杨青，杨国兵

（1.滁州学院土木与建筑工程学院，安徽 滁州 239000；2.安徽滁州技师学院，安徽 滁州 239000）

1 引言

当前，我国大规模的城市基础设施建设、城市化进程与规模项目新建、改建、扩建方兴未艾。据报道，2018 年，我国混凝土产量达到 23.5×108m3，2019 年，达到 24×108m3，且呈上升趋势，混凝土结构因其良好的抗压性能和耐火性，优越的可塑性和价格的经济性，钢筋与混凝土的力学性能匹配性得以广泛使用。但混凝土结构因裂缝的出现常引起人们的恐慌与不安。产生裂缝的机理有多重因素（见图1）。大多数裂缝的原因并不单纯为某一类，或兼而有之，或有主次之分，但结构性裂缝的出现和发展更是工程技术人员的重中之重。结构裂缝宽度与结构应力丰满程度有关，裂缝的形态和裂缝的宽度反映了结构抗力消耗的程度【1】，特别是呈脆性破坏的弯剪裂缝更值得我们关注与探究。

图1 影响裂缝的各种因素

2 工程背景

某多层商住楼，底层为商场，2 层以上为住宅，框架结构，沉管灌注桩基础，框架柱截面尺寸为450mm×450mm，框架柱距为4.5m，2 层沿街楼面原设计为矩形截面悬臂梁（180mm×600mm）外挂连续梁（矩形截面180mm×600mm），其上为女儿墙，悬臂梁顶配筋3 根φ25mm，梁下2 根φ12mm（均为Ⅱ级），箍筋φ8mm@200mm（Ⅰ级），混凝土强度等级C20（见图2）。后因住户需要，将女儿墙及悬臂梁上改造增加用作一排自行车库房，钢筋混凝土屋面，板厚120mm，前后普通砖砌体墙，厚度分别为180mm、120mm，为了保证结构安全，设计人员在每个悬臂梁端部下增设1 根钢筋混凝土柱，柱基础为4m 长松木桩基础【2】（见图 3）。

图2 改建前悬臂梁挑檐图

图3 改建后悬臂梁与自行车棚图

竣工验收投入使用后不久，部分悬臂梁下独立柱出现了明显下沉且有歪斜现象（原地基属深达0.8～3.5m 厚软土层），随后半年，悬臂梁有轻微裂缝且随时间推移有发展趋势，引起业主不安，遂通知监理单位、施工单位，项目总监现场观察后，下达工程（质量整改）监理通知单，要求施工单位查明原因尽快拿出整改方案，着手进行处理（暂用钢管支撑）。施工单位技术负责人查看现象，认为问题比较严重，可能不是一般质量问题，当即决定聘请原设计人员和几位专家到场，进一步进行诊断。

3 现场勘查

原设计人员及几位专家在现场勘查发现，凡出现裂缝的悬臂梁端下的独立柱均存在下沉且有歪斜现象，没有下沉的独立柱的悬臂梁均没有裂缝。现场测量，独立柱下沉的深度为60～80mm，悬臂梁裂缝宽度已达4～7mm，180mm 外墙顶外倾达70～85mm（见图4）。专家分析，实际上，裂缝“悬臂梁”的受力又恢复了改建前状态，独立柱已发挥不了作用。原悬臂梁在改建后是一次超静定结构，现在需要经过力学分析与计算后，再制定补强或加固方案。

图4 悬臂梁裂缝图

4 设计复核

依据文献【3～5】，参照现场改建后的自行车库结构布置与建筑做法，分析传递给悬臂梁的荷载及路径，悬臂梁间距4.5m，计算跨度取2.2m，自行车库在悬臂梁上均设置180mm厚普通砖砌体横隔墙（未抹灰），净高取2.6m，屋面板跨度取3.0m，屋面荷载设计值综合建筑做法，取值5.5kN/m2。现仅进行立柱增加前后及裂缝出现后，悬臂梁抗弯、剪承载力复核计算。具体计算情况如下（本案不涉及连系梁、框架柱及基础、立柱及基础计算，此处不考虑）。

1）立柱增加前：

式中，q1为无立柱时水平梁承受的线性均布荷载设计值；F1为无立柱时水平梁梁端承受的集中力设计值；MA1为无立柱时水平梁根部弯矩设计值；VA1为无立柱时水平梁根部剪力设计值；l0为水平梁计算跨度。

2）立柱增加后：

式中，q2为立柱增加后水平梁承受的线性均布荷载设计值；F2为立柱增加后水平梁梁端承受的集中力设计值；MA2为立柱增加后水平梁根部弯矩设计值；VA2为立柱增加后水平梁根部剪力设计值；M中2为立柱增加后水平梁中部弯矩设计值。

3）立柱脱离后（裂缝出现）：

式中，q3为立柱脱离后水平梁承受的线性均布荷载设计值；F3为立柱脱离后水平梁梁端承受的集中力设计值；MA3为立柱脱离后水平梁根部弯矩设计值；VA3为立柱柱脱离后水平梁根部剪力设计值。

4）水平梁受力状态与承载力比较；

弯矩内力见图5，剪力内力见图6。

5 裂缝分析处理结论

经过结构计算得出，裂缝出现是由于悬臂梁在加层（自行车车库）后，造成水平构件改变了受力状态，产生了新荷载效应，后增加的立柱使结构的承载力得以抵抗，后由于主要构件立柱的变形位移，使得水平构件的受力弯剪承载力严重不足，实际抗弯承载力仅占设计值的46.3%，抗剪承载力仅占设计值的53.8%，从裂缝形状来看，属负弯矩引起的弯剪裂缝，破坏是脆性破坏，悬臂梁裂缝是结构性裂缝，是重大安全隐患。

图5 水平梁不同状态弯矩图比较

图6 水平梁不同状态剪力图比较

处理方案：（1）拆除自行车车库，问题永久解决。问题是，绝大部分立柱没有发生托离悬臂梁也没有裂缝的，仍可以使用，再者，住户停放车问题突出没有解决；（2）解决裂缝问题，给予加固补强。通过权衡比较，结合专家建议，业主按方案（2）处理，先采用环氧树脂压力灌浆加固悬臂梁裂缝补强，后采用静压方桩托换基础，顶升钢筋混凝土立柱，使立柱复原。

经近3 年观测，加固处理的悬臂梁未见任何裂缝，说明悬臂梁加固补强处理成功。

6 关于事故问题的思考

1）这次质量事故的根本原因是由于后续设计人员对立柱采用的木桩基础的变形与主体框架结构的沉管灌注桩变形不一致而造成的。事实证明，同一种结构不宜采用不同的基础方案。同时，审核人员没有把好质量关，项目监理人员没有及时发现隐患也是此次事故的原因。

2）加层建筑或改变建筑使用功能，必须考虑后续影响，同时，对可能出现的不利状况和带来的结构影响应给予充分计算，并采取有效的消除措施。

3）裂缝原因与症状多种多样，必须建立在准确地分析原因的基础上，才能对症下药，结构性裂缝的处理，不可掩盖或草率处理。

4）本案在处理立柱顶升前对水平梁裂缝注浆加固，防止其受到外力时崩塌，颇有成效。

5）本案在加层增添立柱时，如果将钢筋混凝土结构立柱的主筋与悬臂梁的受力钢筋进行可靠连接，则当立柱因为软弱地基的不均匀沉降60～80mm 时，作为一次超静定结构的水平梁的内力又将是什么形态，水平梁会发生裂缝吗？如果会发生裂缝，裂缝会在什么部位？这些问题都值得探究。

6）本案如果在加层增添立柱时，将悬臂梁上设置的自行车库进行向内平移，会发生什么状况？对2 层框架梁有什么影响？在满足车库使用功能的条件下，什么位置较为有利？同样值得思考。

7）地基不均匀沉降与地质勘察报告反映的地基承载力特征值有关，对于高压缩性软土层的后期持续沉降应有预估，在结构设计时，应考虑与主体结构的一致性，并加强处理。

8）立柱脱离后，水平梁又恢复成悬臂梁，其实际承受的弯矩与其承载力之比为386.6/178.8=2.16∶1，承受的剪力与其抗剪承载力之比为228.1/122.5=1.86∶1。虽然后者比值不如前者大，但裂缝出现与发展原因为抗剪不足，这就是受弯构件抗剪要求高于抗弯能力的合理解释。

9）同样跨度、同样荷载布置的水平梁，静定结构与超静定结构相比，在支座或跨内任何部位，弯矩与剪力均有显著差别，如本案裂缝发生前后，支座A 的弯矩之比为386.6/28.8=13.42∶1，228.1/65.4=3.49∶1。说明，超静定结构比静定结构具有内力分布合理等优点，于结构配筋有利，且一次超静定结构减少一个约束后，仍可承受荷载，但超静定结构对支座约束提出了更高要求。