某超长地下室顶板无梁楼盖裂缝成因分析及预防措施探究

甄颂 宋平

0 引言

随着我国城镇化进程加快推进，城市人口数量急速增长，随之带来了交通拥堵和停车难等诸多问题。为了解决上述问题，人们将目光投向了地下空间的开发，而地下室往往属于超长混凝土结构（即超过温度伸缩缝间距），由于防水要求不设置伸缩缝，因此带来了混凝土裂缝控制这一难题。地下室顶板一旦出现较宽的裂缝，就容易被外界有害介质侵入混凝土内部，从而锈蚀钢筋，降低结构的耐久性，影响建筑物的使用功能和使用寿命。对于出现渗漏的地下室顶板，由于维修难度大、成本高，将会带来巨大的经济损失和工期延误，严重的会影响结构安全，所以采取有效措施来预防此类裂缝的形成显得尤为重要。而无梁楼盖结构相对框架结构，不但有效增加了室内的净空间，还节省了梁两侧模板的支设费用，加快了施工速度，因而大量建设项目选择无梁楼盖作为地下室顶板，可见开展地下室顶板无梁楼盖裂缝成因研究分析并找出预防措施具有重要的意义。

1 工程概况

某工程由11 栋高层住宅和1 层地下室组成，地下室局部设置人防区域，地下室顶板采用无梁楼盖结构。地下室平面尺寸约为347m×108m，长宽比约为3.2，地下室建筑面积约34 691m，±0.000 相当于85 高程6.050m，抗浮水位相当于85 高程4.400m，地下室层高为3.5m，设计地下室顶板覆土厚度为1.5m。地下室顶板覆土荷载及临时荷载恒载不得大于27kN/ m，活载不得大于5kN/m，消防车荷载20kN/m（标准值）。无梁楼盖范围内相邻两跨覆土高度相差不得大于0.5m。地下室顶板、墙、柱、底板和基础混凝土等级皆为C35，抗渗等级为P6。基本柱网尺寸分别为5.5m×5.35m、6.5m×5.8m、8m×5.8m，地下室顶板厚度250mm、320mm，柱帽平面尺寸2.8m×2.6m，柱帽高度600、1 080mm。

2021 年11 月监理单位通过检查发现地下室顶板多处开裂并伴随渗漏现象，此时地下室顶板尚未覆土，随后用精确测量等技术手段绘制地下室顶板裂缝分布示意图，见图1。裂缝的主要特征表现为:

图1 地下室顶板结构平面图及裂缝分布示意图

（1）通过现场观察统计，高层住宅主楼和地下室外墙裂缝较少，地下室顶板裂缝较多。

（2）根据裂缝分布示意图显示，地下室顶板裂缝在整个平面基本都有分布，且无明显的总体走向趋势。地下室顶板西部和中部区域裂缝相对集中，见图2、图3，在高层住宅主楼与地下室交界处也分布着一些裂缝，大多数裂缝已经贯穿地下室顶板，典型裂缝见图4～图7。

图2 西部顶板裂缝示意图（局部）

图3 中部顶板裂缝示意图（局部）

图4 典型裂缝1

图5 典型裂缝2

图6 典型裂缝3

图7 典型裂缝4

（3）从裂缝的形态上看，主要有以下4 种：

①斜向裂缝，在剪力墙或柱帽旁有一条或多条呈45°左右斜向分布的裂缝。

②平行于剪力墙或柱帽分布的裂缝。

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③预留洞口处裂缝。

④其他无规则裂缝。

2 地下室无梁楼盖裂缝成因分析

地下室无梁楼盖裂缝的成因复杂，其发展机理难以分析，国内著名裂缝分析专家王铁梦曾指出：混凝土裂缝问题是设计、施工、材料、环境及管理等综合性问题。混凝土构件要产生可见裂缝，还须有一定的外界条件。引起裂缝的外部条件可以分为两类：荷载作用（直接作用）和非荷载作用（间接作用）。通过查阅各项原始资料，并结合裂缝形状和发生部位等特征，对裂缝产生的成因分析如下。

2.1 设计原因

（1）未按规范要求设置伸缩缝。根据《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）规定，为避免混凝土产生温度、收缩裂缝规定钢筋混凝土结构伸缩缝的最大间距，对于现浇挡土墙、地下室墙壁等类结构，室内或土中为30m，露天为20m。而地下室由于受到功能以及防水等限制，往往不设置伸缩缝，其不设缝长度已经超过规范规定的最大间距。

（2）后浇带将地下室顶板共分成18 个区块，自西向东沿纵向将地下室顶板无梁楼盖划分成7 个区块，其长度分别 为48.05m、46.10m、57.60m、52.40m、56.35m、40.85m、39.70m。由于施工分块长度过大，长时间处于露天状态的地下室顶板在温度应力和混凝土自身收缩共同作用下产生裂缝。

2.2 材料原因

（1）施工时选用泵送商品混凝土，骨料粒径小，坍落度偏大，粉煤灰掺合料量较多，致使混凝土在凝结硬化过程中产生较大的收缩。

（2）地下室顶板混凝土分别由两家商品混凝土公司提供，混凝土配合比不尽相同，外加剂种类和掺量也有差异，尤其是在地下室顶板的后浇带浇筑完成后，其混凝土抗收缩及变形能力的不同对裂缝发展有着不利的影响。

2.3 荷载作用

（1）无梁楼盖荷载传递方式与框架结构不同，受力负荷也是导致开裂的重要原因之一。无梁楼盖与柱之间仅由节点相连结，连续性较差，不利于承受水平荷载。另一方面由于剪力和负弯矩过于集中，在柱的四周容易发生冲切破坏和弯曲破坏。

（3）在混凝土还未增长到足够强度时，就在地下室顶板上堆放大量钢筋、模板等建筑材料，而重型施工机械如混凝土搅拌运输车辆在施工临时通道上行驶也会加剧裂缝的发展。

（4）施工电梯区域由于装卸运输材料设备所产生的冲击振动荷载是导致混凝土开裂的重要原因。

2.4 约束和应力集中作用

一些裂缝成因与约束和应力集中作用有关。由于高层住宅主楼抗侧刚度大，对地下室顶板混凝土收缩产生侧向约束，极大程度上限制了其自由变形，使得在构件内部产生拉应力，当拉应力大于混凝土抗拉强度时就会在地下室顶板内部形成裂缝。另外在人防墙中留置的人防门会导致截面突变，往往会在地下室顶板生成平行于人防墙的裂缝。而地下室顶板上的预留洞口和施工临时通道转角处受到应力集中作用也会导致该区域混凝土开裂。

2.5 气候影响

因为地下室顶板作为施工场地常常不能及时覆土，导致地下室顶板长时间暴露在外部环境中。尤其在高温季节，地下室顶板上表面与下表面的温差较大，上表面混凝土中的水分在太阳照射和风的作用下很快蒸发，使得混凝土体积变化相对较大，而下表面混凝土由于模板阻隔，水分蒸发速度较慢，混凝土体积变化相对较小。由于混凝土上下表面体积变化的不同，从而在混凝土内部产生拉应力，而混凝土早期抗拉强度较低，容易形成裂缝。

2.6 施工因素

（1）夏季施工时塌落度损失较大，再加上现场施工管理不规范，施工人员为图施工便利往已拌好的混凝土中加水现象时有发生，严重影响混凝土拌合物的质量，降低混凝土抗裂能力。

（2）地下室顶板混凝土浇筑完毕后未及时进行养护，致使早期失水多，引起混凝土开裂。

（3）过早封闭后浇带是产生裂缝的一个重要原因。由于温度作用效应导致地下室顶板混凝土尚有部分变形量未被充分释放。

（4）未按照规范及设计要求在受力较小处设置施工缝，施工时处理不妥，容易出现新旧混凝土粘接不良而形成裂缝，见图8。

图8 地下室顶板施工缝处理不当形成裂缝

3 预防措施

3.1 设计方面的预防措施

（1）在合理的位置设置后浇带，后浇带是施工期间设置的临时性变形缝，其最大间距宜为30～40m。由于混凝土早期收缩量较大，后浇带将地下室顶板结构分割成相对较小的区块，可有效地释放早期混凝土收缩应力和减小以收缩为主的变形。后浇带浇筑后通过补偿收缩混凝土硬化过程中产生的膨胀作用，在结构中产生一定的预压应力用于抵消剩余的部分混凝土收缩应力，防止混凝土构件产生裂缝。对于伸缩后浇带，在两侧混凝土龄期达到60d 并经设计同意后封闭。由于考虑温度效应，后浇带封闭的环境温度应选择在15～18℃。对于沉降后浇带，应在高层住宅主楼结构封顶后，根据实测沉降资料确定封闭时间，一般在主体结构结顶14d 后进行。后浇带施工前，后浇带部位应采取措施防止落入杂物和损伤止水带。后浇带应采用强度等级高一级的补偿收缩混凝土浇灌。

（2）在结构设计阶段可以采用有限元软件模拟温度变化下的地下室顶板应力分布情况，并根据计算结果在拉应力较大的区域设置后浇带。

（3）在结构突变处或预留洞口处设置构造钢筋。对预计收缩应力比较大的构件或部位适当加强钢筋，以提高混凝土的抗变形能力，从而降低产生裂缝的可能性。

3.2 材料控制方面的预防措施

在地下室顶板施工阶段，应当采用低水化热水泥，掺入粉煤灰、磨细矿渣粉等掺和料，选用合理的配合比、选择良好的粗骨料、选用级配优良的砂、石原料，含泥量应符合规范要求，使水灰比和砂率达到最佳，严格控制混凝土中的水泥用量，掺入适当的减水剂、缓凝剂和膨胀剂等外加剂，以混凝土的膨胀量抵消混凝土的部分收缩量，从而有效控制地下室顶板混凝土的开裂。

3.3 施工方面的预防措施

（1）施工缝应按照规范及设计要求的位置和方式留置，并应按照施工方案实施。在浇筑混凝土前，应将其表面浮浆清除并凿到密实混凝土为止，浇水湿润后铺设水泥砂浆或涂刷混凝土界面剂，再及时浇筑混凝土，并振捣密实，确保新旧混凝土良好结合。

（2）在高温季节，应采取能有效降低原材料温度和减少混凝土运输时吸收外界热量等措施。地下室顶板混凝土里表温差（不含混凝土收缩的当量温度）不宜大于25℃，其表面与大气温差不宜大于20℃。无梁楼盖混凝土应与柱帽同时进行浇筑。在混凝土浇筑前，必须检查模板内的积水、木屑及其他垃圾等是否已经及时清理干净，以防止出现夹渣等质量问题。在混凝土浇筑过程中，严禁现场加水，振捣必须均匀、适度，避免过振或漏振，倡导采用二次振捣和二次抹面技术。对浇筑混凝土使用设备及时进行维修保养，避免出现故障导致施工中断。

（3）混凝土浇筑完成后应及时覆盖薄膜，可有效隔绝混凝土和外部环境的接触，进而避免因混凝土内外温差过大引起的温度裂缝。在冬季施工时也要做好保温措施，以减少因结构热胀冷缩而引起的温度应力。可以根据工程实际适当延长养护时间和进行温度监测同样有利于减少混凝土裂缝的产生。

（4）为减少出现温度收缩裂缝，应及时回填覆土，尽可能缩短地下室顶板暴露时间。

（5）加强施工现场大型车辆和物料堆放管理，确保施工荷载满足设计值要求。

4 结束语

超长地下室顶板无梁楼盖裂缝问题，一直是设计面临的一个难题，长期以来一直困扰着工程人员。要克服这一难题，我们应采取科学的态度进行认真分析和研究、区别对待。仅仅采用设置施工后浇带的方法不能从根本上防止超长地下室顶板无梁楼盖开裂，所以裂缝控制不能仅考虑某单一环节，应从多方面采取措施进行综合控制。在设计过程中，我们就应该采取合理的、行之有效的措施预防裂缝发生。在施工过程中，采取加强混凝土原材料控制，制定严格的施工组织方案和适当推迟后浇带的浇筑时间并加强混凝土养护。只有在设计及施工阶段采取各种有效的措施，才能有效地预防裂缝的产生。