某高层住宅地下室剪力墙贯通裂缝分析

马中原，董 迅

(1.中信建筑设计研究总院有限公司,湖北 武汉 430014; 2.中建三局工程设计有限公司,湖北 武汉 430070)

0 引言

混凝土剪力墙作为高层住宅的重要结构组成部分[1],承担着分散和抵御地震、风等外部荷载的重要任务,然而,近年来频发的地震和极端天气事件引发了人们对高层住宅结构安全的关切,在这个背景下,高层住宅混凝土剪力墙贯通裂缝问题备受关注。

通过对高层住宅剪力墙贯通裂缝问题的深入研究和探讨,我们希望为城市建设和高层住宅设计提供更多有益的见解,以确保这一重要建筑类型的结构安全和可持续性,从而为现代城市的发展和人民的生活质量作出积极贡献。

1 高层结构剪力墙性能

剪力墙是建筑结构中的重要组成部分,它在提供结构稳定性和抗侧向荷载方面发挥着关键作用。以下是剪力墙的一些性能和作用:

结构稳定性:剪力墙具有较高的刚度,能够抵抗水平荷载引起的结构变形,提高了建筑物的整体稳定性,降低了结构的倒塌风险。

抗震性:剪力墙的主要作用之一是提高建筑物的抗震性能。在地震发生时,剪力墙可以分散和减轻地震力,从而保护建筑物和其内部的人员和财产免受损害。

抗风性:剪力墙也可以增强建筑物的抗风性能。它们可以减小风荷载对建筑物的侧向压力,防止建筑物在强风中倾斜或倒塌。

结构均衡:剪力墙有助于保持建筑物的结构均衡。它们分散荷载并传递它们到建筑的基础,确保建筑物保持垂直和水平的稳定性。

减小振动:剪力墙可以减小建筑物在自然振动或外部振动(如交通或风振动)下的变形和震动[2]。这对于某些医院、实验室和有精密设备的建筑等非常重要。

节省空间:相比于其他抗侧向荷载的结构形式(如框架结构),剪力墙通常需要较少的空间,这使得它们适用于城市环境和有限的土地区域。

总之,剪力墙是一种关键的结构元素,不仅确保了建筑物的稳定性和安全性,还提高了其抗自然灾害的能力。建筑设计师和工程师在设计建筑物时通常会考虑剪力墙的位置和数量,以确保建筑物满足安全和性能要求。

2 常见裂缝类型及成因

混凝土结构中常见的裂缝类型有很多,它们的成因可以多种多样。以下是一些常见的混凝土裂缝类型及其成因[3]:

1)荷载裂缝。荷载裂缝是由于外部荷载作用于混凝土结构时引起的。当荷载超过混凝土的承载能力时,裂缝就会形成。

2)收缩裂缝。混凝土在硬化过程中会收缩,这种收缩会导致混凝土表面出现裂缝。收缩裂缝的形成通常是由于混凝土的水含量、材料的质量和环境条件等因素引起的。

3)环境裂缝。环境裂缝是由于外部环境因素,如冻融循环、盐渗透、化学侵蚀等引起的混凝土表面的裂缝。这些因素可以破坏混凝土的内部及表面,并导致裂缝的形成。

4)设计和施工缺陷。裂缝也可能是由于设计或施工缺陷引起的,包括混凝土的质量控制问题、钢筋配置不当、模板支撑不稳定等。

了解不同类型的混凝土裂缝及其成因对于维护和修复混凝土结构非常重要。在设计、施工和维护过程中采取正确的措施可以减少裂缝的发生,并确保混凝土结构的长期耐久性和安全性。

3 剪力墙裂缝防治措施

混凝土剪力墙结构的贯通裂缝是一个重要的工程问题,需要采取一系列防治措施以确保建筑的结构安全和可持续性。以下是一些常见的防治措施:

1)材料选择与质量控制:在建筑剪力墙时,应选择高质量的混凝土和钢筋,确保它们符合相应的国际标准和规范。材料的质量对于防止裂缝的形成至关重要。

2)合理的结构设计:剪力墙的结构设计应充分考虑地震和风荷载,以确保其能够承受外部作用。工程师应采用现代的结构分析方法,确保结构的合理性和稳定性。

3)施工质量控制:在剪力墙的施工过程中,需要严格控制施工质量。确保混凝土的浇筑均匀,避免过早脱模和快速干燥,这有助于减少裂缝的形成。

4)使用抗裂缩混凝土:抗裂缩混凝土具有较低的收缩率和较高的抗裂性能。在剪力墙的关键部位,特别是在支座附近,使用抗裂缩混凝土可以有效减少裂缝的发生。

5)增加剪力墙的厚度和剪力筋:在设计阶段,可以考虑增加剪力墙的厚度或添加更多的剪力筋,以提高其抗裂性能。这可以增加结构的韧性,降低裂缝的发生和扩展风险。

6)裂缝监测与维护:定期进行结构裂缝的监测,并采取及时的维护措施。包括填充裂缝以防止其扩展,以及修复已经存在的裂缝,以维持结构的完整性。

7)使用外部加固技术:如果剪力墙已经出现了裂缝并且需要进一步加固,可以考虑使用外部加固技术,如粘贴纤维增强复合材料(FRP),以增加结构的强度和稳定性[4]。

8)地基加固:在某些情况下,地基的不稳定性可能导致剪力墙的裂缝。在这种情况下,必须进行地基加固工程,以消除不稳定因素。

总之,混凝土剪力墙结构的贯通裂缝防治需要综合考虑材料、设计、施工和维护等多个方面因素。采取适当的措施可以大大降低裂缝的发生和扩展风险,确保建筑的结构安全性和可持续性。

4 案例研究

以湖北省武汉市某新建住宅小区12号高层住宅楼为例进行分析。

4.1 工程概况

该小区12号楼,地下2层,地上32层,总高度98.85 m,层高3.0 m,采用混凝土剪力墙结构,建筑结构安全等级为二级,设计使用年限为50 a,剪力墙抗震等级为三级。地下室混凝土强度等级C50,地下室主体结构验收时,在剪力墙上发现贯通竖向裂缝。

4.1.1 开裂位置

12号楼地下室剪力墙柱共有6处剪力墙竖向贯穿裂缝,具体开裂位置及现场裂缝图如图1,图2所示。

4.1.2 施工及养护过程

1)验收情况。地下室负二层墙、柱于2023年3月24日进行举牌验收,施工作业要求及质量符合设计要求。

地下室负一层梁、板于2023年3月31日进行举牌验收,施工作业要求及质量符合设计要求。

2)施工情况。地下室负一层梁、板于2023年3月31日夜间23点30分进行混凝土浇筑,施工过程中总包及监理单位对混凝土质量现场进行抽查。于2023年4月1日下午14点整浇筑完成,历时14个小时完成混凝土浇筑,约420 m3。

3)养护情况。于2023年4月2日早6点开始进行一天三次的混凝土养护,对混凝土墙柱面、梁板进行湿水养护,截止于4月20日还未到28 d混凝土设计强度。

4)开裂情况。6处开裂情况中,最为严重的为5号开裂点,竖向贯通裂缝从墙顶部开裂至墙底1.2 m位置,厚度约为1 mm(未采用专业检查设备)。其余开裂位置均小于1 mm,在墙中部发生开裂,开裂长度1.5 m～2 m。

4.2 剪力墙结构贯通裂缝成因分析

4.2.1 初步分析

通过现场实地勘察及混凝土浇筑、养护情况,结合混凝土强度等级及外加剂掺入情况综合分析。提出以下开裂可能情况:

1)结合近端时间气温回升,昼夜温差大。其中3月31日夜间气温仅有11 ℃,4月1日气温25 ℃～13 ℃,温差最大至14 ℃。可能混凝土长墙因气温变化较大导致开裂。后续养护期间气温变化较大,导致混凝土发生应力变化开裂。

2)现场施工混凝土外墙长墙中,加入SY-K膨胀剂,现场实地勘察并未发现外墙混凝土开裂,可能是由于混凝土墙体较长且为加入外加剂缘故,导致内墙发生混凝土应力开裂。

3)混凝土标号较高,气温温差较大,导致混凝土内外温差过大,从而混凝土发生冷收缩,因此混凝土发生竖向不均匀贯穿裂缝[5]。

4.2.2 结构应力分析(有限元)

1)实际案例模型。a.建模:使用盈建科建筑结构计算软件建立结构局部地下室的三维模型,模型中梁、柱构件为杆单元,墙体为壳单元,板按弹性板6考虑,设置弹性板荷载计算方式为有限元计算,模型各构件截面及材料均与实际结构保持一致。建成模型如图3所示。b.加载:为简化计算,将按弹性计算的温差内力乘以徐变应力松弛系数0.3,作为实际温差内力标准值进行设计。对于温度荷载,软件考虑升温与降温两种工况,分别对每种工况循环进行荷载组合。在模型中通过输入节点温差来定义温度荷载,根据工程实际情况,温差最大为14 ℃。据现场反馈,结构地下12层剪力墙局部出现竖向贯通裂缝,此时地下1层楼面标高以上结构尚未施工,结构尚未加载,故判断此处裂缝非结构受力裂缝,因此模型中荷载组合类别取单工况(升温、降温)。

2)应力分析。在有限元分析中,利用最大主应力来判断混凝土裂缝的形成是一种常见的方法[6]。通过软件分析温度变化对此结构的影响,1—6开裂点处的最大主应力云图如图4—图13所示。

由图4,图5可知,在升温工况下,1号、2号开裂点处最大主应力值为-1 N/mm2～1 N/mm2,在降温工况下,最大主应力值为0 N/mm2～3 N/mm2,此时剪力墙底部和顶部最大主应力均超过2 N/mm2。

由图6,图7可知,在升温工况下,3号开裂点处最大主应力值为-1 N/mm2～1 N/mm2,在降温工况下,最大主应力值为0 N/mm2～3 N/mm2,此时剪力墙底部和顶部最大主应力值在2 N/mm2左右。

由图8,图9可知,在升温工况下,4号开裂点处最大主应力值为0 N/mm2左右,在降温工况下,剪力墙中部最大主应力值在1 N/mm2左右,底部最大主应力值均超过2 N/mm2。

由图10,图11可知,在升温工况下,5号开裂点处最大主应力值为-1 N/mm2～0 N/mm2,在降温工况下,最大主应力值为0 N/mm2～3 N/mm2,此时剪力墙底部和顶部最大主应力均达到3 N/mm2,剪力墙中部最大主应力也超过2 N/mm2。

由图12,图13可知,在升温工况下,6号开裂点处最大主应力值为-1 N/mm2～1 N/mm2,在降温工况下,剪力墙中部最大主应力接近2 N/mm2,底部最大主应力达到3 N/mm2。

由应力云图可知,在各开裂点处的混凝土最大主应力的数值均接近或超过混凝土的抗拉强度(1.89 N/mm2),说明在这些点处可能会发生拉伸破坏,从而引发混凝土裂缝的形成,这些点位是潜在的裂缝位置,经对比与实际情况基本吻合。

4.3 剪力墙贯通裂缝处理(意见建议)

考虑到该楼地下2层剪力墙设计混凝土等级、材料要求、墙肢长度均较常规,且与此设计条件相同的其他楼未反馈出现类似裂缝,故此处裂缝可能与施工时的气温变化、养护措施等相关,同时需进一步核实开裂剪力墙的混凝土强度等级及钢筋配置是否与设计一致。建议采取以下措施:

1)对裂缝发展趋势进行观测。制定裂缝观测计划,记录裂缝扩展、裂缝宽度等变化情况。裂缝数量、宽度进一步发展时应及时通知参建各方,协商处理措施。

2)剪力墙混凝土到相应龄期后,对混凝土强度进行检测,将检测结果及时通知参建各方。

3)后续施工中加强对剪力墙的养护。特别是对于山墙,在气温变化较大时,宜在延长模板留置时间的基础上加强养护。

4)后期剪力墙混凝土强度检测满足要求且裂缝无发展时,对裂缝进行相应修复。可采用化学灌浆法对混凝土裂缝进行修补处理[7],以下是一般情况下的步骤:

a.裂缝评估:在开始修补之前,首先需要对混凝土裂缝进行评估,确定其尺寸、深度和类型。这有助于选择适当的化学灌浆材料和确定修补方法。

b.安全措施:在进行化学灌浆工作之前,确保采取适当的安全措施,包括佩戴适当的个人防护装备,如手套、护目镜和口罩。

c.准备工作:清除裂缝中的杂物、尘土和松动的混凝土碎片。可以使用空气压缩机或刷子进行清洁。确保裂缝表面干燥。

d.灌浆材料选择:根据裂缝的性质和深度选择适当的灌浆材料。常用的选择包括聚合物树脂、环氧树脂、聚氨酯或水泥浆液。

e.混合灌浆材料:按照制造商的建议,准备所选灌浆材料。通常需要混合粉末或液体成分,确保达到适当的浓度和黏度。

f.灌浆:使用适当的设备,如灌浆枪或注射泵,将灌浆材料注入混凝土裂缝中。从裂缝的底部开始,缓慢注入灌浆材料,确保充分填充整个裂缝。

g.等待固化:根据灌浆材料的说明,等待一段时间,以确保材料充分固化。这个时间通常会根据材料的类型和环境条件而变化。

h.修整表面:修复过的表面可以在灌浆完全固化后进行修整。这包括刮掉多余的灌浆材料,研磨表面以使其平坦,并确保修补区域与周围的混凝土表面相一致。

i.清洁:清洁使用的工具和设备,以及移除可能溢出的灌浆材料,以防止其硬化。

j.保护和维护:对修补后的混凝土表面进行适当的保护和维护,以确保长期性能。这可能包括防水涂层、涂漆或其他防护措施,具体取决于应用需求。

不同类型的混凝土和裂缝可能需要不同的灌浆材料和方法。在进行任何修补工作之前,建议咨询专业人员,以确保选择合适的材料和技术,以及遵循所有相关的安全和环保法规。

5 结论

高层住宅剪力墙贯通裂缝的成因是多方面的。本文以某新建住宅小区高层住宅楼为例进行分析,推测剪力墙贯通裂缝的成因是剪力墙混凝土标号较高,在后续养护期间气温变化较大,导致混凝土内外温差过大,剪力墙产生应力集中,从而使混凝土发生开裂。通过有限元计算对结构应力进行分析并验证,计算结果与实际情况基本吻合。

针对此工程现状,建议在后续施工中加强对剪力墙的养护。特别是对于山墙,在气温变化较大时,宜在延长模板留置时间的基础上加强养护。在后期剪力墙混凝土强度检测满足要求且裂缝无发展时,可采用化学灌浆法等对混凝土裂缝进行修补处理。