楼板开裂原因分析与荷载试验研究

0 引言

混凝土裂缝问题一直是工程界的热点问题。近年来，伴随国内城市化进程的加快，基础设施建设、商品住宅建设飞速发展，混凝土结构裂缝问题则显得尤为突出。混凝土结构裂缝特别是非荷载变形导致的裂缝，对建筑物的长期耐久性、使用性能甚至安全可靠性可能产生严重危害，是多年来一直困扰工程界的重大课题。由于商品混凝土组成复杂，材料性质波动大，且普遍采用掺和料和外加剂，使混凝土往往具有较高的收缩变形；对施工进度的追求，往往不重视规范对施工养护等方面的严格规定；对利益的最大追求，使建设单位在建筑物构造设计上往往偷工减料，这些都是造成裂缝大量出现的重要原因。尤其是当楼板出现大量贯穿裂缝时，其承载安全性能引起了使用者的担忧。本文将以在建的某商业综合楼为例，对其楼板出现的开裂渗水部位进行检测，采用裂缝测宽仪对典型的最大裂缝宽度进行测量，并对楼板混凝土强度、楼板厚度及配筋状况进行检测，同时，对开裂楼板做静载试验，验证其安全承载性能。

1 工程概况

商业综合楼由一幢地下2层、地上14层的宾馆及4层裙房组成，总建筑面积约为36 000m2，商业裙房楼板为双层双向配筋（图1），其混凝土设计强度为C30，设计板厚120mm。

在塔楼建造过程中，该商业裙房楼板出现了大量的不规则裂缝，在洒水养护时普遍存在开裂渗水现象，这对结构整体的刚度影响较大。楼板裂缝的出现引起了业主的恐慌，担心楼板难以满足安全承载力要求。因此，有必要找到引起楼板开裂的主要原因，以避免此类问题的再次发生。同时，对楼板结构进行现场静载测试，掌握楼板的安全承载性能，为后续的修复工作及混凝土工程的裂缝防治工作提供依据。

2 现场检测结果

现场选取出现裂缝较多的2层楼板16～17/P～N区域、3层楼板18～19/P～N区域和屋面板16～17/P～N区域进行重点检测。经现场完损检测发现，商业裙房楼板普遍存在开裂渗水现象，采用裂缝测宽仪对典型的最大裂缝宽度进行了测量，最大裂缝宽度为0.2mm。同时，楼板的实测厚度介于119～126mm之间，厚度满足《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB 50204—2015）的要求。

图1 商业裙房12～17/J～R板配筋情况

表1 钢筋混凝土板底配筋检测结果

2.1 楼板配筋及保护层厚度检测

采用PS-200钢筋探测仪和0-150mm游标卡尺对指定检测区域楼板裂缝处的板底配筋进行现场检测（表1）。由表1可知，实测配筋情况与设计基本相符，楼屋面板板底钢筋直径均满足设计要求，受力钢筋间距均未超过规范允许偏差值，板底钢筋保护层厚度稍微偏大。

2.2 楼板混凝土强度检测

为确定混凝土的抗压强度，采用HT225-A/ZBL-S230型数显回弹仪和0～150mm游标卡尺，根据《结构混凝土抗压强度检测技术规程》（DG/TJ 08—2020—2007）进行混凝土强度现场抽样检测。同时，根据《钻芯法检测混凝土强度技术规程》（CECS 03—2007）在回弹测区共钻取8个φ70mm的混凝土芯样，并根据芯样测试结果对非破损检测结果进行修正（表2、3）。

测试结果表明，受检区域楼板混凝土构件强度推定值在30.2～36.9MPa之间，满足设计强度C30的要求。

3 开裂楼板静载试验

为了检验楼板开裂后的结构安全性，对底层顶板16～17/P～N区域、2层顶板18～19/P～N区域、3层顶板16～17/P～N区域分别进行静力堆载试验。每个区域各选一块板做静载试验，试验楼板处于最不利位置的中间楼板。

3.1 试验方法

3.1.1 荷载计算

试验时的最大荷载值（包括自重）取目标使用期内的荷载验算值的1.55倍。

（1）恒载：0.12×25（楼板自重）+1.5（装修荷载）=4.5kN/m2。

（2）活载：3.5kN/m2。

（3）目标使用期内的荷载验算值为：4.5×1.0+3.5×1.3=9.05kN/m2。

（4）试验的最大荷载值为：9.05×1.55=14.0kN/m2。

（5）试验的外加最大荷载（采用注水）：14.0-3（楼板自重）=11.0kN/m2。

3.1.2 加载工况

对双向连续板分别按图2所示的两种情况进行均布加载，其中，阴影部分为注水加载区域。

表2 测区混凝土强度芯样修正结果

表3 混凝土强度检测结果（回弹法）

3.1.3 加载方式

试验应采用分级加载，每级荷载不应大于最大试验荷载的20%。构件的自重应作为第一级加载的一部分。加载至最大试验荷载后，应分级卸载。

本次试验拟分6次进行加载，加载后分别为最大试验荷载的20%、40%、60%、75%、90%、100%。

（1）第一级加载后荷载为：3.0 kN/m2（不注水，板自重状态下测试）。

（2）第二级加载后荷载为：5.6 kN/m2（注水，深至0.26m）。

（3）第三级加载后荷载为：8.4 kN/m2（注水，深至0.54m）。

（4）第四级加载后荷载为：10.5 kN/m2（注水，深至0.75m）。

（5）第五级加载后荷载为：12.6 kN/m2（注水，深至0.96m）。

（6）第六级加载后荷载为：14.0kN/m2（注水，深至1.10m）。

3.1.4 测点布置

在试验板下选取典型的代表位置安装百分表，测点布置见图3。

3.2 静载试验结果

每级加、卸载完成后，应持续10～15min；在最大试验荷载作用下，应持续30min。在持续时间内观察试验构件的反应。持续时间结束时，测量楼板变形，并记录百分表读数。两种加载方式下的具体测量结果分别见表4、5。

测量结果表明：加载方式一作用下楼板的最大挠度变形为1.87mm，加载方式二作用下楼边最大挠度变形为7.21mm，均远小于《混凝土结构试验方法标准》（GB 50152—2012）中的限值58mm；在最大试验荷载下，对板底典型裂缝进行观察测量，缝宽变化较小，远小于《混凝土结构试验方法标准》中的允许值1.5mm。说明楼板结构在目标试用期内的荷载作用下，能满足安全承载力要求。

图2 楼板加载平面示意图

图3 楼板测点位置示意图

4 裂缝原因分析

根据对受检房屋楼板裂缝的部位、形状并查阅设计图纸及混凝土配合比资料，楼板裂缝是混凝土的早期收缩裂缝，该类裂缝的特征是裂缝宽度较小且贯穿楼板，楼板混凝土收缩裂缝不是因构件承载力不足而引起的开裂，即不是由外荷载的直接应力引起的。混凝土楼板非荷载裂缝的产生原因，在于混凝土非荷载变形受到约束产生的拉应力超过了其抗拉强度或极限拉应变。商品混凝土现浇楼板是典型的大体表比结构，混凝土失水速度快，因此混凝土干燥收缩的发展速度快，干燥收缩值大。此外，由于温度变化的影响，叠加变形更大，在强约束作用下产生开裂。

参照上海市建设和管理委员会文件《控制住宅工程钢筋混凝土现浇楼板裂缝的技术导则》(沪建建(2001)第0907号)，混凝土材料配合比中矿粉掺量不得超过水泥用量的20%，粉煤灰掺量不得超过水泥用量的15%。本工程1层顶板16～17/P～N区域和2层顶板18～19/P～N区域商品混凝土配合比中，粉煤灰掺量占水泥用量的22.5%，矿粉掺量占水泥用量的26.9%；3层顶板16～17/P～N区域商品混凝土配合比中，矿粉掺量占水泥用量的24.8%。显然，上述材料掺量均超标。粉煤灰和矿粉都是非活性混合材，水化速度缓慢，掺入粉煤灰和矿粉的混凝土早期强度明显低于普通混凝土，并且随着掺量的增加早期强度下降趋势增大。本工程楼板由于粉煤灰和矿粉的掺量偏大，采用该配合比的商品混凝土早期强度增长缓慢，导致混凝土早期强度相对较低，抗应变能力差。此外，由于抗震要求当前建筑结构设计普遍刚度高，对楼板的整体约束作用较强，在混凝土硬化过程中，楼板混凝土收缩增大，收缩受到纵横梁体或剪力墙的约束产生的拉应力不断增大，当拉应力超出混凝土极限抗拉强度时，楼板出现开裂。特别是在施工时如养护措施不力、严重缺水，就会在混凝土上产生细微裂缝并使表面裂缝扩展为贯穿裂缝。

表4 楼板挠度测量表

表5 楼板挠度测量表

本次楼板开裂可排除地基沉降、设计错误及超载等原因，而主要是由于混凝土材料配合比中掺加矿粉和粉煤灰比例偏高，早期抗裂性能差，施工养护措施不力等综合因素造成的。

5 结论及建议

5.1 结论

通过对楼板强度、配筋、厚度尺寸进行现场测试，并结合开裂楼板静载试验两种手段，对楼屋面板出现的裂缝进行分析，主要得到以下结论。

（1）本工程中，楼板的混凝土强度、配筋、尺寸均满足设计要求，但出现了较多的贯穿裂缝，导致洒水养护过程中出现了渗水现象。

（2）静载试验结果表明，楼板结构在目标试用期内的荷载作用下，能满足安全承载力要求。

（3）从被检测房屋楼板裂缝的分布特征进行分析，被检测房屋的楼板裂缝主要由于温度变化、干缩变形等非荷载因素引起，为非荷载裂缝，其裂缝宽度较小，不影响房屋整体结构安全性，但对房屋结构耐久性及正常使用性有一定程度影响，需对裂缝渗漏部位进行修补。

（4）由于混凝土具有非匀质性、拉压比底、变形能力差的特点，且体积伴随湿度场、温度场以及化学反应而产生变化，混凝土结构中裂缝的产生实际上是难以避免的。在正常情况下，非荷载裂缝对混凝土结构的承载力和安全可靠性不会产生大的影响。裂缝最大的危害在于显著降低了混凝土的抗渗性，从而对构筑物长期耐久性和使用功能产生不良影响。

（5）混凝土结构的主要非荷载裂缝如收缩裂缝、温度裂缝，往往最终形成贯穿裂缝，它们对混凝土抗渗性的影响更大。

（6）工程实践中，应特别强调混凝土配合比的优化设计，注意矿物掺和料对混凝土收缩的影响，因为矿物掺和料替代部分水泥掺量过高会影响混凝土的初期抗裂性能。同时，结合当前广泛采用的裂缝控制设计构造措施和施工控制措施，实现裂缝的综合控制，以提升实际工程中对混凝土结构非荷载裂缝的有效控制能力。

5.2 措施建议

针对屋面板和楼面板出现的裂缝，笔者提出以下修缮处理建议，以期达到其正常安全使用的目的。

（1）对于宽度大于0.3mm的楼板裂缝，建议采用压力注浆进行修补。

（2）对楼屋面板板面涂刷水泥基渗透结晶型防水材料，或在浇注找平层细石混凝土时在混凝土内按胶凝材料的2%添加混凝土防水外加剂进行防水堵漏处理；板底裂缝可用低黏度且具有良好渗透性的修补胶液进行封闭处理。

（3）混凝土结构出现裂缝时，为了评估裂缝的危害性并制定补强方案，客观上也必须了解裂缝的宽度、深度、走向以及是否贯穿结构物断面等特征。掌握裂缝的检测与诊断技术对确保工程质量、防止事故发生，以及建筑物的修复和加固具有重要的意义。

（4）混凝土结构裂缝是建设工程中普遍存在的问题，对其我们已经有成熟的检测方法，如直接观察法、超声脉冲法、冲击回波法及红外成像法等。目前，处于研究前沿的智能混凝土裂缝在线检测和诊断技术，即光纤传感和碳纤维混凝土技术取得了很大的进展。工程中结合新技术的不断突破，可以获得更好的混凝土结构裂缝控制效果，并对无法避免的裂缝结合其特征进行对症修复，确保建筑物的安全可靠性、长期耐久性和正常的使用功能。