某高層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)酒店樓面板裂縫成因分析
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安亞琳1，鄭七振1，吳玉峰2
（1．上海理工大學(xué)土木工程系，上海200093；2．中冶建筑研究總院有限公司華東分院，上海200940）
[摘要]現(xiàn)澆混凝土裂縫是目前我國(guó)許多建筑工程中存在的質(zhì)量通病。樓板裂縫問題不但影響到建筑物的使用功能，而且很大程度上降低了建筑物的耐久性�；谀掣邔愉摻罨炷量蚣芙Y(jié)構(gòu)酒店樓面板裂縫實(shí)例，通過現(xiàn)場(chǎng)檢查、檢測(cè)以及有限元分析等手段，對(duì)樓面板產(chǎn)生裂縫的原因進(jìn)行分析研究，并有針對(duì)性地提出了相關(guān)加固措施。
[關(guān)鍵詞]高層建筑；鋼筋混凝土；框架結(jié)構(gòu)；樓面板；裂縫；加固
[中圖分類號(hào)] TU746.3 [文章編號(hào)]1002-8498(2016)04-0124-03
1工程概況
沈陽市某鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)原為科研樓，設(shè)計(jì)建造于1998年，后于2006年改建為酒店�，F(xiàn)因房屋已使用多年，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的局部損傷已對(duì)其本身的安全及正常使用產(chǎn)生了不利影響。應(yīng)甲方要求，對(duì)該房屋進(jìn)行了安全檢測(cè)。該結(jié)構(gòu)地上12層，地下1層，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限50年，安全等級(jí)為二級(jí)，抗震設(shè)防烈度為7度（設(shè)計(jì)基本加速度0. 10g），場(chǎng)地類別為II類，建筑抗震設(shè)防類別為丙類，抗震等級(jí)為三級(jí)。柱、墻混凝土強(qiáng)度等級(jí)：地下1~3層為C50;4～9層為C40；10層及以上為C30。梁板混凝土強(qiáng)度等級(jí)：地下1層為C30，其余為C25，樓板厚度均為120mm。酒店4層建筑平面如圖1所示。
2現(xiàn)場(chǎng)檢查
2.1裂縫外觀特性
首先對(duì)該建筑主樓和副樓樓面板進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)各層樓面板均存在多處裂縫。裂縫位置絕大多數(shù)處在板四周陽角處，裂縫一般呈45。斜向；少數(shù)裂縫沿板跨間及板負(fù)筋邊緣，裂縫垂直于板跨方向，部分呈不規(guī)則狀分布。縫寬度為0. 02~0.3mm。所測(cè)裂縫長(zhǎng)度多為1~3. 2m，如圖2所示。
2.2 裂縫成因初步判斷
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢查結(jié)果，初步將樓面板產(chǎn)生的大量裂縫分為以下4類：①溫度裂縫 沈陽位于我國(guó)北部，一年四季溫差變化較大�；炷辆哂袩崦浝淇s的性質(zhì)，當(dāng)外部溫度發(fā)生變化時(shí)，混凝土將發(fā)生變形，若變形遭到約束，則在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)將產(chǎn)生溫度裂縫。且隨著四季的更替，裂縫將進(jìn)一步發(fā)展。②收縮裂縫 混凝土在空氣中凝固和硬化過程中，將不可避免地發(fā)生收縮變形，包括凝縮、干縮和碳化收縮等。收縮變形會(huì)促生表面裂縫。這在施工完成的初期最為明顯，隨著時(shí)間的增加，由此造成的裂縫將進(jìn)一步緩慢發(fā)展。③結(jié)構(gòu)裂縫 在 澆筑樓板過程中，墻體的剛度相對(duì)增加，樓板的剛 度相對(duì)減小，所以在結(jié)構(gòu)的薄弱部位易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性裂縫。房屋的四周陽角由于受到縱、橫2個(gè)方 向剪力墻或剛度相對(duì)較大的樓面梁約束，限制了樓面板混凝土的自由變形，使得樓板撓度變形加大，當(dāng)樓板變形大于配筋后混凝土的極限拉應(yīng)變時(shí)，樓板內(nèi)便會(huì)產(chǎn)生裂縫，進(jìn)一步促進(jìn)了裂縫的發(fā)展。④構(gòu)造裂縫 電器和電信技術(shù)的快速發(fā)展，使得更多的PVC管線暗藏在樓板內(nèi)，而PVC管線相互交錯(cuò)的地方使樓板的抗彎性能很大程度下降，裂縫更加容易出現(xiàn)。
3現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)
采用回彈法對(duì)該建筑的主樓、副樓混凝土樓面板強(qiáng)度進(jìn)行抽樣檢查，按單個(gè)構(gòu)件評(píng)定混凝土抗壓強(qiáng)度：地下1層樓板修正后混凝土強(qiáng)度可以滿足原設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)C30的要求；1層至屋頂樓面板修正評(píng)定混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25，與原設(shè)計(jì)強(qiáng)度一致。
按照局部破損方法，對(duì)主樓和副樓樓板配筋的鋼筋直徑進(jìn)行抽樣檢測(cè)，采用探測(cè)儀對(duì)鋼筋間距進(jìn)行測(cè)量，實(shí)測(cè)結(jié)果與原設(shè)計(jì)要求基本一致。
采取樓板穿管洞或鉆孔，對(duì)主樓和副樓的樓板厚度進(jìn)行抽樣檢測(cè)，實(shí)測(cè)混凝土板厚度與原設(shè)計(jì)要求基本一致。
樓面板混凝土強(qiáng)度、鋼筋直徑、鋼筋間距及樓板厚度的實(shí)測(cè)值和原設(shè)計(jì)值如表1所示。
4 裂縫成因分析
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果：樓板的混凝土強(qiáng)度和混凝土板厚度、配筋直徑和間距與原設(shè)計(jì)基本相符。但根據(jù)原設(shè)計(jì)圖紙的配筋進(jìn)行計(jì)算，樓板的配筋率為0.17%，小于《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010-2010的配筋要求。
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢查、計(jì)算及對(duì)樓板裂縫成因的初步分析：溫差、配筋率及樓板自身的撓曲變形對(duì)樓面板裂縫的產(chǎn)生具有一定的作用。為討論溫差、配筋率和撓度作用對(duì)樓面板裂縫的影響，采用彈性力學(xué)模型對(duì)樓層典型樓面板分別在上述3種因素影響下的應(yīng)力分布進(jìn)行分析，討論裂縫產(chǎn)生的機(jī)理。
ANSYS有限元建模時(shí)：按照混凝土樓面板特性及周邊實(shí)際的邊界條件，取單塊板進(jìn)行分析。取4層某客房的樓面板進(jìn)行仿真，采用整體式建模的方法進(jìn)行分析：板的幾何尺寸為10. 8m×7.2m×0. 12m，配筋率為0.17%；板面的荷載分布為：活荷載2. 0kN/m2，恒荷載4. 2kN/m2�；炷敛捎胹olid65單元模擬，利用參數(shù)將鋼筋分布情況等價(jià)出來；為使計(jì)算順利收斂，在支座處增加剛性墊片，剛性墊片采用solid45單元模擬；破壞判斷采用Mises準(zhǔn)則；對(duì)單塊板的周邊約束按照實(shí)際條件，采取控制墊板的位移來進(jìn)行模擬。
為分析溫差、配筋率和樓板撓曲變形對(duì)樓板裂縫產(chǎn)生的影響，仿真分析時(shí)考慮的工況組合有以下4種：①工況1：配筋率；②工況2：配筋率+溫差；③工況3：配筋率+樓板撓曲變形；④工況4：配筋率+溫差+樓板撓曲變形。其中，溫差、配筋率和樓板撓曲變形的取值如下：根據(jù)沈陽四季溫差，確定分析溫差為60℃；配筋率采用原設(shè)計(jì)配筋率0.17%；樓板自身的撓曲變形取實(shí)測(cè)值- 2mm。
將上述4種工況下的最大主應(yīng)力、裂縫形態(tài)和分布情況總結(jié)如下：①工況1 最大主應(yīng)力為15. 317 M Pa，樓板支座處出現(xiàn)裂縫，貫通樓板1/3；②工況2最大主應(yīng)力為16. 97MPa，樓板支座處出現(xiàn)裂縫，沿45 0斜向發(fā)展，貫通樓板1/3；③最大主應(yīng)力為22. 151MPa，樓板支座處出現(xiàn)裂縫，沿45 0方向發(fā)展充分，貫通樓板近1/3；④最大主應(yīng)力為25. 788MPa，樓板支座處出現(xiàn)裂縫，沿45。方向發(fā)展充分，貫通樓板1/2。
仿真的結(jié)果與實(shí)際情況吻合（樓板四角的裂縫），也證明了該樓板處出現(xiàn)裂縫的原因主要是由上述3種因素導(dǎo)致的。
1)通過計(jì)算分析：①最大主拉應(yīng)力 工況2比工況1增大1. 653MPa，工況3比工況1增大6. 834MPa；②樓板裂縫工況2比工況1時(shí)裂縫發(fā)展充分，工況3比工況1時(shí)裂縫發(fā)展充分且有貫通趨勢(shì)。綜上，樓板撓曲變形相對(duì)溫差對(duì)樓板裂縫產(chǎn)生的影響更大。
2)假設(shè)樓面板開裂首先由溫差造成。此工程施工和改建施工時(shí)，均存在較大的季節(jié)溫差。當(dāng)外界氣溫發(fā)生變化時(shí)，支座在外界氣溫的影響下，經(jīng)歷熱脹和冷縮的反復(fù)作用，它們的溫差合力對(duì)樓板四角處將產(chǎn)生較大的主拉應(yīng)力。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，樓板四角處的應(yīng)力最大，且為拉應(yīng)力。當(dāng)板內(nèi)拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)即產(chǎn)生溫度裂縫。
3)結(jié)合原設(shè)計(jì)圖，樓板配筋率和構(gòu)造配筋均小于規(guī)范規(guī)定，造成房屋的四角受到配筋不足的影響，出現(xiàn)了支座處剛度過大的約束影響，造成樓板自由變形，當(dāng)樓板變形大于配筋后混凝土的極限拉伸應(yīng)變時(shí)，樓板內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生裂縫。當(dāng)樓板中部產(chǎn)生撓曲變形時(shí)，板四角受到的拉應(yīng)力變大近1.5倍。
4)當(dāng)溫差存在且樓板撓曲變形產(chǎn)生時(shí)，樓板整體受到的應(yīng)力較大，此時(shí)樓板更易產(chǎn)生裂縫。
5)裂縫的位置取決于兩個(gè)因素，一是約束，二是抗拉能力。對(duì)樓板，約束最大的位置在4個(gè)轉(zhuǎn)角處，因?yàn)檗D(zhuǎn)角處墻的剛度最大，它對(duì)樓板形成的約束也最大，同時(shí)沿外墻轉(zhuǎn)角處因受外界氣溫影響，樓板處的收縮變形最大；板內(nèi)的配筋基本都按平行于板的兩條相鄰邊而設(shè)置，即轉(zhuǎn)角處夾角平分線方向的抗拉能力最薄弱。所以大多數(shù)板裂縫都出現(xiàn)在沿外墻轉(zhuǎn)角處，而且呈450斜向放射狀。模擬的4種工況下，樓板的裂縫均在板四角處發(fā)展最為充分。
5結(jié)語
該工程樓面板產(chǎn)生的裂縫是由環(huán)境溫度效應(yīng)引起的溫度裂縫、樓板配筋不足及樓板撓曲變形形成的受力裂縫等綜合結(jié)果。裂縫的不斷發(fā)展除了影響結(jié)構(gòu)的適用性、耐久性外，任由其發(fā)展將對(duì)主體結(jié)構(gòu)的安全造成影響。
1)針對(duì)溫度變化引起的微小裂縫，如懸挑板處的裂縫，將裂縫徹底清洗并干燥后，采用環(huán)氧修復(fù)砂漿進(jìn)行修復(fù)處理或用表面涂刷封閉處理。
2)對(duì)計(jì)算配筋不足的樓板采用碳纖維進(jìn)行加固處理，且樓板裂縫面積較大處可采取樓板靜載試驗(yàn)，必要時(shí)在樓板上增做一層鋼筋網(wǎng)片。
3)對(duì)樓板裂縫較大處可沿裂縫鑿八字形凹槽，徹底沖洗后，采用1：2水泥砂漿抹平或用環(huán)氧膠泥嵌補(bǔ)。
4)通長(zhǎng)、貫通的危險(xiǎn)結(jié)構(gòu)裂縫且裂縫寬度超過0. 3mm，可用結(jié)構(gòu)膠粘扁鋼加固處理，用灌縫膠對(duì)板縫進(jìn)行高壓灌膠處理。
