某高层钢筋混凝土框架结构酒店楼面板裂缝成因分析

  安亚琳1，郑七振1，吴玉峰2

 （1．上海理工大学土木工程系，上海200093；2．中冶建筑研究总院有限公司华东分院，上海200940）

[摘要]现浇混凝土裂缝是目前我国许多建筑工程中存在的质量通病。楼板裂缝问题不但影响到建筑物的使用功能，而且很大程度上降低了建筑物的耐久性。基于某高层钢筋混凝土框架结构酒店楼面板裂缝实例，通过现场检查、检测以及有限元分析等手段，对楼面板产生裂缝的原因进行分析研究，并有针对性地提出了相关加固措施。

  [关键词]高层建筑；钢筋混凝土；框架结构；楼面板；裂缝；加固

  [中图分类号]  TU746.3 [文章编号]1002-8498(2016)04-0124-03

1工程概况

 沈阳市某钢筋混凝土框架结构原为科研楼，设计建造于1998年，后于2006年改建为酒店。现因房屋已使用多年，结构出现的局部损伤已对其本身的安全及正常使用产生了不利影响。应甲方要求，对该房屋进行了安全检测。该结构地上12层，地下1层，结构设计使用年限50年，安全等级为二级，抗震设防烈度为7度（设计基本加速度0. 10g），场地类别为II类，建筑抗震设防类别为丙类，抗震等级为三级。柱、墙混凝土强度等级：地下1~3层为C50;4～9层为C40；10层及以上为C30。梁板混凝土强度等级：地下1层为C30，其余为C25，楼板厚度均为120mm。酒店4层建筑平面如图1所示。

2现场检查

2.1裂缝外观特性

 首先对该建筑主楼和副楼楼面板进行检查，发现各层楼面板均存在多处裂缝。裂缝位置绝大多数处在板四周阳角处，裂缝一般呈45。斜向；少数裂缝沿板跨间及板负筋边缘，裂缝垂直于板跨方向，部分呈不规则状分布。缝宽度为0. 02~0.3mm。所测裂缝长度多为1~3. 2m，如图2所示。

2.2  裂缝成因初步判断

 根据现场检查结果，初步将楼面板产生的大量裂缝分为以下4类：①温度裂缝  沈阳位于我国北部，一年四季温差变化较大。混凝土具有热胀冷缩的性质，当外部温度发生变化时，混凝土将发生变形，若变形遭到约束，则在结构内部产生应力，当应力超过混凝土抗拉强度时将产生温度裂缝。且随着四季的更替，裂缝将进一步发展。②收缩裂缝  混凝土在空气中凝固和硬化过程中，将不可避免地发生收缩变形，包括凝缩、干缩和碳化收缩等。收缩变形会促生表面裂缝。这在施工完成的初期最为明显，随着时间的增加，由此造成的裂缝将进一步缓慢发展。③结构裂缝  在  浇筑楼板过程中，墙体的刚度相对增加，楼板的刚 度相对减小，所以在结构的薄弱部位易出现结构性裂缝。房屋的四周阳角由于受到纵、横2个方 向剪力墙或刚度相对较大的楼面梁约束，限制了楼面板混凝土的自由变形，使得楼板挠度变形加大，当楼板变形大于配筋后混凝土的极限拉应变时，楼板内便会产生裂缝，进一步促进了裂缝的发展。④构造裂缝  电器和电信技术的快速发展，使得更多的PVC管线暗藏在楼板内，而PVC管线相互交错的地方使楼板的抗弯性能很大程度下降，裂缝更加容易出现。

3现场检测

 采用回弹法对该建筑的主楼、副楼混凝土楼面板强度进行抽样检查，按单个构件评定混凝土抗压强度：地下1层楼板修正后混凝土强度可以满足原设计强度等级C30的要求；1层至屋顶楼面板修正评定混凝土强度等级为C25，与原设计强度一致。

 按照局部破损方法，对主楼和副楼楼板配筋的钢筋直径进行抽样检测，采用探测仪对钢筋间距进行测量，实测结果与原设计要求基本一致。

 采取楼板穿管洞或钻孔，对主楼和副楼的楼板厚度进行抽样检测，实测混凝土板厚度与原设计要求基本一致。

 楼面板混凝土强度、钢筋直径、钢筋间距及楼板厚度的实测值和原设计值如表1所示。

4  裂缝成因分析

 根据现场检测结果：楼板的混凝土强度和混凝土板厚度、配筋直径和间距与原设计基本相符。但根据原设计图纸的配筋进行计算，楼板的配筋率为0.17%，小于《混凝土结构设计规范》GB50010-2010的配筋要求。

 根据现场检查、计算及对楼板裂缝成因的初步分析：温差、配筋率及楼板自身的挠曲变形对楼面板裂缝的产生具有一定的作用。为讨论温差、配筋率和挠度作用对楼面板裂缝的影响，采用弹性力学模型对楼层典型楼面板分别在上述3种因素影响下的应力分布进行分析，讨论裂缝产生的机理。

 ANSYS有限元建模时：按照混凝土楼面板特性及周边实际的边界条件，取单块板进行分析。取4层某客房的楼面板进行仿真，采用整体式建模的方法进行分析：板的几何尺寸为10. 8m×7.2m×0. 12m，配筋率为0.17%；板面的荷载分布为：活荷载2. 0kN/m2，恒荷载4. 2kN/m2。混凝土采用solid65单元模拟，利用参数将钢筋分布情况等价出来；为使计算顺利收敛，在支座处增加刚性垫片，刚性垫片采用solid45单元模拟；破坏判断采用Mises准则；对单块板的周边约束按照实际条件，采取控制垫板的位移来进行模拟。

 为分析温差、配筋率和楼板挠曲变形对楼板裂缝产生的影响，仿真分析时考虑的工况组合有以下4种：①工况1：配筋率；②工况2：配筋率+温差；③工况3：配筋率+楼板挠曲变形；④工况4：配筋率+温差+楼板挠曲变形。其中，温差、配筋率和楼板挠曲变形的取值如下：根据沈阳四季温差，确定分析温差为60℃；配筋率采用原设计配筋率0.17%；楼板自身的挠曲变形取实测值- 2mm。

 将上述4种工况下的最大主应力、裂缝形态和分布情况总结如下：①工况1  最大主应力为15. 317 M Pa，楼板支座处出现裂缝，贯通楼板1/3；②工况2最大主应力为16. 97MPa，楼板支座处出现裂缝，沿45 0斜向发展，贯通楼板1/3；③最大主应力为22. 151MPa，楼板支座处出现裂缝，沿45 0方向发展充分，贯通楼板近1/3；④最大主应力为25. 788MPa，楼板支座处出现裂缝，沿45。方向发展充分，贯通楼板1/2。

 仿真的结果与实际情况吻合（楼板四角的裂缝），也证明了该楼板处出现裂缝的原因主要是由上述3种因素导致的。

 1)通过计算分析：①最大主拉应力  工况2比工况1增大1. 653MPa，工况3比工况1增大6. 834MPa；②楼板裂缝工况2比工况1时裂缝发展充分，工况3比工况1时裂缝发展充分且有贯通趋势。综上，楼板挠曲变形相对温差对楼板裂缝产生的影响更大。

 2)假设楼面板开裂首先由温差造成。此工程施工和改建施工时，均存在较大的季节温差。当外界气温发生变化时，支座在外界气温的影响下，经历热胀和冷缩的反复作用，它们的温差合力对楼板四角处将产生较大的主拉应力。通过计算发现，楼板四角处的应力最大，且为拉应力。当板内拉应力超过混凝土抗拉强度时即产生温度裂缝。

 3)结合原设计图，楼板配筋率和构造配筋均小于规范规定，造成房屋的四角受到配筋不足的影响，出现了支座处刚度过大的约束影响，造成楼板自由变形，当楼板变形大于配筋后混凝土的极限拉伸应变时，楼板内就会产生裂缝。当楼板中部产生挠曲变形时，板四角受到的拉应力变大近1.5倍。

 4)当温差存在且楼板挠曲变形产生时，楼板整体受到的应力较大，此时楼板更易产生裂缝。

 5)裂缝的位置取决于两个因素，一是约束，二是抗拉能力。对楼板，约束最大的位置在4个转角处，因为转角处墙的刚度最大，它对楼板形成的约束也最大，同时沿外墙转角处因受外界气温影响，楼板处的收缩变形最大；板内的配筋基本都按平行于板的两条相邻边而设置，即转角处夹角平分线方向的抗拉能力最薄弱。所以大多数板裂缝都出现在沿外墙转角处，而且呈450斜向放射状。模拟的4种工况下，楼板的裂缝均在板四角处发展最为充分。

5结语

 该工程楼面板产生的裂缝是由环境温度效应引起的温度裂缝、楼板配筋不足及楼板挠曲变形形成的受力裂缝等综合结果。裂缝的不断发展除了影响结构的适用性、耐久性外，任由其发展将对主体结构的安全造成影响。

 1)针对温度变化引起的微小裂缝，如悬挑板处的裂缝，将裂缝彻底清洗并干燥后，采用环氧修复砂浆进行修复处理或用表面涂刷封闭处理。

 2)对计算配筋不足的楼板采用碳纤维进行加固处理，且楼板裂缝面积较大处可采取楼板静载试验，必要时在楼板上增做一层钢筋网片。

 3)对楼板裂缝较大处可沿裂缝凿八字形凹槽，彻底冲洗后，采用1：2水泥砂浆抹平或用环氧胶泥嵌补。

 4)通长、贯通的危险结构裂缝且裂缝宽度超过0. 3mm，可用结构胶粘扁钢加固处理，用灌缝胶对板缝进行高压灌胶处理。