某地下車站頂板裂縫原因分析

文/郭霄偉

1 前言

隨著我國城市化建設的飛速發展，近些年越來越多的大底盤地下室、地鐵站臺等地下工程應運而生。這些工程中不可避免地都會遇到大體積混凝土的澆筑，倘若在設計或施工過程中沒有對大體積混凝土的澆筑做好相應的防裂控制措施，那么隨之而來的混凝土開裂就會令工程人員感到無從下手。本文以某地下車站頂板裂縫為工程實例進行鑒定分析，通過對裂縫現場的調查取證，結合相關資料對地下室頂板進行的溫度應力分析，并判斷裂縫產生的原因，以供從業人員參考借鑒[1]。

2 工程概況

某市軌道交通車站島式站臺車站，主體結構采用雙跨鋼筋混凝土框架結構，車站總長305.6m，標準寬度20.9m，設計頂板厚度800mm，框架梁截面尺寸1200mm×1800mm，未設置結構縫或后澆帶。施工過程中分為3 個區段施工，第一區段為(28)-(38)軸，于2017年6月完工；第二區段為(1)-(6)軸，于2017年10月完工；第三區段為(6)-(28)軸，2018年6月開工，2018年9月主體結構完工。2018年10月25日現場人員發現(6)-(28)軸地下室部分頂板、梁構件開裂，裂縫周邊滲水。地下室頂板結構布置示意圖詳見圖1[2]。

圖1 地下室頂板結構布置示意圖

3 裂縫情況現場調查

3.1 (6)-(28)軸地下室頂板、梁構件裂縫檢測

現場檢查發現地下室部分頂板、梁構件存在不同程度的開裂現象。該區域大部分樓板存在開裂現象，裂縫基本沿結構橫向平行分布，大多數裂縫沿相鄰跨樓板發展，樓板裂縫均為貫通裂縫；大部分頂板梁構件側面存在數條豎向平行裂縫，裂縫出現在梁箍筋位置附近，多數裂縫沿梁腹板貫穿梁截面，且裂縫位置與樓板裂縫位置基本相對應。(14)-(21)軸區域頂板裂縫分布示意圖詳見圖2。

圖2 （14-21）軸地下室頂板、梁裂縫分布示意圖

相關人員在現場對裂縫分布進行繪制并對裂縫拍照取證后，檢測了混凝土構件的施工質量，并對施工過程進行調查，充分采集了相關數據與資料，以為后續的裂縫原因分析提供相關資料。

3.2 (6)-(28)軸地下室頂板、梁構件施工質量檢測

現場抽取若干梁、板構件，對構件的截面尺寸、混凝土強度等級、鋼筋間距進行檢測，檢測結果表明，所檢構件各檢測項數據基本與設計相符，所檢構件施工質量基本滿足相關規范的要求。

3.3 (6)-(28)軸地下室負一層主體結構施工過程調查

本工程側墻、頂板及梁構件均未設置結構縫或后澆帶；側墻、頂板及梁構件同時澆搗；另外，主體結構構件混凝土采用商品泵送混凝土以及普通硅酸鹽水泥，水泥細度3500cm2/g，骨料為花崗巖，水灰比0.45，水泥漿量30%，初期養護時間28 天，環境濕度99%，混凝土的施工方式為機械振搗，混凝土中添加減水劑、后石粉煤灰、礦渣粉。

主體結構構件采用跳倉法施工，其中(6)-(9)軸于8月16日開始澆筑；(26)-(27)軸于9月10日開始澆筑；(23)-(26)軸于9月15日開始澆筑；(20)-(23)軸于9月19日 開 始澆 筑；(27)-(30)軸于9月22日 開 始澆 筑；(9)-(14)軸及(17)-(20)軸均于9月24日開始澆筑；各區格均于施工當天澆筑完畢，跳倉法澆筑日期詳見圖1。

混凝土澆筑完成后均采取常規養護，2018年10月上旬現場人員發現部分頂板板底及框架梁側面存在滲漏現象，在對裂縫開展調查時，施工單位已對開裂構件采用化學灌漿法進行裂縫修補處理。

4 裂縫原因分析

4.1 初步分析

根據現場裂縫檢查及施工質量檢測結果可知，所檢構件施工質量基本滿足設計要求，裂縫形態基本可排除荷載作用及地基不均勻沉降導致的結構構件開裂；另外，由裂縫的形態特征及分布情況可知，其產生可能的原因有以下幾個因素：

4.1.1 溫差

混凝土在溫度變化時體積會膨脹或收縮，尤其是對于尺度較大的現澆超靜定混凝土結構，溫差較大時容易開裂。在大面積混凝土結構周邊設置較強約束情況下，變形無法得到有效釋放，易出現裂縫。

本工程頂板、梁等大體積混凝土構件澆搗時處于夏季，澆搗過程中會釋放大量的水化熱，導致砼內部溫度急劇提高，而表面溫度下降快，內外溫差易在構件表面引起開裂。

4.1.2 混凝土收縮

水泥強度等級越高制成的混凝土收縮越大，水泥越多，收縮越大，水膠比越大，收縮也越大。

該地下室頂板結構的砼強度為C45，實測頂板梁現齡期砼強度均較設計偏大，且混凝土結構的混凝土采用商品混凝土，砼配合比中水泥及摻合料用量比例較大，故本身收縮量也偏大。

4.1.3 跳倉法

有效安排跳倉法合理施工，可以減少早期砼的內部應力。由于大體積混凝土的早期收縮量偏大，若將超長混凝土塊體分為若干小塊間隔施工，經短期應力釋放，并在后期收縮應力較小階段將若干小塊連成整體，這一間隔期釋放早期混凝土收縮應力，就可以依靠混凝土抗拉強度抵抗下一階段的溫度收縮應力。該頂板結構最大澆筑板塊尺寸為39.4m×19.3m，其他澆筑板塊平均尺寸約25m×19.3m，澆筑量偏大，且相鄰澆筑板塊的澆筑間隔時間最短為4 天，參考《工程結構裂縫控制》中的觀點，跳倉法的合理間隔澆筑時間為7～10 天，本工程各澆筑板塊的澆筑間隔時間偏短，未能有效釋放早期混凝土收縮應力[3]。

4.2 數值模擬分析

4.2.1 分析思路

工程中的大體積混凝土的溫度-收縮應力在計算上是一個很復雜的問題。結構構件截面上的溫度分布，可分為三個分量疊加組成：均勻分布的溫度分量△Tu；沿截面線性變化的溫度分量△TMy、△TMz；非線性變化的溫度分量△TE。溫度對結構及構件的影響是不均勻的，現有程序在溫度應力的計算過程中尚無法恰當考慮溫度梯度的影響；同時，現有的研究成果表明，均勻分布的溫度分量能夠對構件的影響起到控制作用，故在本工程裂縫的數值模擬分析中對案例進行了適當簡化，僅考慮了均勻分布的溫度變化。參考《建筑結構荷載規范》(GB 50009-2012)中對均勻溫度變化作用的計算方法，考慮溫度變化對結構的影響；參考《大體積混凝土施工標準》(GB 50496-2018)附錄B.2，考慮裂縫開裂時現齡期混凝土的收縮應變，再將混凝土收縮應變等代為當量溫差[4]。根據計算得出的溫度變化值，先采用材料力學中對超靜定結構溫度應力的計算方法，將長條形地下室等效為兩端固接的桿件，計算其在溫度變化下桿件截面上產生的溫度應力，再通過有限元軟件對頂板溫度應力進行復核分析[5]。

4.2.2 均勻溫差及收縮應變計算

根據現場調查的施工內業資料，(6)-(27)軸區段各區格合攏時的平均溫度為25℃，2018年9月至10月項目所在地的最低氣溫為15℃；根據《建筑結構荷載規范》(GB 50009-2012) 9.3.1 條規定，結合最大溫降工況，均勻溫度變化標標準值取15-25=-10℃。

由于(6-9)軸、(27-30)軸區域的區格與相鄰區格的澆筑間隔時間較長，出于保守考慮，對收縮變形的分析范圍取(9-27)軸區域，縱向長度約150m。(26-27)軸區格最先澆筑，澆筑時間為9月10日，至第一次發現裂縫的時間10月25日，共經歷了45 天時間，計算收縮變形效應時采用的齡期t 取45 天。根據《大體積混凝土施工標準》(GB 50496-2018)附錄B.2，齡期為t 時，混凝土收縮的相對變形值的公式為：

式中：εy(t)表示齡期為t 時，混凝土收縮引起的相對變形值；表示在標準試驗狀態下混凝土最終收縮的相對變形值，取4×10-4；M1、M2、···M11表示混凝土收縮變形不同條件影響修正系數，按文獻[3]表B.2.1予以采用。

混凝土收縮相對變形值的當量溫度公式為：

式中：Ty(t)表示齡期為t 時，混凝土收縮值當量溫度(℃)；α 表示混凝土的線膨脹系數，取1×10-5。經計算可得，Ty(45)= 8.30℃，收縮相對變形的當量溫度按9℃考慮。

綜上所述，環境溫度均勻變化及混凝土收縮疊加作用于混凝土的溫差可按下式計算：

式中：Δ(t)表示環境溫度變化及混凝土收縮疊加作用于混凝土的溫差(℃)；ΔTk表示環境溫度均勻變化值(℃)。經計算可得，Δ(t)=-10-9=-19℃。

4.2.3 溫度應力計算分析

4.2.3.1 初步簡化計算分析

采用材料力學的方法計算(9-27)軸區域的頂板溫度應力，由于兩端的混凝土梁板澆筑間隔時間較長，計算中將其簡化為固端約束；由于(9-27)軸區域頂板長寬比較大(150/20)=7.5，將其簡化為兩端剛接的拉壓桿件，取溫度變化值ΔT=-19℃，C45 混凝土的彈性模量EC= 3.35 × 104MPa，混 凝 土 線 膨 脹 系 數αc= 1 ×10-5/℃。根據平衡方程、變形協調方程及物理方程可解出，溫降工況下，沿均勻桿件截面上的拉應力為6.4MPa，遠大于設計所采用的C45 混凝土抗拉強度標準值2.51MPa。由此可見，在一定的溫降工況下，在超靜定結構中產生的溫度應力效應是很大的，故在工程中必須予以考慮。

4.2.3.2 有限元模擬分析

以上的力學分析方法做了較多簡化，為更進一步分析，采用“YJK1.9.3”有限元分析軟件對本工程頂板進行溫度應力效應進行計算。實際工程中混凝土自身的徐變會產生應力松弛效應，這對釋放溫度應力是有利的，根據文獻[6]，取考慮收縮徐變的砼構件溫度效應折減系數為0.3，樓板定義為彈性膜，真實計算樓板平面內剛度，溫度變化值取降溫工況-19℃，樓板溫度應力分析結果見圖3、圖4[6]。從應力云圖可得，在溫降工況下，該結構大多數區域均出現了沿結構縱向的拉應力，拉應力最大為4.0MPa，而結構橫向基本上未出現拉應力。

圖3 沿頂板縱向溫度應力分布圖

圖4 沿頂板橫向溫度應力分布圖

有限元分析與力學分析方法均得出本工程在降溫+混凝土收縮效應的綜合作用下，沿頂板結構縱向結構內部產生了較大的拉應力，且拉應力大小均超過了設計混凝土抗拉強度標準值。該拉應力水平在防裂抗裂措施不到位、混凝土內部應力不均產生應力集中等的情況下極易使結構產生垂直于拉應力方向、相互平行的貫通裂縫，這與現場實測的裂縫形態基本吻合。綜合以上分析，可以判斷本工程頂板裂縫屬于溫度-收縮裂縫。

5 結語

根據現場檢查數據、施工內業資料調查數據及對樓板應力的數值模擬分析結果，本工程(6)-(28)軸地下室頂板、梁構件裂縫基本可排除荷載作用下的受力裂縫或地基基礎不均勻沉降引起的裂縫，其應為溫度-收縮裂縫。

本工程地下室頂板結構尺寸較大，在溫差作用及混凝土自身收縮作用下，極易在結構薄弱位置出現橫向裂縫；在夏季施工時，較大溫差以及高強度泵送混凝土的較大收縮量作用下，將在砼內部積聚較大拉應力；在跳倉法間隔時間不合理與養護不到位時，累積收縮變形增大，板塊收縮受限，結構構件更易開裂。溫度-收縮裂縫在大面積混凝土構件中一般表現為貫穿整個截面的貫通裂縫，又因其在局部位置的受拉方向一致，由此在同一局部位置的裂縫多表現為相互平行的貫穿裂縫。根據現場檢查數據，梁板裂縫多為貫通裂縫，且同一位置的裂縫基本相互平行，與受約束大體積混凝土溫度-收縮裂縫的特征較相符。

大量的工程實例表明，混凝土結構尤其是超長超大體積混凝土結構，80%～90%的裂縫都屬于溫度-收縮裂縫，此類裂縫雖基本不影響結構及構件的安全性能，但考慮到大部分裂縫位于室外露天環境，且已經出現漏水或滲水現象，應及時對開裂構件采取措施處理，確保構件的正常使用性能及耐久性能。