關于高層建筑鋼筋混凝土結構強約束部位裂縫的分析與控制
2015-04-29 00:00:00黃顯立
【摘 要】本文結合工程實例，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構在強約束條件下的變形與裂縫分布特點，對強約束部位的鋼筋混凝土結構裂縫建議從減小約束、加強剛度、預壓應力、控制混凝土伸縮等方面采取技術措施進行控制。
【關鍵詞】高層建筑；強約束；鋼筋混凝土結構；混凝土裂縫；結構剛度
0.引言
高層建筑工程鋼筋混凝土結構產(chǎn)生裂縫的原因很多，主要是由溫度變形、收縮變形、基礎不均勻沉降等變形作用引起的。據(jù)有關統(tǒng)計，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，強約束部位工程裂縫出現(xiàn)的概率更大、裂縫更寬。結構物的變形受到約束后才產(chǎn)生約束應力，當約束應力超過鋼筋混凝土結構的抗拉強度時便產(chǎn)生裂縫，因此約束強弱對結構物是否產(chǎn)生裂縫有著相當大的影響。
1.高層建筑結構在強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力的作用，比一般情況下更易產(chǎn)生裂縫，工程實踐中經(jīng)常會在這些部位出現(xiàn)裂縫。
1.1地下室結構
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：高層建筑地下室結構往往超長，外墻板受到地下室底板的強大約束，其約束遠遠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，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。一般情況下為表面裂縫，有時也有貫穿裂縫。
1.2底層結構
高層建筑一、二層在上部結構中所受約束最大。地下室外墻板與頂板厚度大、配筋密集，地下室結構本身受到地下室基礎、底板、外側土體的約束，因此地下室結構對上部一、二層的約束很大。高層建筑一、二層結構梁板經(jīng)常會出現(xiàn)橫向裂縫，特別是位于兩個電梯井間（電梯井采用筒體結構）的大梁，該大梁還受到兩個鋼筋混凝土簡體的強大約束，實際工程中經(jīng)常有豎向裂縫出現(xiàn)，裂縫一般位于板下梁的兩側，有時裂縫在梁底跟通，這些裂縫通常是表面裂縫，深度在1～2cm以內(nèi)。
1.3中間層結構
高層建筑中間結構層梁板產(chǎn)生裂縫的情況很少，一個主要原因就是其所受的約束較小。
1.4頂層結構
高層建筑樓層結構越往上所受的約束越小，其水平位移越大，符合“約束強變形小、約束弱變形大”的 。因此，距離底部基礎約束最遠的頂層結構所受的約束最小，其水平位移最大。但是頂層上部由于無約束或約束極小（如屋面機房對其的約束），受到的下部結構約束與上部相比很大，再加上頂層結構溫差變化大，屋面板面大體薄對溫度變化敏感，加上屋面板轉角部位分別受到兩個方面的約束，因此屋面板容易在轉角部位產(chǎn)生八字形裂縫。還有一些屋面南側邊梁受到日照溫差相當大，因此南側邊梁也容易產(chǎn)生豎向裂縫。
1.5屋面女兒墻
屋面女兒墻的約束情況與地下室外墻板、頂層結構相似。女兒墻受到的下部約束很大，而上部由于一般只按構造要求設一道壓頂梁，上部約束很小，再加上女兒墻為薄壁結構，溫差變化大，極易產(chǎn)生收縮裂縫。
2.大底板多塔樓建筑結構在強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外，還具有其自身的特點。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。
2.1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其特點是豎向荷載的差異，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的一個特點是底板厚度H遠小于長寬尺寸L，當H/L小于或等于0.2時，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)水平法向應力，該應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，導致地基與基礎受力不均勻，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，裂縫進一步發(fā)展時，“口”字四角再向外呈斜向發(fā)展，長度一般較短。
2.2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構中重要的抗側力構件，它的存在大大提高了結構的抗側移能力，加大對頂板變形的約束。由于頂板受到周邊塔樓結構的強約束，而中間廣場部位有一個較大的空間，只受到地下室墻柱的弱約束，因此頂板周邊受到的約束遠遠大于中央部位受到的約束，周邊受到的應力也遠遠大于中央部位。由于頂板在塔樓附近應力集中，因此裂縫首先在這里產(chǎn)生。由于平面尺寸大、結構超長，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構的約束均較大，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。
2.3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外，由于外墻板受到塔樓結構的強約束，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。
3.其它結構在強約束條件下的變形與裂縫分析
3.1汽車坡道
現(xiàn)代建筑物經(jīng)常具有車輛直接進入二層的汽車坡道，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或地下室頂板上，平面布置。由于車道的斜向布置使其具有極強的約束，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。
3.2回字形結構
有些工程由于使用的需要，設計成呈“回”字形的內(nèi)外兩個鋼筋混凝土簡體，兩簡體間采用梁板連接。當內(nèi)外兩個簡體間距較近時，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構，由內(nèi)外兩個簡體構成，中間為無頂板水池，四周為走道有頂板，混凝土強度等級為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，在角部呈45°角分布，中間呈垂直于簡體方向布置。
4.防止鋼筋混凝土強約束部位結構裂縫的技術處理措施
強約束是建筑工程產(chǎn)生裂縫的一個重要原因，對有強約束的建筑工程，應采取減小約束、加強結構剛度、施加預應力等技術措施來有效減少裂縫的產(chǎn)生。
4.1減小約束
減小約束從根本上緩解裂縫的產(chǎn)生。對超長結構和大底板塔樓結構可以采用后澆帶、伸縮縫，充分釋放混凝土的伸縮應力，給結構留有合理的伸縮空間。對處在基巖或老混凝土上的基礎或結構采用設置滑動層和鉸接點的方法。如對斜形車道，可將其另一端設在具有滑動層的自然基礎上。
4.2加強剛度
加強結構剛度，提高整體抗裂能力。在強約束區(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置暗梁；在豎向荷載變化很大的連接部位加密鋼筋；對加強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；加強混凝土配合比的設計等。
4.3施加預應力
施加預應力直接約束結構的變形，減小因約束而產(chǎn)生的內(nèi)力，從而防止結構開裂。預應力技術尤其適合于樓面結構，樓面結構的裂縫以橫向為主，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應力筋以施加預應力。
4.4施工措施
加強施工，做好混凝土的養(yǎng)護工作，盡可能提高混凝土的實際強度。嚴格掌握后澆帶的封堵時間，使混凝土有充分應力的時間等。
5.工程實例
5.1實例 1
南寧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。整個平面呈一個大的 “L”形，兩個長邊分別達到153.5m、133.6m。主樓采用框架剪力墻結構。廣場地下室采用框架結構，柱網(wǎng)間距8.2m。每幢主樓有兩個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，裂縫主要分布在強約束區(qū)與應力集中的大陰角處。
7幢主樓連接兩個電梯間、樓梯間的二層大梁均有裂縫產(chǎn)生。裂縫在梁側呈豎向分布，上端接近于板底，下端通到梁底，梁底下側個別也有連通。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，屋面板轉角均配置了上下層放射筋，因此頂層結構沒有發(fā)現(xiàn)裂縫。
5.2實例2
南寧某工業(yè)科技園綜合樓工程建筑面積56100m2。A樓地下1層，地上6層，結構長度（含懸挑結構）為300.5m?；A采用人工挖孔樁與鉆孔灌注樁，底板厚度為40cm。結構形式為全現(xiàn)澆框架結構，混凝土強度等級為C30。上部建筑采用通透式設計，外墻采用落地式大排窗。
5.2.1地下室裂縫控制
（1）減少約束。在29軸設置一條伸縮縫分成東西兩塊，每塊底板又設置了兩條后澆帶。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力。加強養(yǎng)護，加快土方回填。后澆帶的填充時間為結構混凝土澆搗后3個月，使結構的總降溫與收縮變形進行到一半以上，以有效釋放應力。
5.2.2上部裂縫控制
（1）加強剛度。板的配筋采用連續(xù)式配筋，上部結構樓面板厚為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，對轉角處樓板配置上下兩層放射筋。
（2）預加預應力?？v向框架梁采用無粘結預應力技術。按施工段劃分為6個區(qū)塊，每個區(qū)塊以后澆帶為界進行分段張拉，每段長度均在50m左右。后澆帶處梁增設騎縫筋連接，也采用預應力技術。
（3）施工控制。材料控制與施工控制類同于地下室結構施工。
5.2.3 施工效果。
通過采取了一系列技術處理措施后，該強約束結構部位情況良好，經(jīng)過近兩年多的使用，沒有發(fā)現(xiàn)結構裂縫和滲漏水現(xiàn)象。 [科]
【參考文獻】
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