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高层装配式建筑地下室开裂案例分析及预防措施

摘要：近年来随着装配式建筑的推广，高层装配式建筑在现行高层建筑中所占比重越来越大，受到的关注越来越广。因各方面的影响，高层装配式建筑地下室在施工中出现裂缝的情况也较多，裂缝对构件的外观质量、耐久性甚至构件的承载能力产生影响。本文以地下5层、地上32层高层装配式商业住宅楼为例，分析高层装配式建筑地下室裂缝的性质、成因及其对整体安全性的影响，从而提出了相应的预防措施，供相关技术人员参考。

关键词：装配式建筑；裂缝分析；泵送混凝土

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1 工程概况
某高层装配式建筑为地下5层、地上32层商业住宅楼，地下五层地下室采用现浇钢筋混凝土结构，地上32层采用装配式混凝土结构（竖向钢筋剪力墙采用现场现浇施工；水平构件采用工厂预制、现场装配，包括预制叠合梁、预制叠合板、预制楼梯。）。采用机械旋挖嵌岩桩基础，基础以中风化基岩作为持力层。建筑结构安全等级为二级，地基基础设计等级为甲级，主体结构设计使用年限为50年。地下五层地下室剪力墙采用强度等级为C55混凝土，相应部位梁板采用强度等级C30混凝土。地下室混凝土浇筑时间为5月份~7月份，室外气温为15℃～35℃。地下室混凝土浇筑30d后，检查中发现地下五层地下室剪力墙、梁出现多处开裂。
实体结构检测结果表明，地下室剪力墙裂缝均为贯穿性裂缝，裂缝走向整体基本呈竖向，裂缝形态主要呈枣核型，中间宽，两端窄，部分裂缝在长度方向上不连续，单个裂缝在长度方向上断续发展为多条短裂缝，抽检剪力墙最大裂缝宽度范围0.10mm~0.40mm，最大裂缝宽度主要集中于0.15mm~0.30mm；地下室梁裂缝在梁端和跨中均有出现，裂缝主要为贯穿性裂缝，在梁体两侧对称开裂，裂缝走向为竖向，裂缝形态主要呈枣核型，中间宽，两端窄，抽检梁最大裂缝宽度范围0.08mm~0.18mm，最大裂缝宽度主要集中于0.10m~0.15mm。
2 裂缝性质分析
对混凝土构件裂缝的界定常以最大裂缝宽度为标准，最大裂缝宽度>0.050mm的称为“宏观裂缝”，反之则称为“微观裂缝”[1]。实际工程中混凝土构件裂缝主要有两大成因：一类是由荷载引起的裂缝，即受力裂缝；另一类是由自身收缩、温度变化、基础不均匀沉降等作用引起的非受力裂缝。
目前该建筑尚处于主体结构施工阶段，各种动、静荷载尤其是地震作用、风荷载（无围护）尚未施加，构件远未达到设计承载力极限状态。本工程地下室混凝土构件裂缝不属于上述第1类荷载裂缝（受力裂缝），即不属承载力不足引起的裂缝。
第三方沉降观测记录表明，本工程相邻墙柱最大沉降差1.0mm，两柱间差异沉降最大为0.25‰，远小于《建筑地基基础设计规范》允许值2‰[2]，因此可以排除由地基基础差异沉降造成的因素，即不属于第2类荷载即差异沉降变形引起的裂缝。
结合裂缝的分布、走向及形态，综合判定本工程地下室裂缝可认为是由混凝土收缩以及其温度变化所引起，前者是主要的因素，后者加剧了裂缝的发展。混凝土自生收缩发生在初凝至终凝期间，干缩发生在终凝后，初凝前的收缩因混凝土尚具良好的塑性而不影响裂缝的产生[3]。混凝土的收缩是一个长期发展过程，但早期发展较快，后期逐渐减慢。混凝土构件在完全自由状态下，收缩只会引起构件的缩短，不会在构件内产生应力，因而不会产生裂缝。但实际工程中每种结构构件都受到不同程度的约束，收缩作用就必然在构件内产生内应力，当这些应力拉力）超过构件材料的抗拉强度时，就导致构件的开裂。本工程地下室混凝土构件的缩短变形就受到了约束，该约束来自每层的楼板及剪力墙自身。
3 裂缝成因分析
如上所述，本工程地下室剪力墙、梁的裂缝为混凝土收缩裂缝，非受力裂缝。混凝土收缩开裂与多种因素有关，包括抗裂设计措施、混凝土本身性质、施工及养护质量、外界环境等。设计方面，平面布置的合理性、构件的体积大小及约束情况、结构和构件自身构造等会影响混凝土的收缩；材料方面，混凝土的水泥用量、水灰比、水泥的强度等级和品种、骨料物理性质及掺合料等均会影响混凝土的收缩；施工方面，混凝土振捣情况、养护措施、环境的温度湿度等影响混凝土的收缩。
从以上几个方面分析本工程地下室剪力墙、梁收缩开裂原因如下：
1. 设计方面：本工程地下室剪力墙轴压比计算值集中于0.2~0.3，远小于《高层混凝土结构技术规程》抗震等级三级剪力墙轴压比限值0.6[4]；为协调上部预制装配式结构功能需求，地下室剪力墙面积比偏大、剪力墙布置过多、部分剪力墙间距过小、一字型剪力墙过多、部分剪力墙过长、剪力墙和梁平面外连接过多，这种设计结构布置对混凝土抗裂性能要求较高，但本工程选用普通C30和C55泵送混凝土，未考虑采用提高混凝土抗裂性能和补偿收缩的措施（如使用膨胀剂或减水剂），也未对混凝土构件的浇筑养护措施提出特殊要求。
2）混凝土材料方面：配合比验证检测结果表明，按设计配合比制备混凝土，C55、C30强度等级能够满足设计要求；但C30混凝土的粘聚性和保水性不好，C55混凝土的坍落度明显异常；C30、C55、二个强度等级的混凝土的3d自收缩率较常规值明显偏大，易导致早期开裂，C55混凝土试样在制备完成后即出现了龟裂现象。本工程粉煤灰取代水泥的最大用量达58%，掺粉煤灰的混凝土的配合比设计，是以该工程的水泥基准混凝土配合比为基础，按强度稠度相等的原则继续取代，如果混凝土中还加有化学剂，则必须注意化学剂与所用水泥相容性，需进行相容性试验，若两者不相容就容易导致混凝土开裂。
3）施工方面：本工程地下室剪力墙、梁的混凝土浇筑均采用泵送浇筑施工，混凝土浇筑、拆模未出现如拆模过早、施工荷载上载过早等不当现象，浇筑过程中无异常情况；后期养护主要采用撒水喷淋养护，养护持续时间均在14天以上，但针对本工程特点混凝土施工采取的防止混凝土开裂的措施有效性不足。
4 裂缝预防措施
对于混凝土构件裂缝，我们的最终目的并非要将其消灭，而是要控制结构性裂缝和分散收缩性裂缝，使其满足相关规范要求，不影响结构承载力及耐久性。我国工程界在总结长期处理裂缝的经验后，得出“放”、“防”、“抗”的3字原则，可以综合体现在设计、施工、材料运用等各三个方面，在本工程中的运用可分述如下：
1）“放”的措施“放”就是尽量减少对混凝土收缩变形的约束，如同治水中的“放水疏导”法。本工程设计上，可优化剪力墙平面布置及尺寸，采取开“长剪力墙开洞”的方法，把长剪力墙墙分成2个墙肢，洞口用砖墙封实，不影响使用功能。通过开洞把长墙变成短墙，减少混凝土收缩变形的约束，使混凝土收缩应力得到释放，从而达到控制墙体裂缝的目的，但必须重新对结构进行计算，确保结构的安全及正常的使用功能。由于开洞后混凝土的收缩应力得到释放，可以从源头上控制裂缝的发展。
2）“防”的措施：“防”就是采取措施减少混凝土的收缩。从前述对混凝土材料的分析可知，由于粉煤灰混凝土早期强度较低，因而在养护方面要采取特殊措施，本工程地下室混凝土构件混凝土配合比验证检测结果就说明了这一问题。另外为便于模板周转，楼面拆模时间可以按照原计划，但一字型长墙的拆模时间则可延长，且注意拆模时不要马上移走模板，而要让模板拆开一定的缝隙用作浇水养护，这样才能使混凝土的养护环境有所改善，强度得到提高后就可控制裂缝的出现。
3）“抗”的措施：“抗”就是采取措施提高混凝土抵抗收缩变形的能力，一般可以用提高配筋率或减小钢间距的办法。例如本工程地下室剪力墙配筋率合适，所以可在配筋率不变的情况下用等面积代换法，调整钢筋间距，减小钢筋直径，让水平构造筋“细而密”，钢筋间距由200mm缩小至100mm甚至80mm，把混凝土一部分的拉力转移到钢筋上来，使混凝土的收缩趋于均匀，只在构件中产生微裂缝，释放应力以避免或减少宏观裂缝。
5 裂缝评价及处理
本工程地下室剪力墙、梁收缩开裂不影响构件及结构的整体承载力性能，由于裂缝的存在使得钢筋暴露在空气中，会加速钢筋的锈蚀从而影响结构的耐久性能，同时裂缝的存在会影响结构的正常使用（感官质量）[5]。为确保结构的耐久性和正常使用性能应按照《混凝土结构加固设计规范》（GB50367-2013）相关“裂缝处理”技术要求对剪力墙、梁裂缝进行封闭处理。对宽度小于0.3mm的裂缝采取表面封闭措施，对宽度0.3mm（含0.3mm）以上的裂缝采取压力灌浆（结构灌封胶）进行封闭。
6 结语
本文通过对高层装配式建筑地下室开裂事例分析，高层装配式建筑地下室裂缝产生的原因比较复杂，不仅与地下室剪力墙布置、尺寸及其所受约束有关，而且与构成混凝土构件的各种原材料及其形成环境等多种因素有关，本文提出的裂缝预防措施也充分说明了这一点。实践证明，只要从设计、材料、施工及环境等方面进行综合考量，并针对性的采取裂缝控制措施，实施综合治理，高层装配式建筑地下室混凝土构件的裂缝可控制在合理范围内。
参考文献
1. 王梦如 工程结构裂缝控制[M].北京：中国建筑工程也出版社，1997.
2. GB 50007-2013. 建筑地基基础设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.
3. 李海水.剪力墙裂缝成因分析施工防治措施[J].山西建筑.2010,36(10):122-123.
4. JGJ3-2010.高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.
5. GB 50367-2013. 混凝土结构加固设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2013.

-全文完-