混凝土结构由于其材质离散性、结构形式复杂性、环境多样性及施工不确定性等因素影响,从其生命周期的一开始就伴随着不同类型的裂缝问题。裂缝不仅影响建筑外观,同时影响结构耐久性,严重时会使建筑物丧失其使用功能。而楼板裂缝作为混凝土结构最常出现的裂缝形式,常受到人们的关注。

　　 常见的混凝土楼板裂缝按形状划分主要有 ^[1]:1)45°角斜向裂缝,见于墙板交界,顶层多且宽,越往下依层减少;2)纵横向裂缝,沿楼板纵横向出现,常出现在板跨中、支座及管线暗埋处,呈直线或折线状;3)不规则向裂缝,沿板面或板底不规则出现,无固定形状,一般呈散状或龟裂状。按照裂缝的成因划分主要包括 ^[2]:结构性裂缝和非结构性裂缝,结构性裂缝即由外荷载直接应力或次应力作用引起的裂缝;非结构性裂缝即由变形引起的裂缝,是检测中常见的裂缝,包括收缩裂缝、温度裂缝、沉降裂缝、施工不当造成的裂缝、化学裂缝。

　　 不同类型裂缝的成因不同,处理楼板的裂缝问题,首先要通过相关检测技术手段对裂缝开展情况进行检测,利用检测结果分析裂缝产生的具体原因,评定裂缝对结构承载力的影响,对不同类型裂缝采取相应的处理措施。

　　 某新建教学楼为地下1层、地上13层框架-剪力墙结构。该工程结构封顶后,在二次装修过程中发现10～13层楼板出现了不同程度的裂缝,且裂缝分布范围较广。为了解该工程楼板结构质量与裂缝开展情况,对10～13层楼板进行结构检测。本文主要以12层为例详细介绍裂缝的检测以及承载力的评估和后期加固情况,12层顶板结构平面图如图1所示,主要板厚100,170mm,板底配筋X向:8@200,Y向:6@150,支座负筋:8@200,8@170。

　　 采取多种有效检测手段对楼板的裂缝开展情况进行检测,主要检测项目包括楼板的混凝土强度、钢筋配置情况、保护层厚度、截面尺寸以及裂缝开展情况等,依据检测数据对楼板的承载力进行反算。

　　 依据《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》(JGJ/T 23—2011) ^[3]的相关要求,采用混凝土回弹仪对12层顶板混凝土强度进行抽样检测,混凝土抗压强度回弹结果如表1所示。依据《钻芯法检测混凝土强度技术规程》(CECS 03—2007) ^[4]的有关规定,对12层顶板进行钻取芯样和芯样抗压试验,得到芯样抗压强度如表2所示;利用芯样强度对回弹结果进行修正。

　　 根据《混凝土结构现场检测技术标准》(GB/T 50784—2013) ^[5](简称混凝土检测标准)中附录B关于统计量t的计算对芯样数据进行判别与处理。

　　 $\text{统}\text{计}\text{量}t=\left|\frac{m{}_{\text{x}}-x{}_{\text{k}}}{S{}_{\text{x}}}\sqrt{\frac{n-1}{n}}\right|(1)$

　　 式中:t为统计量;x_k为样本中芯样强度最大值或最小值;m_k为余下的n-1个芯样强度平均值;S_x为余下的n-1个芯样强度标准差;n为芯样样本数量。

　　 对强度最大的7#芯样进行判别,计算得t=1.50,查混凝土检测标准中表B.2.3,得到t_α=1.94,t<t_α,故7#芯样强度为非异常值,保留。对强度最小的1#芯样进行判别,计算得到t=3.44,查得t_α=1.94,t>t_α,故将1#芯样剔除;对强度第二小的3#芯样进行判别,计算得到t=1.58,查得t_α=2.02,t<t_α,故3#芯样强度为非异常值,保留。

　　 将1#芯样剔除后,剩余7个芯样的抗压强度平均值为28.2MPa,标准差为1.01MPa,查混凝土检测标准中表3.4.6,7个芯样的k₁=0.920 37,k₂=3.399 47,强度推定区间为24.8～27.3MPa,推定区间上下限差值为2.5MPa,不大于推定区间上下限均值的10%,可采用总体修正量的方法进行回弹修正。回弹换算强度平均值为25.3MPa,采用整体修正量的方法,经计算,整体修正量Δ_tot=2.9MPa。

　　 混凝土回弹抗压强度平均值经修正后结果为20.8～31.8MPa,强度推定区间按混凝土检测标准中3.4.7条计算。

　　 x_k的推定区间上限值和下限值分别为:

　　 $\begin{array}{l}x{}_{0.05,\text{u}}=m-k{}_{0.05,\text{u}}S(2)\\ x{}_{0.05,l}=m-k{}_{0.05,l}S(3)\end{array}$

　　 式中:x_0.05,u为特征值推定区间的上限值;x_0.05,l为特征值推定区间的下限值;m为样本均值;S为样本标准差;k_0.05,u和k_0.05,l分别为推定区间上、下限值系数。

　　 根据现场取样情况,样本容量为80,查混凝土检测标准中表3.4.6,确定上下限推定系数:x_0.05,u=1.389 59,x_0.05,l=1.964 44。回弹修正强度平均值为27.3MPa,标准差为3.72MPa,由式(2)、式(3)计算得到强度推定区间为20.0～22.1MPa,上下限差值为2.1MPa。按混凝土检测标准4.2.12条规定,推定区间上限与下限差值不大于5.0MPa和0.1倍推定区间平均值两者之间的较大值时,可作为同一检验批。

　　 本工程设计混凝土强度等级为C30,大于推定上限值22.1MPa,判定12层顶板混凝土强度不满足设计要求。

　　 通过原位剔凿法,采用游标卡尺抽样检测12层顶板的钢筋直径,采用磁感仪对12层顶板钢筋配置情况及保护层厚度进行抽样检测。顶板钢筋配置不符合设计要求的构件如表3所示,最大实测值超出设计值83%。

　　 钢筋保护层厚度不符合设计要求的构件如表4所示,主要为板面支座负筋保护层厚度过大,最大超出设计值260%。

　　 《混凝土结构工程施工质量验收规范》(GB 50204—2015) ^[6](简称混凝土验收规范)规定受力钢筋间距的允许偏差为±10mm;板、墙的混凝土保护层厚度允许偏差为(+8mm,-5mm)。根据抽检情况和规范规定得出:抽检构件中混凝土楼板钢筋直径符合设计要求;顶板钢筋配置不符合设计要求;钢筋保护层厚度不符合设计要求。

　　 采用钢卷尺、游标卡尺等对12层顶板的截面尺寸进行抽样检测。混凝土验收规范规定现浇结构尺寸允许偏差为(+10mm,-5mm)。现场抽检结果中12层①-②～-Ⓒ板截面尺寸(厚度)实测值为100～155mm,设计值为170mm,不符合设计要求。

　　 采用激光垂准仪、塔尺等对12层楼板挠度进行检测。现场检测结果显示12层-⑧～-Ⓒ区域挠度值达到44mm,该混凝土楼板挠度不满足《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)(2015年版) ^[7](简称混凝土规范)规定的受弯构件的挠度限值l₀/200(当l₀<7m时,受弯构件的挠度限值为l₀/200,l₀为计算跨度)。

　　 采用裂缝宽度检测仪、卷尺等对12层顶板裂缝开展情况进行检测。检测结果表明:楼板裂缝多出现在楼板顶面,每块板均有不同程度的开裂,框架梁、次梁两侧楼板顶面有明显沿梁长方向的裂缝,板顶裂缝位置示意图见图2;板底有非受力不规则(收缩)裂缝,个别板底存在纵、横向裂缝。

　　 通过对现场检测裂缝的统计整理,12层裂缝开展情况见表5,板顶裂缝主要分为以下四种类型:1)第Ⅰ类,框架主、次梁两侧,沿梁长方向裂缝(图3);2)第Ⅱ类,核心筒角部南北向裂缝;3)第Ⅲ类,楼板跨中纵向、横向裂缝;4)第Ⅳ类,楼板跨中不规则裂缝。

　　 依据混凝土规范和《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012) ^[8]的规定,应用PKPM系列软件以原设计材料强度、楼板厚度、荷载值进行楼板承载力验算,得出原设计满足承载力要求的结果。依据现场实际检测得到的混凝土强度、楼板截面尺寸等检测数据,按照原设计荷载进行楼板承载力鉴定得出,楼板承载力现状不满足原设计要求。通过楼板现状反算得出12层楼板可承受的荷载值,如图4所示,可见大部分楼板均不能满足结构的使用功能要求,需对楼板进行加固设计。

　　 现浇混凝土楼板裂缝产生的原因主要来源于设计、材料、施工工艺、混凝土本身配合比以及现场的养护和后期使用等方面 ^[9]。

　　 根据本工程原材试验已知原材料符合设计要求,通过承载力验算得出原设计满足规范要求,因此在设计和材料方面不存在产生裂缝的原因。根据现场检测情况来看,本工程楼板裂缝产生的原因主要为以下几个方面:

　　 本工程楼板上部钢筋采用分离式配筋的方式,现浇板作为连续板在支座处会产生较大的负弯矩,若楼板支座处钢筋保护层厚度过大,则抵抗弯矩作用的支座钢筋位置就会偏下,楼板有效高度减小,拆模初期楼板在自重与施工荷载作用下,梁两侧楼板顶面混凝土缺少足够的上部钢筋约束,楼板容易产生沿梁长方向的楼面裂缝。现场检测钢筋保护层厚度的结果也表明,12层顶板支座钢筋保护层厚度明显过大,同时也在这些部位发现了沿梁长方向分布的裂缝,明显为受力裂缝。

　　 此种现象产生的原因是:首先本工程楼板支座采用的ϕ8钢筋较细、较软,本身就容易发生变形;其次若浇筑现场施工不规范,支座负筋没有设置足够的马凳筋或没有设置施工平台,再加上现场施工人员素质不高,支座钢筋受踩踏就会产生变形甚至下沉。最终导致钢筋下移造成上部钢筋保护层厚度过大,进而产生如图3所示的受力裂缝。

　　 经查阅搅拌站提供的混凝土强度、钢筋材料试验报告,报告中开盘标养混凝土强度、钢筋材料强度均符合设计要求;查阅施工资料,混凝土标准养护试块强度达到了设计要求,资料存档日期和施工日期相符,因此可以得出混凝土配合比不存在达不到设计强度要求的情况。

　　 现场混凝土修正回弹强度结果表明,该工程实际混凝土强度不满足设计要求,混凝土的抗压强度普遍低于设计强度,直接导致楼板承载力下降,再加上冬季施工养护不到位的情况下,过早的拆除底模将进一步导致楼面裂缝产生和发展。

　　 综合拌合站实际资料和现场检测情况可以得出,混凝土强度不足主要是由于现场施工不规范、冬季施工养护不到位等造成的,而过早地拆除模板和施工荷载过早地作用于楼面等导致板底跨中横向和纵向的裂缝的产生,见图5。

　　 现场楼板厚度测量发现,部分楼板厚度过小不满足设计要求,通过楼板现状反算承载力发现厚度导致了楼板承载力很大程度的降低,同时减小的厚度导致楼板抗裂系数 ^[10]的降低,在施工荷载的作用下,楼板底部跨中及支座上部均产生了受力裂缝,严重影响了后期使用。

　　 混凝土在凝结硬化过程中,体积缩小,表面产生了拉应力,当拉应力大于混凝土的抗拉强度时,混凝土便会发生开裂。环境温度变化过大,将导致混凝土体内收缩过大,又因钢筋的约束作用,不能形成整体收缩,混凝土表面产生了过大的拉应力,从而引起混凝土开裂。由检测结果得到的混凝土强度不足,其抗拉强度偏小进而产生图6中的不规则裂缝。

　　 本工程建议拆除挠度过大的12层-⑧～-Ⓒ顶板,重新铺设钢筋浇筑混凝土,重新浇筑时宜采用双层双向钢筋;采用增加板面叠合层的方法对12层①-②～-Ⓒ进行楼板加固处理。

　　 对于受力裂缝一般需在对裂缝处理的基础上采取一定的加固措施,具体加固方式需考虑现场具体情况。对于非受力裂缝,或对结构受力影响小的受力裂缝,为防止混凝土内部钢筋锈蚀、减少楼板渗漏和提高结构耐久性,一般采用表面处理、填充密封以及压力灌浆等方法对裂缝进行处理,从而满足结构美观和使用方面的要求 ^[11]。本工程对宽度≤0.3mm的楼板裂缝采用水泥砂浆、涂环氧胶泥进行封闭处理,对宽度>0.3mm的楼板裂缝采用压力灌浆再结合混凝土加固方法进行处理。

　　 混凝土楼板常用的加固方法有加大板截面法、体外预应力加固法、粘钢或粘纤维布法和增设型钢梁法 ^{[12,13,14,15]}。本工程根据结构承载力现状与现场实际情况,依据《混凝土结构加固设计规范》(GB 50367—2013) ^[16]采用多种加固形式:板底增设H型钢梁以提高楼板承载力,板上支座处粘贴碳纤维布或钢板以抵抗支座负弯矩作用,主、次梁粘贴钢板以提高其承载力等。

　　 由于混凝土强度严重不足,反算出承载力与原设计荷载差值较大,故采取在板长跨方向跨中增设一道H型钢梁,对于局部承载力严重不足的楼板增设两道H型钢梁,型钢截面为HN248×124。钢梁两端锚固在混凝土梁上,详细节点连接如图7所示,钢梁与原混凝土板之间的缝用聚合物砂浆填充密实以保证二者协同受力,施工完成后钢梁表面喷涂一层防火涂料。

　　 在增设的H型钢梁板上支座处粘贴碳纤维布以抵抗由于新设钢梁支座作用所产生的负弯矩,另外在负筋裂缝开展较大处通过粘贴钢板进行加固以抵抗支座处负弯矩作用,从而防止裂缝的进一步开展。粘贴混凝土表面均需进行打磨处理,施工完成后做好标识工作,防止被其他人员破坏。

　　 由于增设了一道H型钢梁改变了结构原有的传力路径,故部分主、次梁需进行粘贴钢板加固以提高其承载力,加固剖面示意图如图8(a)所示,立面示意图如图8(b)所示。施工时所有混凝土面均需进行打磨处理,粘贴钢板完毕后所有粘钢表面均需进行防火涂料喷涂。

　　 混凝土楼板裂缝的产生是多种因素共同作用的结果,通过处理该楼裂缝问题,得出以下结论:

　　 (1)回弹法检测混凝土的强度往往存在比较大的误差,本文依据混凝土检测标准的要求,利用芯样抗压强度对回弹值进行修正,有效提高了回弹强度的准确性。

　　 (2)楼板裂缝产生的主要原因有:楼板上铁保护层厚度过大、混凝土强度不足、楼板厚度不足以及环境因素引起的混凝土自身收缩,产生裂缝后结构的检测处理应着重围绕开裂因素展开,并应采取综合处理方式,避免片面处理。

　　 (3)加强裂缝的预防和控制措施:设计上要进行结构抗裂验算,充分考虑施工和使用过程中的温度应力、负弯矩钢筋的合理配置等;施工方面要提高施工技术与加强施工管理,避免预埋管线的过于集中,保证施工过程的规范性,设置足够的马凳筋并设置施工平台,同时加强现场混凝土养护,避免因抢工期提前拆模;混凝土的质量应符合设计要求,从混凝土的原材、制备、运输以及浇筑等方面做到规范化。

　　 (4)对于不同成因的裂缝应采取相应的处理措施,当加固方式导致原结构传力路径发生改变时,需对结构整体承载力进行验算,防止结构构件超出承载力范围。