摘 要:化工厂房传统上采用梁上部、下部相同的最大裂缝宽度限值0.2mm, 会使梁上部实配钢筋比强度计算值提高60%以上,这样造成梁上部配筋很大,甚至超筋,也不符合强柱弱梁的抗震概念设计。为了改善这个缺点,化工生产厂房应该优化设计,具体是梁上部最大裂缝宽度限值按环境类别一类0.3mm控制;梁下部按环境类别二类或三类最大裂缝宽度限值0.2 mm控制。
关键词:化工厂房, 钢筋混凝土;框架梁, 裂缝宽度,优化设计
1前 言
化工生产厂房与民用住宅相比,一般具有以下特点:
(1) 化工生产厂房场址一般在江边、海边,例如上海的漕泾化工区、江苏泰兴新浦化工区等,厂房多为半封闭或敞开结构,所以环境类别较高,一般为二类或三类;同时活载较大,通常为4～10 kN/m2,所以梁配筋本来就很大;如果机械地满足最大裂缝宽度限值要求,设计出来的梁截面和配筋将更大。
(2) 化工生产厂房腐蚀等级一般为中腐蚀、弱腐蚀,通常有防腐面层和50 mm配筋的细石混凝土建筑面层。鉴于化工生产厂房有防腐面层和50 mm配筋的细石混凝土建筑面层的特点,从规范最大裂缝宽度限值控制的内涵出发,建议在具备一定条件的情况下,梁上部最大裂缝宽度采用优化设计方法。
2原因分析
参考相关资料,根据裂缝检测结果、裂缝特征及沉降观测结果可以判断,工程框架梁的裂缝是属于较典型的梁受温度、收缩影响而产生的裂缝,裂缝产生原因较复杂,但由统计分析可知,框架梁开裂及扩展的主要原因有以下几方面。
2 1 设计方面
1) 当梁的截面尺寸较大时,由于中部箍筋间距相对大,在中部梁侧面易产生垂直于梁轴线的收缩裂缝,且多集中在构件的中部,呈中间宽两端窄,裂至梁的上缘及下缘附近,其裂缝形态多沿短方向均匀地分布于相邻两根钢筋之间,且与箍筋平行。这是由于梁上、下缘的附近配有较多的纵向筋,承受较大拉力,混凝土不易开裂;而梁的中部纵向筋稀少,没有足够的强度以抵抗这种拉应力而发生开裂。为此, GB 5001022002 混凝土结构设计规范规定:应在梁两侧沿梁高度配置纵向构造钢筋,每侧纵向构造钢筋(不包括梁上、下部受力钢筋及架立筋) 的截面面积不应小于腹板截面面积bhw 的0. 1 % ,且其间距不宜大于200 mm ,该框架梁的截面尺寸为250 mm ×700 mm ,纵向构造钢筋每侧仅配置1 根直径为12 mm 螺纹钢筋,满足不了要求,可能由此引起收缩裂缝。
2) 工程框架纵梁全长达60 m ,设计时未充分考虑温度收缩的影响,中间未设伸缩缝,也没有留设后浇带,故加剧了框架梁混凝土裂缝的出现和扩展。
2. 2 混凝土收缩作用
工程使用早强型普通硅酸盐水泥。这种水泥的特点是结硬快,早期强度高,收缩大。其铝酸三钙凝结硬化最快,水化时放热量最大。根据有关资料表明,其铝酸三钙百分比为规定含量的上限值。由此可见,在混凝土施工时,如能根据水泥特性加入适量缓凝剂将对混凝土收缩变形的控制是非常有益的。在拌制混凝土之前,必须按规定对水泥、粗细骨料等进行检验复试,不合格材料绝不使用。混凝土所使用的粗细骨料含泥量偏大,骨料粒径偏细、骨料级配不良,混凝土水灰比、坍落度过大,使用过量粉砂等均易使混凝土收缩大而产生裂缝。
3裂缝性质确定与优化
3. 1梁上端裂缝性质
规范[1]第3.3.4条注2对处于年平均湿度小于60%地区一类环境下的受弯构件,其最大裂缝宽度限值可采用括号内的数值即0.4mm,在正常情况下最大裂缝宽度限值为0.3mm,而在一些特殊情况下可以放宽到0.4mm。所以从中可以很清楚地看出:受弯构件的裂缝宽度限值在一定条件下可以适当放宽,化工生产厂房梁上端正是这种受弯构件的裂缝。
3.2优化设计方法
梁上部、下部均采用0.2 mm的裂缝控制限值,实际配筋与强度计算值之比,上部在1.6～1.7之间,而下部却在1.1～1.2之间,明显上下部实配钢筋比例不协调,且造成梁构件很大;在工程案例中,楼面活载只有6 kN /m2 ,四腿支撑的设备重540 kN,三跨分别为5m, 6m, 6m,还有悬臂2m,梁设计成450 mm (宽)×750 mm (高)才能符合要求,此时上部配筋14Φ 25 6 /6/2,配筋率为2.31%,由于顶部三排配筋,对混凝土浇筑很不利,同时跨高比达到了8,宽度450mm已经把柱加宽了,对层高只有4m的楼层来说已经是显得非常笨重了。梁上部若按裂缝宽度0.3 mm控制,上部配筋10Φ25 6/4即可满足要求,同时梁宽高均可以适当减小,柱子也可以减小;若活载、设备重量、跨度再大一些,上部若按裂缝宽度0.2mm控制简直就没办法设计;通过对相同类型的厂房比较可知,裂缝控制限值将是梁柱尺寸和配筋的重要影响因素,所以化工生产厂房钢筋混凝土框架结构梁上部最大裂缝宽度的优化设计对结构工程师设计类似工程而言将非常必要。
4 处理方法与施工顺序确定
4. 1 裂缝处理方法
(1) 对宽度在0. 10 mm 以上的裂缝应沿其表面凿U 字槽口深12 mm 左右,对凿的槽必须清理表面松动的浮尘或污物,用压力水冲洗干净后,灌满环氧树脂,待环氧树脂完全固化后用1∶2. 5水泥砂浆抹平;对宽度在0. 10 mm 之下的裂缝用水泥砂浆涂刷封闭,以保护钢筋。
(2) 建议尽快在屋顶施工架空隔热层,定期对处理后的裂缝进行观测。
(3)由于工程为超长结构,裂缝处理后可能还会出现新的温度裂缝,可参照处理。
4. 2现场施工顺序设计
对照规范[1]条文和条文解释,可以认为,化工生产厂房最大裂缝宽度限值只和环境类别有关,而化工生产厂房梁上部既有配筋的钢筋混凝土建筑面层又有防腐面层; 梁上部有配筋的钢筋混凝土建筑面层施工是在主体结构层早已封顶,设备安装、测试、试车以后的最后一道工序,这时梁上部细微的裂缝已形成,在做配筋的细石混凝土面层时,由于重力作用,水泥浆将流入已形成的细微裂缝中,待水泥浆凝固后就会把上部的细微裂缝填严实,所以梁的上部钢筋比一类环境下还难锈蚀,这样按一类环境下0.3mm的最大裂缝宽度限值控制还是很有富裕量;例如,民用住宅屋面梁顶部实际上并不是处于一类环境,通常我们按一类环境类别下计算控制,而其顶部钢筋一段也并没有锈蚀,其道理也是有屋面防水层和屋面保温隔热层的缘故。
同时,框架梁下部只有抹面层,抹面层是在主体结构施工完成后进行,这时虽然抹面层对结构梁下部裂缝有一定的填实作用,随着设备重量和操作活载的作用,梁下部的裂缝将逐渐扩展开来,而且重力作用是向下的,抹面的填实作用将越来越弱,所以梁下部裂缝宽度限值应该严格按环境类别设计。
参考文献:
【2】中国建筑科学研究院. GB 50010―200混凝土结构设计规范[S]. 北京:中国建筑工业出版社, 2002.
【2】中国建筑科学研究院. GB 50011―2001 建筑抗震设计规范(08年修订版) [ S ]. 北京:中国建筑工业出版社, 2008.