地下工程墙板结构的开裂机理及裂缝控制设计

王 兵 刘小泉

(1．江苏省建筑设计研究院有限公司，江苏南京 210019;2．常州市建筑科学研究院股份有限公司，江苏常州 213015)

0 引言

结构混凝土的质量是决定建筑工程质量的关键要素，随着城市建设的不断发展，超高层建筑、大跨结构、异形结构、地铁、隧道的迅速发展，地下工程的数量也越来越多。地下墙板的开裂成为了迫切需要解决的问题，而目前还没有十分成熟有效的技术措施。

本文从微观、细观到宏观对地下工程墙板结构的裂缝成因进行了实质性的分析，并提出引入BIM技术用于裂缝控制设计，在结构设计中明确材料、施工等方面的关键性能要求，做到裂缝控制的可控性。

1 墙板开裂机理分析

混凝土裂缝产生主要是以下几个因素［1］:

1)由外荷载的直接应力引起的裂缝;

2)由结构的次应力引起的裂缝;

3)由变形变化引起的裂缝，即由温度、收缩、不均匀沉降、膨胀等变形变化产生应力而引起的。

地下室混凝土的浇筑是一种大体积混凝土的施工，裂缝主要表现为以下一些特点:

1)裂缝形式主要为竖向裂缝，长度一般接近于整体墙高;

2)裂缝数量较多，沿地下室长度方向的两端裂缝较少，墙体中部较多;

3)裂缝的宽度一般在0．2 mm左右，个别部位会达到0．5 mm以上;

4)裂缝随时间的延长逐渐增多，但缝宽变化不大。

2 开裂因素分析

1)结构设计因素。

a．对结构约束考虑不当。在工程设计中，忽略了上部结构、基础和地基三者之间的共同作用或对复杂结构体系、超静定结构的约束作用考虑不够亦或对混凝土内部自约束条件缺乏必要数据，在约束状态下，如结构没有变形的余地，由于各种约束的叠加会产生较大的约束应力，当叠加的约束应力超过混凝土抗拉强度时，混凝土必然开裂。

b．混凝土设计标号过高。为了满足功能用途及降低成本，结构设计师往往选择C40以上标号混凝土，有的甚至采用C60混凝土，混凝土的收缩势必增大，必然加剧裂缝发生、扩展。

c．对后浇带、加强带设计不当。结构设计人员不适当地放宽了设计条件，延长后浇带间距，使后浇带起不到释放收缩应力的作用;也有部分设计人员在没有掌握膨胀加强带的功能及工艺的前提下，盲目采取加强带措施，往往适得其反。

d．对构造配筋不够重视。大量实践证明，水平筋采取“细而密”的设计准则，对提高墙板结构的抗裂性能效果显著。

2)组成材料方面。

收缩因素:对于墙板结构来说，造成开裂的收缩主要是塑性阶段的沉降收缩和水化过程中的干燥收缩。

塑性沉降收缩是在混凝土浇筑后初凝之前，混凝土中的骨料在流变力及自重的作用下，骨料缓慢下沉，当下沉量累积到一定程度就会引起应力集中，再加上表面水分的快速蒸发散失，导致收缩过大而产生开裂。

混凝土停止养护后，置于未饱和空气中的混凝土因失去内部毛细孔和凝胶孔的吸附水而发生的不可逆收缩，称为干燥收缩变形，简称干缩;是混凝土收缩的主要影响因素，也是造成混凝土开裂的较为重要的原因。对于地下墙板混凝土而言，干燥收缩是非常复杂的变形过程，水泥标号及用量、用水量、试件表面暴露条件、养护条件、配筋数量等因素均会造成混凝土的干燥收缩。

近年来，高性能混凝土(HPC)与高强混凝土(HSC)被大量采用，由于水泥细度加大、混凝土坍落度加大、缓凝时间延长、粉煤灰用量加大、石子粒径变小等因素，使得混凝土的收缩呈增加的趋势，导致裂缝控制难度大大增加。

3)膨胀剂因素。

掺膨胀剂混凝土源于吴忠伟院士的“微膨胀补偿收缩”理论，普遍认为掺8%～12%膨胀剂混凝土会产生2×10-4以上的膨胀，以补偿混凝土的部分收缩，但是前提条件必须是水中养护，相比普通混凝土而言养护条件更苛刻，对于墙板构件由于是竖向构件且表面积大，湿养护很难做到，往往由于日晒、风吹导致表面快速失水，并由表及里不断干燥，收缩加剧，掺膨胀剂反而起到了“反作用”，导致墙板更容易开裂、开裂程度更严重。

4)施工方面。在施工方面，多种因素会影响墙板的裂缝发展情况，主要有以下几个方面:

a．振捣。过振——用插入式振捣器振实混凝土使混凝土流淌，振捣过度时会导致骨料下沉，造成区域骨料集中和灰浆集中，在混凝土中会容易出现大量的收缩裂缝。

漏振——振捣不密实，不够充分时，在混凝土内部容易产生薄弱面，混凝土存在开裂的潜在隐患。

b．养护。养护条件的好坏极大地影响了地下工程墙板混凝土的开裂，由于地下工程墙板表面积较大，水分散失较快，尤其在有阳光直射、风速较大的部位，拆模前后如果不注意跟踪养护则容易造成混凝土失水过快、过多，从而产生较多的裂缝。

c．拆模。拆模不宜过早或者过迟。过早拆模，由于过早解除约束，墙板构件表面温度条件、湿度条件的剧烈变化也会导致收缩加大;过迟拆模，墙板构件表面已经严重脱水，也会加大收缩。

d．浇筑速度。在大体积混凝土浇筑过程中需控制浇筑速度，若浇筑速度太快，短时间内大量流动性混凝土则容易充满墙板模板，造成自重瞬间过大，导致骨料下沉加剧，并形成较大侧压力，对模板等约束产生不良影响。

e．外力扰动。墙板构件混凝土在水化早期水化产物尚不够丰富，遇有外力或周围扰动，使得墙板混凝土产生先天损伤，引起混凝土内部的开裂。

3 基于BIM技术的墙板结构裂缝控制设计

建筑信息模型(Building Information Model，BIM)是通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息，集成了建筑工程项目各种相关信息的工程数据模型，是对该工程项目相关信息的详尽表达。它的概念是由美国Autodesk公司在2002年首次提出的，BIM技术的信息不仅是三维几何形状信息，还包含大量的非几何形状信息，如建筑构件的材料、重量、价格和进度等等。

基于BIM技术的墙板裂缝控制设计的构想，首先建立三大模块因素，即设计模块、施工模块、混凝土材料模块，把每个模块的因素细化，将墙板构件作为一个数据单位添加如钢筋种类、配筋率、混凝土标号、水泥用量、混凝土的收缩、浇捣工艺、养护、拆模等属性信息，结合BIM模拟计算技术，在工程开始阶段，预先对结构部位做出估算并做开裂评价标记，附加结构设计的抗裂手段及后期维护建议［2］。

3．1 设计模块的因素

1)混凝土强度等级不大于C40。2)混凝土28 d收缩小于2×10-4。3)掺用低收缩的膨胀剂，掺用高模量的抗裂纤维。4)采用60 d，90 d龄期强度作为强度设计值。5)采用“细而密”的配筋原则，水平筋配筋率应大于0．2%(宜在0．25%左右)，水平钢筋可选φ10 mm～φ16 mm的钢筋，间距不大于150 mm，个别开口部和墙体连接处由于应力集中应增添附加钢筋，水平筋宜放在受力筋外侧。6)对于约束过大的部位应有相应的配筋设计措施。7)合理设置后浇带、膨胀加强带。

3．2 施工模块的因素

1)浇捣。浇筑速度不宜过快，控制在25 m3/h，分层浇筑，每层不超过1．5 m，保证不过振、不漏振。

2)养护。养护应遵循以下几个方面:在拆模前应采用各种措施保证湿养护;不得施加任何形式的侧压力或竖向荷载，绝对禁止在拆模前松动模板螺杆，拆模后应继续持续保湿养护14 d以上，视工程进展待具备条件后及时回填土。

3)跟踪留意气象变化，浇筑时间宜选择在阴湿小雨天气，尽可能避开夏季高温季节，在夏季也应选择夜间浇筑。

3．3 混凝土材料模块的因素

1)水泥优先选用42．5普通硅酸盐水泥。2)在满足施工工艺的前提下，尽可能缩短凝结时间。3)石子级配尽可能提高大粒径碎石的比例，砂子细度模数在2．3以上。4)最大程度上降低泌水。5)混凝土入模扩展度450 mm±30 mm。

通过引入上述模块和因素分析，利用BIM技术结合设计、施工和材料监测，将实现墙板结构裂缝质量问题的有效预防与控制。

4 结语

地下工程墙板结构墙体产生裂缝的原因多且复杂，既有本身的原因，也有外界因素的作用缘故，裂缝的产生很大程度上影响了地下结构工程使用的安全性，目前也是工程领域最为棘手的问题，同样会造成设计方、施工方、材料方一些工程纠纷，从而影响工程质量及进度。本文从设计、施工、材料角度优化了裂缝控制设计，并建议在工程初期引入BIM技术，将设计、施工、材料模块细化分析，进行全过程跟踪设计和管理，对解决地下工程裂缝控制难题有一定的实用价值。

［1］王铁梦．工程结构裂缝控制［M］．北京:中国建筑工业出版社，1997．

［2］刘文鹏，叶英华，沈 孛．BIM技术在混凝土结构耐久性评估中的应用［J］．建筑技术，2012(1):35-36．

［3］郭文强．谈钢筋混凝土结构裂缝及其控制［J］．山西建筑，2013，39(19):33-34．