由于钢管混凝土中的混凝土具有较强的抗压能力, 钢管具有良好的抗弯能力, 在一起作用时钢管混凝土的承载力、延性、防火性、抗震性、耐腐蚀性能都大大提高。利用钢管壁对内部混凝土的保护作用, 可以减少混凝土的自然损坏, 增加耐久性。因此钢管混凝土被广泛地应用于高层建筑、桥梁结构、地铁车站、大跨工业厂房等建筑物。尤其是钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁所构成的结构, 更符合我国建筑行业的要求。但钢管混凝土在实际工程中也有一些弊端, 如适用范围仅限于柱、桥墩、拱架等, 钢管的对接、制作要求较高, 管内混凝土的浇筑质量无法直观检查等, 所以在应用过程中也产生一些问题。由于目前对钢管混凝土的理论研究还处于偏低水平, 结构研究没有深入, 所以在实际工程中遇到问题应进行多方面研究。

某项目位于山西省, 建于2015年, 为地下3层、地上34层混合结构高层建筑。该工程混凝土柱的设计强度等级为地下3~23层C60, 24~34层为C50。现场工作人员于2016年2月发现该建筑9层至顶层部分钢管混凝土柱外层混凝土出现开裂等情况, 个别柱子出现粉碎性裂缝或返碱现象 (见图1) 。为了解该建筑钢管混凝土柱的现状, 对该建筑钢管混凝土柱的混凝土强度、钢筋配置、裂缝宽度及深度进行了检测。

依据GB/T 50344—2004《建筑结构检测技术标准》和JGJ/T294—2013《高强混凝土强度检测技术规程》, 采用回弹法对钢管混凝土柱的混凝土强度进行检测并进行单个构件的混凝土抗压强度推定, 强度设计值为C60的钢管混凝土柱外层混凝土强度检测结果为60.2~77.1MPa;强度设计值为C50的钢管混凝土柱外层混凝土强度检测结果为54.6~64.2MPa。总体来说, 混凝土强度推定值与设计强度相符。

依据《建筑结构检测技术标准》、GB50204—2015《混凝土结构工程施工质量验收规范》和JGJ/T152—2008《混凝土中钢筋检测技术规程》对钢管混凝土柱的钢筋配置、钢筋保护层厚度进行检测, 结果如下: (1) 箍筋间距与设计基本相符; (2) 所检钢管混凝土柱纵向钢筋数量与设计相符; (3) 部分钢管混凝土柱的钢筋保护层厚度比设计值小。

依据《建筑结构检测技术标准》对钢管混凝土柱裂缝的宽度、深度、长度等进行检测, 结果如下: (1) 23层以上所检钢管混凝土柱的裂缝多集中于该楼南侧, 9~22层所检钢管混凝土柱裂缝多集中于该楼北侧, 这可能与建筑的不均匀沉降有关; (2) 所检钢管混凝土柱的裂缝宽度范围在0.06~5.2mm, 深度在13~180mm。

为了解裂缝是否在后期继续发展, 在柱典型裂缝的末端位置抹直径100mm的石膏饼, 由于石膏饼凝固较快, 且不产生收缩裂缝, 所以后期可根据石膏饼是否产生裂缝判断柱裂缝是否发展。监测过程中每周观测1次, 经过2个月的观测, 石膏饼没有产生裂缝, 说明柱上的裂缝没有继续发展。

现场发现9层以上的柱子都有不同程度的裂缝开展情况, 个别柱子损坏严重, 存在多条横向裂缝和竖向贯通裂缝, 裂缝形式多表现为中间宽、两端细, 还有一部分柱子裂缝细小, 多发生于柱子表层。由于混凝土强度基本满足设计要求, 那么可暂时不考虑强度不足造成的影响, 根据现场检测情况及其他资料分析可知, 主要裂缝原因分析如下。

1) 混凝土于8月份浇筑, 在硬化过程中水泥水化产生大量的水化热, 内部热量无法散发, 且太原2015年8月份室外最高温度31℃, 2016年1月份突遇寒流, 最低温度零下21℃, 混凝土表面温度散发较快, 形成较大的温差, 使混凝土表面收缩, 产生一定的拉应力, 当拉应力大于混凝土的极限抗拉强度时, 致使混凝土表面产生裂缝, 但受内部钢管的约束作用, 混凝土裂缝大多发生在表面, 且混凝土与钢材的热膨胀系数不一样, 钢材的热膨胀系数比普通混凝土的热膨胀系数约大20%, 在冷热交替过程中, 钢材的热膨胀和冷收缩变形大于混凝土的变形, 导致钢管表面与混凝土分开。

2) 混凝土浇筑过程中水灰比过大, 多余的水在钢管内存留无法排出, 形成脱空区, 且冬季预冷时混凝土内的水冻结, 形成冻胀力, 使钢管产生向外的变形, 当春季温度升高后, 冰开始融化, 冻胀力消失, 使钢管和混凝土产生变形差异, 导致裂缝产生, 后期施工方为检测钢管内混凝土的质量, 安排专业人员在柱子下部钢管上钻了直径10mm的孔洞, 内部有大量的水喷出, 最后约流出200L水, 说明柱子的破坏及裂缝和内部的水有很大的联系。

3) 由于混凝土表面水分蒸发速度大于内部蒸发速度, 使外部混凝土收缩变形大于内部, 产生干缩裂缝。这种现象主要与混凝土的配合比、环境温度及外加剂有关。

4) 硅酸盐水泥水化过程中产生的Ca (OH) ₂由于混凝土外表面水分的蒸发而随着混凝土内部的水分外移, Ca (OH) ₂到达混凝土表面后与空气中的CO₂和水分发生化学反应产生不溶于水的白色沉淀Ca CO₃, 使混凝土松散、膨胀而导致开裂。

5) 个别柱头破损严重的柱子可能是由于结构局部受均布荷载或集中荷载作用, 产生内力和弯矩, 超过设计荷载, 柱子在较大荷载作用下产生斜裂缝, 导致柱头破坏。

6) 个别柱子由于保护层厚度不够, 使钢筋与外界接触造成生锈, 产生的铁锈体积是相应钢筋体积的2~4倍, 生锈过程中钢筋产生锈胀力, 对混凝土产生向外的力而造成开裂。

7) 设计院在设计过程中安全系数以理论为主, 未考虑施工过程中的不确定性, 部分钢筋配置不合理, 抗剪环设置不合理, 软件计算与实际受力不符。

8) 施工过程中, 没有完全按照图纸施工, 施工过程不严谨, 混凝土振捣不密实, 且混凝土配合比不均, 混凝土保护层不够, 拆模过早, 浇筑过程中钢筋位置变化等。

为了验证现场检测的可靠性, 采用ABAQUS对该建筑开裂最严重的15层5号钢管混凝土柱进行了数值模拟分析, 如图2所示。混凝土柱直径1 500mm, 钢管厚度50mm, 混凝土强度等级为C60, 钢管和混凝土采用C3D8R实体单元, 钢筋采用Truss单元, 钢管和混凝土之间的相互作用采用罚函数摩擦模型, 抗剪环与钢管采用Tie约束, 钢筋采用Embbed命令嵌入到实体单元中。混凝土本构模型采用ABAQUS自带的混凝土塑性损伤模型, 通过GB50010—2010《混凝土结构设计规范》中提供的应力-应变曲线公式计算得到C60的混凝土本构关系曲线。模型底部约束x, y, z 3个方向的位移, 柱顶施加均布荷载。

为了验证钢管混凝土柱内缺陷的影响, 在钢管内柱子上模拟了一个直径0.2m、长度2m的圆柱形缺陷 (见图3) , 与没有缺陷的钢管混凝土柱进行对比分析。

1) 在均布荷载作用下, 钢管混凝土柱最大应力发生在钢管上, 钢管承受的应力远远大于混凝土承受的应力, 且有缺陷时钢管的应力小于无缺陷时钢管的应力, 缺陷位置混凝土的应力比较集中。

2) 在均布荷载作用下, 钢筋最大应力发生在柱头周边, 且竖向钢筋的应力大于其他钢筋所受的应力。

3) 在均布荷载作用下, 有缺陷时抗剪环承受的应力小于无缺陷时抗剪环承受的应力, 且上部抗剪环承受的应力大于下部抗剪环承受的应力, 说明当混凝土存在缺陷时抗剪环的作用效果将降低。

4) 在均布荷载作用下, 有、无缺陷时柱子压缩破坏最严重的位置都位于柱头部位, 但有缺陷时压缩破坏值是无缺陷时压缩破坏值的1.7倍, 在实际工作中一定要注意柱头位置的质量情况。

5) 在均布荷载作用下, 柱子的下部变形大于上部变形, 且有缺陷时环梁受力减小, 有缺陷时柱子下部的竖向变形大于无缺陷时柱子下部的竖向变形, 混凝土与钢管因强度不同, 呈现出不同的变形趋势。

本文以实际工程为例, 在对某高层建筑钢管混凝土柱进行了混凝土强度、钢筋配置、裂缝宽度及深度检测后, 根据现场情况分析了钢管混凝土柱开裂的各种原因, 并提出了预防措施。且应用有限元软件对钢管混凝土在有、无缺陷情况下的破坏情况进行了数值模拟研究, 模拟结果与现场破坏情况相符, 很好地说明了模拟与现场检测结合的重要性, 为今后的工程施工及工程检测提供了参考, 避免类似工程事故的再次发生。