂缝事故四例 一 . 强梁弱柱事故一例 1. 工程概况 1) 设计要点 某新建学校一次性建设了近 20000m2 的六层或七层框架结构学生宿舍楼，其结构平面如图 12.7 所示。基于建筑功能上的特殊要求，宿舍楼的前后均被设置了宽度为 1.2m 的封闭式晾晒衣服的廊道，中间为宽度 1.8m 的过道。因此结构平面内共出现了 6 道长的纵向大梁，其中 3 道为纵向框架梁， 3 道为纵向承重梁，均拥有足够的刚度。 图 12.7 学生宿舍楼结构平面图 注： 1. 边框架梁 300×600 ； 2. 中框架梁 300×600 、 300×700 ； 3. 纵梁 250×600 、 300×600 、 300×700 ； 4. 横框架梁 250×500 ； 5. 框架柱 450×450 、 400×500 ； 6. 次梁。 设计原因引起的框架结构裂缝事故四例 2) 地质条件 建设场地虽属填海漫滩，有 3.0m 左右的人工填土，但填土以下是深厚的中粗砂层，设计采用了静压预应力管桩基础。有足够的承载力和很好的稳定性。经过沉降观察，桩基的最大沉降不大于 10.0mm ，因此可以认定地基基础方面不存在问题。 3) 施工情况 施工单位素质较高，管理正规，档案齐全，施工过程中未出现过违规操作现象，也未发现过其他影响工程质量的不利因素。 2. 裂缝现状 结构裂缝在工程交付使用两年后才陆续出现，但发展较快。 1) 墙面裂缝 全部内、外墙从底层到顶层均有规律性极强的倾斜裂缝，但外墙比内墙严重，两端 ( 含山墙 ) 比中间各跨严重，底层墙比上层墙严重。 2) 板面裂缝 有规律性裂缝多集中出现在板的最大受力区，缝宽大于 0.3mm ，上下贯通，通过泼水试验发现有渗漏现象。以房间为统计单位，裂缝率几乎近 100 ％ 设计原因引起的框架结构裂缝事故四例 3) 梁上裂缝 ① 一律出现在梁的侧立面上，呈枣核型，一般不向梁底扩展； ② 裂缝只出现在横向框架梁上，不出现在纵向框架梁上，也不出现在纵向承重梁上； ③ 底层为敞开架空层时，框架梁侧立面上的枣核形裂缝更为严重。 4) 柱上裂缝 ① 柱上水平裂缝一律出现在框架节点以下，也就是柱的最大弯矩位置。 ② 柱上水平裂缝出现的时机在板、墙和梁上裂缝接近发育充分之后。 ③ 柱上水平裂缝出现的顺序是先出现在楼梯间两侧的柱上，然后逐渐向两端各柱顺序发展。 3. 机理分析 1) 墙上倾斜裂缝的生成机理 墙上有规律的倾斜裂缝必与一组有规律的主拉应力有关。主拉应力系由垂直应力与水平应力合成，无疑垂直应力来自墙顶荷载压应力和墙身自重应力，那水平应力来自何方？既然不是由于不均匀沉降引起框架柱倾斜所致，就必然是由于刚度极大的框架梁胀缩变形拉 ( 或推 ) 动柱身倾斜所致，如图 12.8 所示。 设计原因引起的框架结构裂缝事故四例 图 12.8 纵向填充墙上的倾斜裂缝生成机理 注： T . 热胀张拉力； C . 冷缩挤压力； б . 主拉应力； δ . 裂缝。 设计原因引起的框架结构裂缝事故四例 2) 楼面板上的通长贯穿裂缝生成机理 楼房面板上的通长裂缝既然出现在弯矩最大部位，显然裂缝产生原因与荷载应力有关，但正弯矩的弯曲应力引起的裂缝只产生在跨中板底，不会向板面贯穿，负弯矩的弯曲应力引起的裂缝只产生在支座边缘的板面，不会向板底贯穿，这些裂缝既然贯穿了板的全断面，说明板内还承受了一个强大的轴向拉应力，这个拉应力来自何方？认为就是强劲的纵向梁系热涨变形与板的干缩变形同时作用引起的。 3) 横向框架梁两侧枣核型裂缝生成机理 梁侧立面的枣核型裂缝无疑属于梁的冷缩裂缝，但是为什么只有横向框架梁身上的枣核形裂缝特别发育，而纵向梁侧立面上却不出现类似裂缝，这是由于 6 根纵向梁在横向框架梁与柱侧交叉以后，形成了刚度极大的平面格架，加强了框架柱节点的刚度，对横向框架梁的胀缩变形起了强劲的约束作用，而且相对说来，横向框架梁的刚度小，抵抗力弱，这就是横向框架梁冷缩后枣核形裂缝特别发育的原因。而纵向框架梁系列则因自身刚度大，抵抗力强，而柱的刚度小，对纵梁的约束程度低，因此纵向梁上不出现裂缝。 设计原因引起的框架结构裂缝事故四例 4) 框架柱上水平裂缝生成机理 经过计算，在梁侧纵向双梁的断面惯矩分别为框架柱断面惯矩的 3.2 倍或 3.1 倍，这是典型的强梁弱柱现象。根据理论计算 ( 参见王铁梦著 《 工程结构裂缝控制 》P395) ，柱上必然会出现因纵梁胀缩变形引起的裂缝或因为外来水平荷载引起的变形而产生的裂缝。柱上水平裂缝发育为什么会滞后？是因为只有当板面裂缝、墙面裂缝以及横向框架梁枣核形裂缝充分发育以后，结构体系的整体性和抗水平荷载的能力基本丧失以后，纵向梁系所承受的水平力或膨缩变形才能有效地集中地传递到框架柱去，所以框架柱上的水平裂缝是最后发育了。 4. 安全评估 框架柱上的水平裂缝是一种最危险的裂缝，为了坚守抗震设计准则中“大震坏而不倒”这一道最后防线，因此人们在结构设计中非常重视“强柱弱梁”这一设计理论。 设计原因引起的框架结构裂缝事故四例 二 . 强柱弱梁事故一例 强柱弱梁体系虽然对抗震设防有利，但也得适可而止，过犹不及。柱过强，梁过弱，同样会引起严重的结构裂缝事故。下面介绍的事例十分典型，限于篇幅，只作简要叙述。 某 8 层框架结构教学大楼为双面悬挑外廊式建筑，全长 77.0m ，设有一道伸缩缝。柱网为 7.0 进梁 ×9.0m 开间，每面悬挑 2.5m 。与上例强梁弱柱不同的有下面两点。 (1) 悬挑外梁为敞开式，边梁不承重，断面小。 (2) 为了满足建筑要求，底层柱为圆断面，直径 1050mm~1150mm ；二层以上柱断面从 800mm×800mm 减至 700mm×700mm ，柱断面显然偏大。纵框架梁断面为 250mm×800mm ，刚度相对偏低。建成后经过低温考验后，在纵向框架梁侧面上普遍出现了枣核形裂缝，从底层向上层逐层发展，并遵循等距有序的规律，即裂缝先在中跨出现，将梁跨一分为二；然后二分为四，一般每跨梁都有 3 条裂缝，甚为规整，为典型的强柱弱梁冷缩裂缝事故。由于裂缝发展速度快，来势惊人，曾经引起人们恐慌，社会关注，以致被迫停 课。随后进行了加固处理，花费人民币数百万元。 设计原因引起的框架结构裂缝事故四例 三 . 强架弱板二例 强架弱板现象是当前一些结构设计工作者陷入一个认识误区所引起的，他们往往习惯地将加强结构安全性的注意力过于集中到了基础和主体框架方面去，而忽视了板的安全。结构设计的安全水准从“ 74 规范”、“ 89 规范”升级到“ 02 规范”以后，总的可靠度确有大幅度提高。但是从板的厚度到板面配筋却基本上保持了原地踏步的低水平： 4.0m 以上中等跨度的板厚保持在 100mm 左右； 5.0m ～ 6.0m 的大跨度板，板厚保持在 120mm ～ 150mm 之间；厚跨比接近甚至突破 1/40 的极限；配筋则习惯于在取 8 直径， 100mm 到 150mm 间距；与 10 直径， 100mm 到 150mm 间距，和 12 直径， 100mm 到 150mm 间距等几种情况下去选择，很少进行严格的内力计算，根据实际需要进行钢筋配置。虽然当前框架结构的总用钢量已在大幅度增加， 8 度抗震设防区的框架结构每平方用钢量一般均已接近甚至超过 100kg ，而规范中板的耗钢量却仍保持每平方 10kg 以下的低水平，配筋方式则沿用分离式配置的老办法，板内不配置弯起钢筋。不能发挥钢筋的抗剪能力，板的抗剪能力严重不足，这就是板面裂缝事故率最高，用户呼声最高的主要原因。下面两例最有代表性。 设计原因引起的框架结构裂缝事故四例 1. 某高层公寓楼屋面板裂缝事故 某 12 层公寓建筑面积 15 000 余平方， 50m×25m 的一层地下室和筏板粉喷桩基础，建成后即发现楼面裂缝、屋面渗漏现象，尤其是屋面，几乎是年年修，年年漏，用户意见很大，将开发商告到了法庭。由于地下室周围曾出现了沿散水坡地面开裂的迹象，人们将注意力集中到了地基方面去，还曾引起人心惶惶，后经司法证据鉴定，认定为楼屋面板设计存在问题。 1) 板的厚度不够 5.7m×5.4m 和 5.7m×4.2m 两种大跨度的客厅板连带 3.6m 或 2.1m 的小开间板，板厚一律取 100mm ，跨厚比超过极限。 设计原因引起的框架结构裂缝事故四例 3) 暗梁无实际效果 鉴于板的厚度不够，设计中采取了一个配置暗梁的措施，即特意在板内适当位置增加 了 3 根 18 的粗钢筋，希望粗钢筋能起到暗梁加强的作用。实际上，荷载是按构件刚度分配的，粗钢筋对板的刚度毫无影响，因此根本不能起作用。 2. 某教学大楼楼板裂缝事故 某教学办公综合大楼楼板局部结构布置如图 12.9 所示，板厚为 100 ，小梁断面为 200mm×300mm 。显然小梁刚度不足，变形太大，使大教室板面出现了跨小梁连贯的对角线斜裂缝或对角线交叉裂缝，呈现了典型的双向板裂缝模式。 图 12.9 某教学大楼楼板局部结构示意 其他原因引起的框架结构裂损事故 引起框架结构裂缝或裂损的事故其他原因还很多，有地震、风灾、水灾、火灾等自然灾害，还有环境腐蚀、空气腐蚀、化学腐蚀、原材料蚀变 ( 碱骨料反应 ) 等多种因素。但其发生几率不高，或者是反应较慢、过程较长，有关这些内容已在前面第 9 章作过重点讨论，这里不再赘述。 思考题与习题 1. 为什么说现浇钢筋混凝土框架结构的事故率最高？ 2. 说说当前的框架结构事故中，地基基础原因、施工原因、设计原因和其他原因四者所占的比例大致如何？ 3. 你能分析一下框架填充墙的裂缝机理吗？ 4. 为什么框架结构的板面裂缝现象最普遍和严重？ 5. 最危险的框架结构裂缝是哪样的裂缝？