水電站主廠房發(fā)電機(jī)層風(fēng)罩周圍樓板裂縫的成因和防治

曾艷

（湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院 長沙市 410007）

主廠房發(fā)電機(jī)層樓板具有荷載大、孔洞多、結(jié)構(gòu)布置不規(guī)則等特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大多采用現(xiàn)澆的鋼筋混凝土肋形結(jié)構(gòu)。風(fēng)罩與樓板之間的連接，一般有整體現(xiàn)澆連接，或樓板簡支于風(fēng)罩上，或樓板與風(fēng)罩在結(jié)構(gòu)上分開等。由于整體連接剛度大，對(duì)機(jī)墩抵抗扭矩和水平力有利，對(duì)減少主廠房排架中部側(cè)移也有益處，所以國內(nèi)大多數(shù)采用整體連接方式，但在建造與使用過程中，發(fā)現(xiàn)很多廠房沿風(fēng)罩周圍的樓板出現(xiàn)裂縫，且多數(shù)裂縫呈輻射狀，這是非常值得關(guān)注的問題。裂縫的發(fā)展會(huì)使結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生異常的內(nèi)部應(yīng)力或變形，嚴(yán)重的可能會(huì)危及結(jié)構(gòu)安全和正常使用。由于發(fā)電機(jī)層樓板有動(dòng)荷載作用，又經(jīng)常處在振動(dòng)的狀態(tài)下工作，一旦開裂容易惡化。因此正確地分析裂縫的成因，得到防治措施對(duì)于水利工程有著很重要的意義。

1 工程實(shí)例

某水電站主廠房發(fā)電機(jī)層樓板采用現(xiàn)澆的鋼筋混凝土肋形結(jié)構(gòu)，風(fēng)罩與樓板之間的連接采用整體連接方式。工程完工后，還未正式投入使用，項(xiàng)目部在現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)主廠房發(fā)電機(jī)層風(fēng)罩周圍樓板出現(xiàn)了多處貫穿性裂縫，如圖1所示。

圖1 發(fā)電機(jī)層風(fēng)罩周圍樓板裂縫實(shí)例

2 主廠房發(fā)電機(jī)層風(fēng)罩周圍樓板裂縫產(chǎn)生原因分析

2.1 概 述

混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的成因復(fù)雜而繁多，甚至多種因素相互影響，每一條裂縫均有其產(chǎn)生的一種或幾種原因。在鋼筋混凝土樓板上所看到的裂縫都是由于構(gòu)造上的或與荷載條件有關(guān)的種種原因而造成的。導(dǎo)致主廠房發(fā)電機(jī)層風(fēng)罩周圍樓板裂縫產(chǎn)生的原因，大致可分為以下幾類：

（1）作用的常規(guī)靜、動(dòng)荷載過大或次應(yīng)力的產(chǎn)生。在設(shè)計(jì)計(jì)算階段，計(jì)算模型不合理；設(shè)計(jì)斷面不足；結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)部分荷載漏算；構(gòu)造處理不當(dāng)，鋼筋設(shè)置偏少或布置錯(cuò)誤；設(shè)計(jì)圖紙交代不清等。在施工階段，不加限制地堆放施工機(jī)具、材料；不按設(shè)計(jì)圖紙施工，擅自更改結(jié)構(gòu)、施工順序，改變結(jié)構(gòu)受力模式等。在使用階段，實(shí)際載荷超出設(shè)計(jì)載荷等。以上幾種情況都會(huì)使樓板在荷載的作用下發(fā)生應(yīng)力集中而出現(xiàn)裂縫。這種由常規(guī)靜、動(dòng)荷載或次生應(yīng)力所產(chǎn)生的裂縫稱為荷載裂縫。荷載裂縫特征依荷載大小而呈現(xiàn)不同的特點(diǎn)，其分布規(guī)律是沿主拉應(yīng)力方向開展，其走向與主拉應(yīng)力方向垂直。這類裂縫多出現(xiàn)在受拉區(qū)、受剪區(qū)或振動(dòng)嚴(yán)重部位。

（2）溫度變化頻繁或溫差過大?；炷辆哂袩崦浝淇s的性能，當(dāng)外部環(huán)境或結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度發(fā)生變化，混凝土將發(fā)生變形，若變形遭到約束，則在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)即產(chǎn)生溫度裂縫。

（3）混凝土的干縮。在混凝土中，水以結(jié)合水、層間水、物理吸附水和毛細(xì)水等狀態(tài)存在。當(dāng)這些水在混凝土硬化過程中失去時(shí)，水泥漿體就會(huì)收縮，當(dāng)收縮受到限制產(chǎn)生收縮應(yīng)力時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生裂縫。混凝土收縮裂縫的特點(diǎn)是大部分屬表面裂縫，裂縫寬度較細(xì)，且縱橫交錯(cuò)，成龜裂狀，形狀沒有任何規(guī)律。

（4）地基變形。由于基礎(chǔ)豎向不均勻沉降或水平方向位移，使結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生附加應(yīng)力，超出混 凝土結(jié)構(gòu)的抗拉能力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂產(chǎn)生裂縫。

（5）施工質(zhì)量不良。在施工過程中，假如混凝土級(jí)配不良或施工工藝不合理、施工質(zhì)量低劣，造成結(jié)構(gòu)構(gòu)件強(qiáng)度不足，容易產(chǎn)生各種裂縫。

2.2 病因分析

（1）現(xiàn)場(chǎng)查勘情況。對(duì)廠房樓板進(jìn)行詳細(xì)的查勘發(fā)現(xiàn)，廠房3臺(tái)機(jī)組風(fēng)罩周圍樓板均出現(xiàn)了規(guī)律性的多處相似裂縫，而且在樓板底部同一位置上很明顯發(fā)現(xiàn)裂縫的存在，大的縫寬有（0.2～0.3）mm，小的縫寬小于0.1mm，沿風(fēng)罩周圍呈輻射狀布置，由此可判斷該裂縫是上下貫通的。對(duì)樓板其它位置及梁、風(fēng)罩進(jìn)行細(xì)致檢查，未發(fā)現(xiàn)有裂縫。

（2）施工情況。該工程所使用的混凝土和鋼筋各項(xiàng)指標(biāo)基本合格，水泥凝結(jié)試驗(yàn)以及摻合料、水、細(xì)骨料的試驗(yàn)結(jié)果均屬正常。樓板與風(fēng)罩的連接采用整體澆筑，鋼筋布設(shè)按圖施工。冬季施工，不能排除混凝土養(yǎng)護(hù)問題。

（3）基礎(chǔ)情況。由地質(zhì)勘察資料分析，在廠房左邊墻基礎(chǔ)有斷層帶。但進(jìn)行了刻槽換基的基礎(chǔ)處理，因此可排除因地基不均勻沉降所造成的裂縫。

（4）設(shè)計(jì)情況。風(fēng)罩為鋼筋混凝土薄壁圓筒結(jié)構(gòu)，配筋滿足規(guī)范要求。主廠房發(fā)電機(jī)層樓板采用現(xiàn)澆的鋼筋混凝土肋形結(jié)構(gòu)，梁格布置符合《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范》的要求。樓板厚度為150mm，樓板和風(fēng)罩采用整體連接方式。設(shè)計(jì)荷載采用機(jī)電專業(yè)提供數(shù)據(jù)，計(jì)算模型采用PKPM軟件按框架結(jié)構(gòu)建模，經(jīng)復(fù)核主廠房發(fā)電層樓板配筋量符合規(guī)范要求。樓板配筋采用分離式，鋼筋的直徑一般采用Φ10、Φ12，鋼筋間距不大于200mm，風(fēng)罩周圍樓板鋼筋按縱橫方式擺放。沒有在風(fēng)罩周圍樓板采取裂縫控制措施，如配置環(huán)向鋼筋等。我們調(diào)查類似工程的設(shè)計(jì)情況，發(fā)現(xiàn)此為很常用的設(shè)計(jì)方式。符合規(guī)范要求。

（5）診斷結(jié)論。綜上所述，本例中樓板裂縫排除基礎(chǔ)不均勻沉降、樓板配筋量不足的可能性。造成橋面板開裂的主要原因應(yīng)該是由于溫度及混凝土干縮作用等。由于風(fēng)罩的剛性較大，如果在設(shè)計(jì)和施工過程中不夠重視樓板和風(fēng)罩連接處的配筋，樓板的應(yīng)變受到風(fēng)罩很強(qiáng)的制約從而很容易引起應(yīng)力集中導(dǎo)致裂縫，當(dāng)應(yīng)力反復(fù)作用時(shí)，裂縫逐步擴(kuò)展，最后上下貫通，使樓板失去整體性，承載力下降，危害性較大，必須及時(shí)采取有效的修補(bǔ)措施，控制裂縫的發(fā)展，增強(qiáng)樓板的整體性，保證主廠房的正常使用。

3 修補(bǔ)措施

根據(jù)樓板裂縫的成因，本工程采用了比較成熟有效的粘結(jié)鋼板加固方案，具體操作如下：首先處理發(fā)電機(jī)層樓板已經(jīng)出現(xiàn)的裂縫，將所有裂縫進(jìn)行封閉。非貫穿性裂縫用填充密封法封閉裂縫，具體措施是沿裂縫鑿V型槽，槽寬50mm，槽深30mm，沖洗后，用環(huán)氧砂漿重新填縫修補(bǔ)；貫穿性裂縫用壓力注漿法將改性環(huán)氧砂漿壓入裂縫腔內(nèi)封閉裂縫。然后對(duì)風(fēng)罩周圍樓板進(jìn)行粘鋼加固。樓板面層用結(jié)構(gòu)強(qiáng)力膠沿風(fēng)罩周圍粘貼寬900mm，厚4mm的環(huán)形鋼板，樓板底層用結(jié)構(gòu)強(qiáng)力膠沿風(fēng)罩周圍粘貼寬500mm，厚4mm的環(huán)形鋼板。最后對(duì)未被環(huán)型鋼板覆蓋的裂縫，用厚20mm的碳鋼纖維抹面加固。樓板加固后，整個(gè)樓板結(jié)構(gòu)恢復(fù)整體性。

4 發(fā)電機(jī)層風(fēng)罩周圍樓板裂縫的控制措施

實(shí)踐表明發(fā)電機(jī)層風(fēng)罩周圍樓板很容易出現(xiàn)裂縫，且出現(xiàn)破壞性裂縫加固難度很大，所以裂縫的控制措施顯得尤為重要。

4.1 從設(shè)計(jì)的角度控制樓板裂縫

（1）優(yōu)化樓板梁格布置。

發(fā)電機(jī)層整個(gè)樓蓋是以發(fā)電機(jī)風(fēng)罩上、下游側(cè)底墻以及中間短柱作為支承。梁格布置采用如下結(jié)構(gòu)布置最為合理：從樓板的中央部位開始沿風(fēng)罩上下游側(cè)各布置一排縱向主梁；沿風(fēng)罩左右側(cè)各布置一排橫向次梁；大中型水電站板厚一般采用（150～300）mm，板跨限制在（1.8～2.22）m內(nèi)（雙向板可放寬至2.5m～3m），梁跨限制在（4～6）m；如圖2所示。優(yōu)化樓板梁格布置，機(jī)組投入運(yùn)行時(shí)結(jié)構(gòu)受力明確、可靠。

圖2 水電站發(fā)電機(jī)層結(jié)構(gòu)布置

板的內(nèi)力計(jì)算可按區(qū)域計(jì)算，風(fēng)罩周圍為三角形板，三角形兩個(gè)方向的跨度比小于2，屬雙向板，三角形雙向板可近似簡化為矩形雙向板，兩個(gè)方向的計(jì)算跨度可各自取直角邊的2/3，如圖3所示。

圖3 三角形板的簡化計(jì)算

（2）若發(fā)電機(jī)樓板與風(fēng)罩采用整體澆筑，則須在樓板配置一定數(shù)量細(xì)而密的環(huán)向構(gòu)造鋼筋，以控制裂縫的發(fā)展。

4.2 從施工的角度控制樓板裂縫

（1）延長養(yǎng)護(hù)。施工中混凝土用麻袋或草包覆蓋，進(jìn)行一周左右的保溫養(yǎng)護(hù)，在板面或板底拆模后涂刷養(yǎng)護(hù)劑，避免混凝土的早期干縮，確保膨脹劑產(chǎn)物的充分水化，使混凝土達(dá)到有效的補(bǔ)償收縮作用。

（2）減少荷載。在施工頻繁通行處，應(yīng)搭設(shè)臨時(shí)的簡易通道，避免樓面上層鋼筋受到踩踏而變形；不得將材料集中堆放在樓板，應(yīng)分散就位，從而減少早期荷載形成的裂縫。

5 結(jié)語

造成發(fā)電機(jī)層風(fēng)罩周圍樓板出現(xiàn)裂縫的原因是比較復(fù)雜的，設(shè)計(jì)疏漏、施工低劣、監(jiān)理不力，均可能使混凝土樓板出現(xiàn)裂縫。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件是允許帶裂縫工作的，問題不在有無裂縫，而在于出現(xiàn)什么樣的裂縫。當(dāng)樓板發(fā)生開裂現(xiàn)象后，應(yīng)從設(shè)計(jì)、施工及其使用狀況等各方面進(jìn)行細(xì)致地調(diào)查及詳盡地分析，找出開裂的主要原因，分析裂縫的性質(zhì)，預(yù)料其對(duì)結(jié)構(gòu)的危害性，判斷其需要修補(bǔ)或加固的緊迫性，最后采取合理、有效、經(jīng)濟(jì)的修補(bǔ)加固措施，使樓板損傷尚在輕微時(shí)期就能得到修補(bǔ)，保證其正常地使用。當(dāng)然防范于未然，提前從設(shè)計(jì)和施工的角度控制樓板的裂縫更加重要。