某高層住宅地下室剪力墻貫通裂縫分析

馬中原，董 迅

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

0 引言

混凝土剪力墻作為高層住宅的重要結構組成部分[1],承擔著分散和抵御地震、風等外部荷載的重要任務,然而,近年來頻發的地震和極端天氣事件引發了人們對高層住宅結構安全的關切,在這個背景下,高層住宅混凝土剪力墻貫通裂縫問題備受關注。

通過對高層住宅剪力墻貫通裂縫問題的深入研究和探討,我們希望為城市建設和高層住宅設計提供更多有益的見解,以確保這一重要建筑類型的結構安全和可持續性,從而為現代城市的發展和人民的生活質量作出積極貢獻。

1 高層結構剪力墻性能

剪力墻是建筑結構中的重要組成部分,它在提供結構穩定性和抗側向荷載方面發揮著關鍵作用。以下是剪力墻的一些性能和作用:

結構穩定性:剪力墻具有較高的剛度,能夠抵抗水平荷載引起的結構變形,提高了建筑物的整體穩定性,降低了結構的倒塌風險。

抗震性:剪力墻的主要作用之一是提高建筑物的抗震性能。在地震發生時,剪力墻可以分散和減輕地震力,從而保護建筑物和其內部的人員和財產免受損害。

抗風性:剪力墻也可以增強建筑物的抗風性能。它們可以減小風荷載對建筑物的側向壓力,防止建筑物在強風中傾斜或倒塌。

結構均衡:剪力墻有助于保持建筑物的結構均衡。它們分散荷載并傳遞它們到建筑的基礎,確保建筑物保持垂直和水平的穩定性。

減小振動:剪力墻可以減小建筑物在自然振動或外部振動(如交通或風振動)下的變形和震動[2]。這對于某些醫院、實驗室和有精密設備的建筑等非常重要。

節省空間:相比于其他抗側向荷載的結構形式(如框架結構),剪力墻通常需要較少的空間,這使得它們適用于城市環境和有限的土地區域。

總之,剪力墻是一種關鍵的結構元素,不僅確保了建筑物的穩定性和安全性,還提高了其抗自然災害的能力。建筑設計師和工程師在設計建筑物時通常會考慮剪力墻的位置和數量,以確保建筑物滿足安全和性能要求。

2 常見裂縫類型及成因

混凝土結構中常見的裂縫類型有很多,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構時引起的。當荷載超過混凝土的承載能力時,裂縫就會形成。

2)收縮裂縫?；炷猎谟不^程中會收縮,這種收縮會導致混凝土表面出現裂縫。收縮裂縫的形成通常是由于混凝土的水含量、材料的質量和環境條件等因素引起的。

3)環境裂縫。環境裂縫是由于外部環境因素,如凍融循環、鹽滲透、化學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部及表面,并導致裂縫的形成。

4)設計和施工缺陷。裂縫也可能是由于設計或施工缺陷引起的,包括混凝土的質量控制問題、鋼筋配置不當、模板支撐不穩定等。

了解不同類型的混凝土裂縫及其成因對于維護和修復混凝土結構非常重要。在設計、施工和維護過程中采取正確的措施可以減少裂縫的發生,并確?；炷两Y構的長期耐久性和安全性。

3 剪力墻裂縫防治措施

混凝土剪力墻結構的貫通裂縫是一個重要的工程問題,需要采取一系列防治措施以確保建筑的結構安全和可持續性。以下是一些常見的防治措施:

1)材料選擇與質量控制:在建筑剪力墻時,應選擇高質量的混凝土和鋼筋,確保它們符合相應的國際標準和規范。材料的質量對于防止裂縫的形成至關重要。

2)合理的結構設計:剪力墻的結構設計應充分考慮地震和風荷載,以確保其能夠承受外部作用。工程師應采用現代的結構分析方法,確保結構的合理性和穩定性。

3)施工質量控制:在剪力墻的施工過程中,需要嚴格控制施工質量。確?；炷恋臐仓鶆?避免過早脫模和快速干燥,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生。

5)增加剪力墻的厚度和剪力筋:在設計階段,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。這可以增加結構的韌性,降低裂縫的發生和擴展風險。

6)裂縫監測與維護:定期進行結構裂縫的監測,并采取及時的維護措施。包括填充裂縫以防止其擴展,以及修復已經存在的裂縫,以維持結構的完整性。

7)使用外部加固技術:如果剪力墻已經出現了裂縫并且需要進一步加固,可以考慮使用外部加固技術,如粘貼纖維增強復合材料(FRP),以增加結構的強度和穩定性[4]。

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

總之,混凝土剪力墻結構的貫通裂縫防治需要綜合考慮材料、設計、施工和維護等多個方面因素。采取適當的措施可以大大降低裂縫的發生和擴展風險,確保建筑的結構安全性和可持續性。

4 案例研究

以湖北省武漢市某新建住宅小區12號高層住宅樓為例進行分析。

4.1 工程概況

該小區12號樓,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構,建筑結構安全等級為二級,設計使用年限為50 a,剪力墻抗震等級為三級。地下室混凝土強度等級C50,地下室主體結構驗收時,在剪力墻上發現貫通豎向裂縫。

4.1.1 開裂位置

12號樓地下室剪力墻柱共有6處剪力墻豎向貫穿裂縫,具體開裂位置及現場裂縫圖如圖1,圖2所示。

4.1.2 施工及養護過程

1)驗收情況。地下室負二層墻、柱于2023年3月24日進行舉牌驗收,施工作業要求及質量符合設計要求。

地下室負一層梁、板于2023年3月31日進行舉牌驗收,施工作業要求及質量符合設計要求。

2)施工情況。地下室負一層梁、板于2023年3月31日夜間23點30分進行混凝土澆筑,施工過程中總包及監理單位對混凝土質量現場進行抽查。于2023年4月1日下午14點整澆筑完成,歷時14個小時完成混凝土澆筑,約420 m3。

3)養護情況。于2023年4月2日早6點開始進行一天三次的混凝土養護,對混凝土墻柱面、梁板進行濕水養護,截止于4月20日還未到28 d混凝土設計強度。

4)開裂情況。6處開裂情況中,最為嚴重的為5號開裂點,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(未采用專業檢查設備)。其余開裂位置均小于1 mm,在墻中部發生開裂,開裂長度1.5 m～2 m。

4.2 剪力墻結構貫通裂縫成因分析

4.2.1 初步分析

通過現場實地勘察及混凝土澆筑、養護情況,結合混凝土強度等級及外加劑摻入情況綜合分析。提出以下開裂可能情況:

1)結合近端時間氣溫回升,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墻因氣溫變化較大導致開裂。后續養護期間氣溫變化較大,導致混凝土發生應力變化開裂。

2)現場施工混凝土外墻長墻中,加入SY-K膨脹劑,現場實地勘察并未發現外墻混凝土開裂,可能是由于混凝土墻體較長且為加入外加劑緣故,導致內墻發生混凝土應力開裂。

3)混凝土標號較高,氣溫溫差較大,導致混凝土內外溫差過大,從而混凝土發生冷收縮,因此混凝土發生豎向不均勻貫穿裂縫[5]。

4.2.2 結構應力分析(有限元)

1)實際案例模型。a.建模:使用盈建科建筑結構計算軟件建立結構局部地下室的三維模型,模型中梁、柱構件為桿單元,墻體為殼單元,板按彈性板6考慮,設置彈性板荷載計算方式為有限元計算,模型各構件截面及材料均與實際結構保持一致。建成模型如圖3所示。b.加載:為簡化計算,將按彈性計算的溫差內力乘以徐變應力松弛系數0.3,作為實際溫差內力標準值進行設計。對于溫度荷載,軟件考慮升溫與降溫兩種工況,分別對每種工況循環進行荷載組合。在模型中通過輸入節點溫差來定義溫度荷載,根據工程實際情況,溫差最大為14 ℃。據現場反饋,結構地下12層剪力墻局部出現豎向貫通裂縫,此時地下1層樓面標高以上結構尚未施工,結構尚未加載,故判斷此處裂縫非結構受力裂縫,因此模型中荷載組合類別取單工況(升溫、降溫)。

2)應力分析。在有限元分析中,利用最大主應力來判斷混凝土裂縫的形成是一種常見的方法[6]。通過軟件分析溫度變化對此結構的影響,1—6開裂點處的最大主應力云圖如圖4—圖13所示。

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

由圖6,圖7可知,在升溫工況下,3號開裂點處最大主應力值為-1 N/mm2～1 N/mm2,在降溫工況下,最大主應力值為0 N/mm2～3 N/mm2,此時剪力墻底部和頂部最大主應力值在2 N/mm2左右。

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

由圖10,圖11可知,在升溫工況下,5號開裂點處最大主應力值為-1 N/mm2～0 N/mm2,在降溫工況下,最大主應力值為0 N/mm2～3 N/mm2,此時剪力墻底部和頂部最大主應力均達到3 N/mm2,剪力墻中部最大主應力也超過2 N/mm2。

由圖12,圖13可知,在升溫工況下,6號開裂點處最大主應力值為-1 N/mm2～1 N/mm2,在降溫工況下,剪力墻中部最大主應力接近2 N/mm2,底部最大主應力達到3 N/mm2。

由應力云圖可知,在各開裂點處的混凝土最大主應力的數值均接近或超過混凝土的抗拉強度(1.89 N/mm2),說明在這些點處可能會發生拉伸破壞,從而引發混凝土裂縫的形成,這些點位是潛在的裂縫位置,經對比與實際情況基本吻合。

4.3 剪力墻貫通裂縫處理(意見建議)

考慮到該樓地下2層剪力墻設計混凝土等級、材料要求、墻肢長度均較常規,且與此設計條件相同的其他樓未反饋出現類似裂縫,故此處裂縫可能與施工時的氣溫變化、養護措施等相關,同時需進一步核實開裂剪力墻的混凝土強度等級及鋼筋配置是否與設計一致。建議采取以下措施:

1)對裂縫發展趨勢進行觀測。制定裂縫觀測計劃,記錄裂縫擴展、裂縫寬度等變化情況。裂縫數量、寬度進一步發展時應及時通知參建各方,協商處理措施。

2)剪力墻混凝土到相應齡期后,對混凝土強度進行檢測,將檢測結果及時通知參建各方。

3)后續施工中加強對剪力墻的養護。特別是對于山墻,在氣溫變化較大時,宜在延長模板留置時間的基礎上加強養護。

4)后期剪力墻混凝土強度檢測滿足要求且裂縫無發展時,對裂縫進行相應修復?？刹捎没瘜W灌漿法對混凝土裂縫進行修補處理[7],以下是一般情況下的步驟:

a.裂縫評估:在開始修補之前,首先需要對混凝土裂縫進行評估,確定其尺寸、深度和類型。這有助于選擇適當的化學灌漿材料和確定修補方法。

b.安全措施:在進行化學灌漿工作之前,確保采取適當的安全措施,包括佩戴適當的個人防護裝備,如手套、護目鏡和口罩。

c.準備工作:清除裂縫中的雜物、塵土和松動的混凝土碎片?？梢允褂每諝鈮嚎s機或刷子進行清潔。確保裂縫表面干燥。

d.灌漿材料選擇:根據裂縫的性質和深度選擇適當的灌漿材料。常用的選擇包括聚合物樹脂、環氧樹脂、聚氨酯或水泥漿液。

e.混合灌漿材料:按照制造商的建議,準備所選灌漿材料。通常需要混合粉末或液體成分,確保達到適當的濃度和黏度。

f.灌漿:使用適當的設備,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,確保充分填充整個裂縫。

g.等待固化:根據灌漿材料的說明,等待一段時間,以確保材料充分固化。這個時間通常會根據材料的類型和環境條件而變化。

h.修整表面:修復過的表面可以在灌漿完全固化后進行修整。這包括刮掉多余的灌漿材料,研磨表面以使其平坦,并確保修補區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備,以及移除可能溢出的灌漿材料,以防止其硬化。

j.保護和維護:對修補后的混凝土表面進行適當的保護和維護,以確保長期性能。這可能包括防水涂層、涂漆或其他防護措施,具體取決于應用需求。

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。在進行任何修補工作之前,建議咨詢專業人員,以確保選擇合適的材料和技術,以及遵循所有相關的安全和環保法規。

5 結論

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高層住宅樓為例進行分析,推測剪力墻貫通裂縫的成因是剪力墻混凝土標號較高,在后續養護期間氣溫變化較大,導致混凝土內外溫差過大,剪力墻產生應力集中,從而使混凝土發生開裂。通過有限元計算對結構應力進行分析并驗證,計算結果與實際情況基本吻合。

針對此工程現狀,建議在后續施工中加強對剪力墻的養護。特別是對于山墻,在氣溫變化較大時,宜在延長模板留置時間的基礎上加強養護。在后期剪力墻混凝土強度檢測滿足要求且裂縫無發展時,可采用化學灌漿法等對混凝土裂縫進行修補處理。