摘要: 本研究通过现场数据调查、结构设计分析、施工质量问题评估及使用环境影响分析，系统研究了襄阳市某商务大楼连廊支撑牛腿开裂的成因。现场检测结果显示，牛腿开裂主要由施工质量问题引发，特别是钢筋定位不准确和混凝土保护层厚度过厚，同时锚固位置有误进一步加剧了裂缝的扩展。在分析事故原因的基础上，综合对比了多种加固方案，最终选择了外包钢加固作为主要解决方案。加固完成后，通过静载试验、超声波检测和应变监测验证了方案的有效性，结果表明加固后的牛腿在承载力和结构稳定性方面显著提升。研究最终提出了针对类似工程的建议，强调了施工质量控制和合理加固方案选择的重要性，以保障建筑的安全与耐久性。
Abstract: This study systematically investigated the causes of corbel cracking in the corridor support of a commercial building in Xiangyang through on-site data collection, structural design analysis, construction quality evaluation, and assessment of environmental impact. The on-site inspection results showed that the cracking was primarily caused by construction quality issues, particularly inaccurate rebar positioning, and excessive concrete cover thickness, while incorrect anchoring further exacerbated the crack propagation. Based on the cause analysis, various reinforcement options were compared, and external steel reinforcement was ultimately selected as the main solution. After the reinforcement was completed, the effectiveness of the solution was verified through static load testing, ultrasonic testing, and strain monitoring. The results indicated significant improvements in the load-bearing capacity and structural stability of the corbels. Finally, the study provides recommendations for similar projects, emphasizing the importance of construction quality control and the selection of appropriate reinforcement solutions to ensure building safety and durability.
1. 引言
在现代建筑工程中，牛腿作为承载结构的关键构件，广泛用于梁柱和连廊的支撑系统，其结构性能直接关系到建筑整体的稳定性和安全性。牛腿开裂现象的发生，不仅显著降低结构的承载能力与耐久性，还可能引发严重的安全隐患，危及建筑使用者的生命财产安全。因此，深入分析牛腿开裂的成因及制定有效的加固方案，对确保建筑的长久稳定和使用寿命具有重要的工程价值。
已有研究表明，牛腿开裂的原因多种多样，包括施工质量问题、设计缺陷、环境影响等。郭鲁军等[1]对某工程侧柱牛腿开裂原因及加固处理进行了详细分析，指出施工不当和局部轴线偏位是导致开裂的主要原因。谈丽华[2]在研究某外资厂房牛腿开裂问题时，发现混凝土保护层厚度过大和施工质量差是导致牛腿开裂的关键因素。勾红叶[3]等通过对城市立交桥牛腿开裂及加固的模型试验，揭示了剪拉应力和预应力损失等因素对牛腿开裂的影响。尽管已有诸多研究[4]-[6]对牛腿开裂问题进行了探讨，但对于如何在具体工程中有效实施加固处理仍需进一步研究。
2. 工程概况
2.1. 牛腿在连廊支撑中的作用
牛腿在连廊支撑中发挥着多方面的重要作用。首先，它承载并分散连廊的竖向和水平荷载，通过将这些荷载传递到柱或其他承重构件上，确保结构的整体稳定性和安全性。牛腿还通过刚性连接提供必要的侧向支撑，抵抗风、地震等水平荷载，防止结构侧向位移和摆动。其次，牛腿能够有效分散应力集中，增加受力面积和调整受力路径，降低局部应力集中带来的风险，避免结构局部破坏。在施工阶段，牛腿作为临时支撑构件，确保施工过程中的安全与稳定，施工完成后，继续发挥承重作用，并为结构维护和检修提供支撑点，便于进行结构健康监测和维护。此外，牛腿还结合建筑设计，起到美观和空间利用的作用，通过合理设计，提升建筑的美学价值和空间利用效率。因此，牛腿的正确设计和施工对于确保连廊及整体建筑结构的安全性和耐久性至关重要。
2.2. 开裂问题的初步发现与描述
在进行外墙装饰装修时，经过项目维保人员巡查发现，有四处牛腿出现开裂。裂缝主要集中在以下部位：1) 在牛腿与连廊梁的连接处，裂缝呈纵向和斜向延伸到外侧，宽度从0.2毫米到2毫米不等，部分裂缝深度较大，可能已影响到内部结构，见图1(a)。2) 在牛腿受压面柱的边缘，出现一条裂缝，宽度不均，斜向下发展延伸到牛腿下部。这可能与牛腿自身承载力不足有关。3) 在受压面中部平行与后浇膨胀混凝土的地方出现横向裂缝，裂缝斜向外侧延伸，显示出底部承受了较大的剪切应力，见图1(b)。现场拍摄的裂缝照片详细记录了裂缝的具体位置和形态，为后续调查和分析提供了重要依据。初步评估认为，这些裂缝可能由施工质量问题、设计缺陷以及环境影响等多种因素综合作用导致。项目团队决定进行进一步调查，并组织多方专家讨论，以确定具体原因并制定加固方案。
(a) (b)
Figure 1. Photos of corbel cracking on site
图1. 牛腿开裂现场照片
3. 牛腿开裂原因分析
3.1. 现场调查与数据收集
在发现连廊支撑牛腿出现开裂问题后，项目团队迅速组织了详细的现场调查和数据收集。首先，对四处发生开裂的牛腿进行了全面检查，记录了裂缝的具体位置、形态、宽度和深度，并观察了裂缝是否有扩展迹象。为了准确评估牛腿的损伤程度，使用裂缝宽度计测量了裂缝宽度，结果显示，裂缝宽度范围在0.2毫米至2毫米之间，分布较为集中。
为进一步评估混凝土的强度，项目团队使用了回弹法对牛腿混凝土强度进行了检测。检测结果表明，牛腿混凝土的实际强度为34.5 Mpa，高于设计要求的混凝土强度等级C30，表明混凝土材料的强度符合标准，不是导致开裂的主要原因。钢筋探测仪的检测结果显示，牛腿内部钢筋的保护层厚度普遍超出设计要求，平均厚度为50毫米，超过了设计标准的35毫米。这种钢筋保护层厚度超标可能导致了局部应力集中，降低了牛腿的承载能力。
3.2. 结构设计分析
在商务大楼项目中，牛腿的设计符合规范的要求，设计本身并不是造成牛腿开裂的原因。然而，通过进一步优化设计可以更好地适应施工实际情况，从而弥补施工误差带来的问题。由《混凝土结构设计规范》GB 50010-2010可知牛腿的裂缝以及局部承压通过以下公式进行控制：
(1)
(2)
式中：Fvk为作用于牛腿顶部竖向力设计值；Fhk为作用于牛腿顶部水平拉力设计值；β为裂缝控制系数：支承吊车梁的牛腿取0.65；其他牛腿取0.80；α为竖向力作用点至下柱边缘的水平距离；b为牛腿宽度；h0为牛腿与下柱交接处的垂直截面有效高度。fc为混凝土轴心抗压强度设计值。
由公式(1)可知竖向力作用点至下柱边缘的水平距离α对牛腿的影响比较大，在设计时应充分考虑因施工因素的影响造成对实际α的影响。由局部承压限制可知应当尽量增加连廊钢梁与牛腿上部承压面的接触面积，设计时应该考虑施工误差问题导致接触面积变小的情况，防止出现应力集中导致牛腿破坏的现象。牛腿与连廊钢梁之间的设计详图见图2所示。在设计牛腿与连廊钢梁的连接时，螺栓规格和布置应合理，以均匀分散荷载，防止应力集中；端板厚度应足够，以增加刚度和承载能力，防止过大变形。
Figure 2. Detail of connection between corbel and steel beam of connecting corridor
图2. 牛腿与连廊钢梁连接详图
3.3. 施工质量问题分析
经过对施工日志和现场施工记录的查阅分析后，得出在施工中可能存在以下问题：1) 未进行钢筋的准确定位。在进行后置件锚栓施工前，应该按照设计图纸进行精确定位，现场施工直接忽略了这一步骤。2) 混凝土保护层过厚。施工中未能严格控制钢筋保护层的厚度，导致局部保护层过厚。这不仅削弱了混凝土与钢筋的粘结力，还降低了牛腿的整体承载能力。3) 后置件锚栓位置安装不当。后置件锚栓在未进行钢筋定位确认的情况下施工，导致后置件位置与设计要求不符，安装在了素混凝土区，造成局部应力集中，引发混凝土开裂。
3.4. 使用环境影响分析
1) 襄阳市的温度和湿度变化在正常气候范围内，混凝土和钢筋的热胀冷缩和湿度变化对结构应力影响有限。2) 使用荷载和偶发荷载均未超出设计标准。3) 交通振动和建筑内部振动对结构影响较小，未达到导致牛腿疲劳损伤的程度。4) 所处的自然环境中未接触到腐蚀性介质。5) 日常使用和维护基本按照规范进行，未发现超载或违规操作的情况。以上这些环境因素均在合理范围内，并非引起牛腿开裂的主要原因。
3.5. 多方专家会议讨论结论
项目团队组织了由质量监督站、投资公司、设计单位、监理单位及施工单位组成的专家会议，针对牛腿开裂问题进行讨论。专家在查看施工现场、查阅相关技术资料及听取情况汇报后，形成以下意见：1) 牛腿钢筋保护层局部过厚，且未按照设计要求进行钢筋定位，导致后置锚栓安装在素混凝土区域，局部应力集中是裂缝产生的主要原因之一。2) 受力分析显示，钢连廊安装后，牛腿前端局部受拉，进一步加剧了裂缝的形成。3) 建议委托有资质的检测单位对所有牛腿进行全面检测，检测内容应包括几何尺寸、混凝土强度、钢筋配置等，以确保符合设计规范。根据检测结果，由原设计单位进行复核，并提出处理意见。4) 后续施工需严格按照设计规范进行，特别是在钢连廊及牛腿的施工中应加强安全措施。
4. 加固处理方案设计
4.1. 现有加固方案
常用的牛腿加固方案包括裂缝封闭与低压灌浆、植筋加固、预应力钢绞线加固和外包钢加固等方法。裂缝封闭与低压灌浆方法操作简便，适用于细小裂缝，但对大裂缝或结构性损伤效果有限。植筋加固技术通过植入钢筋提升结构的承载能力，适用范围广，但施工复杂且成本较高。预应力钢绞线加固适合大跨度结构的加固，能有效提升承载能力和抗裂性能，但施工要求高，过程复杂。外包钢加固通过在混凝土结构外部包覆钢板或构件，显著提高了结构的刚度和承载力，适用于需要大幅增强承载能力的部位，虽然成本较高，但效果持久。
4.2. 具体加固方案选用
经过与原设计单位进行充分沟通，综合考虑了各种加固方案的优缺点，最终选择了外包钢加固方案，各牛腿的加固形式大体相似，选取其中一个作为具体加固方案示意图示例，其施工图如图3。施工步骤如下：1) 准备工作，包括采购符合设计要求的钢板(未注明包钢厚度为30 mm，均采用Q235B钢)并对牛腿表面进行处理，凿除劈裂的混凝土并清理碎屑，以确保接触面的干净和粘结效果。2) 根据设计图纸对钢板进行精确切割和预加工，确保钢板尺寸和形状与牛腿部位吻合，并采用坡口对接焊接。3) 混凝土重浇筑：对凿除部位进行清理后，重新浇筑高强度混凝土以修补原有的裂缝区域，确保新的混凝土与原结构紧密结合。4) 在进行螺栓钻孔前，需要先确定构件中的钢筋位置，当锚栓孔与钢筋有冲突时，局部进行微调以避免破坏钢筋。5) 使用高强度螺栓固定钢板，螺栓就位后需用双螺母拧紧，并用环氧灌孔，确保螺栓的牢固性和耐久性。定位与临时固定钢板后，进行螺栓固定和焊接，加强连接的强度和稳定性。6) 包钢后，在原结构与钢板之间灌注微膨胀灌浆料或环氧树脂，填补钢板与混凝土之间的缝隙，确保灌注时的压力和钢筋保护层厚度。7) 进行后期处理，包括检查和修补加固后的钢板与牛腿的连接质量，确保无明显缺陷或松动部位，并对外露的钢板和焊接部位进行防腐处理，以防止钢材在使用过程中受到腐蚀。现场加固后的照片如图4(b)所示。
(a) 3#楼3层8#连廊外牛腿A立面示意图 (b) 3#楼3层8#连廊外牛腿平面示意图
Figure 3. Construction drawing for reinforcement of outer cladding steel corbel
图3. 牛腿外包钢加固施工图
(a) 凿除碎裂混凝土 (b) 外包钢加固
Figure 4. Schematic diagram of clad steel reinforcement
图4. 外包钢加固示意图
外包钢加固完成后，项目团队进行了长时间的结构性能监测，采用了静载试验、超声波检测和应变测量等多项检测手段。在施加设计荷载后，监测数据表明，加固后的牛腿变形微小，且始终在允许范围内，未出现明显的结构变形或位移。超声波检测结果显示，牛腿与外包钢板之间的粘结效果良好，未发现内部空隙或进一步的裂缝扩展。应变测量表明，牛腿在加固后受力均匀，结构整体性得到显著提升，无局部应力集中的现象。
5. 建议与结论
5.1. 建立健全合理的巡查机制
定期巡查在及时发现结构问题中至关重要。本项目的开裂问题得以迅速识别并处理，表明健全的巡查制度对建筑安全的保障作用明显。类似工程应建立常态化的巡查机制，重点关注关键构件的定期检查。
5.2. 施工质量控制
牛腿开裂的主要原因是施工中钢筋定位不准和保护层厚度超标。施工质量控制对结构安全至关重要，应严格按照设计规范执行，加强现场质量监督，以避免类似问题的发生。
5.3. 加固方案的选择
外包钢加固在本项目中取得了良好效果，提升了牛腿的结构整体性和抗裂性能。该方案适用于承载能力不足的构件加固，具备可靠性和长期稳定性。
5.4. 长期维护与管理
加固后的牛腿在使用中表现稳定，无明显裂缝或变形，证明了加固方案的有效性。建议在类似项目中实施定期维护和监测，以确保结构安全和延长使用寿命。
6. 结束语
本项目案例提供了一种牛腿开裂问题的解决方案和实践经验。外包钢加固措施显著提升了牛腿的承载能力和结构耐久性，确保了建筑的安全和使用寿命。为避免类似问题的再次发生，总结了几点参考和建议，希望能够为其他工程项目中类似问题的解决提供有益的启示和指导，为工程建设贡献微薄力量。
NOTES
*第一作者。