板柱-抗震墻結(jié)構(gòu)書庫樓板裂縫成因分析與抗震鑒定*

朱震宇

(上海市建筑科學(xué)研究院有限公司上海市工程結(jié)構(gòu)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200032)

0 引言

混凝土結(jié)構(gòu)因原材料具有非勻質(zhì)性、組成成分多樣、成型方式特殊等特點(diǎn)，不可避免地出現(xiàn)裂縫[1]。按裂縫成因，大致可分為荷載作用、變形作用、荷載與變形共同作用、堿骨料反應(yīng)、質(zhì)量力(慣性力)作用引起的裂縫[2]。實(shí)際工程中裂縫形態(tài)各異，成因錯(cuò)綜復(fù)雜，造成的后果不盡相同。

在板柱-抗震墻結(jié)構(gòu)中，樓板作為主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件，樓板裂縫不僅影響結(jié)構(gòu)使用性能與耐久性能，裂縫開展嚴(yán)重時(shí)還可能影響結(jié)構(gòu)安全性能。為此，以某9層板柱-抗震墻結(jié)構(gòu)書庫為依托，開展現(xiàn)場檢測與抗震鑒定，評估樓板裂縫對結(jié)構(gòu)安全性能的影響，并根據(jù)鑒定結(jié)果提出相應(yīng)加固措施。

1 工程概況

某板柱-抗震墻結(jié)構(gòu)書庫位于7度設(shè)防區(qū)，建于1988年，地上9層，首層層高4.00m，2層及以上各層層高2.80m，屋面標(biāo)高26.400m。平面總體呈T字形，東西向長50.45m，南北向長41.95m，總建筑面積約9 866m2，標(biāo)準(zhǔn)層平面布置如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)層平面布置

無梁樓蓋采用無柱帽形式，樓層周邊采用有梁框架。首層柱采用C35混凝土澆筑，其余柱、墻、梁、板均采用C30混凝土澆筑。梁柱主筋、無梁樓蓋鋼筋及抗震墻端部主筋分別采用φ25，φ28，φ32 Q345鋼筋，梁柱箍筋、抗震墻分布鋼筋及梁板區(qū)域板鋼筋均采用φ8@250 HPB235鋼筋，柱底700～1 000mm高度內(nèi)箍筋加密(間距100mm)。

無梁樓蓋樓板厚200mm，板面采用分離式配筋，柱上板帶配筋φ(16～20)@200，跨中板帶配筋φ(12～14)@200。板底鋼筋雙層雙向拉通，柱上板帶配筋φ14@200，跨中板帶配筋φ12@200。

柱上板帶在沿與柱頂正交方向設(shè)有附加配筋加強(qiáng)區(qū)，即柱上板帶加強(qiáng)區(qū)，構(gòu)造如圖2所示，加強(qiáng)區(qū)寬度與柱寬度相同。附加抗彎鋼筋為雙層雙向φ18 HPB235鋼筋，錨固長度1 600mm；附加箍筋采用φ10@100四肢箍，箍筋布置長度1 000mm。

圖2 柱上板帶加強(qiáng)區(qū)構(gòu)造

抗震墻厚200mm，水平及豎向分布鋼筋采用φ8@200，雙層布置，墻肢兩端設(shè)2～4根φ(20～25)主筋。

基礎(chǔ)為預(yù)制混凝土方樁，樁截面尺寸為240mm×240mm，上節(jié)樁長14m，下節(jié)樁長13.5m，混凝土強(qiáng)度等級為C35，樁頂相對標(biāo)高為-1.900m。

2 結(jié)構(gòu)檢測

2.1 建筑結(jié)構(gòu)布置檢測

依據(jù)竣工圖紙，對建筑結(jié)構(gòu)布置進(jìn)行現(xiàn)場檢測。結(jié)果表明，房屋結(jié)構(gòu)體系、建筑布局、軸網(wǎng)尺寸及層高與設(shè)計(jì)圖紙基本相符。

2.2 承重構(gòu)件截面尺寸與配筋檢測

依據(jù)竣工圖紙，現(xiàn)場對承重構(gòu)件截面尺寸與配筋進(jìn)行抽樣檢測。結(jié)果表明，房屋梁、柱截面尺寸與設(shè)計(jì)圖紙基本相符，混凝土梁及剪力墻鋼筋配置滿足設(shè)計(jì)要求，8層部分柱底箍筋未按設(shè)計(jì)要求加密，部分板面鋼筋規(guī)格不符合要求，多數(shù)板面保護(hù)層偏厚。

2.3 承重構(gòu)件混凝土強(qiáng)度檢測

采用混凝土回彈儀對主要承重構(gòu)件混凝土強(qiáng)度進(jìn)行抽樣檢測，并采用鉆芯法進(jìn)行修正。結(jié)果表明，混凝土表面平整、密實(shí)，無蜂窩、麻面等缺陷；混凝土芯樣質(zhì)地堅(jiān)硬，外觀無明顯缺陷；首層柱混凝土強(qiáng)度推定值為36.7MPa，2層及以上各層梁、柱混凝土強(qiáng)度推定值為32.3MPa，均符合設(shè)計(jì)要求。

2.4 房屋損傷調(diào)查

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，房屋損傷主要表現(xiàn)如下。

1)無梁樓蓋樓板局部開裂，裂縫主要類型為：①樓板外圍陽角切角裂縫 基本為貫通裂縫，普遍存在于各層樓板中。②板面裂縫 多圍繞在柱根附近，呈放射狀開裂或沿柱根平行于柱邊向外延伸；少數(shù)位于梁側(cè)邊緣，沿梁跨度方向開展，裂縫寬度一般≤0.3mm，根據(jù)抽樣檢測結(jié)果，裂縫深度超過鋼筋保護(hù)層厚度，但未貫通。樓板典型裂縫形態(tài)如圖3，4所示。

圖3 樓板典型裂縫形態(tài)

圖4 9層北側(cè)樓板裂縫分布情況

2)部分墻體開裂，主要表現(xiàn)為首層?xùn)|側(cè)圍護(hù)墻東傾斜裂縫和高樓層抗震墻角部斜裂縫。

3)各層飄窗懸挑板與墻水平接縫開裂。

4)室內(nèi)墻、屋面存在滲水、涂料脫落現(xiàn)象，外立面粉刷層存在龜裂、起鼓等老化損傷。

2.5 房屋變形測量

采用全站儀對房屋角點(diǎn)棱線傾斜率進(jìn)行測量，結(jié)果表明，房屋南北向整體略向南傾斜，傾斜率為0.032%～0.106%；房屋東西向傾斜無明顯一致性規(guī)律，傾斜率為0.011%～0.113%。

3 房屋抗震鑒定

3.1 結(jié)構(gòu)布置與抗震構(gòu)造措施

本工程采用板柱-抗震墻結(jié)構(gòu)，板柱體系有利于節(jié)約建筑空間，且平面布置靈活，但板柱節(jié)點(diǎn)較弱，不利于抗震，GB 50011—2010(2016年版)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]限定板柱結(jié)構(gòu)應(yīng)用范圍為板柱-抗震墻體系，對節(jié)點(diǎn)構(gòu)造提出較嚴(yán)格要求。此外，房屋樓板采用無柱帽平板，相對于有托板或柱帽的板柱節(jié)點(diǎn)，柱頂處平板抗沖切承載力較低。

本工程建造時(shí)施行的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范為TJ 11—78《工業(yè)與民用建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]，按該規(guī)范要求，本工程房屋所在地區(qū)抗震設(shè)防烈度為6度，即工業(yè)與民用建筑一般不設(shè)防。實(shí)際上，房屋建造時(shí)已采取了部分抗震措施，如房屋周邊采用有梁框架、設(shè)置抗震墻與柱上板帶加強(qiáng)區(qū)、柱底箍筋加密等，參照 JGJ 8(一)—76《升板建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工暫行規(guī)定》[5]和JGJ 8(二)—79 《升板建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工暫行規(guī)定的補(bǔ)充規(guī)定》[6]進(jìn)行了抗震設(shè)計(jì)。

GB 50023—2009《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》[7]中的多層及高層鋼筋混凝土房屋鑒定適用對象不包括板柱-抗震墻結(jié)構(gòu)，因此，僅對房屋框架梁柱及抗震墻抗震措施進(jìn)行鑒定。結(jié)果表明，本工程房屋抗震措施存在的主要問題為主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件(無梁樓蓋)局部開裂、部分填充墻開裂、承重柱箍筋構(gòu)造不滿足要求。

3.2 抗震驗(yàn)算參數(shù)與模型

考慮房屋實(shí)際結(jié)構(gòu)形式及使用荷載，依據(jù)《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》有關(guān)規(guī)定，采用PKPM軟件PMSAP模塊對房屋進(jìn)行抗震承載力驗(yàn)算，驗(yàn)算時(shí)考慮恒荷載、活荷載、風(fēng)荷載及地震組合作用，材料強(qiáng)度按原設(shè)計(jì)計(jì)算。

3.3 結(jié)構(gòu)變形

小震作用下，x，y向?qū)娱g位移角最大值分別為1/1 785，1/1 918，x，y向最大位移與平均層間位移之比分別為1.369，1.127，x，y向最大層間位移與平均層間位移之比分別為1.369，1.260。

3.4 墻柱承載力

1)1～3層柱頂、柱底箍筋配置不足，4層及以上各層柱頂箍筋配置不足。

2)抗震墻水平分布鋼筋配置不足。

3.5 無梁樓蓋樓板承載力

無梁樓蓋樓板面外彎矩應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖5所示，圖中正值表示板面受拉，負(fù)值表示板底受拉。由圖5可知，除柱上板帶加強(qiáng)區(qū)外，柱頂周邊存在較大應(yīng)力。根據(jù)朱炳寅[8]的研究成果，柱中線兩側(cè)750mm范圍內(nèi)板帶平均彎矩為其相鄰柱上板帶平均彎矩的2.6倍，因此，分別驗(yàn)算柱上板帶加強(qiáng)區(qū)、非加強(qiáng)區(qū)配筋。根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果，柱頂周邊柱上板帶加強(qiáng)區(qū)板面配筋滿足要求，而非加強(qiáng)區(qū)板面配筋普遍不滿足要求。

圖5 樓板面外彎矩計(jì)算結(jié)果(單位：kN·m)

4 裂縫成因分析

無梁樓蓋樓板外圍陽角切角裂縫成因如下：①受樓板四周抗震墻及邊梁較強(qiáng)的約束作用，混凝土在溫度及材料收縮效應(yīng)下發(fā)生的變形受到約束，在角部等應(yīng)力集中部位出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，超過混凝土抗拉強(qiáng)度，引起樓板開裂；②樓面荷載較大，且板面保護(hù)層較厚，對于板面四角開裂具有一定影響。

無梁樓蓋樓板板面裂縫成因如下：①原柱上板帶僅在柱頂正交方向、與柱等寬范圍內(nèi)布置附加加強(qiáng)鋼筋，但除柱上板帶加強(qiáng)區(qū)外，柱頂周邊存在較大應(yīng)力，而柱頂周邊柱上板帶非加強(qiáng)區(qū)樓板實(shí)際配筋不足，抗彎承載力無法抵抗平面外彎矩，導(dǎo)致板面混凝土開裂；②樓面使用荷載較大且長期作用，受混凝土徐變、鋼筋應(yīng)力松弛的影響，樓板抗彎剛度隨時(shí)間的增加不斷降低，撓度進(jìn)一步增大，裂縫進(jìn)一步開展。

5 安全性能與抗震性能綜合評估

本工程主要結(jié)構(gòu)損傷為柱周邊無梁樓蓋樓板板面開裂，根據(jù)現(xiàn)場檢測及承載力驗(yàn)算結(jié)果進(jìn)行綜合分析，可知此類裂縫為由構(gòu)造缺陷、荷載作用、施工缺陷等因素引起的受力裂縫。隨著樓板荷載的繼續(xù)作用，裂縫進(jìn)一步開展，降低樓板耐久性能，加速鋼筋銹蝕、混凝土碳化等，影響樓板正常使用。由于房屋建成時(shí)間較早，各類構(gòu)造措施相對現(xiàn)行規(guī)范不夠完善，柱上板帶及板柱節(jié)點(diǎn)較薄弱，隨著板面裂縫的開展，節(jié)點(diǎn)抗沖切承載力進(jìn)一步降低，存在較大安全隱患。

綜上所述，板面裂縫對房屋結(jié)構(gòu)正常使用和安全性能具有較大影響。房屋抗震性能達(dá)不到《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的7度抗震設(shè)防、A類建筑要求，應(yīng)采取可靠的抗震加固措施，以提高房屋整體抗震性能。

6 加固措施

1)對樓板現(xiàn)有裂縫采取可靠措施進(jìn)行封閉處理，根據(jù)各類裂縫不同成因分別采取不同的加固措施，如樓板四角切角裂縫可采用粘貼碳纖維布進(jìn)行加固。

2)考慮房屋仍在使用中，且書架對樓層凈高有一定要求等，可采用增設(shè)鋼結(jié)構(gòu)柱帽的方式對板柱節(jié)點(diǎn)抗彎、抗沖切承載力進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，同時(shí)利用鋼結(jié)構(gòu)柱帽環(huán)箍柱頂?shù)谋憷麠l件，同步對柱頂箍筋進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，提高板柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域及柱頂抗震性能。

3)對抗震墻采取必要的加固措施，可采用局部增加墻厚、增設(shè)抗震墻等方法。

4)對于其他抗震承載力存在缺陷(如框架梁縱筋、箍筋及柱箍筋配置不足等)的構(gòu)件，可采用粘貼碳纖維布、鋼板等方法進(jìn)行加固、補(bǔ)強(qiáng)。

7 結(jié)語

1)本工程采用板柱-抗震墻結(jié)構(gòu)，樓板為無柱帽平板，板柱節(jié)點(diǎn)剛度相對較弱，不利于抗震。房屋存在一定扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震承載力存在缺陷，總體上達(dá)不到《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的A類建筑要求，需進(jìn)行抗震加固。

2)經(jīng)現(xiàn)場檢測與抗震鑒定，無梁樓蓋樓板裂縫主要為外圍陽角切角裂縫及板面裂縫，其中板面裂縫多呈放射狀圍繞在柱周邊或平行于柱邊向外延伸，由構(gòu)造缺陷、荷載作用、施工缺陷等因素引起，對樓板使用性能、安全性能等具有較大影響。

3)對樓板現(xiàn)有裂縫采取可靠措施進(jìn)行封閉處理，根據(jù)各類裂縫不同成因分別采取不同的加固措施，如樓板四角切角裂縫可采用粘貼碳纖維布進(jìn)行加固，采用增設(shè)鋼結(jié)構(gòu)柱帽的方式在對板柱節(jié)點(diǎn)抗彎、抗沖切承載力進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)的同時(shí)對柱頂箍筋進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，提高板柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域及柱頂抗震性能。