框架结构裂缝分析实例

第十二章 框架结构裂缝分析实例,12.,*,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0.1m1.2m，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1.5m2.5m，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。,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。,前楼二、三层卫生间漏水现象严重，根本无法投入使用。,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。,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。,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；667711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,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500mm5000mm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：杂填土，厚500mm；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；淤泥质土，,F,k取 85kPa，层厚78m；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6001000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18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