某超長(zhǎng)地下室頂板無(wú)梁樓蓋裂縫成因分析及預(yù)防措施探究

甄頌 宋平

0 引言

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快推進(jìn)，城市人口數(shù)量急速增長(zhǎng)，隨之帶來(lái)了交通擁堵和停車(chē)難等諸多問(wèn)題。為了解決上述問(wèn)題，人們將目光投向了地下空間的開(kāi)發(fā)，而地下室往往屬于超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)（即超過(guò)溫度伸縮縫間距），由于防水要求不設(shè)置伸縮縫，因此帶來(lái)了混凝土裂縫控制這一難題。地下室頂板一旦出現(xiàn)較寬的裂縫，就容易被外界有害介質(zhì)侵入混凝土內(nèi)部，從而銹蝕鋼筋，降低結(jié)構(gòu)的耐久性，影響建筑物的使用功能和使用壽命。對(duì)于出現(xiàn)滲漏的地下室頂板，由于維修難度大、成本高，將會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失和工期延誤，嚴(yán)重的會(huì)影響結(jié)構(gòu)安全，所以采取有效措施來(lái)預(yù)防此類(lèi)裂縫的形成顯得尤為重要。而無(wú)梁樓蓋結(jié)構(gòu)相對(duì)框架結(jié)構(gòu)，不但有效增加了室內(nèi)的凈空間，還節(jié)省了梁兩側(cè)模板的支設(shè)費(fèi)用，加快了施工速度，因而大量建設(shè)項(xiàng)目選擇無(wú)梁樓蓋作為地下室頂板，可見(jiàn)開(kāi)展地下室頂板無(wú)梁樓蓋裂縫成因研究分析并找出預(yù)防措施具有重要的意義。

1 工程概況

某工程由11 棟高層住宅和1 層地下室組成，地下室局部設(shè)置人防區(qū)域，地下室頂板采用無(wú)梁樓蓋結(jié)構(gòu)。地下室平面尺寸約為347m×108m，長(zhǎng)寬比約為3.2，地下室建筑面積約34 691m，±0.000 相當(dāng)于85 高程6.050m，抗浮水位相當(dāng)于85 高程4.400m，地下室層高為3.5m，設(shè)計(jì)地下室頂板覆土厚度為1.5m。地下室頂板覆土荷載及臨時(shí)荷載恒載不得大于27kN/ m，活載不得大于5kN/m，消防車(chē)荷載20kN/m（標(biāo)準(zhǔn)值）。無(wú)梁樓蓋范圍內(nèi)相鄰兩跨覆土高度相差不得大于0.5m。地下室頂板、墻、柱、底板和基礎(chǔ)混凝土等級(jí)皆為C35，抗?jié)B等級(jí)為P6。基本柱網(wǎng)尺寸分別為5.5m×5.35m、6.5m×5.8m、8m×5.8m，地下室頂板厚度250mm、320mm，柱帽平面尺寸2.8m×2.6m，柱帽高度600、1 080mm。

2021 年11 月監(jiān)理單位通過(guò)檢查發(fā)現(xiàn)地下室頂板多處開(kāi)裂并伴隨滲漏現(xiàn)象，此時(shí)地下室頂板尚未覆土，隨后用精確測(cè)量等技術(shù)手段繪制地下室頂板裂縫分布示意圖，見(jiàn)圖1。裂縫的主要特征表現(xiàn)為:

圖1 地下室頂板結(jié)構(gòu)平面圖及裂縫分布示意圖

（1）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)察統(tǒng)計(jì)，高層住宅主樓和地下室外墻裂縫較少，地下室頂板裂縫較多。

（2）根據(jù)裂縫分布示意圖顯示，地下室頂板裂縫在整個(gè)平面基本都有分布，且無(wú)明顯的總體走向趨勢(shì)。地下室頂板西部和中部區(qū)域裂縫相對(duì)集中，見(jiàn)圖2、圖3，在高層住宅主樓與地下室交界處也分布著一些裂縫，大多數(shù)裂縫已經(jīng)貫穿地下室頂板，典型裂縫見(jiàn)圖4～圖7。

圖2 西部頂板裂縫示意圖（局部）

圖3 中部頂板裂縫示意圖（局部）

圖4 典型裂縫1

圖5 典型裂縫2

圖6 典型裂縫3

圖7 典型裂縫4

（3）從裂縫的形態(tài)上看，主要有以下4 種：

①斜向裂縫，在剪力墻或柱帽旁有一條或多條呈45°左右斜向分布的裂縫。

②平行于剪力墻或柱帽分布的裂縫。

企業(yè)通過(guò)PLM系統(tǒng)把與產(chǎn)品有關(guān)的信息（規(guī)格、制造方法或者材料清單）無(wú)縫地轉(zhuǎn)移到供應(yīng)鏈中，企業(yè)根據(jù)這些信息，判斷生產(chǎn)狀況，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品快速生產(chǎn)和組裝。在此階段，企業(yè)需要制定標(biāo)準(zhǔn)的流程，確保變更請(qǐng)求有效處理。

③預(yù)留洞口處裂縫。

④其他無(wú)規(guī)則裂縫。

2 地下室無(wú)梁樓蓋裂縫成因分析

地下室無(wú)梁樓蓋裂縫的成因復(fù)雜，其發(fā)展機(jī)理難以分析，國(guó)內(nèi)著名裂縫分析專(zhuān)家王鐵夢(mèng)曾指出：混凝土裂縫問(wèn)題是設(shè)計(jì)、施工、材料、環(huán)境及管理等綜合性問(wèn)題。混凝土構(gòu)件要產(chǎn)生可見(jiàn)裂縫，還須有一定的外界條件。引起裂縫的外部條件可以分為兩類(lèi)：荷載作用（直接作用）和非荷載作用（間接作用）。通過(guò)查閱各項(xiàng)原始資料，并結(jié)合裂縫形狀和發(fā)生部位等特征，對(duì)裂縫產(chǎn)生的成因分析如下。

2.1 設(shè)計(jì)原因

（1）未按規(guī)范要求設(shè)置伸縮縫。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010-2010）規(guī)定，為避免混凝土產(chǎn)生溫度、收縮裂縫規(guī)定鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)伸縮縫的最大間距，對(duì)于現(xiàn)澆擋土墻、地下室墻壁等類(lèi)結(jié)構(gòu)，室內(nèi)或土中為30m，露天為20m。而地下室由于受到功能以及防水等限制，往往不設(shè)置伸縮縫，其不設(shè)縫長(zhǎng)度已經(jīng)超過(guò)規(guī)范規(guī)定的最大間距。

（2）后澆帶將地下室頂板共分成18 個(gè)區(qū)塊，自西向東沿縱向?qū)⒌叵率翼敯鍩o(wú)梁樓蓋劃分成7 個(gè)區(qū)塊，其長(zhǎng)度分別 為48.05m、46.10m、57.60m、52.40m、56.35m、40.85m、39.70m。由于施工分塊長(zhǎng)度過(guò)大，長(zhǎng)時(shí)間處于露天狀態(tài)的地下室頂板在溫度應(yīng)力和混凝土自身收縮共同作用下產(chǎn)生裂縫。

2.2 材料原因

（1）施工時(shí)選用泵送商品混凝土，骨料粒徑小，坍落度偏大，粉煤灰摻合料量較多，致使混凝土在凝結(jié)硬化過(guò)程中產(chǎn)生較大的收縮。

（2）地下室頂板混凝土分別由兩家商品混凝土公司提供，混凝土配合比不盡相同，外加劑種類(lèi)和摻量也有差異，尤其是在地下室頂板的后澆帶澆筑完成后，其混凝土抗收縮及變形能力的不同對(duì)裂縫發(fā)展有著不利的影響。

2.3 荷載作用

（1）無(wú)梁樓蓋荷載傳遞方式與框架結(jié)構(gòu)不同，受力負(fù)荷也是導(dǎo)致開(kāi)裂的重要原因之一。無(wú)梁樓蓋與柱之間僅由節(jié)點(diǎn)相連結(jié)，連續(xù)性較差，不利于承受水平荷載。另一方面由于剪力和負(fù)彎矩過(guò)于集中，在柱的四周容易發(fā)生沖切破壞和彎曲破壞。

（3）在混凝土還未增長(zhǎng)到足夠強(qiáng)度時(shí)，就在地下室頂板上堆放大量鋼筋、模板等建筑材料，而重型施工機(jī)械如混凝土攪拌運(yùn)輸車(chē)輛在施工臨時(shí)通道上行駛也會(huì)加劇裂縫的發(fā)展。

（4）施工電梯區(qū)域由于裝卸運(yùn)輸材料設(shè)備所產(chǎn)生的沖擊振動(dòng)荷載是導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂的重要原因。

2.4 約束和應(yīng)力集中作用

一些裂縫成因與約束和應(yīng)力集中作用有關(guān)。由于高層住宅主樓抗側(cè)剛度大，對(duì)地下室頂板混凝土收縮產(chǎn)生側(cè)向約束，極大程度上限制了其自由變形，使得在構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力大于混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)就會(huì)在地下室頂板內(nèi)部形成裂縫。另外在人防墻中留置的人防門(mén)會(huì)導(dǎo)致截面突變，往往會(huì)在地下室頂板生成平行于人防墻的裂縫。而地下室頂板上的預(yù)留洞口和施工臨時(shí)通道轉(zhuǎn)角處受到應(yīng)力集中作用也會(huì)導(dǎo)致該區(qū)域混凝土開(kāi)裂。

2.5 氣候影響

因?yàn)榈叵率翼敯遄鳛槭┕?chǎng)地常常不能及時(shí)覆土，導(dǎo)致地下室頂板長(zhǎng)時(shí)間暴露在外部環(huán)境中。尤其在高溫季節(jié)，地下室頂板上表面與下表面的溫差較大，上表面混凝土中的水分在太陽(yáng)照射和風(fēng)的作用下很快蒸發(fā)，使得混凝土體積變化相對(duì)較大，而下表面混凝土由于模板阻隔，水分蒸發(fā)速度較慢，混凝土體積變化相對(duì)較小。由于混凝土上下表面體積變化的不同，從而在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，而混凝土早期抗拉強(qiáng)度較低，容易形成裂縫。

2.6 施工因素

（1）夏季施工時(shí)塌落度損失較大，再加上現(xiàn)場(chǎng)施工管理不規(guī)范，施工人員為圖施工便利往已拌好的混凝土中加水現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響混凝土拌合物的質(zhì)量，降低混凝土抗裂能力。

（2）地下室頂板混凝土澆筑完畢后未及時(shí)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，致使早期失水多，引起混凝土開(kāi)裂。

（3）過(guò)早封閉后澆帶是產(chǎn)生裂縫的一個(gè)重要原因。由于溫度作用效應(yīng)導(dǎo)致地下室頂板混凝土尚有部分變形量未被充分釋放。

（4）未按照規(guī)范及設(shè)計(jì)要求在受力較小處設(shè)置施工縫，施工時(shí)處理不妥，容易出現(xiàn)新舊混凝土粘接不良而形成裂縫，見(jiàn)圖8。

圖8 地下室頂板施工縫處理不當(dāng)形成裂縫

3 預(yù)防措施

3.1 設(shè)計(jì)方面的預(yù)防措施

（1）在合理的位置設(shè)置后澆帶，后澆帶是施工期間設(shè)置的臨時(shí)性變形縫，其最大間距宜為30～40m。由于混凝土早期收縮量較大，后澆帶將地下室頂板結(jié)構(gòu)分割成相對(duì)較小的區(qū)塊，可有效地釋放早期混凝土收縮應(yīng)力和減小以收縮為主的變形。后澆帶澆筑后通過(guò)補(bǔ)償收縮混凝土硬化過(guò)程中產(chǎn)生的膨脹作用，在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生一定的預(yù)壓應(yīng)力用于抵消剩余的部分混凝土收縮應(yīng)力，防止混凝土構(gòu)件產(chǎn)生裂縫。對(duì)于伸縮后澆帶，在兩側(cè)混凝土齡期達(dá)到60d 并經(jīng)設(shè)計(jì)同意后封閉。由于考慮溫度效應(yīng)，后澆帶封閉的環(huán)境溫度應(yīng)選擇在15～18℃。對(duì)于沉降后澆帶，應(yīng)在高層住宅主樓結(jié)構(gòu)封頂后，根據(jù)實(shí)測(cè)沉降資料確定封閉時(shí)間，一般在主體結(jié)構(gòu)結(jié)頂14d 后進(jìn)行。后澆帶施工前，后澆帶部位應(yīng)采取措施防止落入雜物和損傷止水帶。后澆帶應(yīng)采用強(qiáng)度等級(jí)高一級(jí)的補(bǔ)償收縮混凝土澆灌。

（2）在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段可以采用有限元軟件模擬溫度變化下的地下室頂板應(yīng)力分布情況，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果在拉應(yīng)力較大的區(qū)域設(shè)置后澆帶。

（3）在結(jié)構(gòu)突變處或預(yù)留洞口處設(shè)置構(gòu)造鋼筋。對(duì)預(yù)計(jì)收縮應(yīng)力比較大的構(gòu)件或部位適當(dāng)加強(qiáng)鋼筋，以提高混凝土的抗變形能力，從而降低產(chǎn)生裂縫的可能性。

3.2 材料控制方面的預(yù)防措施

在地下室頂板施工階段，應(yīng)當(dāng)采用低水化熱水泥，摻入粉煤灰、磨細(xì)礦渣粉等摻和料，選用合理的配合比、選擇良好的粗骨料、選用級(jí)配優(yōu)良的砂、石原料，含泥量應(yīng)符合規(guī)范要求，使水灰比和砂率達(dá)到最佳，嚴(yán)格控制混凝土中的水泥用量，摻入適當(dāng)?shù)臏p水劑、緩凝劑和膨脹劑等外加劑，以混凝土的膨脹量抵消混凝土的部分收縮量，從而有效控制地下室頂板混凝土的開(kāi)裂。

3.3 施工方面的預(yù)防措施

（1）施工縫應(yīng)按照規(guī)范及設(shè)計(jì)要求的位置和方式留置，并應(yīng)按照施工方案實(shí)施。在澆筑混凝土前，應(yīng)將其表面浮漿清除并鑿到密實(shí)混凝土為止，澆水濕潤(rùn)后鋪設(shè)水泥砂漿或涂刷混凝土界面劑，再及時(shí)澆筑混凝土，并振搗密實(shí)，確保新舊混凝土良好結(jié)合。

（2）在高溫季節(jié)，應(yīng)采取能有效降低原材料溫度和減少混凝土運(yùn)輸時(shí)吸收外界熱量等措施。地下室頂板混凝土里表溫差（不含混凝土收縮的當(dāng)量溫度）不宜大于25℃，其表面與大氣溫差不宜大于20℃。無(wú)梁樓蓋混凝土應(yīng)與柱帽同時(shí)進(jìn)行澆筑。在混凝土澆筑前，必須檢查模板內(nèi)的積水、木屑及其他垃圾等是否已經(jīng)及時(shí)清理干凈，以防止出現(xiàn)夾渣等質(zhì)量問(wèn)題。在混凝土澆筑過(guò)程中，嚴(yán)禁現(xiàn)場(chǎng)加水，振搗必須均勻、適度，避免過(guò)振或漏振，倡導(dǎo)采用二次振搗和二次抹面技術(shù)。對(duì)澆筑混凝土使用設(shè)備及時(shí)進(jìn)行維修保養(yǎng)，避免出現(xiàn)故障導(dǎo)致施工中斷。

（3）混凝土澆筑完成后應(yīng)及時(shí)覆蓋薄膜，可有效隔絕混凝土和外部環(huán)境的接觸，進(jìn)而避免因混凝土內(nèi)外溫差過(guò)大引起的溫度裂縫。在冬季施工時(shí)也要做好保溫措施，以減少因結(jié)構(gòu)熱脹冷縮而引起的溫度應(yīng)力?？梢愿鶕?jù)工程實(shí)際適當(dāng)延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間和進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)同樣有利于減少混凝土裂縫的產(chǎn)生。

（4）為減少出現(xiàn)溫度收縮裂縫，應(yīng)及時(shí)回填覆土，盡可能縮短地下室頂板暴露時(shí)間。

（5）加強(qiáng)施工現(xiàn)場(chǎng)大型車(chē)輛和物料堆放管理，確保施工荷載滿(mǎn)足設(shè)計(jì)值要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

超長(zhǎng)地下室頂板無(wú)梁樓蓋裂縫問(wèn)題，一直是設(shè)計(jì)面臨的一個(gè)難題，長(zhǎng)期以來(lái)一直困擾著工程人員。要克服這一難題，我們應(yīng)采取科學(xué)的態(tài)度進(jìn)行認(rèn)真分析和研究、區(qū)別對(duì)待。僅僅采用設(shè)置施工后澆帶的方法不能從根本上防止超長(zhǎng)地下室頂板無(wú)梁樓蓋開(kāi)裂，所以裂縫控制不能僅考慮某單一環(huán)節(jié)，應(yīng)從多方面采取措施進(jìn)行綜合控制。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們就應(yīng)該采取合理的、行之有效的措施預(yù)防裂縫發(fā)生。在施工過(guò)程中，采取加強(qiáng)混凝土原材料控制，制定嚴(yán)格的施工組織方案和適當(dāng)推遲后澆帶的澆筑時(shí)間并加強(qiáng)混凝土養(yǎng)護(hù)。只有在設(shè)計(jì)及施工階段采取各種有效的措施，才能有效地預(yù)防裂縫的產(chǎn)生。