某大酒店工程为地上30层, 地下2层, 建筑总高度为97.6m。其建筑平面呈D:38m的圆形, 外围是16根框架柱, 内筒采用双筒型式, 里侧为边长9.78m×11.83m的方筒, 外侧为D:17m的圆筒。最初设计采用双筒一直到顶的结构体系, 而且已按此设计完成地下室及地面5层的主体结构施工, 后来新业主要求扩大16层以上客房的使用面积, 把16层以上的圆筒取消, 只保留方筒。这一结构体系的大调整, 使传力路径发生了重大改变, 于是有关设计人员进行了深入研究和处理。随后第6层以上按新图纸施工, 并在15层楼面按要求取消了圆筒。
对裂缝的界定一般以可见缝宽>0.05mm的称为“宏观裂缝”, 反之则称为“微观裂缝”。工程中构件产生裂缝的主要原因可以分为两大类, 一类是由动、静荷载和其他外荷载引起的裂缝;另一类是由温度、收缩、不均匀沉降的变形荷载引起的裂缝。本工程剪力墙裂缝不属于上述第1类荷载裂缝 (强度裂缝) , 即不属设计控制范围, 因为在主体结构施工阶段, 各种动、静荷载尤其是地震、风荷载 (无围护) 。尚未施加上去, 构件远未达到设计状态;但裂缝也不属于第2类荷载即差异沉降变形引起, 一般不均匀沉降由于柱基差异沉降带动梁头下拉, 在梁端产生斜裂缝。现场做的沉降观测记录也证实, 墙柱最大沉降4mm, 可视为混凝土的压缩, 两柱间差异沉降最大为0.26‰, 远小于地基规范允许值2‰, 因此可以排除由柱基差异沉降造成的因素。
本工程剪力墙裂缝可认为是由于混凝土收缩及其温差所引起, 而且前者是主要的因素。混凝土收缩是指混凝土在不受力的情况下因变形而产生的体积减小, 主要包括: (1) 硬化收缩, 即混凝土在水化结硬过程中, 由于水泥颗粒不断水化, 毛细管及各孔隙游离水逐渐与水泥矿物质水化, 转化为凝胶及结晶成水泥石, 体积略有收缩, 亦称“自生收缩”; (2) 失水收缩, 即混凝土内水分不断蒸发, 引起体积显著收缩, 其收缩量占总体积收缩量的80%~90%, 亦称“干缩”; (3) 碳化收缩, 即大气中的二氧化碳与水泥的水化物发生化学反应引起的收缩变形。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塑性而不影响裂缝的产生。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。但实际工程中每种构件都受到不同程度的约束, 这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。本工程剪力墙的变形就受到了约束, 该约束来自每层的楼板及剪力墙的暗梁。
收缩系数与时间的关系受很多因素的影响, 混凝土最终收缩应变与混凝土浇筑天数的关系式为:
式中:t——混凝土浇筑天数;
M——考虑各种因素后的修正系数。
本工程方筒外墙长ι=8530mm, 可按式 (1) 计算出裂缝宽度与天数的关系如下:
在混凝土浇筑15d后, 早期收缩趋于稳定, 裂缝总宽度最大为0.916mm, 分成3条则每条宽约0.3mm, 与实际情况较接近。
80年代以前, 民用建筑中出现混凝土早期收缩裂缝的机率是相当小的, 90年代后随着我国泵送流态混凝土施工工艺的逐步推广, 工程中出现早期收缩裂缝的比例逐渐增大, 说明与泵送及商品混凝土的广泛使用有一定的对应关系。泵送流态混凝土由于流动性及和易性的要求, 以及坍落度、水灰比增大, 水泥标号提高, 水泥用量增加, 骨料粒径减小, 外加剂用量增多等诸多因素的变化, 导致混凝土的收缩及水化热作用比以往低流动性混凝土大幅增强, 前者的收缩变形量约为 (6.0~8.0) ×10-4, 而后者仅为 (2.0~3.5) ×10-4。美国AC11305委员会在1991年发表的《炎热气候下的混凝土施工》中指出, 混凝土入模温度高, 环境相对湿度低和阳光照射引起混凝土表面水分蒸发快是产生混凝土早期干缩裂缝的原因。为便于对比, 将本工程施工配料表中有关混凝土一些参数列于表1。
(1) 水泥。水泥水化热被一致认为是引起混凝土裂缝的主要原因, 主要通过控制水泥用量来实现对其的控制。常规概念认为水泥用量越大, 混凝土强度越高, 尤其是随着高强混凝土的大批量使用, 混凝土配中的水泥用量逐渐增大, 混凝土收缩裂缝也就相应增多, 这已成为目前建筑界的突出问题。而实际上现代高强混凝土的研究表明, 由于混合材料的出现, 混凝土强度与水泥用量之间并非一定成比例关系, 在低水泥用量的情况下同样可以配制出高强混凝土。根据表1的数据, 本工程将水泥用量减少应该是不成问题的。
(2) 混合材料。目前为了提高混凝土的施工可操作性, 使混凝土硬化后获得高性能最常用和最有效的方法是采用“双掺”技术, 即同时掺人高效减水剂及活性掺合料。减剂能有效降低混凝土水灰比, 改善混凝土拌合物的工作性能, 提高混凝土强度, 节省水泥用量。混凝土中的添加物当所占比例<5%时称为掺量, 超过的则称为混合材料。混合材料是现代高强混凝土中除砂、石、水泥、水、减水剂以外的不可缺少的第6种组成部分若选用粉煤灰, 则可以减少需水量, 同时可降低泌水量, 减少坍落度损失和降低水化热如掺入水泥用量的15%, 就可降低水化热约15%。掺粉煤灰的混凝土早期抗拉强度增长较慢, 而后期强度发展较快。粉煤灰分为3级, Ⅰ级用于预应力混凝土, Ⅱ级用于普通钢筋混凝土, Ⅲ级用于无筋混凝土, 因此本工程剪力墙使用Ⅱ级粉煤灰是合适的。粉煤灰取代水泥的最大用量可达50%, 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的相容性, 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) 水灰比。若水灰比过大, 则混凝土结构内部的水孔及毛细孔增多, 骨料与水泥石界面的泌水也增多, 造成结构疏松, 混凝土拌和物的总用水量对干缩的影响较显著。
(4) 粗骨料。它对干缩的影响有两层意思:一是提高粗骨料的用量, 可使混凝土拌和物的总用水量及水泥浆量相应减少, 从而减少混凝土干缩;二是由于粗骨料的约束作用减少了水泥浆的干缩, 其约束作用取决于骨料类型、刚度、总用量和最大粒径。坚固且坚硬的骨料如白云石、长石、花岗石和石英等, 对水泥浆收缩起到更大的约束作用, 而砂岩和板岩的约束作用则较弱。砂石含泥量大, 吸水率也大, 因而收缩量也较大。
(5) 混凝土的养护。国外由于开发了减少混凝土收缩的外加剂, 所以其泵送流态混凝土的收缩变形能得到有效控制。但国内却缺乏类似的外加剂, 虽然通过添加UEA等微膨胀剂, 可从某种程度上减少混凝土的收缩变形, 但由于UEA等的膨胀率指标是在水养14d的情况下获得的, 如果养护条件跟不上, 则其限制膨胀率会明显降低。实际工程中时常发生添加微膨胀剂后不但对防裂无效, 反而使开裂更为严重, 并产生后期强度倒缩等情况。如果按控制混凝土的收缩变形值为指标进行换算, 则泵送流态混凝土的养护要求要相当于大体积混凝土。但实际上对大体积混凝土一般都能严格按规范规定的要求进行特殊养护, 以控制混凝土的内外温差和收缩变形值, 但对泵送流态混凝土的养护, 通常仍采用过去流动性及预制混凝土的养护要求, 这是目前设计和施工人员容易忽视的一个关键因素。混凝土早期干缩开裂的临界相对湿度见表2。
从以上分析可知, 本工程筒体剪力墙裂缝是由于混凝土收缩引起的, 不是结构性裂缝, 对所出现的各种现象可以解释如下:
(1) 当圆筒与方筒同时存在时, 裂缝出现在圆筒外侧是因为方筒受圆筒所包裹, 且环境相对较阴暗潮湿, 空气对流也不明显, 处在这样好的墙体养护环境下, 水分不易蒸发, 因而混凝土收缩不明显;同样, 圆筒墙体内侧也较少发现裂缝。15层以上因取消了圆筒, 使方筒外墙直接暴露在空旷于燥的环境中, 养护环境恶化, 使混凝土外墙迅速失水, 裂缝便转换到方筒上。
(2) 随着楼层的增高, 墙体裂缝呈增多的趋势, 这是因为高空风速加大, 日晒时间延长, 温差大, 在相同时间里混凝土失水更多, 导致收缩裂缝发展迅速, 但最终收缩量相差不大, 因此呈现裂缝条数多则细、少则宽的规律。
(3) 裂缝呈“枣核形” (即梭形) , 不穿过楼层, 是由于楼面的“模箍作用”所致。其机理是由于被约束体 (墙体) 的变形受到约束体 (楼板及墙暗梁) 的约束, 随着逐渐远离楼面及暗梁, 该约束力逐渐减弱并形成收缩裂缝。在裂缝形成过程中, 裂缝处必然会产生变形, 而这种变形往上下伸展在接近楼板处因受到约束而其延伸受到限制, 直至逐渐消失, 因此可以认为约束作用既引起剪力墙开裂, 又限制了裂缝的发展。
(4) 从结构平面上看, 方筒南北面短肢墙体以及东西面电梯井洞口墙没有出现裂缝, 墙体短则其变形量就小, 收缩应力不足以抵抗约束力, 而电梯井外墙长8.5m, 收缩应力超过约束力, 裂缝便产生并等距离分布在墙面上。按弹性力学理论, 在线膨胀 (收缩) 系数不变的情况下, 墙体收缩应力与其长度成正比, 因此当墙体足够长时, 收缩应力会超过材料抗拉强度而导致裂缝的出现。
对于裂缝, 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, 使其细微至肉眼无法辨认。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、材料运用等各个方面, 在本工程中的运用可分述如下:
“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。本工程设计上可采取开“小结构洞”的方法, 把方筒东西面长墙分成2个墙肢, 洞口用砖墙封实, 不影响使用功能。由于在水平力作用下剪力墙结构变形曲线呈弯曲型, 到建筑上部剪力墙位移较大, 其剪切刚度的局部削弱对结构综合刚度影响不大, 因此在设计上是可行的。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。
“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, 把混凝土配比中的水泥从365kg/m3减小至300kg/m3, 粉煤灰用量从80kg/m3增加至120kg/m3甚至更多, 水灰比0.8适当调低, 都仍留有很大的余地。
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, 本工程剪力墙在拆模30min后就出现裂缝, 就说明了这一问题。为便于模板周转, 楼面拆模时间可以按照原计划, 但方筒的两段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。同时可以拿一层楼的长墙喷射养护剂作对比, 以检验其效果。
“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筋间距的办法。本工程剪力墙配筋率合适, 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。
混凝土裂缝虽然是不可避免的, 但其有害程度却是可以控制的, 有关标准可根据使用条件而定。从结构的耐久性要求、承载力要求及正常使用要求等方面考虑, 按照我国混凝土结构设计规范的规定, 室内正常环境钢筋混凝土结构最大裂缝宽度允许值为0.3mm, 基本上是本工程裂缝宽度的上限值。裂缝深度H与结构厚度h的关系为:h≤0.1H为表面裂缝, 本工程裂缝均属此范围;0.1H
对于裂缝的处理, 参照日本混凝土协会制定的裂缝处理标准, 我国的裂缝标准见表3。对照国内规范及国外处理裂缝标准, 本工程裂缝宽度都在限值以内, 对钢筋不会产生影响, 无需对裂缝进行加固补强处理。
注:指对混凝土结构物耐久性及防水性的有害影响程度。
通过对本工程的事例分析, 并结合实际的处治办法说明作者说阐述的是可行的。并且, 在工程的装修验收阶段二十二层以上筒体实际处理时在两面长墙中间夹了1块板将其分成两半, 同时剪力墙配筋适当加密, 施工中调整混凝土的配比, 并加强墙体潮湿养护, 效果明显, 墙体不再出现裂缝。中间层筒体抹灰批荡后, 裂缝也不再发生, 说明裂缝已经稳固。
摘要：本文结合工程实例, 对某建筑工程剪力墙结构裂缝的成因做出了分析, 并提出了相应的防治措施, 供同行参考。
关键词：建筑工程,剪力墙,结构裂缝,防治措施
