某高層住宅剪力墻貫通裂縫成因與防治措施研究*

李 恒，劉曉春，屈曉明

(1.青島市建筑工程管理服務(wù)中心，山東 青島 266071； 2.中國海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266100；3.青建集團(tuán)股份公司，山東 青島 266071)

0 引言

目前，城市高層住宅工程大量采用鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，受設(shè)計(jì)、施工管理、原材料、環(huán)境等因素影響，剪力墻常出現(xiàn)貫通裂縫，從而對(duì)高層建筑整體性、耐久性及安全性產(chǎn)生較大影響?；诖?，本文對(duì)某混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)高層住宅工程剪力墻貫通裂縫成因進(jìn)行研究，并提出相應(yīng)的防治措施。

1 工程概況

青島市某新建住宅小區(qū)3號(hào)高層住宅樓共27層，總高度83m，層高2.9m，采用全混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，采用泵送混凝土，坍落度為(180±30)mm，1～3，4～6,7～9,10～12,13～27層墻柱及連梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)分別為C50，C45，C40，C35，C30。地上主體結(jié)構(gòu)驗(yàn)收時(shí)，在分戶墻上出現(xiàn)左右對(duì)稱的連續(xù)貫通豎向裂縫，分戶墻為鋼筋混凝土剪力墻，長8.4m，厚200mm，為滿足JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定，在該墻靠中部位置開設(shè)寬0.8m、高1.57m的洞口，形成小開口剪力墻。墻肢兩端設(shè)構(gòu)造邊緣構(gòu)件或約束邊緣構(gòu)件。墻體豎向及水平鋼筋均為φ8@200，洞口連梁高1.2m、寬200mm，梁頂及梁底縱筋均為3φ16，箍筋均為φ8@100,采用剪力墻水平分布筋作為腰筋，在連梁范圍內(nèi)拉通配置。

裂縫集中出現(xiàn)在連梁與墻肢交界處附近，為基本呈豎直狀態(tài)自梁底向上延伸至樓板底的豎向裂縫，在墻對(duì)面相同位置附近出現(xiàn)走勢相同的裂縫。裂縫寬0.3～0.37mm，裂縫長度不小于連梁高度。

2 常見裂縫類型及成因

混凝土結(jié)構(gòu)裂縫成因較復(fù)雜，可能是多種因素相互影響的結(jié)果，類型主要包括荷載裂縫、變形裂縫、施工裂縫。

2.1 荷載裂縫

荷載裂縫指混凝土結(jié)構(gòu)在常規(guī)靜、動(dòng)荷載及次應(yīng)力作用下因變形過大產(chǎn)生的裂縫，多為豎向或斜向裂縫，多出現(xiàn)在構(gòu)件受拉區(qū)域、受剪區(qū)域或振動(dòng)嚴(yán)重等部位。荷載裂縫出現(xiàn)的主要原因是結(jié)構(gòu)中各構(gòu)件受力分析不清晰、內(nèi)力和配筋計(jì)算失誤，導(dǎo)致主要受力構(gòu)件在荷載作用下因承載力不足而開裂。

2.2 變形裂縫

變形裂縫是由結(jié)構(gòu)變形受限時(shí)引起的內(nèi)應(yīng)力造成的，如溫差、收縮、強(qiáng)約束和不均勻沉降等因素引起的裂縫。

2.2.1溫度裂縫

溫度裂縫是由混凝土內(nèi)外溫差或季節(jié)氣溫變化過大形成的。在混凝土澆筑過程中，水泥水化反應(yīng)將放出大量熱量。由于混凝土內(nèi)部散熱慢而表面散熱快，形成內(nèi)外溫差。為協(xié)調(diào)溫度變形，混凝土表面將產(chǎn)生拉應(yīng)力，即溫度應(yīng)力。當(dāng)溫度應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度后，混凝土開裂。此類裂縫一般走向無一定規(guī)律，對(duì)于梁、板類長度較大的構(gòu)件，裂縫多平行于短邊；對(duì)于大面積構(gòu)件，裂縫?？v橫交錯(cuò)；貫通溫度裂縫一般與短邊方向平行或接近平行。

2.2.2收縮裂縫

收縮裂縫指由材料干濕變化收縮引起的裂縫，主要包括塑性收縮裂縫、干燥收縮裂縫、自身收縮裂縫和碳化收縮裂縫。塑性收縮裂縫一般較淺，中間寬、兩端細(xì)，長短不一，且互不連貫；干燥收縮裂縫一般產(chǎn)生在表面較淺的位置，多沿構(gòu)件短方向分布，呈平行線狀或網(wǎng)狀。

2.2.3強(qiáng)約束裂縫

約束是對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件活動(dòng)和變形的制約，分為內(nèi)部約束和外部約束。當(dāng)墻體混凝土收縮變形產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力時(shí)，如果外約束較強(qiáng)，產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力不能產(chǎn)生約束變形，則墻體混凝土開裂。墻體最大外約束應(yīng)力一般產(chǎn)生在外約束邊緣，即墻體與柱、梁等交界處。但實(shí)際裂縫并非在墻與約束體的交界處，而是距交界處0.3～0.5m。

2.2.4地基不均勻沉降裂縫

地基不均勻沉降裂縫指由于地基豎向不均勻沉降或水平方向發(fā)生位移，使結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生附加應(yīng)力，超出混凝土結(jié)構(gòu)抗拉能力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的裂縫。此類裂縫在墻上多表現(xiàn)為斜裂縫，一般很少會(huì)出現(xiàn)豎向裂縫或橫向裂縫。

2.3 施工裂縫

配制混凝土采用的材料質(zhì)量不合格，可能導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫?；炷潦┕み^程中工藝不合理、施工質(zhì)量差(如混凝土振搗不密實(shí)、澆筑過程中加水、模板剛度不足、拆模過早等)也易造成結(jié)構(gòu)開裂。

3 剪力墻結(jié)構(gòu)貫通裂縫成因分析

3.1 初步分析

本工程剪力墻連梁裂縫為連續(xù)貫通豎向裂縫，與混凝土收縮裂縫的特征不符，可排除該裂縫為混凝土收縮裂縫。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，本工程場地區(qū)域構(gòu)造背景穩(wěn)定，不良地質(zhì)作用不發(fā)育，場地穩(wěn)定性良好。共設(shè)4個(gè)沉降觀測點(diǎn)，各觀測點(diǎn)測得的沉降均較小，最大沉降為6.7mm，最小沉降為5.3mm，最大差異沉降僅1.4mm，且該連梁裂縫為豎向裂縫，非斜裂縫，故可排除地基不均勻沉降引起連梁開裂的可能。

通過現(xiàn)場調(diào)查，混凝土強(qiáng)度評(píng)定為合格，廠家提供的混凝土組成材料均為合格材料，混凝土振搗、拆模等均按施工方案執(zhí)行，且其他混凝土墻均未出現(xiàn)該類裂縫，可知施工質(zhì)量不是導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生的主要因素。

初步分析表明，該連梁混凝土裂縫可能是因結(jié)構(gòu)受力、溫差、強(qiáng)約束等產(chǎn)生的，需通過進(jìn)一步分析計(jì)算確定裂縫成因。

3.2 結(jié)構(gòu)受力分析

在小開口墻結(jié)構(gòu)中，剪力墻連梁破壞形態(tài)包括剪切破壞(脆性破壞)和彎曲破壞(延性破壞)。連梁發(fā)生剪切破壞時(shí)，產(chǎn)生十字交叉裂縫。連梁發(fā)生彎曲破壞時(shí)，梁端出現(xiàn)豎向裂縫，受拉區(qū)出現(xiàn)微裂縫，在梁端形成塑性鉸。

利用SAP2000有限元分析軟件對(duì)連梁進(jìn)行受力分析，屈服時(shí)主應(yīng)力跡線如圖1所示，主應(yīng)力分布如圖2所示。計(jì)算結(jié)果表明，連梁處于屈服狀態(tài)時(shí)，右上角部位和左下角部位受拉，其余部位均受壓，連梁受拉的2個(gè)對(duì)角部位形成1條斜向拉應(yīng)力較集中的區(qū)域，基本貫通整個(gè)連梁，斜向兩端應(yīng)力最大；連梁左上角部位和右下角部位表現(xiàn)為斜向受壓，并連接為受壓應(yīng)力區(qū)域，當(dāng)達(dá)到極限破壞狀態(tài)時(shí)，受拉區(qū)域已基本布滿整個(gè)連梁。

圖1 主應(yīng)力跡線

圖2 連梁主應(yīng)力分布

本工程裂縫出現(xiàn)在連梁與墻肢交界處附近，且呈垂直狀態(tài)向上延伸至樓板底。由于裂縫不在梁的受彎區(qū)及支座斜截面處，且主體結(jié)構(gòu)豎向荷載及水平荷載均未達(dá)到設(shè)計(jì)值，因此可排除本工程剪力墻貫通裂縫為結(jié)構(gòu)受力破壞產(chǎn)生的荷載裂縫。

3.3 溫度裂縫驗(yàn)算

對(duì)溫度應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明，強(qiáng)度等級(jí)為C40以上混凝土剪力墻溫度應(yīng)力未超過混凝土抗拉強(qiáng)度，但二者差距較小，可知溫度應(yīng)力是導(dǎo)致本工程剪力墻出現(xiàn)裂縫的主要原因。

3.4 強(qiáng)約束作用的影響

本工程在分戶墻中部開設(shè)洞口，造成洞口部位剛度產(chǎn)生突變，洞口處應(yīng)力較集中，同時(shí)墻肢兩端設(shè)有構(gòu)造邊緣構(gòu)件，對(duì)連梁和墻肢形成較大的外約束，墻體混凝土收縮變形易使內(nèi)部產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。同時(shí)由于混凝土溫度應(yīng)力的存在，進(jìn)一步加大了混凝土內(nèi)部的拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力大于混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生豎向裂縫。

綜上所述，可判定本工程混凝土開口墻連梁處豎向裂縫是溫度應(yīng)力或強(qiáng)約束與溫度應(yīng)力共同作用的結(jié)果，為非結(jié)構(gòu)性變形裂縫。

4 剪力墻結(jié)構(gòu)貫通裂縫處理

采用化學(xué)灌漿法對(duì)裂縫進(jìn)行修補(bǔ)處理，灌漿材料選用環(huán)氧樹脂灌漿料，裂縫處理流程如下。

1)清理裂縫 清除裂縫處的灰塵及污垢，然后使用甲苯、酒精等有機(jī)溶液將裂縫兩側(cè)寬20～30mm的表面擦洗干凈，并保持干燥。

2)埋設(shè)灌漿嘴 將灌漿嘴進(jìn)漿孔騎縫粘貼在預(yù)定位置上，間距≥50cm。

3)封縫 首先在裂縫兩側(cè)5cm范圍內(nèi)涂刷1層環(huán)氧樹脂基液，然后涂抹1層環(huán)氧樹脂膠泥。涂抹膠泥時(shí)，應(yīng)防止產(chǎn)生小孔和氣泡，刮平整，保證封閉可靠。

4)壓氣試漏 裂縫封閉后，為檢查裂縫密封效果和貫通情況，需進(jìn)行壓氣試漏。待封縫膠泥固化并養(yǎng)護(hù)一段時(shí)間具有一定強(qiáng)度后進(jìn)行試漏。對(duì)于漏氣處,應(yīng)及時(shí)修補(bǔ)，直至密封為止。

5)配漿 環(huán)氧樹脂∶鄰苯二甲酸二丁酯∶乙二胺∶丙酮=100∶22∶8∶(2～5)g，丙酮根據(jù)需要調(diào)節(jié)稀稠度，最大摻量為5%，如灌注順利，可不加。

6)灌漿 灌漿壓力逐漸增大，最大壓力≤0.4MPa。確認(rèn)灌滿后，封閉壓漿嘴出漿口，升壓至0.4MPa，保持壓力≥5min，待其自然干固。

7)封口 灌漿結(jié)束待縫內(nèi)漿液達(dá)初凝而不外流時(shí)，可拆下灌漿嘴，利用環(huán)氧樹脂膠泥將灌漿嘴處抹平封口。

經(jīng)上述措施處理后，實(shí)地觀察裂縫修補(bǔ)情況，裂縫修補(bǔ)效果較好。

5 剪力墻結(jié)構(gòu)裂縫防治

5.1 設(shè)計(jì)構(gòu)造

1)在洞口連梁端配置交叉斜向鋼筋

當(dāng)洞口連梁截面寬度≥250mm時(shí)，可采用交叉斜筋構(gòu)造；當(dāng)洞口連梁截面寬度≥400mm時(shí)，可采用集中對(duì)角斜筋配筋或?qū)前祿闻浣?。由于交叉斜筋與梁端洞口斜裂縫常處于接近正交的位置，因此斜筋可有效限制斜裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展，也可改善剪壓區(qū)受力狀態(tài)，從而提高連梁延性。

2)混凝土剪力墻設(shè)置

混凝土剪力墻裂縫的出現(xiàn)與墻體實(shí)際長度有一定關(guān)系，墻體越長，其受溫度、收縮變形的影響越大，出現(xiàn)裂縫的概率越大。本工程除分戶墻長度達(dá)8.4m外，其他剪力墻長度均≤4m，分戶墻上出現(xiàn)連續(xù)貫通裂縫，而其他剪力墻均未出現(xiàn)類似裂縫。因此，對(duì)于全剪力墻結(jié)構(gòu)工程，應(yīng)盡量避免將剪力墻布置成長墻。如需布置成長墻，可通過在墻上增開結(jié)構(gòu)小洞的方式將長墻變成短墻,須重新對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，確保結(jié)構(gòu)安全及正常使用功能，同時(shí)應(yīng)采取構(gòu)造措施，如在約束區(qū)提高配筋等，以減小溫度應(yīng)力及約束應(yīng)力的影響。另外，剪力墻上開洞后，應(yīng)保證洞口上方連梁跨高比滿足規(guī)范要求，盡量避免因跨高比太小形成深梁。

5.2 原材料

1)盡量使用非早強(qiáng)型水泥及低熱、中熱水泥

早強(qiáng)型水泥中鋁酸三鈣含量高，需水量大，水化熱釋放快，與高效減水劑相容性差。施工時(shí)應(yīng)盡量使用硅酸二鈣含量高、鋁酸三鈣含量<8%、在低水灰比條件下水化熱低、強(qiáng)度發(fā)展好的水泥。

2)嚴(yán)格控制原材料質(zhì)量及混凝土配合比

粗骨料應(yīng)盡量采用潔凈的硬質(zhì)巖石，控制風(fēng)化石含量，必要時(shí)進(jìn)行級(jí)配優(yōu)化。細(xì)骨料應(yīng)選用干凈的中粗砂。選用合適的外加劑改善混凝土和易性，達(dá)到減少拌合用水量和節(jié)約水泥的目的。另外，進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量采用高強(qiáng)度水泥，以減少水泥用量，以利于降低混凝土發(fā)熱量，從而減小混凝土溫度收縮。

5.3 施工措施

1)加強(qiáng)振搗管理

混凝土澆筑完成后，應(yīng)控制振搗質(zhì)量，避免泌水發(fā)生在水平鋼筋、粗骨料下部，從而使混凝土與鋼筋握裹力進(jìn)一步提高，達(dá)到預(yù)防混凝土墻體開裂的目的。

2)延遲拆模時(shí)間，加強(qiáng)混凝土養(yǎng)護(hù)

模板可阻止混凝土中的水分蒸發(fā)，可起良好的養(yǎng)護(hù)作用，尤其對(duì)于不易灑水的垂直類構(gòu)件，施工過程中盡量晚拆模板，混凝土墻面模板拆除后，應(yīng)全面覆蓋塑料薄膜或掛草簾等，定時(shí)灑水保濕，防止水分快速蒸發(fā)，同時(shí)應(yīng)注意養(yǎng)護(hù)用水溫度與混凝土表面溫度之差≤15℃。

6 結(jié)語

混凝土剪力墻在施工過程中易出現(xiàn)裂縫，溫度應(yīng)力是混凝土剪力墻出現(xiàn)裂縫的主要原因之一，因此，應(yīng)從洞口連梁端增加交叉斜向鋼筋、合理設(shè)置混凝土墻體實(shí)際長度、減小水平鋼筋間距、控制原材料質(zhì)量、加強(qiáng)施工管理等方面采取防開裂措施，以對(duì)混凝土剪力墻開裂進(jìn)行有效預(yù)防。