某地下車站頂板裂縫原因分析

文/郭霄偉

1 前言

隨著我國城市化建設(shè)的飛速發(fā)展，近些年越來越多的大底盤地下室、地鐵站臺(tái)等地下工程應(yīng)運(yùn)而生。這些工程中不可避免地都會(huì)遇到大體積混凝土的澆筑，倘若在設(shè)計(jì)或施工過程中沒有對(duì)大體積混凝土的澆筑做好相應(yīng)的防裂控制措施，那么隨之而來的混凝土開裂就會(huì)令工程人員感到無從下手。本文以某地下車站頂板裂縫為工程實(shí)例進(jìn)行鑒定分析，通過對(duì)裂縫現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)查取證，結(jié)合相關(guān)資料對(duì)地下室頂板進(jìn)行的溫度應(yīng)力分析，并判斷裂縫產(chǎn)生的原因，以供從業(yè)人員參考借鑒[1]。

2 工程概況

某市軌道交通車站島式站臺(tái)車站，主體結(jié)構(gòu)采用雙跨鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，車站總長305.6m，標(biāo)準(zhǔn)寬度20.9m，設(shè)計(jì)頂板厚度800mm，框架梁截面尺寸1200mm×1800mm，未設(shè)置結(jié)構(gòu)縫或后澆帶。施工過程中分為3 個(gè)區(qū)段施工，第一區(qū)段為(28)-(38)軸，于2017年6月完工；第二區(qū)段為(1)-(6)軸，于2017年10月完工；第三區(qū)段為(6)-(28)軸，2018年6月開工，2018年9月主體結(jié)構(gòu)完工。2018年10月25日現(xiàn)場(chǎng)人員發(fā)現(xiàn)(6)-(28)軸地下室部分頂板、梁構(gòu)件開裂，裂縫周邊滲水。地下室頂板結(jié)構(gòu)布置示意圖詳見圖1[2]。

圖1 地下室頂板結(jié)構(gòu)布置示意圖

3 裂縫情況現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

3.1 (6)-(28)軸地下室頂板、梁構(gòu)件裂縫檢測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)地下室部分頂板、梁構(gòu)件存在不同程度的開裂現(xiàn)象。該區(qū)域大部分樓板存在開裂現(xiàn)象，裂縫基本沿結(jié)構(gòu)橫向平行分布，大多數(shù)裂縫沿相鄰跨樓板發(fā)展，樓板裂縫均為貫通裂縫；大部分頂板梁構(gòu)件側(cè)面存在數(shù)條豎向平行裂縫，裂縫出現(xiàn)在梁箍筋位置附近，多數(shù)裂縫沿梁腹板貫穿梁截面，且裂縫位置與樓板裂縫位置基本相對(duì)應(yīng)。(14)-(21)軸區(qū)域頂板裂縫分布示意圖詳見圖2。

圖2 （14-21）軸地下室頂板、梁裂縫分布示意圖

相關(guān)人員在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)裂縫分布進(jìn)行繪制并對(duì)裂縫拍照取證后，檢測(cè)了混凝土構(gòu)件的施工質(zhì)量，并對(duì)施工過程進(jìn)行調(diào)查，充分采集了相關(guān)數(shù)據(jù)與資料，以為后續(xù)的裂縫原因分析提供相關(guān)資料。

3.2 (6)-(28)軸地下室頂板、梁構(gòu)件施工質(zhì)量檢測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)抽取若干梁、板構(gòu)件，對(duì)構(gòu)件的截面尺寸、混凝土強(qiáng)度等級(jí)、鋼筋間距進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果表明，所檢構(gòu)件各檢測(cè)項(xiàng)數(shù)據(jù)基本與設(shè)計(jì)相符，所檢構(gòu)件施工質(zhì)量基本滿足相關(guān)規(guī)范的要求。

3.3 (6)-(28)軸地下室負(fù)一層主體結(jié)構(gòu)施工過程調(diào)查

本工程側(cè)墻、頂板及梁構(gòu)件均未設(shè)置結(jié)構(gòu)縫或后澆帶；側(cè)墻、頂板及梁構(gòu)件同時(shí)澆搗；另外，主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件混凝土采用商品泵送混凝土以及普通硅酸鹽水泥，水泥細(xì)度3500cm2/g，骨料為花崗巖，水灰比0.45，水泥漿量30%，初期養(yǎng)護(hù)時(shí)間28 天，環(huán)境濕度99%，混凝土的施工方式為機(jī)械振搗，混凝土中添加減水劑、后石粉煤灰、礦渣粉。

主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用跳倉法施工，其中(6)-(9)軸于8月16日開始澆筑；(26)-(27)軸于9月10日開始澆筑；(23)-(26)軸于9月15日開始澆筑；(20)-(23)軸于9月19日 開 始澆 筑；(27)-(30)軸于9月22日 開 始澆 筑；(9)-(14)軸及(17)-(20)軸均于9月24日開始澆筑；各區(qū)格均于施工當(dāng)天澆筑完畢，跳倉法澆筑日期詳見圖1。

混凝土澆筑完成后均采取常規(guī)養(yǎng)護(hù)，2018年10月上旬現(xiàn)場(chǎng)人員發(fā)現(xiàn)部分頂板板底及框架梁側(cè)面存在滲漏現(xiàn)象，在對(duì)裂縫開展調(diào)查時(shí)，施工單位已對(duì)開裂構(gòu)件采用化學(xué)灌漿法進(jìn)行裂縫修補(bǔ)處理。

4 裂縫原因分析

4.1 初步分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)裂縫檢查及施工質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果可知，所檢構(gòu)件施工質(zhì)量基本滿足設(shè)計(jì)要求，裂縫形態(tài)基本可排除荷載作用及地基不均勻沉降導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)構(gòu)件開裂；另外，由裂縫的形態(tài)特征及分布情況可知，其產(chǎn)生可能的原因有以下幾個(gè)因素：

4.1.1 溫差

混凝土在溫度變化時(shí)體積會(huì)膨脹或收縮，尤其是對(duì)于尺度較大的現(xiàn)澆超靜定混凝土結(jié)構(gòu)，溫差較大時(shí)容易開裂。在大面積混凝土結(jié)構(gòu)周邊設(shè)置較強(qiáng)約束情況下，變形無法得到有效釋放，易出現(xiàn)裂縫。

本工程頂板、梁等大體積混凝土構(gòu)件澆搗時(shí)處于夏季，澆搗過程中會(huì)釋放大量的水化熱，導(dǎo)致砼內(nèi)部溫度急劇提高，而表面溫度下降快，內(nèi)外溫差易在構(gòu)件表面引起開裂。

4.1.2 混凝土收縮

水泥強(qiáng)度等級(jí)越高制成的混凝土收縮越大，水泥越多，收縮越大，水膠比越大，收縮也越大。

該地下室頂板結(jié)構(gòu)的砼強(qiáng)度為C45，實(shí)測(cè)頂板梁現(xiàn)齡期砼強(qiáng)度均較設(shè)計(jì)偏大，且混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土采用商品混凝土，砼配合比中水泥及摻合料用量比例較大，故本身收縮量也偏大。

4.1.3 跳倉法

有效安排跳倉法合理施工，可以減少早期砼的內(nèi)部應(yīng)力。由于大體積混凝土的早期收縮量偏大，若將超長混凝土塊體分為若干小塊間隔施工，經(jīng)短期應(yīng)力釋放，并在后期收縮應(yīng)力較小階段將若干小塊連成整體，這一間隔期釋放早期混凝土收縮應(yīng)力，就可以依靠混凝土抗拉強(qiáng)度抵抗下一階段的溫度收縮應(yīng)力。該頂板結(jié)構(gòu)最大澆筑板塊尺寸為39.4m×19.3m，其他澆筑板塊平均尺寸約25m×19.3m，澆筑量偏大，且相鄰澆筑板塊的澆筑間隔時(shí)間最短為4 天，參考《工程結(jié)構(gòu)裂縫控制》中的觀點(diǎn)，跳倉法的合理間隔澆筑時(shí)間為7～10 天，本工程各澆筑板塊的澆筑間隔時(shí)間偏短，未能有效釋放早期混凝土收縮應(yīng)力[3]。

4.2 數(shù)值模擬分析

4.2.1 分析思路

工程中的大體積混凝土的溫度-收縮應(yīng)力在計(jì)算上是一個(gè)很復(fù)雜的問題。結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面上的溫度分布，可分為三個(gè)分量疊加組成：均勻分布的溫度分量△Tu；沿截面線性變化的溫度分量△TMy、△TMz；非線性變化的溫度分量△TE。溫度對(duì)結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的影響是不均勻的，現(xiàn)有程序在溫度應(yīng)力的計(jì)算過程中尚無法恰當(dāng)考慮溫度梯度的影響；同時(shí)，現(xiàn)有的研究成果表明，均勻分布的溫度分量能夠?qū)?gòu)件的影響起到控制作用，故在本工程裂縫的數(shù)值模擬分析中對(duì)案例進(jìn)行了適當(dāng)簡化，僅考慮了均勻分布的溫度變化。參考《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009-2012)中對(duì)均勻溫度變化作用的計(jì)算方法，考慮溫度變化對(duì)結(jié)構(gòu)的影響；參考《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50496-2018)附錄B.2，考慮裂縫開裂時(shí)現(xiàn)齡期混凝土的收縮應(yīng)變，再將混凝土收縮應(yīng)變等代為當(dāng)量溫差[4]。根據(jù)計(jì)算得出的溫度變化值，先采用材料力學(xué)中對(duì)超靜定結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力的計(jì)算方法，將長條形地下室等效為兩端固接的桿件，計(jì)算其在溫度變化下桿件截面上產(chǎn)生的溫度應(yīng)力，再通過有限元軟件對(duì)頂板溫度應(yīng)力進(jìn)行復(fù)核分析[5]。

4.2.2 均勻溫差及收縮應(yīng)變計(jì)算

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的施工內(nèi)業(yè)資料，(6)-(27)軸區(qū)段各區(qū)格合攏時(shí)的平均溫度為25℃，2018年9月至10月項(xiàng)目所在地的最低氣溫為15℃；根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009-2012) 9.3.1 條規(guī)定，結(jié)合最大溫降工況，均勻溫度變化標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值取15-25=-10℃。

由于(6-9)軸、(27-30)軸區(qū)域的區(qū)格與相鄰區(qū)格的澆筑間隔時(shí)間較長，出于保守考慮，對(duì)收縮變形的分析范圍取(9-27)軸區(qū)域，縱向長度約150m。(26-27)軸區(qū)格最先澆筑，澆筑時(shí)間為9月10日，至第一次發(fā)現(xiàn)裂縫的時(shí)間10月25日，共經(jīng)歷了45 天時(shí)間，計(jì)算收縮變形效應(yīng)時(shí)采用的齡期t 取45 天。根據(jù)《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50496-2018)附錄B.2，齡期為t 時(shí)，混凝土收縮的相對(duì)變形值的公式為：

式中：εy(t)表示齡期為t 時(shí)，混凝土收縮引起的相對(duì)變形值；表示在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)狀態(tài)下混凝土最終收縮的相對(duì)變形值，取4×10-4；M1、M2、···M11表示混凝土收縮變形不同條件影響修正系數(shù)，按文獻(xiàn)[3]表B.2.1予以采用。

混凝土收縮相對(duì)變形值的當(dāng)量溫度公式為：

式中：Ty(t)表示齡期為t 時(shí)，混凝土收縮值當(dāng)量溫度(℃)；α 表示混凝土的線膨脹系數(shù)，取1×10-5。經(jīng)計(jì)算可得，Ty(45)= 8.30℃，收縮相對(duì)變形的當(dāng)量溫度按9℃考慮。

綜上所述，環(huán)境溫度均勻變化及混凝土收縮疊加作用于混凝土的溫差可按下式計(jì)算：

式中：Δ(t)表示環(huán)境溫度變化及混凝土收縮疊加作用于混凝土的溫差(℃)；ΔTk表示環(huán)境溫度均勻變化值(℃)。經(jīng)計(jì)算可得，Δ(t)=-10-9=-19℃。

4.2.3 溫度應(yīng)力計(jì)算分析

4.2.3.1 初步簡化計(jì)算分析

采用材料力學(xué)的方法計(jì)算(9-27)軸區(qū)域的頂板溫度應(yīng)力，由于兩端的混凝土梁板澆筑間隔時(shí)間較長，計(jì)算中將其簡化為固端約束；由于(9-27)軸區(qū)域頂板長寬比較大(150/20)=7.5，將其簡化為兩端剛接的拉壓桿件，取溫度變化值ΔT=-19℃，C45 混凝土的彈性模量EC= 3.35 × 104MPa，混 凝 土 線 膨 脹 系 數(shù)αc= 1 ×10-5/℃。根據(jù)平衡方程、變形協(xié)調(diào)方程及物理方程可解出，溫降工況下，沿均勻桿件截面上的拉應(yīng)力為6.4MPa，遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)所采用的C45 混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.51MPa。由此可見，在一定的溫降工況下，在超靜定結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的溫度應(yīng)力效應(yīng)是很大的，故在工程中必須予以考慮。

4.2.3.2 有限元模擬分析

以上的力學(xué)分析方法做了較多簡化，為更進(jìn)一步分析，采用“YJK1.9.3”有限元分析軟件對(duì)本工程頂板進(jìn)行溫度應(yīng)力效應(yīng)進(jìn)行計(jì)算。實(shí)際工程中混凝土自身的徐變會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力松弛效應(yīng)，這對(duì)釋放溫度應(yīng)力是有利的，根據(jù)文獻(xiàn)[6]，取考慮收縮徐變的砼構(gòu)件溫度效應(yīng)折減系數(shù)為0.3，樓板定義為彈性膜，真實(shí)計(jì)算樓板平面內(nèi)剛度，溫度變化值取降溫工況-19℃，樓板溫度應(yīng)力分析結(jié)果見圖3、圖4[6]。從應(yīng)力云圖可得，在溫降工況下，該結(jié)構(gòu)大多數(shù)區(qū)域均出現(xiàn)了沿結(jié)構(gòu)縱向的拉應(yīng)力，拉應(yīng)力最大為4.0MPa，而結(jié)構(gòu)橫向基本上未出現(xiàn)拉應(yīng)力。

圖3 沿頂板縱向溫度應(yīng)力分布圖

圖4 沿頂板橫向溫度應(yīng)力分布圖

有限元分析與力學(xué)分析方法均得出本工程在降溫+混凝土收縮效應(yīng)的綜合作用下，沿頂板結(jié)構(gòu)縱向結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力，且拉應(yīng)力大小均超過了設(shè)計(jì)混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。該拉應(yīng)力水平在防裂抗裂措施不到位、混凝土內(nèi)部應(yīng)力不均產(chǎn)生應(yīng)力集中等的情況下極易使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生垂直于拉應(yīng)力方向、相互平行的貫通裂縫，這與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的裂縫形態(tài)基本吻合。綜合以上分析，可以判斷本工程頂板裂縫屬于溫度-收縮裂縫。

5 結(jié)語

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢查數(shù)據(jù)、施工內(nèi)業(yè)資料調(diào)查數(shù)據(jù)及對(duì)樓板應(yīng)力的數(shù)值模擬分析結(jié)果，本工程(6)-(28)軸地下室頂板、梁構(gòu)件裂縫基本可排除荷載作用下的受力裂縫或地基基礎(chǔ)不均勻沉降引起的裂縫，其應(yīng)為溫度-收縮裂縫。

本工程地下室頂板結(jié)構(gòu)尺寸較大，在溫差作用及混凝土自身收縮作用下，極易在結(jié)構(gòu)薄弱位置出現(xiàn)橫向裂縫；在夏季施工時(shí)，較大溫差以及高強(qiáng)度泵送混凝土的較大收縮量作用下，將在砼內(nèi)部積聚較大拉應(yīng)力；在跳倉法間隔時(shí)間不合理與養(yǎng)護(hù)不到位時(shí)，累積收縮變形增大，板塊收縮受限，結(jié)構(gòu)構(gòu)件更易開裂。溫度-收縮裂縫在大面積混凝土構(gòu)件中一般表現(xiàn)為貫穿整個(gè)截面的貫通裂縫，又因其在局部位置的受拉方向一致，由此在同一局部位置的裂縫多表現(xiàn)為相互平行的貫穿裂縫。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢查數(shù)據(jù)，梁板裂縫多為貫通裂縫，且同一位置的裂縫基本相互平行，與受約束大體積混凝土溫度-收縮裂縫的特征較相符。

大量的工程實(shí)例表明，混凝土結(jié)構(gòu)尤其是超長超大體積混凝土結(jié)構(gòu)，80%～90%的裂縫都屬于溫度-收縮裂縫，此類裂縫雖基本不影響結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的安全性能，但考慮到大部分裂縫位于室外露天環(huán)境，且已經(jīng)出現(xiàn)漏水或滲水現(xiàn)象，應(yīng)及時(shí)對(duì)開裂構(gòu)件采取措施處理，確保構(gòu)件的正常使用性能及耐久性能。