好文推荐板柱-抗震墙结构书库楼板裂缝成因分析与抗震鉴定

摘要

为了解建于1988年的某9层板柱-抗震墙结构书库楼板裂缝成因，开展现场检测与抗震鉴定，并评估楼板裂缝对结构安全性能的影响。根据鉴定结果提出相应加固措施，以保证结构安全。研究结果表明，楼板裂缝是由构造缺陷、荷载作用、施工缺陷等综合因素引起的受力裂缝，同时房屋抗震性能存在一定缺陷。

引言

混凝土结构因原材料具有非匀质性、组成成分多样、成型方式特殊等特点，不可避免地出现裂缝。按裂缝成因，大致可分为荷载作用、变形作用、荷载与变形共同作用、碱骨料反应、质量力( 惯性力) 作用引起的裂缝。实际工程中裂缝形态各异，成因错综复杂，造成的后果不尽相同。

在板柱-抗震墙结构中，楼板作为主要结构构件，楼板裂缝不仅影响结构使用性能与耐久性能，裂缝开展严重时还可能影响结构安全性能。为此，以某9层板柱-抗震墙结构书库为依托，开展现场检测与抗震鉴定，评估楼板裂缝对结构安全性能的影响，并根据鉴定结果提出相应加固措施。

某板柱-抗震墙结构书库位于7度设防区，建于1988年，地上9层，首层层高4.00m，2层及以上各层层高2.80m，屋面标高26.400m。平面总体呈T字形，东西向长50.45m，南北向长41.95m，总建筑面积约9866㎡，标准层平面布置如图1所示。

图1  标准层平面布置

无梁楼盖采用无柱帽形式，楼层周边采用有梁框架。首层柱采用C35混凝土浇筑，其余柱、墙、梁、板均采用C30混凝土浇筑。梁柱主筋、无梁楼盖钢筋及抗震墙端部主筋分别采用φ25，φ28，φ32 Q345钢筋，梁柱箍筋、抗震墙分布钢筋及梁板区域板钢筋均采用 φ8@250 HPB235钢筋，柱底700～1000mm高度内箍筋加密( 间距100mm) 。

无梁楼盖楼板厚200mm，板面采用分离式配筋，柱上板带配筋φ(16～20)@200，跨中板带配筋φ(12～14)@200。板底钢筋双层双向拉通，柱上板带配筋φ14@200，跨中板带配筋φ12@200。

柱上板带在沿与柱顶正交方向设有附加配筋加强区，即柱上板带加强区，构造如图2所示，加强区宽度与柱宽度相同。附加抗弯钢筋为双层双向φ18 HPB235钢筋，锚固长度 1600mm; 附加箍筋采用φ10@100四肢箍，箍筋布置长度1000mm。

图2  柱上板带加强区构造

抗震墙厚200mm，水平及竖向分布钢筋采用φ8@200，双层布置，墙肢两端设2～4根φ(20～25)主筋。

基础为预制混凝土方桩，桩截面尺寸为240mm×240mm，上节桩长14m，下节桩长13.5m，混凝土强度等级为C35，桩顶相对标高为－1. 900m。

2.1  建筑结构布置检测 

依据竣工图纸，对建筑结构布置进行现场检测。结果表明，房屋结构体系、建筑布局、轴网尺寸及层高与设计图纸基本相符。

2.2  承重构件截面尺寸与配筋检测

依据竣工图纸，现场对承重构件截面尺寸与配筋进行抽样检测。结果表明，房屋梁、柱截面尺寸与设计图纸基本相符，混凝土梁及剪力墙钢筋配置满足设计要求，8层部分柱底箍筋未按设计要求加密，部分板面钢筋规格不符合要求，多数板面保护层偏厚。

2.3  承重构件混凝土强度检测

采用混凝土回弹仪对主要承重构件混凝土强度进行抽样检测，并采用钻芯法进行修正。结果表明，混凝土表面平整、密实，无蜂窝、麻面等缺陷; 混凝土芯样质地坚硬，外观无明显缺陷; 首层柱混凝土强度推定值为36.7MPa，2层及以上各层梁、柱混凝土强度推定值为32.3MPa，均符合设计要求。

2.4  房屋损伤调查

经现场调查，房屋损伤主要表现如下。

1）无梁楼盖楼板局部开裂，裂缝主要类型为:①楼板外围阳角切角裂缝  基本为贯通裂缝，普遍存在于各层楼板中。②板面裂缝  多围绕在柱根附近，呈放射状开裂或沿柱根平行于柱边向外延伸; 少数位于梁侧边缘，沿梁跨度方向开展，裂缝宽度一般≤0.3mm，根据抽样检测结果，裂缝深度超过钢筋保护层厚度，但未贯通。楼板典型裂缝形态如图 3，4 所示。

a  阳角切角裂缝

b  柱根放射状裂缝

c  梁侧边缘裂缝

图3  楼板典型裂缝形态

图4  9层北侧楼板裂缝分布情况

2）部分墙体开裂，主要表现为首层东侧围护墙东倾斜裂缝和高楼层抗震墙角部斜裂缝。

3）各层飘窗悬挑板与墙水平接缝开裂。

4）室内墙、屋面存在渗水、涂料脱落现象，外立面粉刷层存在龟裂、起鼓等老化损伤。

2.5  房屋变形测量

采用全站仪对房屋角点棱线倾斜率进行测量，结果表明，房屋南北向整体略向南倾斜，倾斜率为0.032%～0.106%; 房屋东西向倾斜无明显一致性规律，倾斜率为0.011%～0.113%。

3.1  结构布置与抗震构造措施

本工程采用板柱-抗震墙结构，板柱体系有利于节约建筑空间，且平面布置灵活，但板柱节点较弱，不利于抗震，GB 50011—2010（2016年版）《建筑抗震设计规范》限定板柱结构应用范围为板柱-抗震墙体系，对节点构造提出较严格要求。此外，房屋楼板采用无柱帽平板，相对于有托板或柱帽的板柱节点，柱顶处平板抗冲切承载力较低。

本工程建造时施行的抗震设计规范为TJ 11—78《工业与民用建筑抗震设计规范》，按该规范要求，本工程房屋所在地区抗震设防烈度为6度，即工业与民用建筑一般不设防。实际上，房屋建造时已采取了部分抗震措施，如房屋周边采用有梁框架、设置抗震墙与柱上板带加强区、柱底箍筋加密等，参照JGJ 8(一)—76《升板建筑结构设计与施工暂行规定》和JGJ 8(二)—79《升板建筑结构设计与施工暂行规定的补充规定》进行了抗震设计。

GB 50023—2009《建筑抗震鉴定标准》中的多层及高层钢筋混凝土房屋鉴定适用对象不包括板柱-抗震墙结构，因此，仅对房屋框架梁柱及抗震墙抗震措施进行鉴定。结果表明，本工程房屋抗震措施存在的主要问题为主要结构构件(无梁楼盖)局部开裂、部分填充墙开裂、承重柱箍筋构造不满足要求。

3.2  抗震验算参数与模型

考虑房屋实际结构形式及使用荷载，依据《建筑抗震鉴定标准》有关规定，采用PKPM软件PMSAP模块对房屋进行抗震承载力验算，验算时考虑恒荷载、活荷载、风荷载及地震组合作用，材料强度按原设计计算。

3.3  结构变形

小震作用下，x，y向层间位移角最大值分别为1/1 785，1/1 918，x，y向最大位移与平均层间位移之比分别为1.369，1.127，x，y向最大层间位移与平均层间位移之比分别为1.369，1.260。

3.4  墙柱承载力

1) 1～3层柱顶、柱底箍筋配置不足，4层及以上各层柱顶箍筋配置不足。

2) 抗震墙水平分布钢筋配置不足。

3.5  无梁楼盖楼板承载力

无梁楼盖楼板面外弯矩应力计算结果如图5所示，图中正值表示板面受拉，负值表示板底受拉。由图5可知，除柱上板带加强区外，柱顶周边存在较大应力。根据朱炳寅的研究成果，柱中线两侧750mm范围内板带平均弯矩为其相邻柱上板带平均弯矩的2.6倍，因此，分别验算柱上板带加强区、非加强区配筋。根据验算结果，柱顶周边柱上板带加强区板面配筋满足要求，而非加强区板面配筋普遍不满足要求。

图5  楼板面外弯矩计算结果（单位：kN·m）

无梁楼盖楼板外围阳角切角裂缝成因如下：①受楼板四周抗震墙及边梁较强的约束作用，混凝土在温度及材料收缩效应下发生的变形受到约束，在角部等应力集中部位出现较大拉应力，超过混凝土抗拉强度，引起楼板开裂；②楼面荷载较大，且板面保护层较厚，对于板面四角开裂具有一定影响。

无梁楼盖楼板板面裂缝成因如下：①原柱上板带仅在柱顶正交方向、与柱等宽范围内布置附加加强钢筋，但除柱上板带加强区外，柱顶周边存在较大应力，而柱顶周边柱上板带非加强区楼板实际配筋不足，抗弯承载力无法抵抗平面外弯矩，导致板面混凝土开裂；②楼面使用荷载较大且长期作用，受混凝土徐变、钢筋应力松弛的影响，楼板抗弯刚度随时间的增加不断降低，挠度进一步增大，裂缝进一步开展。

本工程主要结构损伤为柱周边无梁楼盖楼板板面开裂，根据现场检测及承载力验算结果进行综合分析，可知此类裂缝为由构造缺陷、荷载作用、施工缺陷等因素引起的受力裂缝。随着楼板荷载的继续作用，裂缝进一步开展，降低楼板耐久性能，加速钢筋锈蚀、混凝土碳化等，影响楼板正常使用。由于房屋建成时间较早，各类构造措施相对现行规范不够完善，柱上板带及板柱节点较薄弱，随着板面裂缝的开展，节点抗冲切承载力进一步降低，存在较大安全隐患。

综上所述，板面裂缝对房屋结构正常使用和安全性能具有较大影响。房屋抗震性能达不到《建筑抗震鉴定标准》中规定的7度抗震设防、A类建筑要求，应采取可靠的抗震加固措施，以提高房屋整体抗震性能。

1）对楼板现有裂缝采取可靠措施进行封闭处理，根据各类裂缝不同成因分别采取不同的加固措施，如楼板四角切角裂缝可采用粘贴碳纤维布进行加固。

2）考虑房屋仍在使用中，且书架对楼层净高有一定要求等，可采用增设钢结构柱帽的方式对板柱节点抗弯、抗冲切承载力进行补强，同时利用钢结构柱帽环箍柱顶的便利条件，同步对柱顶箍筋进行补强，提高板柱节点区域及柱顶抗震性能。

3）对抗震墙采取必要的加固措施，可采用局部增加墙厚、增设抗震墙等方法。

4）对于其他抗震承载力存在缺陷（如框架梁纵筋、箍筋及柱箍筋配置不足等）的构件，可采用粘贴碳纤维布、钢板等方法进行加固、补强。

1）本工程采用板柱-抗震墙结构，楼板为无柱帽平板，板柱节点刚度相对较弱，不利于抗震。房屋存在一定扭转不规则，主要结构构件抗震承载力存在缺陷，总体上达不到《建筑抗震鉴定标准》中规定的A类建筑要求，需进行抗震加固。

2）经现场检测与抗震鉴定，无梁楼盖楼板裂缝主要为外围阳角切角裂缝及板面裂缝，其中板面裂缝多呈放射状围绕在柱周边或平行于柱边向外延伸，由构造缺陷、荷载作用、施工缺陷等因素引起，对楼板使用性能、安全性能等具有较大影响。

3）对楼板现有裂缝采取可靠措施进行封闭处理，根据各类裂缝不同成因分别采取不同的加固措施，如楼板四角切角裂缝可采用粘贴碳纤维布进行加固，采用增设钢结构柱帽的方式在对板柱节点抗弯、抗冲切承载力进行补强的同时对柱顶箍筋进行补强，提高板柱节点区域及柱顶抗震性能。

[1]徐有邻,顾祥林,刘刚,等.混凝土结构工程裂缝的判断与处理]M].2版.北京:中国建筑工业出版社,2016.

[2]王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京:中国建筑工业出版社,1997.

[3]中国建筑科学研究院.建筑抗震设计规范:GB 50011—2010（2016年版）[S].北京:中国建筑工业出版社,2016.

[4]国家基本建设委员会建筑科学研究院.工业与民用建筑抗震设计规范:TJ 11—78[S].北京:中国建筑工业出版社,1978.

[5]国家基本建设委员会建筑科学研究院.升板建筑结构设计与施工暂行规定:JGJ 8(一)—76[S].北京:中国建筑工业出版社,1976.

[6]国家基本建设委员会建筑科学研究院.升板建筑结构设计与施工暂行规定的补充规定: JGJ 8(二)—79[S].北京:中国建筑工业出版社,1979.

[7]中国建筑科学研究院.建筑抗震鉴定标准:GB 50023—2009[S].北京:中国建筑工业出版社,2009.

[8]朱炳寅.无梁楼盖结构计算方法的探讨[J].建筑结构,1999(8):26-28.