文/郭霄偉

1 前言

隨著我國城市化建設(shè)的飛速發(fā)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(yīng)運(yùn)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(shè)計或施工過程中沒有對大體積混凝土的澆筑做好相應(yīng)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(jìn)行鑒定分析，通過對裂縫現(xiàn)場的調(diào)查取證，結(jié)合相關(guān)資料對地下室頂板進(jìn)行的溫度應(yīng)力分析，并判斷裂縫產(chǎn)生的原因，以供從業(yè)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(jié)構(gòu)采用雙跨鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，車站總長305.6m，標(biāo)準(zhǔn)寬度20.9m，設(shè)計頂板厚度800mm，框架梁截面尺寸1200mm×1800mm，未設(shè)置結(jié)構(gòu)縫或后澆帶。施工過程中分為3 個區(qū)段施工，第一區(qū)段為(28)-(38)軸，于2017年6月完工；第二區(qū)段為(1)-(6)軸，于2017年10月完工；第三區(qū)段為(6)-(28)軸，2018年6月開工，2018年9月主體結(jié)構(gòu)完工。2018年10月25日現(xiàn)場人員發(fā)現(xiàn)(6)-(28)軸地下室部分頂板、梁構(gòu)件開裂，裂縫周邊滲水。地下室頂板結(jié)構(gòu)布置示意圖詳見圖1[2]。

圖1 地下室頂板結(jié)構(gòu)布置示意圖

3 裂縫情況現(xiàn)場調(diào)查

3.1 (6)-(28)軸地下室頂板、梁構(gòu)件裂縫檢測

現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)地下室部分頂板、梁構(gòu)件存在不同程度的開裂現(xiàn)象。該區(qū)域大部分樓板存在開裂現(xiàn)象，裂縫基本沿結(jié)構(gòu)橫向平行分布，大多數(shù)裂縫沿相鄰跨樓板發(fā)展，樓板裂縫均為貫通裂縫；大部分頂板梁構(gòu)件側(cè)面存在數(shù)條豎向平行裂縫，裂縫出現(xiàn)在梁箍筋位置附近，多數(shù)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(yīng)。(14)-(21)軸區(qū)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(guān)人員在現(xiàn)場對裂縫分布進(jìn)行繪制并對裂縫拍照取證后，檢測了混凝土構(gòu)件的施工質(zhì)量，并對施工過程進(jìn)行調(diào)查，充分采集了相關(guān)數(shù)據(jù)與資料，以為后續(xù)的裂縫原因分析提供相關(guān)資料。

3.2 (6)-(28)軸地下室頂板、梁構(gòu)件施工質(zhì)量檢測

現(xiàn)場抽取若干梁、板構(gòu)件，對構(gòu)件的截面尺寸、混凝土強(qiáng)度等級、鋼筋間距進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果表明，所檢構(gòu)件各檢測項數(shù)據(jù)基本與設(shè)計相符，所檢構(gòu)件施工質(zhì)量基本滿足相關(guān)規(guī)范的要求。

3.3 (6)-(28)軸地下室負(fù)一層主體結(jié)構(gòu)施工過程調(diào)查

本工程側(cè)墻、頂板及梁構(gòu)件均未設(shè)置結(jié)構(gòu)縫或后澆帶；側(cè)墻、頂板及梁構(gòu)件同時澆搗；另外，主體結(jié)構(gòu)構(gòu)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(xì)度3500cm2/g，骨料為花崗巖，水灰比0.45，水泥漿量30%，初期養(yǎng)護(hù)時間28 天，環(huán)境濕度99%，混凝土的施工方式為機(jī)械振搗，混凝土中添加減水劑、后石粉煤灰、礦渣粉。

主體結(jié)構(gòu)構(gòu)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(qū)格均于施工當(dāng)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(guī)養(yǎng)護(hù)，2018年10月上旬現(xiàn)場人員發(fā)現(xiàn)部分頂板板底及框架梁側(cè)面存在滲漏現(xiàn)象，在對裂縫開展調(diào)查時，施工單位已對開裂構(gòu)件采用化學(xué)灌漿法進(jìn)行裂縫修補(bǔ)處理。

4 裂縫原因分析

4.1 初步分析

根據(jù)現(xiàn)場裂縫檢查及施工質(zhì)量檢測結(jié)果可知，所檢構(gòu)件施工質(zhì)量基本滿足設(shè)計要求，裂縫形態(tài)基本可排除荷載作用及地基不均勻沉降導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)構(gòu)件開裂；另外，由裂縫的形態(tài)特征及分布情況可知，其產(chǎn)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(xiàn)澆超靜定混凝土結(jié)構(gòu)，溫差較大時容易開裂。在大面積混凝土結(jié)構(gòu)周邊設(shè)置較強(qiáng)約束情況下，變形無法得到有效釋放，易出現(xiàn)裂縫。

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

4.1.2 混凝土收縮

水泥強(qiáng)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(jié)構(gòu)的砼強(qiáng)度為C45，實測頂板梁現(xiàn)齡期砼強(qiáng)度均較設(shè)計偏大，且混凝土結(jié)構(gòu)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(nèi)部應(yīng)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(jīng)短期應(yīng)力釋放，并在后期收縮應(yīng)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(yīng)力，就可以依靠混凝土抗拉強(qiáng)度抵抗下一階段的溫度收縮應(yīng)力。該頂板結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(yīng)力[3]。

4.2 數(shù)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(yīng)力在計算上是一個很復(fù)雜的問題。結(jié)構(gòu)構(gòu)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(jié)構(gòu)及構(gòu)件的影響是不均勻的，現(xiàn)有程序在溫度應(yīng)力的計算過程中尚無法恰當(dāng)考慮溫度梯度的影響；同時，現(xiàn)有的研究成果表明，均勻分布的溫度分量能夠?qū)?gòu)件的影響起到控制作用，故在本工程裂縫的數(shù)值模擬分析中對案例進(jìn)行了適當(dāng)簡化，僅考慮了均勻分布的溫度變化。參考《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)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(jié)構(gòu)的影響；參考《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50496-2018)附錄B.2，考慮裂縫開裂時現(xiàn)齡期混凝土的收縮應(yīng)變，再將混凝土收縮應(yīng)變等代為當(dāng)量溫差[4]。根據(jù)計算得出的溫度變化值，先采用材料力學(xué)中對超靜定結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)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(chǎn)生的溫度應(yīng)力，再通過有限元軟件對頂板溫度應(yīng)力進(jìn)行復(fù)核分析[5]。

4.2.2 均勻溫差及收縮應(yīng)變計算

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查的施工內(nèi)業(yè)資料，(6)-(27)軸區(qū)段各區(qū)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(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009-2012) 9.3.1 條規(guī)定，結(jié)合最大溫降工況，均勻溫度變化標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值取15-25=-10℃。

由于(6-9)軸、(27-30)軸區(qū)域的區(qū)格與相鄰區(qū)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(qū)域，縱向長度約150m。(26-27)軸區(qū)格最先澆筑，澆筑時間為9月10日，至第一次發(fā)現(xiàn)裂縫的時間10月25日，共經(jīng)歷了45 天時間，計算收縮變形效應(yīng)時采用的齡期t 取45 天。根據(jù)《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》(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(biāo)準(zhǔn)試驗狀態(tài)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(shù)，按文獻(xiàn)[3]表B.2.1予以采用。

混凝土收縮相對變形值的當(dāng)量溫度公式為：

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

綜上所述，環(huán)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(huán)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(huán)境溫度均勻變化值(℃)。經(jīng)計算可得，Δ(t)=-10-9=-19℃。

4.2.3 溫度應(yīng)力計算分析

4.2.3.1 初步簡化計算分析

采用材料力學(xué)的方法計算(9-27)軸區(qū)域的頂板溫度應(yīng)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(qū)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(shù)αc= 1 ×10-5/℃。根據(jù)平衡方程、變形協(xié)調(diào)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(yīng)力為6.4MPa，遠(yuǎn)大于設(shè)計所采用的C45 混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.51MPa。由此可見，在一定的溫降工況下，在超靜定結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的溫度應(yīng)力效應(yīng)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(xué)分析方法做了較多簡化，為更進(jìn)一步分析，采用“YJK1.9.3”有限元分析軟件對本工程頂板進(jìn)行溫度應(yīng)力效應(yīng)進(jìn)行計算。實際工程中混凝土自身的徐變會產(chǎn)生應(yīng)力松弛效應(yīng)，這對釋放溫度應(yīng)力是有利的，根據(jù)文獻(xiàn)[6]，取考慮收縮徐變的砼構(gòu)件溫度效應(yīng)折減系數(shù)為0.3，樓板定義為彈性膜，真實計算樓板平面內(nèi)剛度，溫度變化值取降溫工況-19℃，樓板溫度應(yīng)力分析結(jié)果見圖3、圖4[6]。從應(yīng)力云圖可得，在溫降工況下，該結(jié)構(gòu)大多數(shù)區(qū)域均出現(xiàn)了沿結(jié)構(gòu)縱向的拉應(yīng)力，拉應(yīng)力最大為4.0MPa，而結(jié)構(gòu)橫向基本上未出現(xiàn)拉應(yīng)力。

圖3 沿頂板縱向溫度應(yīng)力分布圖

圖4 沿頂板橫向溫度應(yīng)力分布圖

有限元分析與力學(xué)分析方法均得出本工程在降溫+混凝土收縮效應(yīng)的綜合作用下，沿頂板結(jié)構(gòu)縱向結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力，且拉應(yīng)力大小均超過了設(shè)計混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。該拉應(yīng)力水平在防裂抗裂措施不到位、混凝土內(nèi)部應(yīng)力不均產(chǎn)生應(yīng)力集中等的情況下極易使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生垂直于拉應(yīng)力方向、相互平行的貫通裂縫，這與現(xiàn)場實測的裂縫形態(tài)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(jié)語

根據(jù)現(xiàn)場檢查數(shù)據(jù)、施工內(nèi)業(yè)資料調(diào)查數(shù)據(jù)及對樓板應(yīng)力的數(shù)值模擬分析結(jié)果，本工程(6)-(28)軸地下室頂板、梁構(gòu)件裂縫基本可排除荷載作用下的受力裂縫或地基基礎(chǔ)不均勻沉降引起的裂縫，其應(yīng)為溫度-收縮裂縫。

本工程地下室頂板結(jié)構(gòu)尺寸較大，在溫差作用及混凝土自身收縮作用下，極易在結(jié)構(gòu)薄弱位置出現(xiàn)橫向裂縫；在夏季施工時，較大溫差以及高強(qiáng)度泵送混凝土的較大收縮量作用下，將在砼內(nèi)部積聚較大拉應(yīng)力；在跳倉法間隔時間不合理與養(yǎng)護(hù)不到位時，累積收縮變形增大，板塊收縮受限，結(jié)構(gòu)構(gòu)件更易開裂。溫度-收縮裂縫在大面積混凝土構(gòu)件中一般表現(xiàn)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(xiàn)為相互平行的貫穿裂縫。根據(jù)現(xiàn)場檢查數(shù)據(jù)，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(jié)構(gòu)尤其是超長超大體積混凝土結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)及構(gòu)件的安全性能，但考慮到大部分裂縫位于室外露天環(huán)境，且已經(jīng)出現(xiàn)漏水或滲水現(xiàn)象，應(yīng)及時對開裂構(gòu)件采取措施處理，確保構(gòu)件的正常使用性能及耐久性能。