地下室無梁樓蓋的裂縫成因分析及預防措施

趙旭東

(甘肅第六建設集團股份有限公司,甘肅 蘭州 730050)

很多高層建筑的地下室頂板如果出現(xiàn)裂縫,非常容易導致外部的一些物質進入到混凝土內部對混凝土結構產(chǎn)生侵蝕,進而導致內部鋼筋銹蝕,縮短混凝土結構整體的使用壽命,對建筑物的安全性能和使用年限產(chǎn)生不良影響。針對已經(jīng)出現(xiàn)滲漏情況的地下室頂板結構,其后期維修養(yǎng)護成本過高、施工難度較大,會對建筑工程項目整體的施工建設帶來不良影響,時間一長,還會對建筑物整體的結構安全帶來不利影響。因此,有必要采取對應的干預措施來預防裂縫產(chǎn)生。

比較分析傳統(tǒng)框架結構可知,無梁樓蓋結構具有增加室內空間、節(jié)約兩側模板建設花費以及提升施工效率等優(yōu)勢,很多高層建筑工程項目施工階段均會采用無梁樓蓋充當?shù)叵率医Y構的頂板。為進一步提升地下室工程質量,施工方要針對地下室無梁樓蓋裂縫原因展開研究,并采取相應防治措施。

1 工程項目概況

本工程項目的主體結構包括11棟高層民用建筑以及地下層地下室結構,地下區(qū)域內也有人防工程。地下室頂板結構為無梁樓蓋。施工前期勘測數(shù)據(jù)如下:地下室平面尺寸37 476m2,長寬比數(shù)值3.2;地下室占地面積為34 961m2;地下室高度3.5m,其中±0.000對應85高程6.050 m,抗浮水位相當于85高程4.400 m。為保證地下室工程質量,要求頂板覆土荷載數(shù)值和臨時荷載數(shù)值均小于27kN/m2,活荷載低于5kN/m2,大型車輛荷載值為20kN/m2。地下室頂板無梁樓蓋鄰近區(qū)域覆土高度要嚴格控制在0.5m以下,頂板施工采用C35混凝土材料,抗?jié)B性P6。

地下室的基本柱網(wǎng)尺寸如下:①5.5m×5.35m;②6.5m×5.8m;③8m×5.8m。該地下室頂板的厚度數(shù)值約為250mm～320mm不等。該圓柱蓋的平面尺寸為2.8m×2.6m,圓柱高度為600～1080mm。

2021年11月,負責該高層建筑工程的監(jiān)理單位經(jīng)現(xiàn)場勘察發(fā)現(xiàn),該建筑工程的地下頂板出現(xiàn)了裂縫和一定的滲漏情況,發(fā)現(xiàn)時地下水的頂板并沒有開始覆土施工。應用測量技術進行測量后,得出該地下室頂板裂縫的具體分布情況(見圖1)。

圖1 地下室頂板結構平面圖及裂縫分布示意

裂縫的主要特征表現(xiàn)為:①經(jīng)過對地下室環(huán)境的勘察分析可知,民用建筑主體結構、地下室外墻體部分裂縫發(fā)生率低,地下室頂板裂縫發(fā)生率高;②本工程地下室頂板裂縫為平面分布,但總體趨勢明顯;在地下室頂部的西面和中部,裂縫是比較集中的。在高層建筑的主樓與地下室的接合處,也出現(xiàn)了一些裂縫,這些裂縫甚至穿透了頂板。

總體而言,裂縫形式表現(xiàn)為4種:①斜縫,在剪力墻或柱蓋附近有一條或多條約45°的斜縫;②與剪力墻或柱蓋平行的裂紋;③預留孔隙;④其他不規(guī)則的裂縫。

2 地下室無梁樓蓋裂縫成因分析

2.1 設計原因

(1)伸縮縫的設計未嚴格按照高層建筑的施工要求進行。根據(jù)GB50010—2010混凝土建筑設計規(guī)范的有關規(guī)定,為了有效地降低因溫度和自身收縮而引起的混凝土材料開裂,必須保證最大的間距。對于現(xiàn)澆擋土墻、地下室墻體等建筑,應采用30 m的伸縮縫和20 m的敞開式伸縮縫。由于高層建筑地下室的作用有限,為了進行防水施工,一般不設置伸縮縫,在本工程中不設置伸縮縫的長度超出規(guī)定的范圍[1]。

(2)在安裝了后澆帶后,地下室的頂板被分成了18個部分,由西向東分成了7個部分,長度分別是:48.05m、46.10m、57.60m、53.40m、56.35m、40.85m、39.70m。由于分區(qū)長度比較大,若長時間暴露于戶外,在多個區(qū)塊的共同作用下,頂板會產(chǎn)生局部開裂。

2.2 材料原因

(1)在選用工程材料時,選用了泵送商砼。這類商砼具有粒徑低、坍落度高、粉煤灰含量高的特點,在混凝土凝固時易發(fā)生明顯的收縮。地下室頂板材料要求見表1。

表1 地下室頂板材料要求

(2)本項目的地下水頂板混凝土材料是兩個公司供應的,其混凝土材料配比、外加劑數(shù)量配比也存在著差異。地下室頂板后澆帶施工完成后,由于其抗縮和變形特性的差異,會對裂縫的形成造成負面影響[2]。

2.3 荷載作用

(1)和普通的框架結構對比,無梁樓蓋的荷載力傳遞方式比較特殊,這也是導致地下室頂板出現(xiàn)裂縫的一項重要原因。由于無梁樓蓋與立柱僅由節(jié)點相連,整體的連續(xù)性不佳,很難承受水平荷載。另外,在梁、柱附近,由于剪力個彎矩的集中性較大,容易出現(xiàn)剪力破壞及彎曲破壞。無梁板厚度與長跨的最小比值見表2。

表2 無梁板厚度與長跨的最小比值

(2)在實際施工中,由于沒有全面的防浮措施,而且在此期間,地下室頂板正在進行覆蓋,若僅憑自身重力很難平衡浮力,從而造成頂板開裂、漏水。

(3)當混凝土強度不夠時,將鋼筋、模板等建筑材料堆放在地下室的頂部,或使用混凝土攪拌車等大型機器在臨時通道中運行,都會導致產(chǎn)生更大的裂縫。

(4)在施工升降機區(qū)域,導致混凝土開裂的其中一項重要因素就是受到了沖擊震動載荷,即受到運輸材料、機械等外界因素的影響。

2.4 約束和應力集中作用

許多裂紋的形成同約束、應力集中等因素有關。許多高層建筑的主框架結構總體抗側剛度大,對地下室頂板混凝土的收縮有約束作用,從而在某種程度上制約了結構的自由變形,使其內部產(chǎn)生拉應力,若拉應力大于混凝土的抗拉強度,將造成地下室頂部開裂。

在人防區(qū)域內設置人防門,很容易引起局部截面的突變,從而造成與人防墻體平行的樓頂開裂。并且,地下室頂部預留孔洞和施工過程中出現(xiàn)的臨時轉角應力會讓混凝土產(chǎn)生的裂縫更為嚴重。

2.5 氣候影響

很多時候,因為沒有及時完成地下室頂板的施工,造成了地下室頂部裸露于戶外。當室外溫度升高時,地下室上下兩層的溫度差異會很大,但由于溫度過高,上部混凝土中的水分會被快速蒸發(fā),從而產(chǎn)生不同的體積。而下部混凝土因受模板的影響,不易揮發(fā),下部混凝土的體積變化很小[4]。在混凝土中,由于上、下部分的體積不均勻,會導致混凝土產(chǎn)生拉應力,而在早期,混凝土整體的抗拉強度偏低,最后引發(fā)了混凝土開裂現(xiàn)象。

2.6 施工因素

(1)在夏季施工期間,由于混凝土的坍落度損失比較大,在沒有做好施工管理的情況下,許多施工工人會在拌合好的混凝土中加水,不僅降低了混凝土拌合物的質量,也會加劇混凝土開裂。

(2)在未做好澆筑的地下室開展頂板養(yǎng)護工作,會造成了早期混凝土大量失水,導致混凝土開裂。

(3)后澆帶的封口時間太短是造成混凝土開裂的重要因素。由于受溫度的影響,地下室頂部混凝土局部變形很難得到充分釋放。

(4)在承載力不足的部位,未按照規(guī)范及設計要求設置施工縫,施工過程中若處理不當,容易導致新舊混凝土結合不良,進而出現(xiàn)裂縫(見圖2)。

圖2 地下室頂板施工縫處理不當形成裂縫

3 預防措施

3.1 設計方面的預防措施

(1)可在適當?shù)奈恢蒙线M行后澆帶的設定。在高層建筑施工中,后澆帶是臨時的變形縫,其間隔應以30～40 m為宜。在混凝土早期收縮量大的情況下,可以采用后澆帶將其分隔開,從而使混凝土的收縮應力得到有效的釋放,從而減小由于收縮引起的變形[6]。

(2)在后澆帶進行澆筑后,受到混凝土膨脹效應的影響,導致其內部產(chǎn)生預應壓力,為減小留存的收縮應力,減少混凝土構件裂縫。針對伸縮后澆帶施工時要求周圍混凝土齡期超過60d,并需經(jīng)過許可后方能進行封閉。受到溫度因素影響,要求后澆帶密封環(huán)境溫度需處于15～18℃之內。當高層建筑主體結構封頂后,要結合建筑沉降情況確定封閉時間,通常規(guī)定在主體結構完工兩周內。對后澆帶進行施工前要避免其中產(chǎn)生雜物,減少對止水帶產(chǎn)生的影響,后澆帶施工中使用高強度收縮混凝土。

(3)在結構設計中,可以利用有限元軟件對地下室頂部的應力進行數(shù)值模擬,并在應力大的地區(qū)設置后澆帶。

(4)在結構突變點或預留孔位置布置構造鋼筋。為了增強混凝土的抗拉強度,減少裂縫發(fā)生的概率,對具有較大收縮應力的構件和部位進行加固。

3.2 材料控制方面的預防措施

在地下室頂板進行施工的過程中,施工單位要盡量選擇水化熱較低的水泥材料,并在其中摻入比例合適的粉煤灰等集料,盡量選擇配合比高以及粒徑合理的集料,選擇級配砂石材料,要求混凝土原材料中的含泥量必須符合高層建筑施工需求,以此來有效控制混凝土水灰比。同時要嚴格控制混凝土材料中水泥的含量,適當添加一定比例的減水劑、緩凝劑等,利用混凝土本身的膨脹作用,減小混凝土的局部收縮,降低地下室頂板混凝土開裂問題發(fā)生的概率[8]。

3.3 施工方面的預防措施

(1)在設計施工縫的過程中,應嚴格根據(jù)施工需求位置合理留置施工縫,嚴格根據(jù)施工方案落實施工步驟。在對混凝土進行澆筑的過程中,一定要對其表層的浮漿進行清理,直到見到密實混凝土,進行濕潤后,可在其表面涂抹一層混凝土界面劑后進行澆筑,為了確保新舊混凝土能夠更好地結合,要在澆筑完畢后進行混凝土振搗[9]。

(2)如果施工區(qū)域的氣溫較高,在運輸混凝土的過程中,為了降低混凝土在輸送過程中吸收外界熱,必須采取相應的措施來降低原材料的溫度。

在施工過程中,要求地下室頂板混凝土內外溫度差異不得超過25℃,混凝土表層溫度和氣溫差異不得高于20℃。針對無梁樓蓋和柱帽,需同時進行澆筑。在澆筑之前要重點做好模板內部積水、雜質的清理工作,避免夾渣影響混凝土模板質量。在澆筑過程中,禁止施工人員加水,進行振搗時需控制振搗力度。在本工程施工過程中,可采用二次振搗施工工藝。對于參與混凝土澆筑的機械設備要定期進行維護和保養(yǎng),避免設備質量問題影響振搗工作開展。

(3)在澆筑完畢后,要在混凝土表面覆蓋涂上一層膜,這種膜可以有效地隔絕混凝土與外部環(huán)境,防止混凝土由于溫度的變化而出現(xiàn)開裂。若施工季節(jié)為冬季,應做好混凝土的保溫工作,以降低由于熱脹冷縮引起的混凝土構件應力開裂。在有條件的情況下,可以采取適當?shù)姆椒▉斫档突炷灵_裂的可能性。

(4)如果想要減少因溫度因素導致的收縮裂縫,則要及時做好回填覆土施工工作,避免地下室頂板長期暴露在外。

(5)加強對施工場地的車輛、材料等的管理,確保工程荷載達到設計要求。

(6)很多無梁樓蓋產(chǎn)生受力裂縫多數(shù)是由人為因素導致。如果無梁樓蓋板厚度較大,其下部的支撐面積則較小,此時樓板和柱相連部分承受較大的集中應力。很多施工單位為了減少工期,往往會在無梁樓蓋沒有到達設計標準齡期就進行覆土施工,同時一些運輸材料的車輛也在無梁樓蓋頂部隨意進行行駛,加重上部的壓力,由此導致無梁樓蓋沿移動荷載方向出現(xiàn)裂縫或者在覆土位置上出現(xiàn)了變形裂縫。上述裂縫一旦產(chǎn)生,后期會因荷載力不斷上升而加劇。

所以,在進行覆土施工時,必須保證無梁樓蓋達到規(guī)定齡期,混凝土強度達到設計強度。在沒有達到規(guī)定的齡期和強度的情況下,在無梁樓蓋的底板出現(xiàn)了應力變形的裂紋時,必須及時清理上部的活動荷載和覆蓋荷載,并對其進行修補和加固,直到結構穩(wěn)定,由第三方檢驗機構檢驗合格后才能進行下一階段的施工。

4 結語

綜上所述,超長地下室頂板無梁樓蓋裂縫問題是高層地下室施工階段經(jīng)常出現(xiàn)的問題之一,嚴重影響工程進度,為有效解決該問題,參與工程建設的單位要秉承科學的態(tài)度對產(chǎn)生裂縫的原因進行分析和研究,不能再局限于設置后澆帶等方式來減少無梁樓蓋裂縫,要從多方面因素入手進行考慮與分析。因此,在施工設計階段需采取行之有效的施工組織方案來預防裂縫。同時要嚴格控制混凝土材料質量,根據(jù)施工組織方案適當延長混凝土養(yǎng)護時間,只有如此才能夠有效減少施工裂縫發(fā)生,進一步提升地下室工程施工質量。