高层钢筋混凝土框架结构楼板裂缝成因研究

文摘 2024-11-06 07:05 河南

随着建筑工程使用年限的增加，加上外界多重环境及荷载因素的耦合作用下，其必然会出现或多或少的结构损坏及病害。其中，楼板现浇混凝土中产生的裂缝是目前我国大多房屋建筑工程中存在的主要病害之一，不但严重影响到房屋建筑物的使用功能及美学工程，而且很大程度上降低了其耐久性能，对建筑结构本身的安全及正常使用产生了不利影响。因此，尽可能减少裂缝病害的产生以及及时对其进行加固处理是研究者重点关注的方向。

1工程概况

某建筑项目，结构类型为钢筋混凝土框架结构，总的上部结构层为8层，地下为1层。其安全设计等级为二级，抗震设防烈度为7度，抗震设计等级为三级，场地类别为II类，建筑抗震设防类别为丙类。柱、墙等混凝土的强度等级：低层为C50、中层为C40，高层为C30，梁板混凝土的强度等级为C30，楼板设计厚度均为110mm，楼板内部钢筋直径为12mm，钢筋间距为80mm。

2工程检测

2.1建筑物表面检测

由于该建筑已经使用了将近20年，建筑物的各构件局部出现了一定的损伤。经过相关技术人员对建筑物进行全面的排查，发现目前建筑物的各层楼面板均存在些许裂缝，大多数位于板四周的阳角处，呈45°斜向的方向发展，缝的宽度范围为0.02～0.3mm，缝长多为0.7～2.4mm，相对较短；少数裂缝位于楼盖板的跨间及负筋边缘位置，垂直于板跨方向发展；还有一部分呈现不规则的分布形态。

2.2建筑物混凝土及钢筋性能检测

工程检测过程中，检测人员采用回弹法对建筑物中的混凝土楼面板强度进行抽检，采用局部破损法对楼板配筋的钢筋直径进行抽测，采用探测仪对钢筋间距进行测试；采用钻孔的方式对楼板的厚度进行抽测，各个建筑工程材料的测试参数值与设计参数值如图1所示。

从表中可知，混凝土的强度基本与原设计强度一致，略有下降是由于风化腐蚀的原因导致混凝土内部材料粘结力减小，使得抗压强度有所下降。钢筋直径、钢筋间距以及楼板厚度的检测值均与原设计值基本一致，证实了该建筑施工时未存在偷工减料的情况。

3楼板裂缝产生机理分析

3.1初步机理分析

结合以往工程经验以及现场的裂缝类型检测结果，将已有的裂缝分为温度裂缝、收缩裂缝、结构裂缝以及构造裂缝4类。对于温度裂缝而言，项目所在地年温差变化较大且温度较低；混凝土受到外部温度变化的影响将会产生热胀收缩的变形，进而使得结构内部产生温度应力，当超过混凝土抗拉强度时，进而加据裂缝的发展。对于收缩裂缝而言，水泥混凝土在凝固和硬化的过程中，由于凝缩、干缩和碳化收缩等收缩变形的开展，将会促进混凝土表面产生裂缝，在施工初期表现最为显著。对于结构裂缝而言，楼板混凝土浇筑过程中，由于墙体刚度显著高于楼板刚度，阳角位置由于受到剪力墙或楼面梁的约束，限制了楼面板混凝土的自由变形，当楼板变形大于配筋后混凝土拉应变时，楼板内将会产生裂缝。对于构造裂缝而言，由于楼板中存在各种管线，管线交错的地方将会削弱楼板的抗弯性能，进而增加了裂缝的发生率。

3.2基于有限元模拟法的裂缝产生机理

根据上述的分析，楼板裂缝产生的原因初步为温差、配筋率及楼板自身的挠曲变形作用下导致的。为深入量化分析上述因素对楼面板裂缝的影响，下文基于弹性力学模型利用有限元软件分析了不同工况下楼面板内部的应力场分布。

3.2.1模型的建立

模型以出现裂缝的楼面板为基础，几何尺寸长、宽、高为11.6m×6.8m×0.11m，配筋率为0.17%，施加在板面的活荷载为2.0kN/m²，恒荷载为4.2kN/m²。本模型中的混凝土单元为solid65单元，支座处的刚性垫片单元为solid45单元；破坏准则为Mises准则，单块板的约束根据实际情况设置，以垫板位移控制模数进行楼面板内部应力场分布的模拟。模拟仿真过程中共设置四种工况：配筋率；配筋率+温差；配筋率+楼板挠曲变形；配筋率+温差+楼板挠曲变形，工况中的温差为65℃，配筋率为0.15%，楼板绕曲变形为1.5mm。

3.2.2不同外界因素作用下楼面板的结构响应分析

基于上述的模型，获取不同工况下楼面板的最大主应力值如图2所示，楼面板裂缝发展情况如表1所示。

从图中可以看出，与工况1相比，增加温差条件下最大主应力从15.2MPa增加到17.12MPa，增幅达到12.6%，增加配筋率条件下最大主应力从15.2MPa增加到23.46MPa，增幅达到54.3%，这表明楼面自身变形比温差对楼面板力学响应的影响作用更加剧烈。工况4的最大主应力最大，这是由于其经受的外界因素最恶劣，使得楼面板内部的应力更加显著，表明温差及楼板自身变形同时作用的条件下，楼面板更容易产生裂缝。

根据表1中总结的不同工况下楼面板产生的裂缝类型及发展情况，可知，工况4的裂缝最多且贯穿程度最剧烈，同样说明了温差及楼板自身变形综合作用对裂缝发展的刺激作用更显著。对比工况2和工况3，工况3裂缝发展更加充分且有了贯穿趋势，因此同样说明了楼面自身变形比温差对楼面板力学响应的影响程度更显著。

此外，所有工况下楼板四角的裂缝（支座位置的裂缝）发展最显著且充分，且均呈现45°斜向放射状的发展趋势。这是由于一方面在温度应力作用下，楼板四周产生的拉应力最大，一旦超过混凝土抗拉强度便会产生裂缝；另一方面，由于楼板四角的配筋率不足，使得支座处刚度约束过大，导致楼板出现自由挠度变形的情况，进一步加大板四角受到的拉应力，一旦楼板变形超过混凝土极限拉伸应变，楼面板内部将会产生更加明显的裂缝。

综合仿真模拟结构与实际检测数据的对比，仿真的裂缝演变与实际调查的裂缝结果较为一致，进而证实了配筋率、温差以及楼板自身变形是造成楼面板裂缝的主要成因，且裂缝主要出现在楼面板四角的位置以及外墙转角处，且均呈现45°斜向放射状分布。

3.3不同裂缝的处理措施

由于不同的裂缝产生机理不同，且裂缝的类型及发展程度存在一定的差异，因此施工技术人员针对不同的裂缝通常采用不同的处理方法。针对细微的温度裂缝，施工技术人员首先对裂缝进行清洗后干燥处理，利用环氧修复砂浆或者涂刷封闭的方法进行修复处理；针对配筋不足类的裂缝，施工技术人员采用碳纤维或者钢筋网片进行楼面板的加固处理；针对较大的楼面板裂缝，施工技术人员采用水泥砂浆或环氧胶泥进行嵌补处理；针对贯穿类的结构裂缝，施工技术人员采用结构胶粘扁钢或者灌缝胶对板缝进行加固处理。具体的针对性裂缝分类统计措施如表2所示。

4结语

综上所述，与工况1相比，增加温差条件下最大主应力从15.2MPa增加到17.12MPa，增幅达到12.6%，增加配筋率条件下最大主应力从15.2MPa增加到23.46MPa，增幅达到54.3%，即楼面自身变形比温差对楼面板力学响应的影响作用更加剧烈。所有工况下楼板四角的裂缝（支座位置的裂缝）发展最显著且充分，且均呈现45°斜向放射状的发展趋势。楼面板裂缝的产生机理是配筋率、温差以及楼板自身变形综合作用的结果。细微的温度裂缝采用环氧修复砂浆或者涂刷封闭的方法进行处理；配筋不足类裂缝用碳纤维或者钢筋网片进行加固处理；较大裂缝采用水泥砂浆或环氧胶泥进行嵌补处理；贯穿类结构裂缝，采用结构胶粘扁钢或者灌缝胶对板缝进行加固处理。（来源：《广东建材》2024.05）

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