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        地下室外墻裂縫原因分析及預(yù)防措施

        2022-06-30 09:11:16閆飛池彥忠李波
        工程建設(shè)與設(shè)計(jì) 2022年11期
        關(guān)鍵詞:膨脹劑外墻底板

        閆飛,池彥忠,李波

        (1.北京東方雨虹防水技術(shù)股份有限公司,北京 100000;2.中科建通工程技術(shù)有限公司,北京 100000)

        1 引言

        隨著城鎮(zhèn)化的發(fā)展,城市的規(guī)模越來(lái)越大,城區(qū)建筑中大面積地下室越來(lái)越多,高層建筑帶2~3 層地下室的情況已經(jīng)非常普遍。地下室外墻開(kāi)裂是地下工程的通病,據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)[1-3]可知,85%的混凝土結(jié)構(gòu)地下室外墻中存在裂縫,且地下室外墻的裂縫以豎向裂縫為主。地下室外墻出現(xiàn)裂縫不僅會(huì)導(dǎo)致地下室外墻滲水、漏水,影響地下空間的正常使用,而且裂縫的存在嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的耐久性,危害結(jié)構(gòu)安全。在常規(guī)設(shè)計(jì)中單純依靠設(shè)置伸縮后澆帶很難滿足控制裂縫的要求。另外,大面積地下室往往會(huì)跨季節(jié)施工,地下室外墻暴露時(shí)間長(zhǎng),環(huán)境溫差大,地下室外墻內(nèi)外溫差大,這些都使得控制裂縫的難度增加了。因此,從設(shè)計(jì)優(yōu)化和施工質(zhì)量提升來(lái)避免裂縫的出現(xiàn)尤其重要,有現(xiàn)實(shí)意義。

        本文結(jié)合北京市某商業(yè)辦公綜合體項(xiàng)目,針對(duì)項(xiàng)目在施工過(guò)程中出現(xiàn)的若干地下室外墻裂縫進(jìn)行分析,根據(jù)裂縫開(kāi)展的走向和形態(tài)分析了裂縫開(kāi)展的原因,并提出了避免裂縫的若干建議和措施,可供類(lèi)似的工程項(xiàng)目參考。

        2 工程概況

        該工程主樓高24 層,其中裙樓2 層,地下室1 層,3~24 層為辦公區(qū),層高4.0 m,1 層和2 層為商業(yè)區(qū),層高4.8 m;地下室均為地下車(chē)庫(kù),層高為3.9 m。地下室長(zhǎng)158.6 m,寬78.8 m,基礎(chǔ)均采用筏板基礎(chǔ),主樓范圍內(nèi)筏板厚度為1.9 m,裙房和純地庫(kù)范圍內(nèi)筏板厚度均為400 mm,柱下設(shè)置下柱墩。地下室外墻的厚度為400 mm,地下室頂板與土接觸區(qū)域?yàn)?50 mm,不與土接觸的室內(nèi)區(qū)域?yàn)?80 mm。地下室外墻的厚度地下室底板,外墻及與土接觸的頂板均采用P6 等級(jí)的抗?jié)B混凝土,混凝土摻加10%的UEA 微膨脹劑。地下室結(jié)合地上結(jié)構(gòu)的情況,在底板、地下室外墻以及頂板貫通的設(shè)置3 條橫向的伸縮后澆帶,1 條縱向的伸縮后澆帶,后澆帶設(shè)置滿足JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[4]中12.2.3 條關(guān)于后澆帶間距的要求??垢≡O(shè)計(jì)水位為-1.5 m。地下室輪廓及地上主樓和裙房的范圍見(jiàn)圖1。

        3 地下室外墻裂縫開(kāi)展情況

        根據(jù)施工日志,該項(xiàng)目6 月28 日完成地下室底板的施工,7 月14 日完成了地下室外墻的施工,8 月1 日完成了地下室頂板的施工。地下室底板、外墻和頂板分期澆筑時(shí)間間隔約為15 d。由于種種原因,直到當(dāng)年10 月28 日才開(kāi)始拆出地下室頂板模板,在拆模板時(shí)發(fā)現(xiàn)地下室外墻存在大面積開(kāi)裂的情況,裂縫寬度肉眼可見(jiàn)。地下室外墻的裂縫示意圖如圖2所示。

        圖2 某跨內(nèi)地下室外墻裂縫示意圖

        地下室外墻的特征如下:地下室外墻內(nèi)外均分布著大量裂縫,且分布比較均勻,每跨約有2~4 條不等,根據(jù)裂縫儀測(cè)量,裂縫寬度為0.15~1.2 mm 不等,約2/3 的裂縫自上而下貫通,且呈現(xiàn)明顯的上大下小的形態(tài)。

        4 裂縫分析

        4.1 地下室的設(shè)計(jì)計(jì)算

        地下室外墻在設(shè)計(jì)中通常按墻體與基礎(chǔ)底板固結(jié)與頂板鉸接的單向受力構(gòu)件計(jì)算,計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3。因此,地下室外墻裂縫控制計(jì)算的裂縫均為水平裂縫。具體計(jì)算中將地下室外墻簡(jiǎn)化為純彎或者壓彎構(gòu)件,按GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(2015 年版)[5]的7.1.2 條中的裂縫寬度計(jì)算公式核算裂縫寬度,裂縫寬度通常限值為0.2 mm。為了滿足裂縫寬度的限值要求,保證混凝土耐久性,實(shí)際設(shè)計(jì)中在滿足承載力極限狀態(tài)計(jì)算的前提下,需要大幅度增加地下室外墻中豎向鋼筋的用量,增加地下室工程的造價(jià)成本。

        圖3 地下室外墻計(jì)算簡(jiǎn)圖

        根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[6-7]可知,不管是在施工階段還是在使用階段,地下室外墻裂縫開(kāi)展多為豎向裂縫,豎向裂縫出現(xiàn)的占比為85%以上,水平裂縫很少出現(xiàn);而本項(xiàng)目中,地下室外墻裂縫幾乎100%為豎向裂縫。

        4.2 水平裂縫少見(jiàn)的原因

        地下室外墻水平裂縫少見(jiàn),主要是兩方面原因:一方面是地下室外墻在高度方向上通常距離較短,2 層地下室外墻的高度一般不超過(guò)8.0 m,由于高度小,不容易產(chǎn)生混凝土收縮裂縫;另一方面,在地下室外墻設(shè)計(jì)計(jì)算中存在較大的保守量,本文主要從以下兩方面闡述設(shè)計(jì)計(jì)算中的保守量。

        一是土壓力取值偏大。目前,地下室外墻普遍采用靜止土壓力設(shè)計(jì),靜止土壓力系數(shù)k0取0.5。實(shí)際上,在城市中基坑開(kāi)挖過(guò)程中需要支護(hù),支護(hù)樁與地下室外墻間距通常較小,因此,地下室外墻所受的土壓力為有限土壓力,如圖4 所示,其土壓力系數(shù)要遠(yuǎn)小于0.5,一般可取0.33[8]。

        圖4 有限土壓力示意圖

        二是地面附加荷載取值偏大。地下室外墻外側(cè)通常為消防車(chē)道或消防撲救區(qū)域,因此,需要考慮消防車(chē)荷載。問(wèn)題是設(shè)計(jì)中往往按GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[9]中的表5.1.1 取消防車(chē)荷載為20 kN/m2, 表中的荷載值是根據(jù)消防車(chē)的輪距和輪壓,按地下室頂板在輪壓作用下荷載效應(yīng)等效原理而求得的板面均布荷載。僅僅對(duì)樓板適用,對(duì)計(jì)算地下室外墻的側(cè)壓力是不適用的。根據(jù)實(shí)際等效計(jì)算及相關(guān)文獻(xiàn)[10]的建議值,在計(jì)算地下室外墻側(cè)向壓力時(shí),消防車(chē)荷載取5 kN/m2為宜。

        4.3 豎向裂縫分析

        結(jié)合工程的現(xiàn)狀及裂縫開(kāi)展的特征,對(duì)地下室外墻開(kāi)裂的原因分析如下:

        1)溫度應(yīng)力導(dǎo)致地下室外墻開(kāi)裂。7 月中旬施工時(shí),白天高溫達(dá)到35 ℃,而到10 月底夜間氣溫已達(dá)到0 ℃。這期間一直未回填肥槽,地下室外墻處于露天環(huán)境。假如按30 ℃的溫差考慮,地下室外墻的長(zhǎng)度為158.6 m,長(zhǎng)度方向地下室外墻的收縮量計(jì)算值為47.6 mm,公式計(jì)算如式(1):

        式中,ΔL 為溫度變形引起的結(jié)構(gòu)變形量,mm;L0為結(jié)構(gòu)的縱向長(zhǎng)度,mm;T1、T0為前后的溫度值,℃;α 為混凝土材料的線膨脹系數(shù),取1.0×10-5/℃。

        地下室外墻收縮變形時(shí),頂板、底板由于溫度變化引起的變形與地下室外墻不一致,尤其是地下室底板,由于處于室內(nèi),受溫差影響要小很多,且地下室頂板和底板厚度較大,對(duì)地下室外墻有很強(qiáng)的約束作用,使得地下室外墻不能自由變形,因此,地下室外墻很容易形成收縮裂縫。通常將底板和頂板對(duì)地下室外墻的約束作用稱(chēng)為“套箍效應(yīng)”。

        2)UEA 微膨脹劑的影響。通常UEA 膨脹劑需要在養(yǎng)護(hù)條件下才能發(fā)揮作用,且其限制膨脹率在前14 d 內(nèi)達(dá)到最大值。由于在地下室底板、側(cè)墻和頂板中均加入了UEA 膨脹劑,且其施工時(shí)間間隔為半月左右,因此,在施工地下室頂板時(shí),地下室外墻的膨脹量已經(jīng)達(dá)到最大,不再膨脹;而頂板在UEA膨脹劑作用下才開(kāi)始持續(xù)膨脹,使得地下室外墻與頂板相連的上部區(qū)域產(chǎn)生拉應(yīng)力,使地下室外墻被拉裂,這也是地下室完全開(kāi)裂的主要原因;同時(shí)也解釋了為什么地下室外墻裂縫上大下小。

        5 地下室外墻裂縫的預(yù)防措施

        5.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)

        5.1.1 混凝土強(qiáng)度等級(jí)

        地下室外墻是受彎為主的壓彎構(gòu)件,通常所受的軸力很小。對(duì)受彎構(gòu)件來(lái)說(shuō),提高混凝土的標(biāo)號(hào)對(duì)抗彎承載力提高很少,很不經(jīng)濟(jì)。另外,高強(qiáng)度等級(jí)混凝土的干縮性更明顯,更容易產(chǎn)生收縮裂縫。因此,建議地下室外墻宜采用C25~C35 強(qiáng)度等級(jí)的混凝土[11],同時(shí)按60 d 強(qiáng)度確定混凝土的強(qiáng)度等級(jí)。

        5.1.2 配筋

        如前文所述,地下室外墻在受力計(jì)算中主要考慮豎向配筋,對(duì)于水平配筋僅為構(gòu)造,高層建筑的地下室外墻通常按JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中12.2.5 條,即地下室外墻的水平配筋率不小于0.3%,且間距不大于150 mm,并未對(duì)水平配筋進(jìn)行分析計(jì)算。建議在進(jìn)行地下室外墻設(shè)計(jì)時(shí),充分考慮溫度應(yīng)力及混凝土收縮造成的收縮應(yīng)力,在滿足規(guī)范對(duì)水平鋼筋最低要求的前提下,適當(dāng)提高水平筋的配筋率,且建議將鋼筋水平放在豎向鋼筋外側(cè),以便更好地發(fā)揮水平筋抗豎向裂縫的作用。同時(shí),建議水平筋配置時(shí)在相同配筋率下采用“細(xì)而密”的配筋原則,盡量采用小直徑鋼筋,小間距配置。

        5.1.3 結(jié)構(gòu)構(gòu)造

        設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免地下室外墻的剛度突變,剛度突變必然引起應(yīng)力的集中,極易產(chǎn)生裂縫。比如,在地下室外墻與地下室內(nèi)墻垂直相交時(shí),可按連續(xù)簡(jiǎn)支支座計(jì)算地下室外墻在相交處的水平配筋。當(dāng)?shù)叵率彝鈮﹂_(kāi)洞時(shí)候,應(yīng)設(shè)計(jì)洞邊加強(qiáng)筋,防止應(yīng)力集中產(chǎn)生的裂縫。

        5.1.4 添加劑

        在混凝土中添加適量的減水劑,可以活性材料(如粉煤灰)代替部分水泥,其目的是增加水泥的和易性,降低混凝土凝固過(guò)程中的水化熱,并控制水化熱釋放的速度,進(jìn)而可以減少混凝土的收縮,減少收縮裂縫的出現(xiàn)。另外,對(duì)于部分重要的工程可以考慮添加抗裂纖維,通常按照每立方米混凝土中添加0.8~1.0 kg 抗裂纖維的添加量控制。

        5.2 施工措施

        5.2.1 溫度控制

        通常混凝土澆筑施工提倡低溫入模,低溫養(yǎng)護(hù)。控制混凝土最高的入模溫度不大于32 ℃;控制混凝土表面溫度與大氣環(huán)境溫度相差不超過(guò)25 ℃;控制混凝土構(gòu)件中心點(diǎn)溫度與表面溫度的溫差不超過(guò)25 ℃。另外,加強(qiáng)混凝土的養(yǎng)護(hù),對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)初期干縮裂縫至關(guān)重要,混凝土的降溫速度應(yīng)小于1.5 ℃/d。

        5.2.2 振搗作業(yè)

        施工時(shí)混凝土振搗必須密實(shí);不得欠振,使內(nèi)部氣體不能充分排出;也不得過(guò)振,導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)離析及泌水現(xiàn)象。最合適的振搗時(shí)間為20~30 s。地下室外墻要按“分層澆筑、分層振搗”的原則進(jìn)行,不應(yīng)隨意留設(shè)施工縫。注重二次振搗的作用,混凝土二次振搗的時(shí)間通常為初凝時(shí)間的1/2~2/3 倍。二次振搗可以顯著提高混凝土的抗?jié)B性和耐久性,對(duì)于控制混凝土初期裂縫開(kāi)展也很有作用。

        5.2.3 施工次序

        地下室外墻施工時(shí),建議僅在基礎(chǔ)底板上方300~500 mm的范圍內(nèi)留設(shè)一道水平施工縫,頂板和地下室外墻建議一起澆筑,這樣可以有效地避免地下室外墻和頂部由于混凝土收縮時(shí)間不一致,變形不協(xié)調(diào)而產(chǎn)生裂縫。

        6 結(jié)語(yǔ)

        關(guān)于本文中所述的超長(zhǎng)地下室外墻裂縫開(kāi)展的原因及措施概況如下:

        1)地下室外墻的溫度應(yīng)力、干縮變形、底板和頂板對(duì)地下室外墻的“套鼓效應(yīng)”以及不合理的施工膨脹劑是地下室外墻豎向裂縫開(kāi)展的主要原因。

        2)地下室外墻設(shè)計(jì)中,計(jì)算水平裂縫時(shí)荷載取值較實(shí)際情況偏大,且地下室外墻在高度方向上通常較小,溫度變形和干縮變形較小,故而地下室外墻的水平裂縫很少見(jiàn)。

        3)從設(shè)計(jì)和施工兩方面給出了若干預(yù)防地下室外墻裂縫的應(yīng)對(duì)措施,可供類(lèi)似的工程借鑒。

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