某高層住宅地下室剪力墻貫通裂縫分析

馬中原，董 迅

(1.中信建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司,湖北 武漢 430014; 2.中建三局工程設(shè)計(jì)有限公司,湖北 武漢 430070)

0 引言

混凝土剪力墻作為高層住宅的重要結(jié)構(gòu)組成部分[1],承擔(dān)著分散和抵御地震、風(fēng)等外部荷載的重要任務(wù),然而,近年來(lái)頻發(fā)的地震和極端天氣事件引發(fā)了人們對(duì)高層住宅結(jié)構(gòu)安全的關(guān)切,在這個(gè)背景下,高層住宅混凝土剪力墻貫通裂縫問(wèn)題備受關(guān)注。

通過(guò)對(duì)高層住宅剪力墻貫通裂縫問(wèn)題的深入研究和探討,我們希望為城市建設(shè)和高層住宅設(shè)計(jì)提供更多有益的見(jiàn)解,以確保這一重要建筑類型的結(jié)構(gòu)安全和可持續(xù)性,從而為現(xiàn)代城市的發(fā)展和人民的生活質(zhì)量作出積極貢獻(xiàn)。

1 高層結(jié)構(gòu)剪力墻性能

剪力墻是建筑結(jié)構(gòu)中的重要組成部分,它在提供結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗側(cè)向荷載方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。以下是剪力墻的一些性能和作用:

結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性:剪力墻具有較高的剛度,能夠抵抗水平荷載引起的結(jié)構(gòu)變形,提高了建筑物的整體穩(wěn)定性,降低了結(jié)構(gòu)的倒塌風(fēng)險(xiǎn)。

抗震性:剪力墻的主要作用之一是提高建筑物的抗震性能。在地震發(fā)生時(shí),剪力墻可以分散和減輕地震力,從而保護(hù)建筑物和其內(nèi)部的人員和財(cái)產(chǎn)免受損害。

抗風(fēng)性:剪力墻也可以增強(qiáng)建筑物的抗風(fēng)性能。它們可以減小風(fēng)荷載對(duì)建筑物的側(cè)向壓力,防止建筑物在強(qiáng)風(fēng)中傾斜或倒塌。

結(jié)構(gòu)均衡:剪力墻有助于保持建筑物的結(jié)構(gòu)均衡。它們分散荷載并傳遞它們到建筑的基礎(chǔ),確保建筑物保持垂直和水平的穩(wěn)定性。

減小振動(dòng):剪力墻可以減小建筑物在自然振動(dòng)或外部振動(dòng)(如交通或風(fēng)振動(dòng))下的變形和震動(dòng)[2]。這對(duì)于某些醫(yī)院、實(shí)驗(yàn)室和有精密設(shè)備的建筑等非常重要。

節(jié)省空間:相比于其他抗側(cè)向荷載的結(jié)構(gòu)形式(如框架結(jié)構(gòu)),剪力墻通常需要較少的空間,這使得它們適用于城市環(huán)境和有限的土地區(qū)域。

總之,剪力墻是一種關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)元素,不僅確保了建筑物的穩(wěn)定性和安全性,還提高了其抗自然災(zāi)害的能力。建筑設(shè)計(jì)師和工程師在設(shè)計(jì)建筑物時(shí)通常會(huì)考慮剪力墻的位置和數(shù)量,以確保建筑物滿足安全和性能要求。

2 常見(jiàn)裂縫類型及成因

混凝土結(jié)構(gòu)中常見(jiàn)的裂縫類型有很多,它們的成因可以多種多樣。以下是一些常見(jiàn)的混凝土裂縫類型及其成因[3]:

1)荷載裂縫。荷載裂縫是由于外部荷載作用于混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)引起的。當(dāng)荷載超過(guò)混凝土的承載能力時(shí),裂縫就會(huì)形成。

2)收縮裂縫?；炷猎谟不^(guò)程中會(huì)收縮,這種收縮會(huì)導(dǎo)致混凝土表面出現(xiàn)裂縫。收縮裂縫的形成通常是由于混凝土的水含量、材料的質(zhì)量和環(huán)境條件等因素引起的。

3)環(huán)境裂縫。環(huán)境裂縫是由于外部環(huán)境因素,如凍融循環(huán)、鹽滲透、化學(xué)侵蝕等引起的混凝土表面的裂縫。這些因素可以破壞混凝土的內(nèi)部及表面,并導(dǎo)致裂縫的形成。

4)設(shè)計(jì)和施工缺陷。裂縫也可能是由于設(shè)計(jì)或施工缺陷引起的,包括混凝土的質(zhì)量控制問(wèn)題、鋼筋配置不當(dāng)、模板支撐不穩(wěn)定等。

了解不同類型的混凝土裂縫及其成因?qū)τ诰S護(hù)和修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)非常重要。在設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)過(guò)程中采取正確的措施可以減少裂縫的發(fā)生,并確?；炷两Y(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期耐久性和安全性。

3 剪力墻裂縫防治措施

混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的貫通裂縫是一個(gè)重要的工程問(wèn)題,需要采取一系列防治措施以確保建筑的結(jié)構(gòu)安全和可持續(xù)性。以下是一些常見(jiàn)的防治措施:

1)材料選擇與質(zhì)量控制:在建筑剪力墻時(shí),應(yīng)選擇高質(zhì)量的混凝土和鋼筋,確保它們符合相應(yīng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。材料的質(zhì)量對(duì)于防止裂縫的形成至關(guān)重要。

2)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):剪力墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮地震和風(fēng)荷載,以確保其能夠承受外部作用。工程師應(yīng)采用現(xiàn)代的結(jié)構(gòu)分析方法,確保結(jié)構(gòu)的合理性和穩(wěn)定性。

3)施工質(zhì)量控制:在剪力墻的施工過(guò)程中,需要嚴(yán)格控制施工質(zhì)量。確?；炷恋臐仓鶆?避免過(guò)早脫模和快速干燥,這有助于減少裂縫的形成。

4)使用抗裂縮混凝土:抗裂縮混凝土具有較低的收縮率和較高的抗裂性能。在剪力墻的關(guān)鍵部位,特別是在支座附近,使用抗裂縮混凝土可以有效減少裂縫的發(fā)生。

5)增加剪力墻的厚度和剪力筋:在設(shè)計(jì)階段,可以考慮增加剪力墻的厚度或添加更多的剪力筋,以提高其抗裂性能。這可以增加結(jié)構(gòu)的韌性,降低裂縫的發(fā)生和擴(kuò)展風(fēng)險(xiǎn)。

6)裂縫監(jiān)測(cè)與維護(hù):定期進(jìn)行結(jié)構(gòu)裂縫的監(jiān)測(cè),并采取及時(shí)的維護(hù)措施。包括填充裂縫以防止其擴(kuò)展,以及修復(fù)已經(jīng)存在的裂縫,以維持結(jié)構(gòu)的完整性。

7)使用外部加固技術(shù):如果剪力墻已經(jīng)出現(xiàn)了裂縫并且需要進(jìn)一步加固,可以考慮使用外部加固技術(shù),如粘貼纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP),以增加結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性[4]。

8)地基加固:在某些情況下,地基的不穩(wěn)定性可能導(dǎo)致剪力墻的裂縫。在這種情況下,必須進(jìn)行地基加固工程,以消除不穩(wěn)定因素。

總之,混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的貫通裂縫防治需要綜合考慮材料、設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)等多個(gè)方面因素。采取適當(dāng)?shù)拇胧┛梢源蟠蠼档土芽p的發(fā)生和擴(kuò)展風(fēng)險(xiǎn),確保建筑的結(jié)構(gòu)安全性和可持續(xù)性。

4 案例研究

以湖北省武漢市某新建住宅小區(qū)12號(hào)高層住宅樓為例進(jìn)行分析。

4.1 工程概況

該小區(qū)12號(hào)樓,地下2層,地上32層,總高度98.85 m,層高3.0 m,采用混凝土剪力墻結(jié)構(gòu),建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí),設(shè)計(jì)使用年限為50 a,剪力墻抗震等級(jí)為三級(jí)。地下室混凝土強(qiáng)度等級(jí)C50,地下室主體結(jié)構(gòu)驗(yàn)收時(shí),在剪力墻上發(fā)現(xiàn)貫通豎向裂縫。

4.1.1 開裂位置

12號(hào)樓地下室剪力墻柱共有6處剪力墻豎向貫穿裂縫,具體開裂位置及現(xiàn)場(chǎng)裂縫圖如圖1,圖2所示。

4.1.2 施工及養(yǎng)護(hù)過(guò)程

1)驗(yàn)收情況。地下室負(fù)二層墻、柱于2023年3月24日進(jìn)行舉牌驗(yàn)收,施工作業(yè)要求及質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求。

地下室負(fù)一層梁、板于2023年3月31日進(jìn)行舉牌驗(yàn)收,施工作業(yè)要求及質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求。

2)施工情況。地下室負(fù)一層梁、板于2023年3月31日夜間23點(diǎn)30分進(jìn)行混凝土澆筑,施工過(guò)程中總包及監(jiān)理單位對(duì)混凝土質(zhì)量現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行抽查。于2023年4月1日下午14點(diǎn)整澆筑完成,歷時(shí)14個(gè)小時(shí)完成混凝土澆筑,約420 m3。

3)養(yǎng)護(hù)情況。于2023年4月2日早6點(diǎn)開始進(jìn)行一天三次的混凝土養(yǎng)護(hù),對(duì)混凝土墻柱面、梁板進(jìn)行濕水養(yǎng)護(hù),截止于4月20日還未到28 d混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

4)開裂情況。6處開裂情況中,最為嚴(yán)重的為5號(hào)開裂點(diǎn),豎向貫通裂縫從墻頂部開裂至墻底1.2 m位置,厚度約為1 mm(未采用專業(yè)檢查設(shè)備)。其余開裂位置均小于1 mm,在墻中部發(fā)生開裂,開裂長(zhǎng)度1.5 m～2 m。

4.2 剪力墻結(jié)構(gòu)貫通裂縫成因分析

4.2.1 初步分析

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地勘察及混凝土澆筑、養(yǎng)護(hù)情況,結(jié)合混凝土強(qiáng)度等級(jí)及外加劑摻入情況綜合分析。提出以下開裂可能情況:

1)結(jié)合近端時(shí)間氣溫回升,晝夜溫差大。其中3月31日夜間氣溫僅有11 ℃,4月1日氣溫25 ℃～13 ℃,溫差最大至14 ℃?？赡芑炷灵L(zhǎng)墻因氣溫變化較大導(dǎo)致開裂。后續(xù)養(yǎng)護(hù)期間氣溫變化較大,導(dǎo)致混凝土發(fā)生應(yīng)力變化開裂。

2)現(xiàn)場(chǎng)施工混凝土外墻長(zhǎng)墻中,加入SY-K膨脹劑,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地勘察并未發(fā)現(xiàn)外墻混凝土開裂,可能是由于混凝土墻體較長(zhǎng)且為加入外加劑緣故,導(dǎo)致內(nèi)墻發(fā)生混凝土應(yīng)力開裂。

3)混凝土標(biāo)號(hào)較高,氣溫溫差較大,導(dǎo)致混凝土內(nèi)外溫差過(guò)大,從而混凝土發(fā)生冷收縮,因此混凝土發(fā)生豎向不均勻貫穿裂縫[5]。

4.2.2 結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析(有限元)

1)實(shí)際案例模型。a.建模:使用盈建科建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件建立結(jié)構(gòu)局部地下室的三維模型,模型中梁、柱構(gòu)件為桿單元,墻體為殼單元,板按彈性板6考慮,設(shè)置彈性板荷載計(jì)算方式為有限元計(jì)算,模型各構(gòu)件截面及材料均與實(shí)際結(jié)構(gòu)保持一致。建成模型如圖3所示。b.加載:為簡(jiǎn)化計(jì)算,將按彈性計(jì)算的溫差內(nèi)力乘以徐變應(yīng)力松弛系數(shù)0.3,作為實(shí)際溫差內(nèi)力標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于溫度荷載,軟件考慮升溫與降溫兩種工況,分別對(duì)每種工況循環(huán)進(jìn)行荷載組合。在模型中通過(guò)輸入節(jié)點(diǎn)溫差來(lái)定義溫度荷載,根據(jù)工程實(shí)際情況,溫差最大為14 ℃。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反饋,結(jié)構(gòu)地下12層剪力墻局部出現(xiàn)豎向貫通裂縫,此時(shí)地下1層樓面標(biāo)高以上結(jié)構(gòu)尚未施工,結(jié)構(gòu)尚未加載,故判斷此處裂縫非結(jié)構(gòu)受力裂縫,因此模型中荷載組合類別取單工況(升溫、降溫)。

2)應(yīng)力分析。在有限元分析中,利用最大主應(yīng)力來(lái)判斷混凝土裂縫的形成是一種常見(jiàn)的方法[6]。通過(guò)軟件分析溫度變化對(duì)此結(jié)構(gòu)的影響,1—6開裂點(diǎn)處的最大主應(yīng)力云圖如圖4—圖13所示。

由圖4,圖5可知,在升溫工況下,1號(hào)、2號(hào)開裂點(diǎn)處最大主應(yīng)力值為-1 N/mm2～1 N/mm2,在降溫工況下,最大主應(yīng)力值為0 N/mm2～3 N/mm2,此時(shí)剪力墻底部和頂部最大主應(yīng)力均超過(guò)2 N/mm2。

由圖6,圖7可知,在升溫工況下,3號(hào)開裂點(diǎn)處最大主應(yīng)力值為-1 N/mm2～1 N/mm2,在降溫工況下,最大主應(yīng)力值為0 N/mm2～3 N/mm2,此時(shí)剪力墻底部和頂部最大主應(yīng)力值在2 N/mm2左右。

由圖8,圖9可知,在升溫工況下,4號(hào)開裂點(diǎn)處最大主應(yīng)力值為0 N/mm2左右,在降溫工況下,剪力墻中部最大主應(yīng)力值在1 N/mm2左右,底部最大主應(yīng)力值均超過(guò)2 N/mm2。

由圖10,圖11可知,在升溫工況下,5號(hào)開裂點(diǎn)處最大主應(yīng)力值為-1 N/mm2～0 N/mm2,在降溫工況下,最大主應(yīng)力值為0 N/mm2～3 N/mm2,此時(shí)剪力墻底部和頂部最大主應(yīng)力均達(dá)到3 N/mm2,剪力墻中部最大主應(yīng)力也超過(guò)2 N/mm2。

由圖12,圖13可知,在升溫工況下,6號(hào)開裂點(diǎn)處最大主應(yīng)力值為-1 N/mm2～1 N/mm2,在降溫工況下,剪力墻中部最大主應(yīng)力接近2 N/mm2,底部最大主應(yīng)力達(dá)到3 N/mm2。

由應(yīng)力云圖可知,在各開裂點(diǎn)處的混凝土最大主應(yīng)力的數(shù)值均接近或超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度(1.89 N/mm2),說(shuō)明在這些點(diǎn)處可能會(huì)發(fā)生拉伸破壞,從而引發(fā)混凝土裂縫的形成,這些點(diǎn)位是潛在的裂縫位置,經(jīng)對(duì)比與實(shí)際情況基本吻合。

4.3 剪力墻貫通裂縫處理(意見(jiàn)建議)

考慮到該樓地下2層剪力墻設(shè)計(jì)混凝土等級(jí)、材料要求、墻肢長(zhǎng)度均較常規(guī),且與此設(shè)計(jì)條件相同的其他樓未反饋出現(xiàn)類似裂縫,故此處裂縫可能與施工時(shí)的氣溫變化、養(yǎng)護(hù)措施等相關(guān),同時(shí)需進(jìn)一步核實(shí)開裂剪力墻的混凝土強(qiáng)度等級(jí)及鋼筋配置是否與設(shè)計(jì)一致。建議采取以下措施:

1)對(duì)裂縫發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行觀測(cè)。制定裂縫觀測(cè)計(jì)劃,記錄裂縫擴(kuò)展、裂縫寬度等變化情況。裂縫數(shù)量、寬度進(jìn)一步發(fā)展時(shí)應(yīng)及時(shí)通知參建各方,協(xié)商處理措施。

2)剪力墻混凝土到相應(yīng)齡期后,對(duì)混凝土強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè),將檢測(cè)結(jié)果及時(shí)通知參建各方。

3)后續(xù)施工中加強(qiáng)對(duì)剪力墻的養(yǎng)護(hù)。特別是對(duì)于山墻,在氣溫變化較大時(shí),宜在延長(zhǎng)模板留置時(shí)間的基礎(chǔ)上加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)。

4)后期剪力墻混凝土強(qiáng)度檢測(cè)滿足要求且裂縫無(wú)發(fā)展時(shí),對(duì)裂縫進(jìn)行相應(yīng)修復(fù)。可采用化學(xué)灌漿法對(duì)混凝土裂縫進(jìn)行修補(bǔ)處理[7],以下是一般情況下的步驟:

a.裂縫評(píng)估:在開始修補(bǔ)之前,首先需要對(duì)混凝土裂縫進(jìn)行評(píng)估,確定其尺寸、深度和類型。這有助于選擇適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)灌漿材料和確定修補(bǔ)方法。

b.安全措施:在進(jìn)行化學(xué)灌漿工作之前,確保采取適當(dāng)?shù)陌踩胧?包括佩戴適當(dāng)?shù)膫€(gè)人防護(hù)裝備,如手套、護(hù)目鏡和口罩。

c.準(zhǔn)備工作:清除裂縫中的雜物、塵土和松動(dòng)的混凝土碎片?？梢允褂每諝鈮嚎s機(jī)或刷子進(jìn)行清潔。確保裂縫表面干燥。

d.灌漿材料選擇:根據(jù)裂縫的性質(zhì)和深度選擇適當(dāng)?shù)墓酀{材料。常用的選擇包括聚合物樹脂、環(huán)氧樹脂、聚氨酯或水泥漿液。

e.混合灌漿材料:按照制造商的建議,準(zhǔn)備所選灌漿材料。通常需要混合粉末或液體成分,確保達(dá)到適當(dāng)?shù)臐舛群宛ざ取?/p>

f.灌漿:使用適當(dāng)?shù)脑O(shè)備,如灌漿槍或注射泵,將灌漿材料注入混凝土裂縫中。從裂縫的底部開始,緩慢注入灌漿材料,確保充分填充整個(gè)裂縫。

g.等待固化:根據(jù)灌漿材料的說(shuō)明,等待一段時(shí)間,以確保材料充分固化。這個(gè)時(shí)間通常會(huì)根據(jù)材料的類型和環(huán)境條件而變化。

h.修整表面:修復(fù)過(guò)的表面可以在灌漿完全固化后進(jìn)行修整。這包括刮掉多余的灌漿材料,研磨表面以使其平坦,并確保修補(bǔ)區(qū)域與周圍的混凝土表面相一致。

i.清潔:清潔使用的工具和設(shè)備,以及移除可能溢出的灌漿材料,以防止其硬化。

j.保護(hù)和維護(hù):對(duì)修補(bǔ)后的混凝土表面進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)和維護(hù),以確保長(zhǎng)期性能。這可能包括防水涂層、涂漆或其他防護(hù)措施,具體取決于應(yīng)用需求。

不同類型的混凝土和裂縫可能需要不同的灌漿材料和方法。在進(jìn)行任何修補(bǔ)工作之前,建議咨詢專業(yè)人員,以確保選擇合適的材料和技術(shù),以及遵循所有相關(guān)的安全和環(huán)保法規(guī)。

5 結(jié)論

高層住宅剪力墻貫通裂縫的成因是多方面的。本文以某新建住宅小區(qū)高層住宅樓為例進(jìn)行分析,推測(cè)剪力墻貫通裂縫的成因是剪力墻混凝土標(biāo)號(hào)較高,在后續(xù)養(yǎng)護(hù)期間氣溫變化較大,導(dǎo)致混凝土內(nèi)外溫差過(guò)大,剪力墻產(chǎn)生應(yīng)力集中,從而使混凝土發(fā)生開裂。通過(guò)有限元計(jì)算對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行分析并驗(yàn)證,計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況基本吻合。

針對(duì)此工程現(xiàn)狀,建議在后續(xù)施工中加強(qiáng)對(duì)剪力墻的養(yǎng)護(hù)。特別是對(duì)于山墻,在氣溫變化較大時(shí),宜在延長(zhǎng)模板留置時(shí)間的基礎(chǔ)上加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)。在后期剪力墻混凝土強(qiáng)度檢測(cè)滿足要求且裂縫無(wú)發(fā)展時(shí),可采用化學(xué)灌漿法等對(duì)混凝土裂縫進(jìn)行修補(bǔ)處理。