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高层建筑钢筋混凝土结构强约束部位裂缝的分析与控制
 
土建网        【日期:2016-12-08】    【阅读:】    【字体:
 
1 引言
  高层建筑工程钢筋混凝土结构产生裂缝的原因很多,主要是由温度变形、收缩变形、基础不均匀沉降等变形作用引起的。据有关统计,由变形作用引起的裂缝几乎占全部裂缝的80%以上,其中,在条件相同的情况下,强约束部位工程裂缝出现的概率更大、裂缝更宽。结构物的变形受到约束后才产生约束应力,当约束应力超过钢筋混凝土结构的抗拉强度时便产生裂缝,因此约束强弱对结构物是否产生裂缝有着相当大的影响。
  2 高层建筑结构在强约束条件下的变形与裂缝分析
  高层建筑中地下室外墙板、二层梁、顶层梁板与屋面女儿墙由于受温度应力的作用,比一般情况下更易产生裂缝,工程实践中经常会在这些部位出现裂缝。
  2。1地下室结构
  地下室工程中最容易产生裂缝的部位是外墙板,底板与顶板产生裂缝的概率不大,其主要原因是:高层建筑地下室结构往往超长,外墙板受到地下室底板的强大约束,其约束远远大于地下室底板与顶板所受的约束。外墙板产生的裂缝绝大多数为竖向裂缝,多数缝长与墙高相当,两端逐渐减小。裂缝大部分出现在拆模后不久,有的还与环境温度变化梯度有关。一般情况下为表面裂缝,有时也有贯穿裂缝。
  2。2底层结构
  高层建筑一、二层在上部结构中所受约束最大。地下室外墙板与顶板厚度大、配筋密集,地下室结构本身受到地下室基础、底板、外侧土体的约束,因此地下室结构对上部一、二层的约束很大。高层建筑一、二层结构梁板经常会出现横向裂缝,特别是位于两个电梯井间(电梯井采用筒体结构)的大梁,该大梁还受到两个钢筋混凝土简体的强大约束,实际工程中经常有竖向裂缝出现,裂缝一般位于板下梁的两侧,有时裂缝在梁底跟通,这些裂缝通常是表面裂缝,深度在1~2 cm以内。
  2。3中间层结构
  高层建筑中间结构层梁板产生裂缝的情况很少,一个主要原因就是其所受的约束较小。
  2。4顶层结构
  高层建筑楼层结构越往上所受的约束越小,其水平位移越大,符合“约束强变形小、约束弱变形大”的规律。因此,距离底部基础约束最远的顶层结构所受的约束最小,其水平位移最大。但是顶层上部由于无约束或约束极小(如屋面机房对其的约束),受到的下部结构约束与上部相比很大,再加上顶层结构温差变化大,屋面板面大体薄对温度变化敏感,加上屋面板转角部位分别受到两个方面的约束,因此屋面板容易在转角部位产生八字形裂缝。还有一些屋面南侧边梁受到日照温差相当大,因此南侧边梁也容易产生竖向裂缝。
  2.5屋面女儿墙
  屋面女儿墙的约束情况与地下室外墙板、顶层结构相似。女儿墙受到的下部约束很大,而上部由于一般只按构造要求设一道压顶梁,上部约束很小,再加上女儿墙为薄壁结构,温差变化大,极易产生收缩裂缝。
  3 大底板多塔楼建筑结构在强约束条件下的变形与裂缝分析
  大底板多塔楼高层建筑产生的裂缝除具有一般高层建筑的特点外,还具有其自身的特点。大底板底板与地下室楼面在塔楼部位受到的水平约束与竖向约束均很大,因此在塔楼与裙房(或广场)的连接部位容易产生裂缝。
  3。1大底板底板
  大底板多塔楼高层建筑经常采用桩筏或桩箱基础其特点是竖向荷载的差异,使塔楼与裙房或广场产生差异沉降,这种类型的桩筏或桩箱基础的一个特点是底板厚度H远小于长宽尺寸L,当H/L小于或等于0.2时,底板在温度收缩变形作用下,离开端部区域,板的全截面受拉应力较均匀。在不均匀沉降作用、地基约束、塔楼竖向作用力下,将出现水平法向应力,该应力是引起垂直裂缝的主要原因,尤其在底板厚度或肋梁较小的裙房与广场部位特别容易产生裂缝。
  一般横向裂缝产生是由于上部荷载的不均匀作用,导致地基与基础受力不均匀,在差异沉降、底板收缩与地基约束下,底板自身的刚度不够,调节不均匀受力的能力较弱,遂产生了横向裂缝。沿底板对角线分布的斜向裂缝,其裂缝宽度一般呈现中间大两端小的枣核状,具有较明显的受剪破坏的特征,也是在差异沉降与地基约束作用下,底板自身的刚度不够而产生的。有时在塔楼与广场连接处的柱子会出现沿柱根呈“口”字形的裂缝,裂缝进一步发展时,“口”字四角再向外呈斜向发展,长度一般较短。
  3.2地下室顶板
  大底板多塔楼高层建筑的地下室顶板平面尺寸一般都很大、各边长度超长,温度变化引起的伸缩与混凝土自身收缩值均较大。塔楼大量的混凝土墙柱与剪力墙是结构中重要的抗侧力构件,它的存在大大提高了结构的抗侧移能力,加大对顶板变形的约束。由于顶板受到周边塔楼结构的强约束,而中间广场部位有一个较大的空间,只受到地下室墙柱的弱约束,因此顶板周边受到的约束远远大于中央部位受到的约束,周边受到的应力也远远大于中央部位。由于顶板在塔楼附近应力集中,因此裂缝首先在这里产生。由于平面尺寸大、结构超长,顶板其它部位也逐渐有裂缝产生,顶板中心由于约束很弱,一般无裂缝产生。塔楼部位的顶板受到地下室与上部结构的约束均较大,而自身的梁板跨度均较小且梁断面较大、刚度较好,一般不会出现裂缝。
  3。3地下室外墙板
  大底板多塔楼高层建筑地下室外墙板除具有一般地下室外墙板的特点外,由于外墙板受到塔楼结构的强约束,因此外墙板除具有一般的竖向裂缝外,在裙房(或广场)与塔楼连接处易产生较大的裂缝,裂缝一般呈竖向略带斜向,裂缝上部靠近塔楼,下部靠近裙房。
  4 其它结构在强约束条件下的变形与裂缝分析
  4.1汽车坡道
  现代建筑物经常具有车辆直接进入二层的汽车坡道,一层通常作为车库。车道一端与一层楼面连接,另一端位于室外自然基础或地下室顶板上,平面布置如图1。由于车道的斜向布置使其具有极强的约束,特别是另一端位于地下室顶板上的情况,使车道产生平行于横向的裂缝,裂缝经常为贯穿性的。
  4。2回字形结构
  有些工程由于使用的需要,设计成呈“回”字形的内外两个钢筋混凝土简体,两简体间采用梁板连接。当内外两个简体间距较近时,梁板受到的变形约束极大,容易在楼面产生裂缝。某工程为地下一层结构,由内外两个简体构成,中间为无顶板水池,四周为走道有顶板,混凝土强度等级为C30。内外简体墙板厚度分别为250mm、300mm,顶板厚度为120mm,顶板配筋为上下双层双向10mm@150mm。顶板刚度相对简体很弱,受到的约束很大。顶板产生的裂缝如图2所示,在角部呈45°角分布,中间呈垂直于简体方向布置。
  5 防止钢筋混凝土强约束部位结构裂缝的技术处理措施
  强约束是建筑工程产生裂缝的一个重要原因,对有强约束的建筑工程,应采取减小约束、加强结构刚度、施加预应力等技术措施来有效减少裂缝的产生。
  5.1减小约束
  减小约束从根本上缓解裂缝的产生。对超长结构和大底板塔楼结构可以采用后浇带、伸缩缝,充分释放混凝土的伸缩应力,给结构留有合理的伸缩空间。对处在基岩或老混凝土上的基础或结构采用设置滑动层和铰接点的方法。如对斜形车道,可将其另一端设在具有滑动层的自然基础上。
  5。2加强刚度
  加强结构刚度,提高整体抗裂能力。在强约束区提高配筋,减小钢筋间距和钢筋直径,提高混凝土与钢筋的协同作用,提高抗裂能力。如:可在地下室外墙板中设置暗梁;在竖向荷载变化很大的连接部位加密钢筋;对加强大底板多塔楼高层建筑地下室底板整体刚度,提高其调节不均匀沉降的作用与抗裂能力;加强混凝土配合比的设计等。
  5。3施加预应力
  施加预应力直接约束结构的变形,减小因约束而产生的内力,从而防止结构开裂。预应力技术尤其适合于楼面结构,楼面结构的裂缝以横向为主,纵向钢筋的配置对其有重大的影响,一般可在纵向主梁中采用预应力筋以施加预应力。
  5。4施工措施
  加强施工,做好混凝土的养护工作,尽可能提高混凝土的实际强度。严格掌握后浇带的封堵时间,使混凝土有充分应力的时间等。
  6 工程实例
  6.1实例 1
  湖南某工程有地下室一层且连成整体,上部由7幢高层主楼组成。整个平面呈一个大的“L”形,两个长边分别达到153.5m、133.6m。主楼采用框架剪力墙结构。广场地下室采用框架结构,柱网间距8.2m。每幢主楼有两个东西对称布置的电梯间和楼梯间混凝土筒体。
  地下室外墙板产生较多竖向表面裂缝,间距在3~4m,个别有渗水现象。地下室底板无明显裂缝与渗水现象。地下室顶板产生了较多斜向45°裂缝且大多有渗水现象,裂缝主要分布在强约束区与应力集中的大阴角处,如图3所示。
  7幢主楼连接两个电梯间、楼梯间的二层大梁均有裂缝产生。裂缝在梁侧呈竖向分布,上端接近于板底,下端通到梁底,梁底下侧个别也有连通。裂缝深度在1cm以内。三层该部位大梁也有少量裂缝产生,四层以上该部位大梁没有裂缝发现。由于顶层边梁配筋得到加强,屋面板转角均配置了上下层放射筋,因此顶层结构没有发现裂缝。
  6.2 实例2
  湖南某工业科技园综合楼工程建筑面积56100m2。A楼地下1层,地上6层,结构长度(含悬挑结构)为300.5m。基础采用人工挖孔桩与钻孔灌注桩,底板厚度为40cm。结构形式为全现浇框架结构,混凝土强度等级为C30。上部建筑采用通透式设计,外墙采用落地式大排窗。
  6.2.1地下室裂缝控制
  1)减少约束
  在29轴设置一条伸缩缝分成东西两块,每块底板又设置了两条后浇带,如图4地下室平面示意图所示。地下室底板、外墙板、室外顶板及后浇带的混凝土均采用掺入10%UEA -H的微膨胀混凝土,提高混凝土抗伸缩能力。
  2)加强刚度
  地下室底板与外墙板在满足要求的前提下纵向钢筋的小而密。底板上下配置 18mm@150mm钢筋网。外墙板厚度为300mm,水平筋配置为14mm@150mm。掺加粉煤灰、膨胀剂、外加剂等减少水泥与水的用量,提高混凝土极限拉伸值。黄砂采用中砂,碎石采用连续的5~25mm粒径。塌落度为12cm。
  3)施工控制
  按后浇带为界分块分批浇注,保证每一块混凝土的热量能最大限度地释放,使混凝土内不会集中较大的收缩应力。加强养护,加快土方回填。后浇带的填充时间为结构混凝土浇捣后3个月,使结构的总降温与收缩变形进行到一半以上,以有效释应力。
  6.2.2上部裂缝控制
  1)加强刚度
  板的配筋采用连续式配筋,上部结构楼面板厚为120mm,纵向板筋为上下18@150mm。屋面板厚度为120mm,纵向板筋为上下12@125mm,对转角处楼板配置上下两层放射筋。
  2)预加预应力
  纵向框架梁采用无粘结预应力技术。按施工段划分为6个区块,每个区块以后浇带为界进行分段张拉,每段长度均在50m左右。后浇带处梁增设骑缝筋连接,也采用预应力技术。
  3)施工控制
  材料控制与施工控制类同于地下室结构施工。
  6。2。3施工效果
  通过采取了一系列技术处理措施后,该强约束结构部位情况良好,经过近两年多的使用,没有发现结构裂缝和渗漏水现象。
  
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