某高层住宅剪力墙贯通裂缝成因与防治措施研究*

2022-08-28刘晓春屈晓明

施工技术(中英文) 2022年15期

李恒，刘晓春，屈晓明

(1.青岛市建筑工程管理服务中心，山东青岛 266071； 2.中国海洋大学工程学院，山东青岛 266100；3.青建集团股份公司，山东青岛 266071)

0 引言

目前，城市高层住宅工程大量采用钢筋混凝土剪力墙结构，受设计、施工管理、原材料、环境等因素影响，剪力墙常出现贯通裂缝，从而对高层建筑整体性、耐久性及安全性产生较大影响。基于此，本文对某混凝土剪力墙结构高层住宅工程剪力墙贯通裂缝成因进行研究，并提出相应的防治措施。

1 工程概况

青岛市某新建住宅小区3号高层住宅楼共27层，总高度83m，层高2.9m，采用全混凝土剪力墙结构，采用泵送混凝土，坍落度为(180±30)mm，1～3，4～6,7～9,10～12,13～27层墙柱及连梁混凝土强度等级分别为C50，C45，C40，C35，C30。地上主体结构验收时，在分户墙上出现左右对称的连续贯通竖向裂缝，分户墙为钢筋混凝土剪力墙，长8.4m，厚200mm，为满足JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》的相关规定，在该墙靠中部位置开设宽0.8m、高1.57m的洞口，形成小开口剪力墙。墙肢两端设构造边缘构件或约束边缘构件。墙体竖向及水平钢筋均为φ8@200，洞口连梁高1.2m、宽200mm，梁顶及梁底纵筋均为3φ16，箍筋均为φ8@100,采用剪力墙水平分布筋作为腰筋，在连梁范围内拉通配置。

裂缝集中出现在连梁与墙肢交界处附近，为基本呈竖直状态自梁底向上延伸至楼板底的竖向裂缝，在墙对面相同位置附近出现走势相同的裂缝。裂缝宽0.3～0.37mm，裂缝长度不小于连梁高度。

2 常见裂缝类型及成因

混凝土结构裂缝成因较复杂，可能是多种因素相互影响的结果，类型主要包括荷载裂缝、变形裂缝、施工裂缝。

2.1 荷载裂缝

荷载裂缝指混凝土结构在常规静、动荷载及次应力作用下因变形过大产生的裂缝，多为竖向或斜向裂缝，多出现在构件受拉区域、受剪区域或振动严重等部位。荷载裂缝出现的主要原因是结构中各构件受力分析不清晰、内力和配筋计算失误，导致主要受力构件在荷载作用下因承载力不足而开裂。

2.2 变形裂缝

变形裂缝是由结构变形受限时引起的内应力造成的，如温差、收缩、强约束和不均匀沉降等因素引起的裂缝。

2.2.1温度裂缝

温度裂缝是由混凝土内外温差或季节气温变化过大形成的。在混凝土浇筑过程中，水泥水化反应将放出大量热量。由于混凝土内部散热慢而表面散热快，形成内外温差。为协调温度变形，混凝土表面将产生拉应力，即温度应力。当温度应力超过混凝土抗拉强度后，混凝土开裂。此类裂缝一般走向无一定规律，对于梁、板类长度较大的构件，裂缝多平行于短边；对于大面积构件，裂缝常纵横交错；贯通温度裂缝一般与短边方向平行或接近平行。

2.2.2收缩裂缝

收缩裂缝指由材料干湿变化收缩引起的裂缝，主要包括塑性收缩裂缝、干燥收缩裂缝、自身收缩裂缝和碳化收缩裂缝。塑性收缩裂缝一般较浅，中间宽、两端细，长短不一，且互不连贯；干燥收缩裂缝一般产生在表面较浅的位置，多沿构件短方向分布，呈平行线状或网状。

2.2.3强约束裂缝

约束是对结构构件活动和变形的制约，分为内部约束和外部约束。当墙体混凝土收缩变形产生内应力时，如果外约束较强，产生的内应力不能产生约束变形，则墙体混凝土开裂。墙体最大外约束应力一般产生在外约束边缘，即墙体与柱、梁等交界处。但实际裂缝并非在墙与约束体的交界处，而是距交界处0.3～0.5m。

2.2.4地基不均匀沉降裂缝

地基不均匀沉降裂缝指由于地基竖向不均匀沉降或水平方向发生位移，使结构中产生附加应力，超出混凝土结构抗拉能力，导致结构产生的裂缝。此类裂缝在墙上多表现为斜裂缝，一般很少会出现竖向裂缝或横向裂缝。

2.3 施工裂缝

配制混凝土采用的材料质量不合格，可能导致混凝土结构出现裂缝。混凝土施工过程中工艺不合理、施工质量差(如混凝土振捣不密实、浇筑过程中加水、模板刚度不足、拆模过早等)也易造成结构开裂。

3 剪力墙结构贯通裂缝成因分析

3.1 初步分析

本工程剪力墙连梁裂缝为连续贯通竖向裂缝，与混凝土收缩裂缝的特征不符，可排除该裂缝为混凝土收缩裂缝。根据地质勘察报告，本工程场地区域构造背景稳定，不良地质作用不发育，场地稳定性良好。共设4个沉降观测点，各观测点测得的沉降均较小，最大沉降为6.7mm，最小沉降为5.3mm，最大差异沉降仅1.4mm，且该连梁裂缝为竖向裂缝，非斜裂缝，故可排除地基不均匀沉降引起连梁开裂的可能。

通过现场调查，混凝土强度评定为合格，厂家提供的混凝土组成材料均为合格材料，混凝土振捣、拆模等均按施工方案执行，且其他混凝土墙均未出现该类裂缝，可知施工质量不是导致裂缝产生的主要因素。

初步分析表明，该连梁混凝土裂缝可能是因结构受力、温差、强约束等产生的，需通过进一步分析计算确定裂缝成因。

3.2 结构受力分析

在小开口墙结构中，剪力墙连梁破坏形态包括剪切破坏(脆性破坏)和弯曲破坏(延性破坏)。连梁发生剪切破坏时，产生十字交叉裂缝。连梁发生弯曲破坏时，梁端出现竖向裂缝，受拉区出现微裂缝，在梁端形成塑性铰。

利用SAP2000有限元分析软件对连梁进行受力分析，屈服时主应力迹线如图1所示，主应力分布如图2所示。计算结果表明，连梁处于屈服状态时，右上角部位和左下角部位受拉，其余部位均受压，连梁受拉的2个对角部位形成1条斜向拉应力较集中的区域，基本贯通整个连梁，斜向两端应力最大；连梁左上角部位和右下角部位表现为斜向受压，并连接为受压应力区域，当达到极限破坏状态时，受拉区域已基本布满整个连梁。

图1 主应力迹线

图2 连梁主应力分布

本工程裂缝出现在连梁与墙肢交界处附近，且呈垂直状态向上延伸至楼板底。由于裂缝不在梁的受弯区及支座斜截面处，且主体结构竖向荷载及水平荷载均未达到设计值，因此可排除本工程剪力墙贯通裂缝为结构受力破坏产生的荷载裂缝。

3.3 温度裂缝验算

对温度应力进行计算，结果表明，强度等级为C40以上混凝土剪力墙温度应力未超过混凝土抗拉强度，但二者差距较小，可知温度应力是导致本工程剪力墙出现裂缝的主要原因。

3.4 强约束作用的影响

本工程在分户墙中部开设洞口，造成洞口部位刚度产生突变，洞口处应力较集中，同时墙肢两端设有构造边缘构件，对连梁和墙肢形成较大的外约束，墙体混凝土收缩变形易使内部产生较大的拉应力。同时由于混凝土温度应力的存在，进一步加大了混凝土内部的拉应力，当拉应力大于混凝土抗拉强度时，会产生竖向裂缝。

综上所述，可判定本工程混凝土开口墙连梁处竖向裂缝是温度应力或强约束与温度应力共同作用的结果，为非结构性变形裂缝。

4 剪力墙结构贯通裂缝处理

采用化学灌浆法对裂缝进行修补处理，灌浆材料选用环氧树脂灌浆料，裂缝处理流程如下。

1)清理裂缝清除裂缝处的灰尘及污垢，然后使用甲苯、酒精等有机溶液将裂缝两侧宽20～30mm的表面擦洗干净，并保持干燥。

2)埋设灌浆嘴将灌浆嘴进浆孔骑缝粘贴在预定位置上，间距≥50cm。

3)封缝首先在裂缝两侧5cm范围内涂刷1层环氧树脂基液，然后涂抹1层环氧树脂胶泥。涂抹胶泥时，应防止产生小孔和气泡，刮平整，保证封闭可靠。

4)压气试漏裂缝封闭后，为检查裂缝密封效果和贯通情况，需进行压气试漏。待封缝胶泥固化并养护一段时间具有一定强度后进行试漏。对于漏气处,应及时修补，直至密封为止。

5)配浆环氧树脂∶邻苯二甲酸二丁酯∶乙二胺∶丙酮=100∶22∶8∶(2～5)g，丙酮根据需要调节稀稠度，最大掺量为5%，如灌注顺利，可不加。

6)灌浆灌浆压力逐渐增大，最大压力≤0.4MPa。确认灌满后，封闭压浆嘴出浆口，升压至0.4MPa，保持压力≥5min，待其自然干固。

7)封口灌浆结束待缝内浆液达初凝而不外流时，可拆下灌浆嘴，利用环氧树脂胶泥将灌浆嘴处抹平封口。

经上述措施处理后，实地观察裂缝修补情况，裂缝修补效果较好。

5 剪力墙结构裂缝防治

5.1 设计构造

1)在洞口连梁端配置交叉斜向钢筋

当洞口连梁截面宽度≥250mm时，可采用交叉斜筋构造；当洞口连梁截面宽度≥400mm时，可采用集中对角斜筋配筋或对角暗撑配筋。由于交叉斜筋与梁端洞口斜裂缝常处于接近正交的位置，因此斜筋可有效限制斜裂缝的出现和发展，也可改善剪压区受力状态，从而提高连梁延性。

2)混凝土剪力墙设置

混凝土剪力墙裂缝的出现与墙体实际长度有一定关系，墙体越长，其受温度、收缩变形的影响越大，出现裂缝的概率越大。本工程除分户墙长度达8.4m外，其他剪力墙长度均≤4m，分户墙上出现连续贯通裂缝，而其他剪力墙均未出现类似裂缝。因此，对于全剪力墙结构工程，应尽量避免将剪力墙布置成长墙。如需布置成长墙，可通过在墙上增开结构小洞的方式将长墙变成短墙,须重新对结构进行计算，确保结构安全及正常使用功能，同时应采取构造措施，如在约束区提高配筋等，以减小温度应力及约束应力的影响。另外，剪力墙上开洞后，应保证洞口上方连梁跨高比满足规范要求，尽量避免因跨高比太小形成深梁。