一组受约束混凝土柱柱体开裂原因的分析及修复措施

中建一局集团第五建筑有限公司 北京 100024

1 工程概况

龙泉首府项目位于山东枣庄市滕州市龙泉北路。地下部分由一体化地下车库将11 栋高层住宅楼和1 座会所共12 栋楼连接为一个整体。

由于地库（基础）上方建有楼房的部位沉降要大于无上部建筑部位，所以沉降后浇带要在主楼完工以后才封闭。完工后的地库顶板将填满厚1.5 m的土做成绿化顶。

出现裂缝的地下室柱（P5、M5）位于5#、6#楼之间，在地库外围西侧，均为400 mm×400 mm的钢筋混凝土柱。这2 根柱在拆模时便发现裂缝，走向与水平方向成60°角。随着时间推移，裂缝不断增宽。在拆模后的3 个月，裂缝最宽达5～6 mm，此后裂缝无明显发展。

图1 地下车库局部平面

图2 裂缝柱位置及状况

2 分析开裂原因

柱P5、M5均位于地库凹入边的拐角处，结构相同。其X方向全高（3.60 m）受厚300 mm的地库外墙约束，Y方向受墙高2.40 m、厚300 mm外墙约束。柱上部， -X方向有400 mm×900 mm的梁。两柱下方的基础厚500 mm、其余部分的底板厚250 mm。综上所述，柱周边的构件均为厚大的混凝土构件。当这些周边构件的收缩、膨胀产生的应力应变达到极限值时，将在结构最薄弱处开裂释放应力[1-4]。

由于柱P5，M5所在位置上部的建筑荷载与施工荷载较小，而且与主楼相距较远并隔有后浇带，故不会受到主楼沉降的影响。其开裂原因分析时可首先排除竖向荷载，需要讨论的是横向荷载的方向：是单向还是双向水平力、有无弯矩破坏因素。据文献可知，横向荷载与弯矩破坏通常在地震破坏试验中有体现。Yoshimura & Tsumura在一篇国际会议论文中描述了一个短柱剪力破换的试验，即在柱顶Y方向施加一个恒定的水平约束以及水平的防扭转约束，然后在Y方向施加水平力，直至破坏；其剪力破坏裂缝与本项目的很相似（图3、图4）。Yoshimura & Tsumura 的试验还发现：Y方向的约束力越大，X方向的抗剪越差；轴向约束小，X方向的抗剪越弱。

图3 柱M5效果图

图4 Yoshimura & Tsumura 的剪力破换试验的效果图

通过比较，不难看出本项目中的柱P5、M5的轴向（Z方向）约束小，Y方向约束大，使得X方向的抗剪能力差。其次，外墙的高差也造成了薄弱环节：一段650 mm的短柱特别容易受剪力破坏。

除了结构因素，温度变化和混凝土自身体积变化造成的应力也是开裂的重要原因。柱P5、 M5所在区域施工在12月初进行，其上主梁宽400 mm、深900 mm，水化热较大，且库壁周边部件都是较大的混凝土构件，更不易散热。再者地库主梁配筋量大，柱顶节点处钢筋尤为密集，钢的比热约为0.46 J/（g·℃），而混凝土比热约为0.9～1.0 J/（g·℃），所以，在混凝土早龄期的升温阶段中，钢筋的升温要比包裹其的混凝土快，温升造成的主梁膨胀在柱顶施加X方向应力，造成了柱的剪力裂缝。

3 观测、取证

柱P5、M5所在区域施工结束后，天气逐渐转暖，昼夜温差带来的胀缩、混凝土的收缩使得裂纹有所发展。在龄期2 个月之后体积变化趋小，不再对结构构成威胁。

修复工作在应力基本释放完毕后进行。此前，技术人员在发现裂缝的柱顶设置了观测点，记录其位移。经观察，自2013年12月至2014年2月底，柱P5、M5的观测点水平方向位移了4 mm，至6月，观测点水平方向位移仍然维持在5 mm以内，裂纹也没有继续增宽。在观测期间，柱P5、M5所在位置被隔离，无施工荷载。

4 修补方法及结果

在观测证实柱P5、M5的裂缝发展稳定之后，工作人员设置了临时支撑开始修补。首先剔除开裂面的混凝土保护层，用金刚钻在暴露的柱表面凿上凹凸的肌理。然后围绕着柱布置纵向加固钢筋（图5），环绕纵筋再布置箍筋，箍筋端部植入原有墙体内。在原柱表面刷表面剂，然后围绕钢筋笼支模，注入C50混凝土（原柱为C40混凝土）；加固后的柱截面增大到650 mm ×650 mm。

图5 柱加固钢筋布置示意

2个柱子在进行了加固处理之后情况稳定。此后的半年多，经跟踪观测未发现任何异常现象。

5 结语

1）柱P5、M5的原设计有些强梁弱柱，我们认为强柱弱梁更合理，因此加固时将柱的截面适当放大、加强。

2）考虑到周边构件对柱的约束大，且分布不对称：Y方向柱全高有约束；X方向与柱相接的外墙又比柱矮（从墙顶到梁底有一段区间在X方向无约束，形成了一段短柱），柱顶-X方向又有一条大尺寸主梁。此处短柱处于内力矛盾之交结点，极易受剪力破坏，建议设计加强[5,6]。