某地下车站顶板裂缝原因分析

文/郭霄伟

1 前言

随着我国城市化建设的飞速发展，近些年越来越多的大底盘地下室、地铁站台等地下工程应运而生。这些工程中不可避免地都会遇到大体积混凝土的浇筑，倘若在设计或施工过程中没有对大体积混凝土的浇筑做好相应的防裂控制措施，那么随之而来的混凝土开裂就会令工程人员感到无从下手。本文以某地下车站顶板裂缝为工程实例进行鉴定分析，通过对裂缝现场的调查取证，结合相关资料对地下室顶板进行的温度应力分析，并判断裂缝产生的原因，以供从业人员参考借鉴[1]。

2 工程概况

某市轨道交通车站岛式站台车站，主体结构采用双跨钢筋混凝土框架结构，车站总长305.6m，标准宽度20.9m，设计顶板厚度800mm，框架梁截面尺寸1200mm×1800mm，未设置结构缝或后浇带。施工过程中分为3 个区段施工，第一区段为(28)-(38)轴，于2017年6月完工；第二区段为(1)-(6)轴，于2017年10月完工；第三区段为(6)-(28)轴，2018年6月开工，2018年9月主体结构完工。2018年10月25日现场人员发现(6)-(28)轴地下室部分顶板、梁构件开裂，裂缝周边渗水。地下室顶板结构布置示意图详见图1[2]。

图1 地下室顶板结构布置示意图

3 裂缝情况现场调查

3.1 (6)-(28)轴地下室顶板、梁构件裂缝检测

现场检查发现地下室部分顶板、梁构件存在不同程度的开裂现象。该区域大部分楼板存在开裂现象，裂缝基本沿结构横向平行分布，大多数裂缝沿相邻跨楼板发展，楼板裂缝均为贯通裂缝；大部分顶板梁构件侧面存在数条竖向平行裂缝，裂缝出现在梁箍筋位置附近，多数裂缝沿梁腹板贯穿梁截面，且裂缝位置与楼板裂缝位置基本相对应。(14)-(21)轴区域顶板裂缝分布示意图详见图2。

图2 （14-21）轴地下室顶板、梁裂缝分布示意图

相关人员在现场对裂缝分布进行绘制并对裂缝拍照取证后，检测了混凝土构件的施工质量，并对施工过程进行调查，充分采集了相关数据与资料，以为后续的裂缝原因分析提供相关资料。

3.2 (6)-(28)轴地下室顶板、梁构件施工质量检测

现场抽取若干梁、板构件，对构件的截面尺寸、混凝土强度等级、钢筋间距进行检测，检测结果表明，所检构件各检测项数据基本与设计相符，所检构件施工质量基本满足相关规范的要求。

3.3 (6)-(28)轴地下室负一层主体结构施工过程调查

本工程侧墙、顶板及梁构件均未设置结构缝或后浇带；侧墙、顶板及梁构件同时浇捣；另外，主体结构构件混凝土采用商品泵送混凝土以及普通硅酸盐水泥，水泥细度3500cm2/g，骨料为花岗岩，水灰比0.45，水泥浆量30%，初期养护时间28 天，环境湿度99%，混凝土的施工方式为机械振捣，混凝土中添加减水剂、后石粉煤灰、矿渣粉。

主体结构构件采用跳仓法施工，其中(6)-(9)轴于8月16日开始浇筑；(26)-(27)轴于9月10日开始浇筑；(23)-(26)轴于9月15日开始浇筑；(20)-(23)轴于9月19日 开 始浇 筑；(27)-(30)轴于9月22日 开 始浇 筑；(9)-(14)轴及(17)-(20)轴均于9月24日开始浇筑；各区格均于施工当天浇筑完毕，跳仓法浇筑日期详见图1。

混凝土浇筑完成后均采取常规养护，2018年10月上旬现场人员发现部分顶板板底及框架梁侧面存在渗漏现象，在对裂缝开展调查时，施工单位已对开裂构件采用化学灌浆法进行裂缝修补处理。

4 裂缝原因分析

4.1 初步分析

根据现场裂缝检查及施工质量检测结果可知，所检构件施工质量基本满足设计要求，裂缝形态基本可排除荷载作用及地基不均匀沉降导致的结构构件开裂；另外，由裂缝的形态特征及分布情况可知，其产生可能的原因有以下几个因素：

4.1.1 温差

混凝土在温度变化时体积会膨胀或收缩，尤其是对于尺度较大的现浇超静定混凝土结构，温差较大时容易开裂。在大面积混凝土结构周边设置较强约束情况下，变形无法得到有效释放，易出现裂缝。

本工程顶板、梁等大体积混凝土构件浇捣时处于夏季，浇捣过程中会释放大量的水化热，导致砼内部温度急剧提高，而表面温度下降快，内外温差易在构件表面引起开裂。

4.1.2 混凝土收缩

水泥强度等级越高制成的混凝土收缩越大，水泥越多，收缩越大，水胶比越大，收缩也越大。

该地下室顶板结构的砼强度为C45，实测顶板梁现龄期砼强度均较设计偏大，且混凝土结构的混凝土采用商品混凝土，砼配合比中水泥及掺合料用量比例较大，故本身收缩量也偏大。

4.1.3 跳仓法

有效安排跳仓法合理施工，可以减少早期砼的内部应力。由于大体积混凝土的早期收缩量偏大，若将超长混凝土块体分为若干小块间隔施工，经短期应力释放，并在后期收缩应力较小阶段将若干小块连成整体，这一间隔期释放早期混凝土收缩应力，就可以依靠混凝土抗拉强度抵抗下一阶段的温度收缩应力。该顶板结构最大浇筑板块尺寸为39.4m×19.3m，其他浇筑板块平均尺寸约25m×19.3m，浇筑量偏大，且相邻浇筑板块的浇筑间隔时间最短为4 天，参考《工程结构裂缝控制》中的观点，跳仓法的合理间隔浇筑时间为7～10 天，本工程各浇筑板块的浇筑间隔时间偏短，未能有效释放早期混凝土收缩应力[3]。

4.2 数值模拟分析

4.2.1 分析思路

工程中的大体积混凝土的温度-收缩应力在计算上是一个很复杂的问题。结构构件截面上的温度分布，可分为三个分量叠加组成：均匀分布的温度分量△Tu；沿截面线性变化的温度分量△TMy、△TMz；非线性变化的温度分量△TE。温度对结构及构件的影响是不均匀的，现有程序在温度应力的计算过程中尚无法恰当考虑温度梯度的影响；同时，现有的研究成果表明，均匀分布的温度分量能够对构件的影响起到控制作用，故在本工程裂缝的数值模拟分析中对案例进行了适当简化，仅考虑了均匀分布的温度变化。参考《建筑结构荷载规范》(GB 50009-2012)中对均匀温度变化作用的计算方法，考虑温度变化对结构的影响；参考《大体积混凝土施工标准》(GB 50496-2018)附录B.2，考虑裂缝开裂时现龄期混凝土的收缩应变，再将混凝土收缩应变等代为当量温差[4]。根据计算得出的温度变化值，先采用材料力学中对超静定结构温度应力的计算方法，将长条形地下室等效为两端固接的杆件，计算其在温度变化下杆件截面上产生的温度应力，再通过有限元软件对顶板温度应力进行复核分析[5]。

4.2.2 均匀温差及收缩应变计算

根据现场调查的施工内业资料，(6)-(27)轴区段各区格合拢时的平均温度为25℃，2018年9月至10月项目所在地的最低气温为15℃；根据《建筑结构荷载规范》(GB 50009-2012) 9.3.1 条规定，结合最大温降工况，均匀温度变化标标准值取15-25=-10℃。

由于(6-9)轴、(27-30)轴区域的区格与相邻区格的浇筑间隔时间较长，出于保守考虑，对收缩变形的分析范围取(9-27)轴区域，纵向长度约150m。(26-27)轴区格最先浇筑，浇筑时间为9月10日，至第一次发现裂缝的时间10月25日，共经历了45 天时间，计算收缩变形效应时采用的龄期t 取45 天。根据《大体积混凝土施工标准》(GB 50496-2018)附录B.2，龄期为t 时，混凝土收缩的相对变形值的公式为：

式中：εy(t)表示龄期为t 时，混凝土收缩引起的相对变形值；表示在标准试验状态下混凝土最终收缩的相对变形值，取4×10-4；M1、M2、···M11表示混凝土收缩变形不同条件影响修正系数，按文献[3]表B.2.1予以采用。

混凝土收缩相对变形值的当量温度公式为：

式中：Ty(t)表示龄期为t 时，混凝土收缩值当量温度(℃)；α 表示混凝土的线膨胀系数，取1×10-5。经计算可得，Ty(45)= 8.30℃，收缩相对变形的当量温度按9℃考虑。

综上所述，环境温度均匀变化及混凝土收缩叠加作用于混凝土的温差可按下式计算：

式中：Δ(t)表示环境温度变化及混凝土收缩叠加作用于混凝土的温差(℃)；ΔTk表示环境温度均匀变化值(℃)。经计算可得，Δ(t)=-10-9=-19℃。

4.2.3 温度应力计算分析

4.2.3.1 初步简化计算分析

采用材料力学的方法计算(9-27)轴区域的顶板温度应力，由于两端的混凝土梁板浇筑间隔时间较长，计算中将其简化为固端约束；由于(9-27)轴区域顶板长宽比较大(150/20)=7.5，将其简化为两端刚接的拉压杆件，取温度变化值ΔT=-19℃，C45 混凝土的弹性模量EC= 3.35 × 104MPa，混 凝 土 线 膨 胀 系 数αc= 1 ×10-5/℃。根据平衡方程、变形协调方程及物理方程可解出，温降工况下，沿均匀杆件截面上的拉应力为6.4MPa，远大于设计所采用的C45 混凝土抗拉强度标准值2.51MPa。由此可见，在一定的温降工况下，在超静定结构中产生的温度应力效应是很大的，故在工程中必须予以考虑。

4.2.3.2 有限元模拟分析

以上的力学分析方法做了较多简化，为更进一步分析，采用“YJK1.9.3”有限元分析软件对本工程顶板进行温度应力效应进行计算。实际工程中混凝土自身的徐变会产生应力松弛效应，这对释放温度应力是有利的，根据文献[6]，取考虑收缩徐变的砼构件温度效应折减系数为0.3，楼板定义为弹性膜，真实计算楼板平面内刚度，温度变化值取降温工况-19℃，楼板温度应力分析结果见图3、图4[6]。从应力云图可得，在温降工况下，该结构大多数区域均出现了沿结构纵向的拉应力，拉应力最大为4.0MPa，而结构横向基本上未出现拉应力。

图3 沿顶板纵向温度应力分布图

图4 沿顶板横向温度应力分布图

有限元分析与力学分析方法均得出本工程在降温+混凝土收缩效应的综合作用下，沿顶板结构纵向结构内部产生了较大的拉应力，且拉应力大小均超过了设计混凝土抗拉强度标准值。该拉应力水平在防裂抗裂措施不到位、混凝土内部应力不均产生应力集中等的情况下极易使结构产生垂直于拉应力方向、相互平行的贯通裂缝，这与现场实测的裂缝形态基本吻合。综合以上分析，可以判断本工程顶板裂缝属于温度-收缩裂缝。

5 结语

根据现场检查数据、施工内业资料调查数据及对楼板应力的数值模拟分析结果，本工程(6)-(28)轴地下室顶板、梁构件裂缝基本可排除荷载作用下的受力裂缝或地基基础不均匀沉降引起的裂缝，其应为温度-收缩裂缝。

本工程地下室顶板结构尺寸较大，在温差作用及混凝土自身收缩作用下，极易在结构薄弱位置出现横向裂缝；在夏季施工时，较大温差以及高强度泵送混凝土的较大收缩量作用下，将在砼内部积聚较大拉应力；在跳仓法间隔时间不合理与养护不到位时，累积收缩变形增大，板块收缩受限，结构构件更易开裂。温度-收缩裂缝在大面积混凝土构件中一般表现为贯穿整个截面的贯通裂缝，又因其在局部位置的受拉方向一致，由此在同一局部位置的裂缝多表现为相互平行的贯穿裂缝。根据现场检查数据，梁板裂缝多为贯通裂缝，且同一位置的裂缝基本相互平行，与受约束大体积混凝土温度-收缩裂缝的特征较相符。

大量的工程实例表明，混凝土结构尤其是超长超大体积混凝土结构，80%～90%的裂缝都属于温度-收缩裂缝，此类裂缝虽基本不影响结构及构件的安全性能，但考虑到大部分裂缝位于室外露天环境，且已经出现漏水或渗水现象，应及时对开裂构件采取措施处理，确保构件的正常使用性能及耐久性能。