基于高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)約束部位裂縫的分析與控制

摘 要：本文結(jié)合工程實(shí)例，分別論述了高層建筑、大底板多塔樓建筑以及汽車坡道等鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在強(qiáng)約束條件下的變形與裂縫分布特點(diǎn)，對強(qiáng)約束部位的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫建議從減小約束、加強(qiáng)剛度、預(yù)壓應(yīng)力、控制混凝土伸縮等方面采取技術(shù)措施進(jìn)行控制。

關(guān)鍵詞：高層建筑； 強(qiáng)約束； 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)； 混凝土裂縫； 結(jié)構(gòu)剛度

中圖分類號：TU978

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1008-0422（2009）06-0184-03

1引言

高層建筑工程鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫的原因很多，主要是由溫度變形、收縮變形、基礎(chǔ)不均勻沉降等變形作用引起的。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，由變形作用引起的裂縫幾乎占全部裂縫的80％以上，其中，在條件相同的情況下，強(qiáng)約束部位工程裂縫出現(xiàn)的概率更大、裂縫更寬。結(jié)構(gòu)物的變形受到約束后才產(chǎn)生約束應(yīng)力，當(dāng)約束應(yīng)力超過鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度時(shí)便產(chǎn)生裂縫，因此約束強(qiáng)弱對結(jié)構(gòu)物是否產(chǎn)生裂縫有著相當(dāng)大的影響。

2高層建筑結(jié)構(gòu)在強(qiáng)約束條件下的變形與裂縫分析

高層建筑中地下室外墻板、二層梁、頂層梁板與屋面女兒墻由于受溫度應(yīng)力的作用，比一般情況下更易產(chǎn)生裂縫，工程實(shí)踐中經(jīng)常會在這些部位出現(xiàn)裂縫。

2.1地下室結(jié)構(gòu)

地下室工程中最容易產(chǎn)生裂縫的部位是外墻板，底板與頂板產(chǎn)生裂縫的概率不大，其主要原因是：高層建筑地下室結(jié)構(gòu)往往超長，外墻板受到地下室底板的強(qiáng)大約束，其約束遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地下室底板與頂板所受的約束。外墻板產(chǎn)生的裂縫絕大多數(shù)為豎向裂縫，多數(shù)縫長與墻高相當(dāng)，兩端逐漸減小。裂縫大部分出現(xiàn)在拆模后不久，有的還與環(huán)境溫度變化梯度有關(guān)。一般情況下為表面裂縫，有時(shí)也有貫穿裂縫。

2.2底層結(jié)構(gòu)

高層建筑一、二層在上部結(jié)構(gòu)中所受約束最大。地下室外墻板與頂板厚度大、配筋密集，地下室結(jié)構(gòu)本身受到地下室基礎(chǔ)、底板、外側(cè)土體的約束，因此地下室結(jié)構(gòu)對上部一、二層的約束很大。高層建筑一、二層結(jié)構(gòu)梁板經(jīng)常會出現(xiàn)橫向裂縫，特別是位于兩個(gè)電梯井間（電梯井采用筒體結(jié)構(gòu)）的大梁，該大梁還受到兩個(gè)鋼筋混凝土簡體的強(qiáng)大約束，實(shí)際工程中經(jīng)常有豎向裂縫出現(xiàn)，裂縫一般位于板下梁的兩側(cè)，有時(shí)裂縫在梁底跟通，這些裂縫通常是表面裂縫，深度在1~2 cm以內(nèi)。

2.3中間層結(jié)構(gòu)

高層建筑中間結(jié)構(gòu)層梁板產(chǎn)生裂縫的情況很少，一個(gè)主要原因就是其所受的約束較小。

2.4頂層結(jié)構(gòu)

高層建筑樓層結(jié)構(gòu)越往上所受的約束越小，其水平位移越大，符合“約束強(qiáng)變形小、約束弱變形大”的規(guī)律。因此，距離底部基礎(chǔ)約束最遠(yuǎn)的頂層結(jié)構(gòu)所受的約束最小，其水平位移最大。但是頂層上部由于無約束或約束極?。ㄈ缥菝鏅C(jī)房對其的約束），受到的下部結(jié)構(gòu)約束與上部相比很大，再加上頂層結(jié)構(gòu)溫差變化大，屋面板面大體薄對溫度變化敏感，加上屋面板轉(zhuǎn)角部位分別受到兩個(gè)方面的約束，因此屋面板容易在轉(zhuǎn)角部位產(chǎn)生八字形裂縫。還有一些屋面南側(cè)邊梁受到日照溫差相當(dāng)大，因此南側(cè)邊梁也容易產(chǎn)生豎向裂縫。

2.5屋面女兒墻

屋面女兒墻的約束情況與地下室外墻板、頂層結(jié)構(gòu)相似。女兒墻受到的下部約束很大，而上部由于一般只按構(gòu)造要求設(shè)一道壓頂梁，上部約束很小，再加上女兒墻為薄壁結(jié)構(gòu)，溫差變化大，極易產(chǎn)生收縮裂縫。

3大底板多塔樓建筑結(jié)構(gòu)在強(qiáng)約束條件下的變形與裂縫分析

大底板多塔樓高層建筑產(chǎn)生的裂縫除具有一般高層建筑的特點(diǎn)外，還具有其自身的特點(diǎn)。大底板底板與地下室樓面在塔樓部位受到的水平約束與豎向約束均很大，因此在塔樓與裙房 (或廣場)的連接部位容易產(chǎn)生裂縫。

3.1大底板底板

大底板多塔樓高層建筑經(jīng)常采用樁筏或樁箱基礎(chǔ)其特點(diǎn)是豎向荷載的差異，使塔樓與裙房或廣場產(chǎn)生差異沉降，這種類型的樁筏或樁箱基礎(chǔ)的一個(gè)特點(diǎn)是底板厚度H遠(yuǎn)小于長寬尺寸L，當(dāng)H/L小于或等于0.2時(shí)，底板在溫度收縮變形作用下，離開端部區(qū)域，板的全截面受拉應(yīng)力較均勻。在不均勻沉降作用、地基約束、塔樓豎向作用力下，將出現(xiàn)水平法向應(yīng)力，該應(yīng)力是引起垂直裂縫的主要原因，尤其在底板厚度或肋梁較小的裙房與廣場部位特別容易產(chǎn)生裂縫。

一般橫向裂縫產(chǎn)生是由于上部荷載的不均勻作用，導(dǎo)致地基與基礎(chǔ)受力不均勻，在差異沉降、底板收縮與地基約束下，底板自身的剛度不夠，調(diào)節(jié)不均勻受力的能力較弱，遂產(chǎn)生了橫向裂縫。沿底板對角線分布的斜向裂縫，其裂縫寬度一般呈現(xiàn)中間大兩端小的棗核狀，具有較明顯的受剪破壞的特征，也是在差異沉降與地基約束作用下，底板自身的剛度不夠而產(chǎn)生的。有時(shí)在塔樓與廣場連接處的柱子會出現(xiàn)沿柱根呈“口”字形的裂縫，裂縫進(jìn)一步發(fā)展時(shí)，“口”字四角再向外呈斜向發(fā)展，長度一般較短。

3.2地下室頂板

大底板多塔樓高層建筑的地下室頂板平面尺寸一般都很大、各邊長度超長，溫度變化引起的伸縮與混凝土自身收縮值均較大。塔樓大量的混凝土墻柱與剪力墻是結(jié)構(gòu)中重要的抗側(cè)力構(gòu)件，它的存在大大提高了結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移能力，加大對頂板變形的約束。由于頂板受到周邊塔樓結(jié)構(gòu)的強(qiáng)約束，而中間廣場部位有一個(gè)較大的空間，只受到地下室墻柱的弱約束，因此頂板周邊受到的約束遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于中央部位受到的約束，周邊受到的應(yīng)力也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于中央部位。由于頂板在塔樓附近應(yīng)力集中，因此裂縫首先在這里產(chǎn)生。由于平面尺寸大、結(jié)構(gòu)超長，頂板其它部位也逐漸有裂縫產(chǎn)生，頂板中心由于約束很弱，一般無裂縫產(chǎn)生。塔樓部位的頂板受到地下室與上部結(jié)構(gòu)的約束均較大，而自身的梁板跨度均較小且梁斷面較大、剛度較好，一般不會出現(xiàn)裂縫。

3.3地下室外墻板

大底板多塔樓高層建筑地下室外墻板除具有一般地下室外墻板的特點(diǎn)外，由于外墻板受到塔樓結(jié)構(gòu)的強(qiáng)約束，因此外墻板除具有一般的豎向裂縫外，在裙房 （或廣場）與塔樓連接處易產(chǎn)生較大的裂縫，裂縫一般呈豎向略帶斜向，裂縫上部靠近塔樓，下部靠近裙房。

4其它結(jié)構(gòu)在強(qiáng)約束條件下的變形與裂縫分析

4.1汽車坡道

現(xiàn)代建筑物經(jīng)常具有車輛直接進(jìn)入二層的汽車坡道，一層通常作為車庫。車道一端與一層樓面連接，另一端位于室外自然基礎(chǔ)或地下室頂板上，平面布置如圖1。由于車道的斜向布置使其具有極強(qiáng)的約束，特別是另一端位于地下室頂板上的情況，使車道產(chǎn)生平行于橫向的裂縫，裂縫經(jīng)常為貫穿性的。

4.2回字形結(jié)構(gòu)

有些工程由于使用的需要，設(shè)計(jì)成呈“回”字形的內(nèi)外兩個(gè)鋼筋混凝土簡體，兩簡體間采用梁板連接。當(dāng)內(nèi)外兩個(gè)簡體間距較近時(shí)，梁板受到的變形約束極大，容易在樓面產(chǎn)生裂縫。某工程為地下一層結(jié)構(gòu)，由內(nèi)外兩個(gè)簡體構(gòu)成，中間為無頂板水池，四周為走道有頂板，混凝土強(qiáng)度等級為C30。內(nèi)外簡體墻板厚度分別為250mm、300mm，頂板厚度為120mm，頂板配筋為上下雙層雙向10mm@150 mm。頂板剛度相對簡體很弱，受到的約束很大。頂板產(chǎn)生的裂縫如圖2所示，在角部呈45°角分布，中間呈垂直于簡體方向布置。

5防止鋼筋混凝土強(qiáng)約束部位結(jié)構(gòu)裂縫的技術(shù)處理措施

強(qiáng)約束是建筑工程產(chǎn)生裂縫的一個(gè)重要原因，對有強(qiáng)約束的建筑工程，應(yīng)采取減小約束、加強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度、施加預(yù)應(yīng)力等技術(shù)措施來有效減少裂縫的產(chǎn)生。

5.1減小約束

減小約束從根本上緩解裂縫的產(chǎn)生。對超長結(jié)構(gòu)和大底板塔樓結(jié)構(gòu)可以采用后澆帶、伸縮縫，充分釋放混凝土的伸縮應(yīng)力，給結(jié)構(gòu)留有合理的伸縮空間。對處在基巖或老混凝土上的基礎(chǔ)或結(jié)構(gòu)采用設(shè)置滑動層和鉸接點(diǎn)的方法。如對斜形車道，可將其另一端設(shè)在具有滑動層的自然基礎(chǔ)上。

5.2加強(qiáng)剛度

加強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度，提高整體抗裂能力。在強(qiáng)約束區(qū)提高配筋，減小鋼筋間距和鋼筋直徑，提高混凝土與鋼筋的協(xié)同作用，提高抗裂能力。如：可在地下室外墻板中設(shè)置暗梁；在豎向荷載變化很大的連接部位加密鋼筋；對加強(qiáng)大底板多塔樓高層建筑地下室底板整體剛度，提高其調(diào)節(jié)不均勻沉降的作用與抗裂能力；加強(qiáng)混凝土配合比的設(shè)計(jì)等。

5.3施加預(yù)應(yīng)力

施加預(yù)應(yīng)力直接約束結(jié)構(gòu)的變形，減小因約束而產(chǎn)生的內(nèi)力，從而防止結(jié)構(gòu)開裂。預(yù)應(yīng)力技術(shù)尤其適合于樓面結(jié)構(gòu)，樓面結(jié)構(gòu)的裂縫以橫向?yàn)橹?，縱向鋼筋的配置對其有重大的影響，一般可在縱向主梁中采用預(yù)應(yīng)力筋以施加預(yù)應(yīng)力。

5.4施工措施

加強(qiáng)施工，做好混凝土的養(yǎng)護(hù)工作，盡可能提高混凝土的實(shí)際強(qiáng)度。嚴(yán)格掌握后澆帶的封堵時(shí)間，使混凝土有充分應(yīng)力的時(shí)間等。

6工程實(shí)例

6.1實(shí)例 1

湖南某工程有地下室一層且連成整體，上部由7幢高層主樓組成。整個(gè)平面呈一個(gè)大的 “L”形，兩個(gè)長邊分別達(dá)到153.5m、133.6m。主樓采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)。廣場地下室采用框架結(jié)構(gòu)，柱網(wǎng)間距8.2m。每幢主樓有兩個(gè)東西對稱布置的電梯間和樓梯間混凝土筒體。

地下室外墻板產(chǎn)生較多豎向表面裂縫，間距在3～4m，個(gè)別有滲水現(xiàn)象。地下室底板無明顯裂縫與滲水現(xiàn)象。地下室頂板產(chǎn)生了較多斜向45°裂縫且大多有滲水現(xiàn)象，裂縫主要分布在強(qiáng)約束區(qū)與應(yīng)力集中的大陰角處，如圖3所示。

7幢主樓連接兩個(gè)電梯間、樓梯間的二層大梁均有裂縫產(chǎn)生。裂縫在梁側(cè)呈豎向分布，上端接近于板底，下端通到梁底，梁底下側(cè)個(gè)別也有連通。裂縫深度在1cm以內(nèi)。三層該部位大梁也有少量裂縫產(chǎn)生，四層以上該部位大梁沒有裂縫發(fā)現(xiàn)。由于頂層邊梁配筋得到加強(qiáng)，屋面板轉(zhuǎn)角均配置了上下層放射筋，因此頂層結(jié)構(gòu)沒有發(fā)現(xiàn)裂縫。

6.2實(shí)例2

湖南某工業(yè)科技園綜合樓工程建筑面積56100m²。A樓地下1層，地上6層，結(jié)構(gòu)長度（含懸挑結(jié)構(gòu)）為300.5m?；A(chǔ)采用人工挖孔樁與鉆孔灌注樁，底板厚度為40cm。結(jié)構(gòu)形式為全現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度等級為C30。上部建筑采用通透式設(shè)計(jì)，外墻采用落地式大排窗。

6.2.1地下室裂縫控制

1）減少約束

在29軸設(shè)置一條伸縮縫分成東西兩塊，每塊底板又設(shè)置了兩條后澆帶，如圖4地下室平面示意圖所示。地下室底板、外墻板、室外頂板及后澆帶的混凝土均采用摻入10%UEA -H的微膨脹混凝土，提高混凝土抗伸縮能力。

2）加強(qiáng)剛度

地下室底板與外墻板在滿足要求的前提下縱向鋼筋的小而密。底板上下配置 18mm@150mm鋼筋網(wǎng)。外墻板厚度為300mm，水平筋配置為14mm@150mm。摻加粉煤灰、膨脹劑、外加劑等減少水泥與水的用量，提高混凝土極限拉伸值。黃砂采用中砂，碎石采用連續(xù)的5～25mm粒徑。塌落度為12cm。

3）施工控制

按后澆帶為界分塊分批澆注，保證每一塊混凝土的熱量能最大限度地釋放，使混凝土內(nèi)不會集中較大的收縮應(yīng)力。加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，加快土方回填。后澆帶的填充時(shí)間為結(jié)構(gòu)混凝土澆搗后3個(gè)月，使結(jié)構(gòu)的總降溫與收縮變形進(jìn)行到一半以上，以有效釋放應(yīng)力。

6.2.2上部裂縫控制

1）加強(qiáng)剛度

板的配筋采用連續(xù)式配筋，上部結(jié)構(gòu)樓面板厚為120mm，縱向板筋為上下18@150mm。屋面板厚度為120mm，縱向板筋為上下12 @125mm，對轉(zhuǎn)角處樓板配置上下兩層放射筋。

2）預(yù)加預(yù)應(yīng)力

縱向框架梁采用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)。按施工段劃分為6個(gè)區(qū)塊，每個(gè)區(qū)塊以后澆帶為界進(jìn)行分段張拉，每段長度均在50m左右。后澆帶處梁增設(shè)騎縫筋連接，也采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)。

3）施工控制

材料控制與施工控制類同于地下室結(jié)構(gòu)施工。

6.2.3 施工效果

通過采取了一系列技術(shù)處理措施后，該強(qiáng)約束結(jié)構(gòu)部位情況良好，經(jīng)過近兩年多的使用，沒有發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)裂縫和滲漏水現(xiàn)象。

參考文獻(xiàn)：

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