地下室无梁楼盖的裂缝成因分析及预防措施

赵旭东

(甘肃第六建设集团股份有限公司,甘肃 兰州 730050)

很多高层建筑的地下室顶板如果出现裂缝,非常容易导致外部的一些物质进入到混凝土内部对混凝土结构产生侵蚀,进而导致内部钢筋锈蚀,缩短混凝土结构整体的使用寿命,对建筑物的安全性能和使用年限产生不良影响。针对已经出现渗漏情况的地下室顶板结构,其后期维修养护成本过高、施工难度较大,会对建筑工程项目整体的施工建设带来不良影响,时间一长,还会对建筑物整体的结构安全带来不利影响。因此,有必要采取对应的干预措施来预防裂缝产生。

比较分析传统框架结构可知,无梁楼盖结构具有增加室内空间、节约两侧模板建设花费以及提升施工效率等优势,很多高层建筑工程项目施工阶段均会采用无梁楼盖充当地下室结构的顶板。为进一步提升地下室工程质量,施工方要针对地下室无梁楼盖裂缝原因展开研究,并采取相应防治措施。

1 工程项目概况

本工程项目的主体结构包括11栋高层民用建筑以及地下层地下室结构,地下区域内也有人防工程。地下室顶板结构为无梁楼盖。施工前期勘测数据如下:地下室平面尺寸37 476m2,长宽比数值3.2;地下室占地面积为34 961m2;地下室高度3.5m,其中±0.000对应85高程6.050 m,抗浮水位相当于85高程4.400 m。为保证地下室工程质量,要求顶板覆土荷载数值和临时荷载数值均小于27kN/m2,活荷载低于5kN/m2,大型车辆荷载值为20kN/m2。地下室顶板无梁楼盖邻近区域覆土高度要严格控制在0.5m以下,顶板施工采用C35混凝土材料,抗渗性P6。

地下室的基本柱网尺寸如下:①5.5m×5.35m;②6.5m×5.8m;③8m×5.8m。该地下室顶板的厚度数值约为250mm～320mm不等。该圆柱盖的平面尺寸为2.8m×2.6m,圆柱高度为600～1080mm。

2021年11月,负责该高层建筑工程的监理单位经现场勘察发现,该建筑工程的地下顶板出现了裂缝和一定的渗漏情况,发现时地下水的顶板并没有开始覆土施工。应用测量技术进行测量后,得出该地下室顶板裂缝的具体分布情况(见图1)。

图1 地下室顶板结构平面图及裂缝分布示意

裂缝的主要特征表现为:①经过对地下室环境的勘察分析可知,民用建筑主体结构、地下室外墙体部分裂缝发生率低,地下室顶板裂缝发生率高;②本工程地下室顶板裂缝为平面分布,但总体趋势明显;在地下室顶部的西面和中部,裂缝是比较集中的。在高层建筑的主楼与地下室的接合处,也出现了一些裂缝,这些裂缝甚至穿透了顶板。

总体而言,裂缝形式表现为4种:①斜缝,在剪力墙或柱盖附近有一条或多条约45°的斜缝;②与剪力墙或柱盖平行的裂纹;③预留孔隙;④其他不规则的裂缝。

2 地下室无梁楼盖裂缝成因分析

2.1 设计原因

(1)伸缩缝的设计未严格按照高层建筑的施工要求进行。根据GB50010—2010混凝土建筑设计规范的有关规定,为了有效地降低因温度和自身收缩而引起的混凝土材料开裂,必须保证最大的间距。对于现浇挡土墙、地下室墙体等建筑,应采用30 m的伸缩缝和20 m的敞开式伸缩缝。由于高层建筑地下室的作用有限,为了进行防水施工,一般不设置伸缩缝,在本工程中不设置伸缩缝的长度超出规定的范围[1]。

(2)在安装了后浇带后,地下室的顶板被分成了18个部分,由西向东分成了7个部分,长度分别是:48.05m、46.10m、57.60m、53.40m、56.35m、40.85m、39.70m。由于分区长度比较大,若长时间暴露于户外,在多个区块的共同作用下,顶板会产生局部开裂。

2.2 材料原因

(1)在选用工程材料时,选用了泵送商砼。这类商砼具有粒径低、坍落度高、粉煤灰含量高的特点,在混凝土凝固时易发生明显的收缩。地下室顶板材料要求见表1。

表1 地下室顶板材料要求

(2)本项目的地下水顶板混凝土材料是两个公司供应的,其混凝土材料配比、外加剂数量配比也存在着差异。地下室顶板后浇带施工完成后,由于其抗缩和变形特性的差异,会对裂缝的形成造成负面影响[2]。

2.3 荷载作用

(1)和普通的框架结构对比,无梁楼盖的荷载力传递方式比较特殊,这也是导致地下室顶板出现裂缝的一项重要原因。由于无梁楼盖与立柱仅由节点相连,整体的连续性不佳,很难承受水平荷载。另外,在梁、柱附近,由于剪力个弯矩的集中性较大,容易出现剪力破坏及弯曲破坏。无梁板厚度与长跨的最小比值见表2。

表2 无梁板厚度与长跨的最小比值

(2)在实际施工中,由于没有全面的防浮措施,而且在此期间,地下室顶板正在进行覆盖,若仅凭自身重力很难平衡浮力,从而造成顶板开裂、漏水。

(3)当混凝土强度不够时,将钢筋、模板等建筑材料堆放在地下室的顶部,或使用混凝土搅拌车等大型机器在临时通道中运行,都会导致产生更大的裂缝。

(4)在施工升降机区域,导致混凝土开裂的其中一项重要因素就是受到了冲击震动载荷,即受到运输材料、机械等外界因素的影响。

2.4 约束和应力集中作用

许多裂纹的形成同约束、应力集中等因素有关。许多高层建筑的主框架结构总体抗侧刚度大,对地下室顶板混凝土的收缩有约束作用,从而在某种程度上制约了结构的自由变形,使其内部产生拉应力,若拉应力大于混凝土的抗拉强度,将造成地下室顶部开裂。

在人防区域内设置人防门,很容易引起局部截面的突变,从而造成与人防墙体平行的楼顶开裂。并且,地下室顶部预留孔洞和施工过程中出现的临时转角应力会让混凝土产生的裂缝更为严重。

2.5 气候影响

很多时候,因为没有及时完成地下室顶板的施工,造成了地下室顶部裸露于户外。当室外温度升高时,地下室上下两层的温度差异会很大,但由于温度过高,上部混凝土中的水分会被快速蒸发,从而产生不同的体积。而下部混凝土因受模板的影响,不易挥发,下部混凝土的体积变化很小[4]。在混凝土中,由于上、下部分的体积不均匀,会导致混凝土产生拉应力,而在早期,混凝土整体的抗拉强度偏低,最后引发了混凝土开裂现象。

2.6 施工因素

(1)在夏季施工期间,由于混凝土的坍落度损失比较大,在没有做好施工管理的情况下,许多施工工人会在拌合好的混凝土中加水,不仅降低了混凝土拌合物的质量,也会加剧混凝土开裂。

(2)在未做好浇筑的地下室开展顶板养护工作,会造成了早期混凝土大量失水,导致混凝土开裂。

(3)后浇带的封口时间太短是造成混凝土开裂的重要因素。由于受温度的影响,地下室顶部混凝土局部变形很难得到充分释放。

(4)在承载力不足的部位,未按照规范及设计要求设置施工缝,施工过程中若处理不当,容易导致新旧混凝土结合不良,进而出现裂缝(见图2)。

图2 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)可在适当的位置上进行后浇带的设定。在高层建筑施工中,后浇带是临时的变形缝,其间隔应以30～40 m为宜。在混凝土早期收缩量大的情况下,可以采用后浇带将其分隔开,从而使混凝土的收缩应力得到有效的释放,从而减小由于收缩引起的变形[6]。

(2)在后浇带进行浇筑后,受到混凝土膨胀效应的影响,导致其内部产生预应压力,为减小留存的收缩应力,减少混凝土构件裂缝。针对伸缩后浇带施工时要求周围混凝土龄期超过60d,并需经过许可后方能进行封闭。受到温度因素影响,要求后浇带密封环境温度需处于15～18℃之内。当高层建筑主体结构封顶后,要结合建筑沉降情况确定封闭时间,通常规定在主体结构完工两周内。对后浇带进行施工前要避免其中产生杂物,减少对止水带产生的影响,后浇带施工中使用高强度收缩混凝土。

(3)在结构设计中,可以利用有限元软件对地下室顶部的应力进行数值模拟,并在应力大的地区设置后浇带。

(4)在结构突变点或预留孔位置布置构造钢筋。为了增强混凝土的抗拉强度,减少裂缝发生的概率,对具有较大收缩应力的构件和部位进行加固。

3.2 材料控制方面的预防措施

在地下室顶板进行施工的过程中,施工单位要尽量选择水化热较低的水泥材料,并在其中掺入比例合适的粉煤灰等集料,尽量选择配合比高以及粒径合理的集料,选择级配砂石材料,要求混凝土原材料中的含泥量必须符合高层建筑施工需求,以此来有效控制混凝土水灰比。同时要严格控制混凝土材料中水泥的含量,适当添加一定比例的减水剂、缓凝剂等,利用混凝土本身的膨胀作用,减小混凝土的局部收缩,降低地下室顶板混凝土开裂问题发生的概率[8]。

3.3 施工方面的预防措施

(1)在设计施工缝的过程中,应严格根据施工需求位置合理留置施工缝,严格根据施工方案落实施工步骤。在对混凝土进行浇筑的过程中,一定要对其表层的浮浆进行清理,直到见到密实混凝土,进行湿润后,可在其表面涂抹一层混凝土界面剂后进行浇筑,为了确保新旧混凝土能够更好地结合,要在浇筑完毕后进行混凝土振捣[9]。

(2)如果施工区域的气温较高,在运输混凝土的过程中,为了降低混凝土在输送过程中吸收外界热,必须采取相应的措施来降低原材料的温度。

在施工过程中,要求地下室顶板混凝土内外温度差异不得超过25℃,混凝土表层温度和气温差异不得高于20℃。针对无梁楼盖和柱帽,需同时进行浇筑。在浇筑之前要重点做好模板内部积水、杂质的清理工作,避免夹渣影响混凝土模板质量。在浇筑过程中,禁止施工人员加水,进行振捣时需控制振捣力度。在本工程施工过程中,可采用二次振捣施工工艺。对于参与混凝土浇筑的机械设备要定期进行维护和保养,避免设备质量问题影响振捣工作开展。

(3)在浇筑完毕后,要在混凝土表面覆盖涂上一层膜,这种膜可以有效地隔绝混凝土与外部环境,防止混凝土由于温度的变化而出现开裂。若施工季节为冬季,应做好混凝土的保温工作,以降低由于热胀冷缩引起的混凝土构件应力开裂。在有条件的情况下,可以采取适当的方法来降低混凝土开裂的可能性。

(4)如果想要减少因温度因素导致的收缩裂缝,则要及时做好回填覆土施工工作,避免地下室顶板长期暴露在外。

(5)加强对施工场地的车辆、材料等的管理,确保工程荷载达到设计要求。

(6)很多无梁楼盖产生受力裂缝多数是由人为因素导致。如果无梁楼盖板厚度较大,其下部的支撑面积则较小,此时楼板和柱相连部分承受较大的集中应力。很多施工单位为了减少工期,往往会在无梁楼盖没有到达设计标准龄期就进行覆土施工,同时一些运输材料的车辆也在无梁楼盖顶部随意进行行驶,加重上部的压力,由此导致无梁楼盖沿移动荷载方向出现裂缝或者在覆土位置上出现了变形裂缝。上述裂缝一旦产生,后期会因荷载力不断上升而加剧。

所以,在进行覆土施工时,必须保证无梁楼盖达到规定龄期,混凝土强度达到设计强度。在没有达到规定的龄期和强度的情况下,在无梁楼盖的底板出现了应力变形的裂纹时,必须及时清理上部的活动荷载和覆盖荷载,并对其进行修补和加固,直到结构稳定,由第三方检验机构检验合格后才能进行下一阶段的施工。

4 结语

综上所述,超长地下室顶板无梁楼盖裂缝问题是高层地下室施工阶段经常出现的问题之一,严重影响工程进度,为有效解决该问题,参与工程建设的单位要秉承科学的态度对产生裂缝的原因进行分析和研究,不能再局限于设置后浇带等方式来减少无梁楼盖裂缝,要从多方面因素入手进行考虑与分析。因此,在施工设计阶段需采取行之有效的施工组织方案来预防裂缝。同时要严格控制混凝土材料质量,根据施工组织方案适当延长混凝土养护时间,只有如此才能够有效减少施工裂缝发生,进一步提升地下室工程施工质量。