一起特殊的牛腿开裂工程质量事故分析

程 彦,柴静江,严远飞,任丽丽

(1.衢州康平建设工程检测有限公司,浙江 衢州 324000；2.衢州康平建筑工程司法鉴定事务所,浙江 衢州 324000)

1 工程概况

某化工园区市政公用工程管廊,为双柱管架、横向框架钢筋混凝土梁柱+纵向钢梁结构,上铺各种工业输送管道,见图1。该管廊工程于2013年开工建设,2014年竣工。2015年业主陆续发现部分混凝土牛腿开裂,见图2；部分三角形水平支撑与框架横梁连接处撕开,见图3。

图1 市政公用工程管廊 图2 混凝土牛腿开裂 图3 三角形水平支撑与框架横梁连接处撕开

业主于2015年对开裂牛腿进行了修补,其中破坏较严重的,凿除损伤层,锚板上重新焊接锚筋,用灌浆料加大牛腿截面浇筑。2016年,业主发现更多牛腿开裂,并且有部分2015年经过处理的牛腿重新开裂,最严重的状况为金属锚板垂直纵梁方向侧移约30 mm，且4根金属锚筋均与金属锚板断开。2017年,业主决定委托鉴定,以查明牛腿开裂原因,为下一步的加固修复提供依据。

2 情况调查与勘验

根据现场实际情况,本次对14榀管架15个开裂牛腿,进行了详细的调查与勘验,基本情况如下：

1)采用钢卷尺测量混凝土与钢结构构件尺寸偏差,结果符合设计和规范要求[1-2]。

2)采用钢筋探测仪配合凿开验证方法检测牛腿配筋和钢筋保护层厚度,结果符合设计和规范要求[1]。

3)采用回弹法检测牛腿混凝土抗压强度,结果符合设计要求。

4)采用洛氏硬度计检测并推算钢板抗拉强度,结果符合设计要求。

5)检查金属锚筋直径和埋置深度,结果符合设计要求。

6)混凝土(除牛腿外)外观基本正常,无明显裂缝、倾斜和下沉。

7)钢结构外观基本正常,纵梁(H型钢)跨中挠度符合设计和规范要求[3]。

8)部分钢结构金属轻微锈蚀,对结构安全影响轻微。

9)中间横梁与纵梁采用两条侧面长边角焊缝满焊，纵梁与牛腿金属锚板采用两条侧面长边角焊缝满焊，牛腿金属锚板与金属锚筋采用T形焊接；个别纵梁与牛腿金属锚板漏焊；部分T形焊接焊缝高度小于6 mm,不符合受力预埋件规范要求[4]。

10)开裂牛腿的金属锚板基本为垂直纵梁方向侧移,部分金属锚板平行纵梁方向一侧向上翘起与混凝土脱空。

11)金属锚筋基本为焊接点垂直纵梁方向侧移或被剪断。部分金属锚筋平行纵梁方向一侧向上拔起,部分金属锚筋中度锈蚀。

12)部分三角形水平支撑与框架横梁连接处撕开或三角形水平支撑轻度压弯。

13)中间横梁一侧悬挑梁铺设有一根黑色钢丝网骨架塑料复合管,采用管卡固定,管卡底部钢板与中间横梁采用两条侧面短边断续角焊缝,焊缝总长度约120 mm,超过4根金属锚筋T形焊接焊缝总长度；其余管道固定于钢筋混凝土横梁且为其他材质。

3 原因分析

通过初步判断,由于金属锚板基本为垂直纵梁方向侧移,从而排除纵梁较长引起的热胀冷缩因素影响。经过仔细的梳理与统计,我们发现一个共性现象：本次调查与勘验的15个牛腿中有14个位于有黑色钢丝网骨架塑料复合管一侧,因此推断,牛腿开裂与黑色钢丝网骨架塑料复合管直接相关。同时,经过原因分析后,可知剩余的1个开裂牛腿也与黑色钢丝网骨架塑料复合管相关。

3.1 钢丝网骨架塑料复合管

本工程所用钢丝网骨架塑料复合管是用高强度钢丝网骨架和热塑性塑料聚乙烯为原材料,钢丝缠绕网作为骨架增强体,以高密度聚乙烯(HDPE)为基体,采用高性能的HDPE改性粘结树脂将钢丝骨架与内、外层高密度聚乙烯紧密地连接在一起[5],使之具有优良的复合性能。由于钢丝网骨架的加强作用使钢丝网骨架聚乙烯复合管的刚性、耐冲击性及尺寸稳定性优于任何一种纯塑料管材,同时网状钢骨架本身又是一种柔性结构,因此该管材具有“刚柔相济”的特点。尤其是管材抗蠕变性能好,持久机械强度高,使管材在受到外力作用产生弯曲变形时,具有优良的弹性变形恢复能力；同时,在恢复过程中,如同已经拉弦的弓箭,弹性变形恢复力将强大而持久。

3.2 垂直方向弯矩形成及破坏过程

1)钢丝网骨架塑料复合管在点A、C、E、G用管卡扣住(点B、D、F无管卡),管卡与中间横梁(H型钢)上翼板焊接连接,中间横梁与纵梁(H型钢)上翼板焊接连接,钢梁下翼板在点H、L与牛腿金属锚板焊接连接,金属锚板与金属锚筋焊接连接,金属锚筋埋于牛腿混凝土中。结构平面及管道位置示意图见图4。

图4 结构平面及管道位置示意图

2)由于施工原因,管卡安装点C向内侧偏移,管道固定后,点A、B、C、D、E、F、G未处于一条直线上,钢丝网骨架塑料复合管横向水平弹性弯曲变形(弧形弯曲),产生强大持久的向外侧横向水平弹性恢复力f。力f通过刚性连接(焊接)向混凝土与钢结构构件传递,从而形成以金属锚板O1端为支点的垂直方向弯矩m。在弯矩m作用下：当弯矩m产生的上拔力大于金属锚筋与混凝土的粘结力时,金属锚筋2向上拔起,金属锚板O2端上翘与混凝土脱空,雨水或潮湿空气进入后锚筋锈蚀,造成牛腿混凝土锈胀开裂破坏。见图5。

图5 (1-1剖面)垂直方向弯矩示意图

3.3 水平方向扭矩形成及破坏过程

图6 结构平面、管道位置及水平方向扭矩示意图

1)各构件连接方式同3.2节,结构平面、管道位置及水平方向扭矩示意图见图6。检查中发现牛腿U的钢梁下翼板与牛腿金属锚板漏焊。

2)由于施工原因,管卡安装点C向内侧偏移,管卡安装点E向外侧偏移,管道固定后,点A、B、C、D、E、F、G未处于一条直线上,钢丝网骨架塑料复合管横向水平弹性弯曲变形(波浪形弯曲),产生强大持久的横向水平弹性恢复力f1(向外侧)与f2(向内侧)。力f1(向外侧)与f2(向内侧)(焊接)通过刚性连接(焊接)向混凝土与钢结构构件传递,在HLUR范围内形成扭矩u。在扭矩u作用下：①牛腿U、H的金属锚板向外侧移动,牛腿L、R的金属锚板向内侧移动,带动金属锚筋挤压混凝土,混凝土处于劈裂受压状态。当牛腿混凝土抗劈裂强度小于金属锚筋与锚板T形焊接焊缝强度时,混凝土首先挤压开裂破坏；当牛腿混凝土抗劈裂强度大于金属锚筋与锚板T形焊接焊缝强度时,金属锚筋首先被剪断。②由于牛腿U的钢梁下翼板与牛腿金属锚板漏焊,因此现场只观察到U端纵梁横向外侧移动,牛腿混凝土及金属锚筋均未破坏。③三角形水平支撑K-N、P-S处于受压状态,造成轻度压弯。④三角形水平支撑M-I、T-Q处于受拉状态,由于牛腿U的钢梁下翼板与金属锚板漏焊,导致三角形水平支撑T-Q所受拉力远远大于其他几个三角形水平支撑。现场也观察到Q点连接处三角形水平支撑与框架横梁已经完全撕开,情况最为严重。

3)本次金属锚筋T形焊接焊缝处被剪断,而非其他焊接部位,主要是：从情况调查与勘验可知,管卡底部钢板与中间横梁焊缝总长度超过金属锚筋T形焊接焊缝总长度；同时,4根金属锚筋T形焊接焊缝并非均匀受力(影响因素有：焊接质量差异,扭矩力臂大小,牛腿混凝土抗劈裂强度高低等)。破坏首先产生于最薄弱环节,即4根金属锚筋并非同时剪断,而是依次剪断,且其剪断力远远小于其他焊缝的焊接力。因此,破坏部位只能是金属锚筋T形焊接焊缝处。

4 结 语

钢丝网骨架塑料复合管具有优良的弹性变形恢复能力。但是由于管卡横向水平方向安装存在偏差,管道固定后横向水平弹性弯曲变形,将产生强大持久的横向水平弹性恢复力。该力通过刚性连接向混凝土与钢结构构件传递,形成垂直方向弯矩或水平方向扭矩。垂直方向弯矩使金属锚筋向上拔起,平行纵梁方向一侧金属锚板上翘与混凝土脱空,雨水或潮湿空气进入后锚筋锈蚀,造成牛腿混凝土锈胀开裂破坏。水平方向扭矩使金属锚板横向侧移,金属锚筋对混凝土产生挤压力,造成牛腿混凝土挤压开裂破坏或金属锚筋被剪断；同时,扭矩作用于三角形水平支撑,造成部分三角形水平支撑与框架横梁连接处撕开或三角形水平支撑轻度压弯。

总结本次工程质量事故的发生,偶然之中含有必然,因此提出以下建议：

1)安装时,应熟悉钢丝网骨架塑料复合管的相关性能；

2)在中间横梁上安装管卡时,应控制管道纵向轴线方向的偏差；

3)如果条件允许,管卡与中间横梁可采用活动连接方式。