陳修宇

（福建省建研工程檢測(cè)有限公司）

0 引言

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)受材料特性、外界環(huán)境影響、施工工藝等多種不確定性因素影響，在其全生命周期內(nèi)均存在不同類型的開(kāi)裂問(wèn)題，裂縫不僅影響建筑的外觀，同時(shí)也影響建筑的耐久性甚至安全性，其中樓板裂縫在現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)中較為常見(jiàn)。

常見(jiàn)的樓板裂縫按裂縫形態(tài)可分為：①板角45°斜裂縫，貫通板厚；②板跨中縱、橫向裂縫，常見(jiàn)于板底跨中，支座及預(yù)埋線管處；③不規(guī)則裂縫，沿板底或板面出現(xiàn)，通常呈散射狀、龜裂狀；按裂縫的成因可分為受力裂縫及非受力裂縫（如溫度-收縮裂縫、強(qiáng)迫位移裂縫、結(jié)構(gòu)構(gòu)造裂縫等間接裂縫）［1］。

在實(shí)際工程裂縫處理過(guò)程中，首先要找出其開(kāi)裂的原因，才能對(duì)癥下藥，對(duì)不同類型的裂縫采取相應(yīng)的處理措施。本文通過(guò)某框架-剪力墻結(jié)構(gòu)樓蓋裂縫鑒定分析的工程實(shí)例，對(duì)比傳統(tǒng)樓板設(shè)計(jì)使用的手冊(cè)算法與有限元算法的差異，分析樓板裂縫形成的原因，并對(duì)該類樓板的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行探討，供類似工程參考。

1 工程概況

某住宅樓為地下一層、地上十一層現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)層層高為2.9m，結(jié)構(gòu)縱向兩個(gè)端部開(kāi)間及開(kāi)間寬度大于3.6m 的房間樓板厚度為120mm，其余房間的樓板厚度均為100mm。梁、板構(gòu)件一至四層混凝土強(qiáng)度為C30，五至屋面層混凝土強(qiáng)度均為C25。該工程于2016 年8 月主體結(jié)構(gòu)竣工，2017 年8月，該工程尚處于毛坯未裝修狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)其二～十層部分區(qū)域樓板構(gòu)件存在開(kāi)裂現(xiàn)象。

2 鑒定、分析思路

根據(jù)本工程現(xiàn)場(chǎng)條件對(duì)樓板裂縫的成因進(jìn)行分析。

圖1 鑒定、分析思路

3 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查檢測(cè)

3.1 裂縫分布及裂縫形態(tài)檢測(cè)

該房屋二～十層樓板裂縫均出現(xiàn)在房屋客廳位置，開(kāi)裂樓板的縱向支座支承于客廳縱向框架梁上（跨度為8.1m、7.7m），橫向支座支承一端支承于框架梁及剪力墻上，另一端支承于次梁上，次梁支承在客廳的大跨度縱向框架梁上靠近跨中位置，裂縫基本出現(xiàn)在框架梁邊（剪力墻邊）板面部位，且與框架梁（剪力墻）平行，實(shí)測(cè)樓板裂縫寬度測(cè)讀值最大為1.00mm。對(duì)樓板開(kāi)裂位置灌水，未發(fā)現(xiàn)板底相應(yīng)位置存在明顯滲水印跡，表明裂縫未貫穿板底，呈現(xiàn)受力裂縫特征，基本可排除混凝土自身收縮或外部降溫引起的收縮裂縫。典型樓板裂縫分布示意圖詳見(jiàn)圖2。

圖2 典型樓板裂縫分布示意圖

3.2 施工質(zhì)量檢測(cè)

抽檢部分樓板構(gòu)件進(jìn)行構(gòu)件混凝土強(qiáng)度、樓板厚度及鋼筋規(guī)格、平均間距及鋼筋保護(hù)層厚度檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果表明，所檢樓板構(gòu)件混凝土強(qiáng)度推定值均達(dá)到相應(yīng)設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)，所檢樓板構(gòu)件結(jié)構(gòu)層厚度基本滿足設(shè)計(jì)要求，所檢樓板板面鋼筋平均間距未超過(guò)規(guī)范［3］允許偏差的要求，板面鋼筋公稱直徑與設(shè)計(jì)相符，但多數(shù)樓板板面鋼筋保護(hù)層厚度較設(shè)計(jì)偏大。

3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)核驗(yàn)算

現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板設(shè)計(jì)通常是按彈性理論計(jì)算，將樓板的彎矩系數(shù)編制成手冊(cè)，簡(jiǎn)稱“手冊(cè)算法”［5］。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)及本工程設(shè)計(jì)施工圖紙，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)層樓板運(yùn)用PKPM 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件建立模型，采用SATWE 模塊進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)算，樓板計(jì)算采用手冊(cè)算法，計(jì)算結(jié)果表明，原設(shè)計(jì)樓板承載能力、裂縫驗(yàn)算均滿足規(guī)范［2］要求，詳見(jiàn)表1、表2。

4 開(kāi)裂原因分析

4.1 初步分析

表1 開(kāi)裂處樓板承載能力驗(yàn)算結(jié)果 （mm2/m）

表2 開(kāi)裂處樓板裂縫驗(yàn)算結(jié)果 （mm）

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)并結(jié)合設(shè)計(jì)資料及構(gòu)件的驗(yàn)算分析，本工程樓板構(gòu)件的裂縫基本可排除由于混凝土自身收縮或外部降溫引起的收縮裂縫，且樓板的承載能力及裂縫驗(yàn)算結(jié)果均滿足規(guī)范［1］要求，但仔細(xì)研究本工程樓板開(kāi)裂區(qū)域的結(jié)構(gòu)布置方式發(fā)現(xiàn)，開(kāi)裂的樓板縱向支座支承于跨度為8.1m、7.7m 的縱向框架梁上，橫向支座一端支承于框架梁及剪力墻上，另一端支承于次梁上，該次梁又支承于縱向框架梁跨中附近。該縱向框架梁剛度偏小，跨中豎向變形較大，根據(jù)變形協(xié)調(diào)原理，次梁變形亦較大，相較于樓板橫向支承于框架梁及剪力墻上的支座，存在明顯的變形差，產(chǎn)生約束內(nèi)力，在變形較小的橫向框架梁及剪力墻處的支座產(chǎn)生附加負(fù)彎矩，消耗掉結(jié)構(gòu)相當(dāng)部分的抗力，且隨著混凝土材料徐變、松弛的發(fā)展，相應(yīng)拉應(yīng)力超過(guò)一定限度后，該處樓面剛度較大的支座處就產(chǎn)生裂縫。實(shí)際樓板開(kāi)裂時(shí)間發(fā)生在結(jié)構(gòu)成型后一段時(shí)間后，這與強(qiáng)迫位移裂縫所具有的長(zhǎng)期、緩慢及易集中出現(xiàn)在剛度較大區(qū)域的特征基本相符。

4.2 有限元驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述裂縫成因分析，采用有限元方法對(duì)該區(qū)域結(jié)構(gòu)受力及變形實(shí)施精細(xì)化模擬，所采用有限元算法是以殼單元為基礎(chǔ)，考慮樓板構(gòu)件平面內(nèi)外剛度，構(gòu)件間變形協(xié)調(diào)及剛度差異。根據(jù)該工程設(shè)計(jì)圖紙資料，采用“Midas/Gen”有限元分析軟件，建立標(biāo)準(zhǔn)層樓板模型，模擬計(jì)算梁、板構(gòu)件的內(nèi)力及變形。模型中，梁構(gòu)件采用梁?jiǎn)卧瑯前宀捎冒鍐卧?，梁、板混凝土?qiáng)度等級(jí)、樓面均布恒、活載等計(jì)算參數(shù)均與結(jié)構(gòu)復(fù)核計(jì)算時(shí)取參數(shù)相同，樓板計(jì)算采用有限元算法，考慮梁、板構(gòu)件的變形協(xié)調(diào)作用，計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表3，有限元模型中梁、板單元內(nèi)力圖詳見(jiàn)圖3、圖4。

表3 開(kāi)裂處樓板支座彎矩有限元算法與結(jié)構(gòu)手冊(cè)算法對(duì)比結(jié)果 （kN·m/m）

圖3 板單元繞Y 軸方向彎矩及變形圖

圖4 梁?jiǎn)卧獜澗丶白冃螆D

通過(guò)有限元分析模擬結(jié)果可知，開(kāi)裂板的支座彎矩超過(guò)原設(shè)計(jì)（采用結(jié)構(gòu)計(jì)算手冊(cè)算法） 計(jì)算結(jié)果的2.7～3.6 倍，遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)抗彎承載能力，且板單元的變形情況與現(xiàn)場(chǎng)所檢的裂縫分布區(qū)域基本吻合。

利用有限元方法計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證表明，隨著混凝土的徐變，長(zhǎng)期變形增加，在變形較小一側(cè)的樓板橫向框架梁及剪力墻處的支座產(chǎn)生的負(fù)彎矩超過(guò)結(jié)構(gòu)抗力，從而導(dǎo)致樓板兩側(cè)支承邊出現(xiàn)過(guò)大位移差產(chǎn)生強(qiáng)迫位移作用，使樓板開(kāi)裂。

5 設(shè)計(jì)建議

以上分析表明，由于本工程部分縱向框架梁跨度較大，無(wú)法忽略梁構(gòu)件的豎向變形對(duì)板支座內(nèi)力變化的影響，原設(shè)計(jì)所采用的結(jié)構(gòu)計(jì)算手冊(cè)算法不能正確反映框架梁的變形對(duì)板內(nèi)力分布的影響。因此，當(dāng)結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)跨度較大且線剛度偏小的梁構(gòu)件時(shí)，需特別注意梁的變形對(duì)所支承構(gòu)件的影響，必要時(shí)應(yīng)采用有限元軟件進(jìn)行空間整體分析。

6 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)某框剪結(jié)構(gòu)建筑樓板開(kāi)裂的原因進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

⑴樓板支座處剛度差異較大的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的豎向變形影響樓板的內(nèi)力分布，在結(jié)構(gòu)分析計(jì)算中應(yīng)綜合考慮樓板支座周邊結(jié)構(gòu)構(gòu)件的豎向變形與樓板共同作用，以確保樓板構(gòu)件的承載能力、裂縫滿足規(guī)范要求。

⑵傳統(tǒng)的軟件樓板計(jì)算采用手冊(cè)算法，無(wú)法考慮梁板構(gòu)件間的變形協(xié)調(diào)，主次梁剛度差異，當(dāng)支承樓板的構(gòu)件線剛度偏小時(shí)建議采用有限元軟件進(jìn)行空間整體分析，可以兼顧構(gòu)件間的變形協(xié)調(diào)及剛度差異，避免出現(xiàn)與實(shí)際差異較大的現(xiàn)象。