基于有限元动力模型和现场检测的混凝土结构裂缝成因分析与危害评估

基于有限元动力模型和现场检测的混凝土结构裂缝成因分析与危害评估

喻明秋王纯江马康卫

中国电子科技集团公司第二十九研究所四川成都610036

摘要：由于在经济性、耐久性、耐火性及整体性等方面具有明显优势，钢筋混凝土结构越来越多的成为基建工程的主要结构形式，但混凝土材料本身是一种脆性材料，受拉应力作用下极易出现裂缝。根据国标《混凝土结构设计规范》[1]，出现裂缝并不意味着结构损伤，应根据裂缝具体情况分析判断，以确定是否确需修补或加固。本文以**单位新建车载大楼为研究对象，在建立精细有限元动力模型电算分析的基础上进行现场检测，通过电算结果与实测结果的匹配性，综合分析判断结构裂缝成因及危害程度，并对同类建筑使用规范的制定提供了参考。

关键词：混凝土结构；裂缝；有限元模型；现场检测

1引言

多层车载厂房由于结构板需承受车轮巨大的接触性动压力，且随着车辆的行进，车轮荷载将随机出现在楼面的任何位置，较普通办公或生产场地，引起裂缝的风险更大、原因更多，其形式、宽度深度以及所在部位更为复杂多样的，如果裂缝宽度超过规定的允许值，且长期存在就会影响结构构件耐久性、承载力以及持久强度，甚至造成结构破坏和人员生命财产损失[2]，因此，对于该类建筑的裂缝控制及危害评估显得尤为重要。

2结构概况

为提升车载产品装配调试能力，**单位于2017年建成了专门用于车载产品生产的大型装调厂房并于当年投入使用。该建筑为地下一层、地上四层，采用钢筋混凝土排架结构+框架结构形式。车载产品生产主要布局于改该建筑的一层（下部为地下室），设计使用荷载标准值为10kN/m2。

2019年初，生产部门使用过程中，发现该家建筑一层车载生产区楼面板出现多处裂缝且形状不一。经现场检查表明，裂缝主要表现为以下三种情况：①找平层伸缩缝位置裂缝；②、走向不规则裂缝③、在梁侧位置，走向与轴线方向大致平行的裂缝。为查明裂缝产生的原因，评估相关危害，笔者专门针对裂缝问题进行了深入研究，在利用有限元软件建立精细电算模型分析的基础上组织进行现场检测检测，通过电算结果与实测结果的匹配性，综合分析判断结构裂缝成因及危害程度。

3、关于动力数值模型的几点考虑

运用有限元方法建立结构的动力数值模型过程中做如下考虑：

（1）一是考虑10%载荷误差，即考虑1.1的放大系数；二是考虑刹车、过载等情况下造成的附加载荷，即考虑1.3的动力系数；三是考虑设计规范所要求的1.3分项系数；计算板时，综合系数考虑，1.1*1.3*1.3=1.859，取1.86；计算梁时，由于在放置状况是按中轮及后轮四个轮子作用在最不利状况；展开状是按最不利轮子作用在梁上，因此综合系数考虑，1.3*1.3=1.69，取1.69。

（2）计算车型选取当前重量最大的25吨车辆进行计算，一组轮压40KN，支撑点压力80KN；其他楼板使用荷载取2.0KN/m2。

（3）取以下三种不利工况进行计算：

工况1：一台车后车轮同时作用在一块板上（未展开支撑）

工况2：一台车展开支撑作用在一块板上（支撑展开后轮压为0）

工况3：25吨车二台车后车轮同时作用在一块板上（未展开支撑）

4、模型分析结果

将上述参数输入动力模型，分别按照不同工况，计算结构梁板在车轮动载和其他使用荷载联合作用下裂缝宽度并与规范进行对比。

表1不同工况作用下结构内力及裂缝计算结果

图1混凝土现场检测点位（阴影部分）

检测结果如下：

（1）现场凿除（2/A）~（3/A）/4~5轴线范围（该处板面存在多条走向不规则裂缝）局部找平层混凝土，对找平层厚度、抗裂钢筋直径及间距进行检测，其平均值分别为：68mm、4.01mm和105mm。检测结果表明：该范围找平层平均厚度偏厚，抗裂钢筋直径及间距平均值均满足设计要求；未发现一层结构板板面对应位置存在裂缝，其裂缝仅限于找平层范围内。

（2）现场凿除（2/A）~（3/A）/6~7轴线范围（该处板面存在多条走向不规则裂缝）局部找平层混凝土，对找平层厚度、抗裂钢筋直径及间距进行检测，其平均值分别为：54mm、3.99mm和101mm。检查（测）结果表明：该范围找平层厚度、抗裂钢筋直径及间距的平均值均满足设计要求；未发现一层结构板板面对应位置存在裂缝，其裂缝仅限于找平层范围内。

（3）现场凿除（2/A）~（1/2/A）/7~8轴线范围（该区域梁侧位置存在与轴线方向大致平行的裂缝）局部找平层混凝土，对找平层厚度、抗裂钢筋直径及间距进行检测，其平均值分别为：49mm、4.03mm和101mm。检查（测）结果表明：该范围找平层厚度、抗裂钢筋直径及间距的平均值均满足设计要求；发现该板在板面裂缝对应位置结构板存在一条裂缝，板面裂缝宽度最大值约为0.2mm；根据现场板面灌水后板底渗水情况，表明上述两条裂缝均为贯穿性裂缝。采用楼板测厚仪和钢筋扫描仪对该结构板的板厚及钢筋布置情况进行了抽测，其结果证实：该板所抽测的钢筋混凝土保护层厚度、钢筋间距平均值及板厚平均值均满足设计及规范要求。

6、裂缝原因分析

根据电算结果和现场检测裂缝出现的部位、走向、形态以及现场调查、检查及检测结果，并结合相关资料的核查情况等，经综合分析判断：上述①类裂缝产生的主要原因系找平层伸缩缝由于温度变化，造成表面油漆开裂所致，并与重型车辆出入存在一定关联；②类裂缝产生的主要原因系找平层混凝土收缩以及大气温度影响综合所致的温度-收缩类裂缝，并与重型车辆出入存在一定关联；③类裂缝产生的原因为结构板因存在混凝土收缩以及大气温度影响综合所致的温度-收缩类裂缝。

7、结论

对比据有限元分析结果和现场检测结果，两者基本一致，最大裂缝宽度均在0.2mm左右，可以充分说明，裂缝的成因主要为系结构板混凝土收缩以及大气温度影响综合所致的温度-收缩类裂缝，裂缝未影响主体结构在原设计正常使用条件下的安全性，但应对裂缝进行有效的修复、封闭处理，确保满足耐久性和使用要求。

参考文献：

[1]GB50010-2010.混凝土结构设计规范[S].

[2]彭东亮王宏彬.浅谈混凝土结构产生裂缝的原因分析[J].建材与装饰，2017（37）：20-21.