住宅大跨度现浇楼板开裂机理与处置

2020-03-18杨合庆李今兴

建筑施工 2020年11期

王勇杨合庆李今兴陈劲

1. 杭州宋都房地产集团有限公司浙江杭州 310013；2. 浙江省建筑设计研究院浙江杭州 310006

当前在钢筋混凝土民用住宅中，现浇混凝土楼板出现裂缝的现象较为普遍，已成为商品房质量纠纷、投诉的热点问题。尤其近年各地均要求采用预拌混凝土，楼板裂缝发生的概率相对自拌混凝土更大[1-2]。

楼板裂缝从成因分析可分为荷载引起的裂缝、变形引起的裂缝两大类[3]，进一步细分则有超载裂缝、沉降裂缝、温度裂缝、混凝土自收缩裂缝、构造裂缝等[4]。已有不少科研技术人员针对楼板裂缝进行计算模拟，基本集中在温度裂缝及收缩裂缝方面[5-7]。经过多年积累，楼板裂缝预防及处理措施也有了不少成熟的做法和经验[8-9]。

本文针对一个发生楼板裂缝的具体工程实例进行全面剖析，探索了导致住宅大跨度楼板裂缝发生的一个容易被忽视的重大原因，同时也针对这类裂缝产生后的有效处理方案进行了介绍，并对后续住宅大跨度楼板的裂缝防治措施给出了建议。

1 工程概况

某住宅小区小高层采用现浇框架剪力墙结构体系，基础采用PHC管桩。该项目部分结构板面层先出现少量裂缝，并在一两个月后明显增多，且楼板面裂缝呈现明显的规律性，主要分布在住宅客厅大跨度楼板的周边和角部，各标准层同部位楼板都有不同程度的开裂状况。

2 裂缝成因分析

通过现场的细致踏勘，产生板面面层裂缝的楼板为4 850 mm×8 700 mm的大跨度结构异形板，如图1所示。

面层的裂缝主要分布在该楼板四周沿梁边及四角斜向处，板底基本无裂缝，其中面层裂缝宽度在0.20～ 0.50 mm，现场打开建筑面层后可看到结构板裂缝宽度在0.10～0.35 mm。根据一般楼板结构裂缝产生的原因，对照本项目的实际情况，从以下几个方面进行了分析。

2.1 基础沉降复核

通过调取本项目的沉降观察资料，并对现场实际房屋的沉降量和倾斜度进行了复查，结果都在允许范围内，且本项目填充墙体无裂缝，基本排除房屋沉降引起楼板裂缝的可能性。

图1 楼板配筋平面示意

2.2 楼板受力有限元分析

通过对该楼板采用多个软件进行平时正常使用荷载下有限元分析计算复核，从计算结果来看，该楼板的设计板厚和配筋能够满足规范中的正常使用状态要求，且楼板当前状态下无附加荷载。

2.3 施工过程复核

通过调取相关隐蔽工程照片，施工单位的钢筋配置基本按照设计要求。对该楼幢的施工记录进行检查，发现该项目现场实际配置3套模板，绝大部分楼层施工在5 d/层，因此拆模时间基本在15 d以内，基本满足相关要求。

2.4 楼板实体质量检测

通过钢筋扫描仪对楼板负筋的检查，发现楼板保护层厚度基本在10～25 mm之间，略微超过设计规范中厚15 mm的要求，经设计复核基本可以满足规范要求；通过现场回弹检查，楼板混凝土强度全部符合设计要求；且从施工单位提供的各项原材料质量证明书、复检报告、混凝土强度试验报告和现场原材料抽样分析的结果来看，可以排除各种原材料不合格的因素。

通过以上各项影响要素的分项，结合本项目楼板裂缝发生的过程，初步判断裂缝成因可能为以下情况：

1）施工过程中现浇楼板上的施工荷载超过设计使用荷载，从而导致了楼板支座位置上表面裂缝的产生。

2）楼板设计的构造要求偏低，对于温度变化、混凝土等影响因素不能充分考虑，特别是气温变化对楼板面层裂缝产生了明显的诱导作用。

针对以上判断：首先对现场存在板面裂缝的楼板根据平时使用状态荷载进行静载荷试验[10]，以验证楼板本身质量是否满足平时使用要求；其次进行楼板施工模拟分析，考察施工过程中的荷载是否超过平时使用荷载。

3 楼板静载试验

静载试验针对发生板面裂缝的楼板进行。

楼板板厚130 mm，含找平层等自重为3.9 kN/m2；另考虑吊顶、装修等恒荷载1.7 kN/m2，因此该楼板平时使用状态下恒荷载为5.6 kN/m2；活荷载为2.0 kN/m2。静载试验最大加载量试验之初按荷载标准组合考虑，为除自重外的恒荷载1.7 kN/m2与活荷载2.0 kN/m2之和，即3.7 kN/m2。

试验采用配重物（蓄水）均布、均匀加载方式进行；荷载共分6级，前4级每级荷载按试验荷载的20%递增，最后2级按10%递增，最后加载至100%；其后分5级进行均匀卸载。实际试验过程中，在按上述加载要求加载至3.7 kN/m2时，各级荷载施加过程中测量数据发展均匀，楼板亦未出现异常，为进一步了解楼板实际承载能力，继续按 3.7 kN/m2的10%施加荷载4级，最终施加荷载最大值为5.18 kN/m2。

被测楼板在试验之前板底未见开裂现象，在本次静载试验过程中板底未见裂缝产生。

在100%试验荷载（5.18 kN/m2）作用下，实测跨中挠度为1.88 mm。考虑到弹性阶段挠度与荷载呈线性关系，可根据式（1）计算得短期挠度值：

式中：qs——试验外加均布荷载值，取5.6 kN/m2；

qF——楼面结构自重荷载值，取5.18 kN/m2；

fs——外加荷载产生的挠度值，取1.88 mm。

代入式（1）可得as0=3.29 mm。

按混凝土结构试验方法标准式9.3.2-1〔式（2）〕计算挠度值：

式中：[as]——挠度允许值；

θ ——计算参数；

[af]——挠度设计限值，根据混凝土结构设计规范表3.4.3，可计算得[af]=23.25 mm。

根据混凝土结构设计规范7.2.5，参数为1.7，可求得[as]=13.68 mm。

根据上述计算[as]，满足混凝土结构试验方法标准式9.3.1-1的规定。

4 楼板施工模拟分析

基于以上的初步判断，我们对该建筑结构楼板进行了全过程的施工模拟分析，寻求找出施工过程中楼板最不利受力状态。

4.1 施工模拟思路及假定

模拟过程从首层结构施工开始，支模架3套，施工首层结构时第1套模架支撑于基础上；施工进度为5 d/层，每层施工最后一天浇筑混凝土；按此节奏第15天实施完成3层结构浇筑，第16天拆除底层支模架用于第4层支模，第20天实施完成第4层梁板浇筑；以此类推。

楼板施工过程如图2所示（楼板旁标记数字为该楼板累计承担的荷载）。

图2 楼板施工过程示意

假定1：基础刚度及支模架钢管抗压刚度相对楼板平面外刚度而言均较大，故假定前3层施工时基础部位不发生沉降，且忽略支模架轴向变形。

假定2：浇筑某一层混凝土时，该层混凝土当天及第2天均无强度；其下各层按龄期计算强度。

假定3：施工过程中荷载变化集中到2个时点，其一顶层刚浇筑好混凝土时，其二为底层拆模时。

假定4：各层结构在施工阶段均为弹性受力。

假定5：根据混凝土强度曲线，按楼板混凝土设计强度C30，推算5～6 d、10～11 d及15～16 d混凝土强度分别按C17.5、C22.5及C25计算，按规范[11]，弹性模量分别为23.75、26.75、28.00 GPa。

4.2 施工过程模拟

施工过程中的荷载需要考虑楼板及支模架自重，每层楼板按厚130 mm、自重3.25 kN/m2计算，支模架自重[12]按每层0.75 kN/m2计算。

到第15天施工完底部3层时，按基础不沉降假定，所有楼板自重及支模架质量均传递到基础。第16天拆除底层支模架，该支模架承受的荷载11.25 kN/m2（其上3层楼板自重及2层支模架自重）将转由首层及2层楼板承受（根据前述假定第3层楼板无强度不参与分配），分别设为F11及F21。

根据前述假定1，支模架轴向无变形，故首层及2层楼板变形相同，则荷载分配应与楼板刚度成正比关系；因楼板尺寸及截面各层均相同，各层楼板刚度相对比例与楼板混凝土弹性模量相对比例一致。

根据位移协调原则，设楼板A、B、…共同承受荷载F，其弹性模量分别为EA、EB、…，F分配的荷载分别为FA、FB、…，则：

根据式（3）可得：

第20天浇筑第4层混凝土，第4层楼板及支模架自重4 kN/m2将由其下3层楼板承受，分别设为F12、F22及F31。同理可得F12=1.43，F22=1.36，F31=1.21。

以此类推，可得出每层楼板各阶段分担到的荷载，叠加后可以得出该楼板最终承受荷载。

按此思路，在第25天第5层楼面混凝土刚浇筑完成时，第2层楼板所承受的总荷载达到最大，为9.94 kN/m2，扣除楼板自重的实际外加荷载达到了6.69 kN/m2，大幅度超过该楼板正常设计时考虑的2.75 kN/m2（面层荷载＋活荷载）的限值，其他时间段里大部分楼板承受的总荷载也在7～9 kN/m2之间，扣除楼板自重的实际外加荷载基本达到5 kN/m2左右。

根据施工模拟产生的荷载情况对该结构楼板进行挠度和裂缝的验算可以发现，楼板支座位置板面最大裂缝宽度达到0.27 mm，基本接近最大裂缝宽度的限值，该计算值与现场实际发生的裂缝情况基本接近，表现形态也基本吻合，初步推论中关于施工荷载超过设计使用荷载的情况从施工模拟情况中得到证实。

5 裂缝处理

根据上述对楼板裂缝成因的全面分析以及楼板施工模拟，可以得出该项目楼板裂缝基本由施工过程中的超载所产生，但是因为裂缝并未贯穿板底，且裂缝较细，面层浇筑时未能及时发现该结构板裂缝的存在。后期因为气温升高致使原有结构板细（微）裂缝有所扩展，并致使建筑面层在结构板裂缝处依次呈现。

针对本项目结构楼板产生的现场裂缝情况及裂缝成因分析，后续的处理措施严格遵循设计、施工及结构鉴定规范的相关要求：

1）委托具有专业资质的结构鉴定单位对主要裂缝楼板进行结构鉴定，通过现场静载荷试验进一步确定现场结构楼板的安全性。

2）根据结构设计说明及参照文献[13]相关说明，小于0.3 mm的裂缝无须修补。但考虑到本工程的重要性，同时也为了防止钢筋锈蚀而影响耐久性，本着预防为主的原则，决定按照需要修补的规定进行修补。针对严重程度较高的楼板采取支座附近面层凿除并在结构板面保护层内植入钢筋的方式进行加强处理，再对面层进行恢复；另外60%中等程度裂缝的楼板采用无痕修补材料进行裂缝封闭，个别裂缝的楼板则直接采用环氧树脂注胶的方式进行处理。

6 楼板裂缝预防措施建议

根据本项目的经验和教训，对住宅建筑结构楼板的裂缝防治建议综合考虑以下措施：

1）现浇板结构设计时应严格按照构造要求选择楼板厚度，其中：楼板长向与短向跨度比值≤1.5时，板厚按（短向跨度/35）取值；比值＞1.5～2.0时，板厚按（短向跨度/35＋1 cm）取值；比值＞2.0时，板厚按（短向跨度/30）取值。同时所有厚度取值不小于最小板厚要求。

2）对于楼板短跨跨度在3 600 mm以上的楼板，除按设计荷载要求进行配筋外，还需要进行施工模拟，并根据施工荷载情况对结构板的裂缝和挠度进行验算，确保最大施工荷载下结构板裂缝和挠度控制在规范要求的适度范围内；且大跨度楼板（短跨大于3 600 mm）四角部位及异形板转角位置应配置面层放射钢筋进行加强。

3）宜采用较小直径密度分布的方式进行布筋，为防止温度及收缩引起的应力影响，应适当提高上层拉通钢筋的配筋率，这样可提高混凝土体的极限拉伸应变及混凝土抵抗干缩变形的能力，防止因混凝土自身收缩出现大量的应力集中点，使局部出现塑性变形产生裂缝。另外混凝土设计强度等级不宜太高。

4）当房屋长度超过设计规范要求时，应在楼板上设置后浇带，使其释放内应力。

5）施工时应严格按配合比进行计量投料，控制搅拌时间及水灰比，并根据现场砂含水量变化及原砂中含粒径5 cm以上的砾石筛选调整施工配合比，保持混凝土强度及坍落度一致，防止因水及水泥用量过多而增加混凝土中多余的水分及空气，从而产生较大的内应力，导致产生收缩裂缝。水泥应选用非早强度型、水化热低和质量稳定的普通硅酸盐水泥，减少混凝土自身收缩。

6）大跨度楼板应严格按施工规范要求进行模板起拱。

7）严格控制板面负筋保护层厚度。现浇板负筋按设计要求都放在板上面，有梁通过或隔断时，一般放置在梁钢筋上面或与梁钢筋绑扎在一起。为了控制好负筋保护层厚度，必须采用可靠的马凳筋或支撑方式来固定负筋的位置，并用电焊把马凳与负筋焊牢，使马凳在混凝土浇筑过程中不移位，保证负筋不下沉，从而有效控制负筋保护层的厚度，不使板负筋保护层过厚而产生裂缝。模板中线管铺设密集处的上部及下部铺放一层18#钢丝网，宽度每边应大于管区100 mm为宜。

8）严格控制拆模时间，满足规范要求，对于施工进度有特殊要求时必须采取可靠措施（提高混凝土强度等级、掺入早凝剂、增加模板套数）来予以保障。