钢筋混凝土梁变形问题分析与探讨

2024-01-10张占华

工程质量 2023年12期

李杰，张占华，肖燕

（山东省建筑工程质量检验检测中心有限公司，山东济南 250000）

0 引言

钢筋混凝土梁是混凝土结构中主要的受弯构件之一，极易产生变形现象（尤其是大跨度的钢筋混凝土梁），由于荷载长期作用及徐变等因素影响，会导致梁产生下挠、裂缝等现象。规范对于梁的变形有限值要求，在实际工程中，对于超过限值后梁承载力进行验算很有意义。根据实际变形产生的原因进行分析和研究，针对不同情况，给出相应的判断和处理方案，以保证结构和构件的耐久性和安全性。

1 变形的类型及处理办法

工程上钢筋混凝土梁常见的变形主要为以下几种原因：整体变形引起的构件变形、局部变形引起的变形、构件自身变形。

1.1 整体变形原因

建筑结构发生不均匀沉降会引发构件（包含墙柱梁板）的变形，实际工程遇到过由于各种原因引起的地基不均匀沉降。常见情况如首先是地质勘察报告结果不准确，在没有充分掌握地质情况或地质情况不准确进行施工是常见的原因之一。其次结构各部分基础荷载差异太大。再次结构基础类型或参数差别大引发的不均匀沉降。还有就是施工过程中，没有控制好地下排水等问题会引起地基不均匀沉降。实际工程如图1 所示。

图1 墨西哥城地基不均匀沉降引起的整体变形

总而言之，上述各种原因带来的基础不均匀沉降，使结构中产生附加应力，一旦超出混凝土结构的抗拉能力，就会导致混凝土梁的变形、开裂等问题。

1.2 局部变形原因

结构主体局部变形引起的单个构件变形。混凝土结构主体局部变形也会带来钢筋混凝土柱、梁的变形、下挠、受扭破坏等。发生局部变形的原因多数是因为建筑在施工中部分结构的施工质量没有控制好，导致局部结构施工质量差，引起局部轴线范围内的构件变形。实际工程如图2 所示。

图2 某市房屋局部变形引起的梁、柱变形及破坏

1.3 自身原因

钢筋混凝土梁自身设计缺陷或自身施工质量较差等引起的变形。钢筋混凝土梁变形验算时，结构设计师存在的计算疏忽问题，以及设计不够保守都会导致钢筋混凝土梁变形；施工单位在施工过程中存在偷工减料导致配筋、强度等出现问题都会引起梁承载力不足引起变形。还有就是钢筋混凝土梁支护模板不标准引起的外观变形。所以实际工程中首先要判断是施工质量尺寸偏差还是钢筋混凝土梁的自身下挠变形。

以下结合某工程实例对钢筋混凝土梁的变形问题进行进一步的讨论和分析。通过详细地检测鉴定过程，科学计算和判定，详细地分析和讨论了钢筋混凝土梁变形的特征和原因及处理方案。实际工程如图3 所示。

图3 某市房屋钢筋混凝土梁变形

2 工程概况

某工程于 2019 年 3 月主体完工，为地上 1 层混凝土框架结构，基础采用柱下独立基础，该工程长度约为50 m，宽度约为 16.0 m。基本雪压：0.3 kN/m2，基本风压 0.45 kN/m2，基础和上部混凝土构件强度等级均为C 30。现场照片如图4 所示。

图4 现场照片

3 钢筋混凝土梁变形分析

3.1 现场调查

对现场钢筋混凝土梁实际情况进行鉴定分析［1］，主要鉴定内容及步骤如表1、表2 所示。

表1 鉴定情况表

3.2 变形问题研究

钢筋混凝土梁在主要承受弯矩的区段内，主要由下部纵向受力钢筋，承担弯矩所引起的拉力。变形问题就是构件承载力主要是作用力超过了纵向受力钢筋承载能力。梁不仅承担弯矩也同时承受剪力作用，所以一般混凝土梁会配置横向箍筋和斜向钢筋。斜向钢筋一般由纵向钢筋弯起，故也称弯起钢筋。为了固定箍筋位置设置架立钢筋及构造钢筋，对梁的纵向受力筋可以全部或部分施加预应力。

挠度是结构构件安全的一个重要指标，设计时需要进行承载力的验算和分析。对于本工程，根据规范要求，挠度限制为 l0/400［2］，l0 为计算跨度。上述表2 中挠度最大值应该是端点高度与跨中变形最大处高度的差，同时需要考虑钢筋混凝土梁两端高差。根据上述结果发现：梁的挠度超限超出 20 % 以上的梁，梁底均出现裂缝；而挠度超限未超出 20 % 的梁，梁底均未出现裂缝。

规范规定，混凝土受弯构件可根据构件刚度用结构力学方法计算，均布荷载简支梁跨中挠度：

式中：q为均布线荷载标准值，kN·m-1；E为钢的弹性模量，N·mm-2；I为钢的截面惯矩，mm。

对于开裂构件，式（1）中 B 减小，相应的挠度就变大，加上构件实际承载力减小，因而会导致梁的进一步变形。对于此种说法，清华大学孙海林等对钢筋混凝土梁长期变形计算进行过详细地研究和讨论［3］。

一旦发现梁存在裂缝后，需要更进一步地了解钢筋混凝土梁裂缝的详细数量和位置。现场再次进行重新检测，检测计划为每隔 1 m 进行检测，且观察裂缝特征并记录。检查发现除挠度最大位置（跨中）外，其他位置均未发现裂缝。由此可以判断裂缝是由变形引起，且梁下挠属于构件自身原因。查阅图纸和施工技术资料，该工程原设计不够保守，加上施工单位对于大跨度梁施工经验不足，在施工过程中没有合理的施工方案和监测方案对于钢筋混凝土梁起拱的控制。

针对上述变形，需要对该工程变形的钢筋混凝土梁进行加固处理，以保证屋盖结构的安全。

4 防治措施

4.1 设计方面

对于大跨度的建筑结构中的梁，设计人员应保守设计，从梁的配筋数量、次梁的个数及受力构件布置等角度进行构件设计和计算，并在计算过程中考虑钢筋混凝土梁的长期变形。对于大跨度的特殊建筑，应该对不同结构形式进行详细的分析和比较，防止出现大跨度梁的变形问题。

4.2 施工方面

对于大跨度结构建筑，施工过程根据制定的施工方案和监测方案，对大跨度构件变形做好控制，防止出现为抢夺工期，控制不好施工质量导致的构件变形等问题；对于大跨度结构施工技术人员，应该学习以往工程的实际施工经验，认真研究结构图纸，根据图纸上对于大跨度梁坡度等要求进行施工和控制，从控制整体变形角度，确保围护结构整体均衡受力，在转角部位应采取加强措施。

防止不均匀沉降是防止变形的有效措施。对于软土地区的支护体系插入深度应达到满足稳定要求的较好下卧土层，若坑底土层均较软弱，须加固被动区土体，并在基坑开挖前进行，预留充分的养护期。采用预应力钢管或型钢支撑以减少墙体位移。施工时缩短基坑暴露时间，减少后期变形，基坑暴露后须及时铺筑垫层。

对于预应力的钢筋混凝土梁的变形防治措施，首先是混凝土原材料的选取，这种方式主要是可以控制混凝土徐变对预应力的影响，主要内容有：配合比选取、外加剂的质量和数量把控；其次是预应力的控制，主要方式有预应力张拉程序的控制；再次是安装质量的检查，主要是管道变形、漏浆等病害检查，可以使摩阻力减小，预应力损失降低；然后严格控制锚具安装，减少锚口预应力损失。预应力管道定位应准确、牢固，以较小预应力与设计中心的偏离。最后是施工监控，对于重大工程混凝土浇筑的质量等进行实时监控，以防止超载而引起挠度偏差。工程实际监测照片如图5、图6 所示。

图5 实际工程采用设备进行监测

图6 技术人员监测

5 处理办法

对于上述工程实例，应由设计院单位出具合理的加固设计方案，本文列举两种加固处理方法，具体方案如下所示。

1）钢筋混凝土梁碳纤维加固。对钢筋混凝土梁的裂缝采用环氧树脂类裂缝修补胶压力注浆并封闭裂缝。具体施工方法应按照 CECS 293∶2011《房屋裂缝检测与处理技术规程》［4］等相关规范要求进行。对于变形的钢筋混凝土梁根据现场及实际情况建议粘贴碳纤维加固，采用一级、单位面积质量为 300g/m2的碳纤维和 A 级结构胶，材料性能应符合 GB 50728－2011《工程结构加固材料安全性鉴定技术规范》［5］的要求、且结构胶应通过耐长期应力作用能力的检验。

2）钢筋混凝土梁增大截面加固。①根据加固施工规范要求，搭设脚手架及模板等，并确保安装牢固；②对钢筋混凝土梁底部进行凿毛处理，将钢筋混凝土梁底部沿梁长度方向每边预留 30～50 mm 钻双排孔，孔径为 8 mm，间距 250 mm，孔深大于 10 倍直径；③植筋：采用质量较好的植筋胶将双孔内植入 L 形圆钢，等到凝固后，绑扎圆钢两根，随后将一层小于梁底宽度钢丝网片铺设在横向钢筋上，以防脱层等问题；④为了使沿梁底铺设钢丝网片方便，将梁底下挠的最底部保护层凿除；⑤支梁底模：底模面距剔凿后的梁底下挠部位≥25 mm，并保证底模安装符合规范，侧模采用钢管步步紧及木桥加固；⑥浇筑细石混凝土：在灌注口一侧浇筑细石混凝土，并进行插捣，以确保混凝土浇筑质量；⑦表面处理：在浇筑后第二天及时拆除侧模，将表面剔凿平整，用纯水泥砂浆抹面收平；⑧待新浇混凝土强度达到设计强度可拆模板。