摘要：文章分析了某底框綜合樓坡屋蓋產生裂縫的原因：補償收縮砼的配筋設計不妥；計算模型與實際受力不符；構造措施不當；結構體系空間溫度變形；構件剛度不足；施工縫設置和處理不當；分布筋間距過大；板鋼筋位置不當；砼水灰比過大；模板、支撐不善；砼初凝受振；施工養護不當。因此，必須對結構設計和施工進行全面的控制，提高砼的密實性，控制砼內部裂縫的產生，根據不 同裂縫分布的情況，采用在貫穿裂縫部位局部補強加固和在坡屋蓋板上做整體式現澆疊合板補強相結合的方案，達到了設計的效果。
關鍵詞：砼屋蓋；裂縫；質量事故；加固補強
中圖分類號：TU312.3；TU712.4
目 錄
1 工程質量事故概況·································································· 1
2 事故原因分析··········································································· 1
2.1 設計原因············································································ 1
2.1.1 計算模型與實際受力不符及計算錯誤與構造不
當引起開裂··········································································· 2
2.1.2 結構空間溫度變形產生的溫度裂縫···················· 3
2.1.3 構件剛度不足引起開裂·········································· 5
2.2 施工原因············································································ 5
3 加固補強方案········································································ 7
4 結束語······················································································ 9
參考文獻························································································ 9
某綜合樓現澆坡屋蓋結構工程事故分析與加固補強
1 工程質量事故概況
桂林甘底框混結構綜合樓的建筑面積為5976.81m2，第1、2層框架結構鋼筋混凝土設計強度為C30，3~6屋為磚混結構，樓蓋和屋蓋結構的現澆鋼筋混凝土設計強度為C20，屋面采用坡屋蓋的結構形式。現澆鋼筋混凝土屋蓋結構施工處于7~8月的高溫季節，于1999年7月底施工完畢，8月初檢查土建工程質量，發現坡屋蓋有13條貫穿裂縫，詳見圖1。溫度降低的傍晚裂縫寬達2mm左右，另外還有較多的表面裂縫和深井裂縫，大多數縫寬多在0.05~.5mm之間，在對梁板、構造柱混凝土進行檢查時發現屋蓋梁板混凝土表面泛白，起砂和起粉，然后用小尖錘劃痕和敲擊，判斷混凝土的強度低下，為了查清問題，及時處理，消除隱患，用超聲波回彈綜合法對屋蓋及頂層構造柱混凝土質量進行了全面檢測；并對屋蓋圖紙和其變更（修改）的鋼筋混凝土結構強度、剛度、穩定性、配筋、混凝土膨脹量和收縮等進行復核驗算，經質量檢測部門用超聲波檢測屋蓋梁板和構造柱，認為混凝土結構是密實的，用超聲回彈綜合法檢測構造柱混凝土實測強度均大于C20，合格。檢測屋蓋梁板混凝土實測強度為C13~16。通過結構復核驗算和施工質量分析認為，設計和施工均存在問題，屋蓋結構混凝土為C20，舊水泥標號為425#（相當于新的水泥強度等級的32.5Mpa），普通硅酸鹽水泥用量293kg/m3。
2 事故原因分析
2.1 設計原因
為了滿足業主要求，在G~S軸交2~7軸的5層樓頂增加閣樓和露臺，為此，該部位的坡屋蓋結構重新進行設計（圖1），坡屋蓋亦由聚胺酯841防水涂膜屋面修改為補償收縮混凝土結構自防水及防水砂漿 屋面。根據補償收縮混凝土的抗裂防水原理和理論依據，通過提高混凝土的密實性和控制混凝土內部裂縫產生的途徑來提高混凝土的自防水能力，在這工程上多年的實踐是可行的，但設計修改后未能根據補償收縮混凝土在凝結硬化過程中的體積膨脹特點，進行配筋調整，修改期間斷的板底筋和負筋為通長的板底筋和板面筋，以使混凝土在鋼筋的有效約束限制條件下在混凝土中產生一定的預壓力，來抵消混凝土的收縮、蠕變、碳化和溫度等因素引起的拉應力[1,2]。
圖1 坡屋蓋平面加固圖及貫穿裂縫分布（1999年8月12日檢測）
Fig.1 Reinforcement of pitched roof and crossing cracks distribution(test August 12,1999)
2.1.1 計算模型與實際受力不符及計算錯誤與構造不當引起開裂
原設計的坡屋蓋為一個完整對稱坡面的屋蓋結構，但根據業主的需要調整了屋脊的位置，形成了不對稱結構形式，在坡面大的屋蓋上開了一個大洞作為新增閣樓的露臺使用，這樣大大的消弱了結構的剛度，設計對屋蓋結構進行了重新布置，但仍按一般要求配筋，而整個坡屋蓋為一個空間結構體系，與平面結構體系有很大的區別，當混凝土在凝結硬化過程中和之后受到干縮、溫度變化引起的脹縮和荷載的作用，加之混凝土結構在三維方向上整體剛度中心與期受質量中心有偏離，在混凝土中產生拉應力、壓應力、彎曲應力、剪應力，甚至扭轉應力的綜合影響。在鋼筋混凝土構件、配件計算中，其截面的主要尺寸及鋼筋數量，在計算中做了許多假定，雖然強度計算足夠，但變形計算、抗裂度計算和裂縫寬度計算方法等與實際受力不符，未考慮混凝土的扭轉應力、收縮應力、溫度應力及配筋率的影響；未考慮結構的構造影響如鋼筋的搭接、錨固和構造筋布置等；未按構造要求進行設計，使坡屋蓋與磚墻及構造柱連成整體以限制滑動；未對補償收縮混凝土進行有效的約束限制，因而引起質量事故和裂縫。
2.1.2 結構空間溫度變形產生的溫度裂縫
如圖1，G軸為約束端，約束了屋蓋梁板溫度和干縮整體變形，其余三面為部分約束端，但由于現澆混凝土 下的磚墻上未設置隔離層，當屋蓋變形時不能自由滑動伸縮，而且2軸交1/k~R軸屋蓋下有一條高達2m的連續深梁LX11，受兩端磚砌體的約束，梁頂與板形成整體。
（1）截面均均溫差裂縫，一般材料均有熱脹冷縮性質，如果構件不受任何約束，在溫度變化時能自由變形，那么在構件中就不會產生附加應力；如果構件受到約束而不能自由變形時，則在構件中產生附加應力，由溫度應力引起構件的伸縮值[3]
ΔL=(t2-t1) αL.
式中：ΔL—鋼筋混凝土構件的變形值；t2-t1—溫度變化值；L—構件長度；α—材料的線膨脹系數。
由于鋼筋混凝土的α=1.0×10-5/℃，而普通磚砌體的α=0.5×10-5/℃，在相同溫度下，鋼筋混凝土構件的伸縮值要比磚砌大一倍左右，在混凝土結構中，當溫度變化時，鋼筋混凝土屋蓋和樓蓋與磚砌體伸縮不一致，必然彼此相牽而產生溫度應力，可能使房屋結構開裂破壞，因澆筑混凝土時值夏季高溫天氣，經測試，屋蓋混凝土表面在中午高達56℃，大面積夜間溫度為31℃左右，溫差達25℃，按24.52m長屋蓋結構計算，日夜長度會產生6.13mm的變化，混凝土熱膨脹變形產生的壓應力，混凝土冷縮變形產生的拉應力，由于混凝土抗拉強度較低，當混凝土內的拉應力超過混凝土的抗拉強度時，混凝土便產生裂縫，稱為截面均勻溫差裂縫，混凝土均勻溫差約束變形的溫度應力[3].
ΔL=(t2-t1) αL.
σt=EcΔ/L=Ec(t2-t1) α,
式中：Ec—混凝土彈性模量。
C20屋蓋板的約束應力為：σt=25.5×103×（56~31）×1.0×10-5=6.38N/mm2,混凝土標準抗拉強度ƒtk=1.5N/mm2(<σt)，由此可見：梁端可自由伸長時，由溫度差引起的伸長值ΔL=L(t2-t1) α，約束應力σt=o，梁端全約束時，溫度差引起的伸長值ΔL=o，約束應力σt=Ec(t2-t1) α,但由于實際上屋蓋結構與磚砌體等結構連接既非自由伸縮，亦非全約束，為部分約束，亦稱彈性約束。此時，由于溫差產生一變位δ1，嗎時構件也得到彈簧的反作用而產生變位δ2，混凝土結構的自由變位為兩者之和（圖2）[4].
即：ΔL=δ1+δ2
δ1=ΔL－δ2=L(t2-t1) α－σx/EcL.
式中：σx—梁端約束應力。
由于坡屋蓋梁板結構的G軸為約束端，局部又受磚墻、構造柱及連續梁的約束，因此其整體約束狀態應為部分約束。
圖2 彈性約束作用梁
Fig.2 Sketch of elastic constraint action
（2）截面上下溫差裂縫，由于約束條件復雜，形成各種各樣的裂縫，當夏季太陽直接照射到坡屋蓋上形成56℃高溫，而室內溫度較低，只有33℃，在坡屋蓋上下產生23℃的表面溫差，在一般約束條件下產生結構內溫度應力，全約束溫度應力最大[4]，當混凝土上下溫差變形產生的應力超過混凝土抗拉強度，就出現截面的上下溫差裂縫。
（3）截面內外溫差裂縫，由于坡屋蓋梁板結構內外溫差小，可以忽略此類溫差變形的影響。
（4）混凝土裂縫的特點，板上裂縫多為貫穿裂縫，梁上裂縫多為表面裂縫。屋（樓）蓋裂縫多是平行于短邊，大面積上表面裂縫縱橫交錯。裂縫寬度大小不同，一般在0.5mm以下，裂縫寬度溫度高時較細，溫度低時較寬，大多數裂縫沿結構高度呈現上寬下窄狀，由于結構反復承受溫差作用，在結構組合構件之間引起相對運動，有時發生斷弦、斷索的聲音[4]。
2.1.3 構件剛度不足引起開裂
鋼筋混凝土構件的變形與裂縫有著一定的關系，結構過大的變形，可產生對應的裂縫，由于設計修改后的結構的剛度削弱很多，結構的斷面尺寸變化大，溫度應力在截面高度小的板內某截面超過混凝土的抗拉強度而出現裂縫。從各種裂縫的分布來看，裂縫主要集中在坡屋蓋洞口周圍的1/k~R軸部位，說明這是剛度和截面強度的薄弱部位，支座的型式即非滑動支座，又非固定支座。混凝土的質量和配筋率對裂縫的產生均有影響[2,6].
2.2 施工原因
（1）施工縫設置和處理不當，在坡屋蓋混凝土澆筑過程中在長度方向上留設了3道施工縫，且對施工縫未按規范進行處理，新舊混凝土結合差，結構的整體性不良，當混凝土收縮或受力變形后出現裂縫。施工縫處理方法與抗拉強度的關系為（無接縫的混凝土抗拉強度為100）[5]:當現澆板垂直施工縫用水沖洗接搓，其施工縫處抗拉強度只相當于混凝土抗拉強度的60%;在澆筑之前，在施工縫處抹水泥漿砂或素水泥漿，其抗拉強度為抗拉強度的80%；在施工縫處連接表面削去1mm并抹水泥砂漿或素水泥漿，其抗拉強度為混凝土抗拉強度的85%；鏟或水泥沙漿，為混凝土抗拉強度的80%;在施工縫處連接表面削去1mm井抹水泥砂漿或素水泥漿，其抗拉強度為混凝土抗拉強度的85%;鏟平接搓凹凸處，澆素水泥漿或水泥沙漿，其抗拉強度為混凝土抗拉強度的90%；在施工縫接搓面澆水泥砂漿或素水泥漿，在混凝土朔性狀態最晚期（約3-6h）再振搗，其抗拉強度相當于混凝土抗拉強度的100%。可見時施工縫處理好壞直接影響施工縫處的混凝土抗拉強度。由于現場施工未加強施工縫處混凝土的養護，示按規范要求進行處理。造成此處裂縫。
（2）分布筋間距大，為使受力均勻。分布的筋間距一般大于200mm或250mm.但施工單位減少設計圖中分布筋數量，增大分布筋間距，經檢查，實際間距多為300-350mm，使板受力不均，易在板局部引起裂縫。
（3）板厚不足，剛度折減，因此當溫度變化時承受變形能力差，易產生裂縫。在澆搗屋面板時沒有設置足夠的板厚控制點。板厚難以控制，設計屋面板厚100mm，檢查板厚10個點，最大的95mm，最小的71mm.平均82mm，致使屋面板受彎承載力降低22%左右.再則層蓋板上下溫度差變形產生的應力量超過了混凝土的抗拉強度,產生截面下下溫差裂縫。
（4）板鋼筋配置位置不當，板支座負筋保護層過厚，有效高度h 減少，受彎承載力降低引起裂縫。施工時板支座負筋綁扎好后，施工作業人員在上面走動，運送混凝土的小車有時也在上面壓過。常把支座負筋離板底的高度壓低。澆搗混凝土時又未能及時上提復位，致使支座負筋保護層增厚。有效高度 減少，屋面板厚100mm，抽查10個點，負筋保護層最大40mm，最小20mm，平均30mm.板有效高度因此降低了33%。支座受彎承載力下降25%左右。
（5）使用水灰比過大的混凝土澆搗屋面板,使得混凝土在凝結的早期即出現沉縮裂縫.設計配合比中水灰比為0.60。由于施工期間頻繁陣雨的影響，施工中水灰比未能及時調整，因此現澆屋面板混凝土水灰比過大。上午澆搗，下午即時現較多的沉縮裂縫，縫寬最大達1.5mm，長度大多為10-30mm，因未及時抹平、封閉裂縫，結果留下許多永久性裂縫。
（6）模板、支撐不善。混凝土初凝受振產生裂縫。混凝土澆筑后，逐漸開始凝結硬化，強度不斷提高，早期混凝土強度很低，若受振容易產生裂縫。由于現澆板分段施工，施工過程中陣雨頻繁，混凝土強度未達到 1.2MPa以上，施工人員就在結構上行走，并鋪設馬道，用小車運送混凝土，澆筑混凝土時鄰近混凝土在未達到強度要求情況下，因不停受振而產生裂縫。
（7）施工養護不當，混凝土硬化的過程就是水泥水化的反應過程，這一過程需要充足的水分，如果早期養護措施跟不上，將使混凝土失水，而出現表面泛白。起粉起砂、剝皮、裂縫現象。嚴重降低混凝土強度，加快構件的風化、碳化、腐蝕，大大降低混凝土的壽命，實驗資料表明，混凝土早期失水與混凝土強度下降的關系為 。早期失水20%~44%時，混凝土抗壓強度下降5%~50%；早期失水10%~40%時，混凝土抗彎強度下降22%~52%。在高溫季節，當坡屋蓋現澆板澆筑完畢后，未能及時加以覆蓋養護，由于板是坡面形式，澆了水后不存水，加之不覆蓋。板面在高溫下基本處于干燥狀態，這是混凝土構件早期強度不能迅速增長，而出現失水裂縫的又一主要原因。
3 加固補強方案
（1）根據表面裂縫、深進裂縫和貫穿裂縫的頒布情況。決定采用在貫穿裂縫部位局部補強加固和在整體式坡屋蓋板上做整體式現澆疊合板補強相強合的方案。原坡屋蓋為整體式襝收縮鋼筋混凝土結構，經超起回彈綜合法檢測屋蓋板混凝土強度為C13~C16。會同設計人員和施工單位認真研究、分析和計算，決定采用在坡屋蓋板上增加補償收縮鋼筋混凝土整澆層，調整板的有效高度來恢復或提高屋蓋板的整體剛度與承載力，同時恢復屋蓋板的自防水能力，采取保護新舊混凝土粘結強度的措施，使之達到加固補強的效果。
（2）在板上配雙向鋼筋網、懸挑板頂配筋及裂縫處板頂配筋（圖1、圖3、圖4）。澆筑40mm厚的補償收縮細混凝土整澆疊合層。
圖3 坡屋蓋連續板加固
Fig.3 Reinforcement of continuous slab on pitched roof
圖4 坡屋蓋懸挑板加固
Fig.4 Reinforcement of overhanging slab on pitched roof
（3）現澆層與坡屋蓋混凝土疊合加固補強后的受力特征完全同整體板；舊混凝土的強度等級取實測值，新混凝土的強度等級取C20；斷面，舊混凝土取90mm厚，新混凝土取40mm厚；荷載分別按恒載和活荷載的設計值取用；受力構件的內力按強性理論進行計算； 強度殷實照整體板驗算受彎構件的正截面強度和疊合面的抗剪強度；分別求出跨中和支座截面的配筋需要量，對照跨中實際配筋量是否滿足需要，如不滿足可增加疊合板的厚度，重新計算；根據支座截面配筋需要量設計鋼筋，進行施工；由于新舊兩層混凝土的強度等級不一致，則在計算配筋時在正彎矩區段內混凝土強度按后澆疊合層混凝土的強度取用。在支座負彎矩內段內混凝土強度按原屋蓋板混凝土強度實測值取用；撓度不必驗算，因為剛度增大很多。
（4）為了使原屋蓋板與后澆疊合屋結合為整體，以共同抵抗板中的水平剪力。加固補強施工要求將原屋蓋板面鑿去10mm。表面形成5mm凹凸面，清洗干凈后用水充分濕潤，再按設計要求綁扎鋼筋，澆筑40mm厚C20補償收縮細石混凝土疊合層，為消除裂縫，防止鋼筋銹蝕，保證結構的整體性，在整澆層施工時，對于貫穿裂縫，根據不同的部位分別處理。懸挑板處的板面和板底分別鑿“V型”槽，用環氧樹脂膠泥刮壓擠漿、嵌縫，使之貫穿裂縫填充飽滿密實，連續板則鑿掉貫穿裂縫兩側200mm寬范圍的400mm寬板帶，用C25補償收縮細石混凝土澆搗后澆板帶。如鑿板割斷鋼筋則要求新配鋼筋與原板鋼筋搭焊，搭接焊縫長度為10d(d為鋼筋直徑），在連續板的跨中部位下面設置臨時頂撐，間距0.8m；同樣，在懸挑板下設臨時頂撐，縱橫間距為0.6m,頂撐下有木楔，利用木楔調整頂撐；板底的支撐系統要穩固可靠，不得虛撐而使板的原有撓度消失或減少。 2軸變1/k~R軸的φ10@200的負筋的錨固方法為在挑出600mm懸挑板墻約200mm的位置鉆
孔。然后鑿出LX11連續深梁的Φ14鋼筋，穿筋后與腰筋搭焊10d，鋼筋穿孔后應灌漿，以防鋼筋銹蝕。最后在懸挑板下支撐，澆筑補償收縮混凝土（圖4）。
（5）加固程序，加固施工的順序為：鑿除屋蓋板面薄弱層，并鑿板面形成凹凸面→鑿“V型”槽，鑿除貫穿裂縫400mm寬范圍板帶→環氧樹脂膠泥擠壓嵌縫，澆筑C20補償收縮細石混凝土后澆帶→基層清理，保護養護→原板面上綁扎鋼筋→澆素水泥漿→澆筑新的補償收縮混凝土疊合層，表面搓平→養護屋面。鋼筋位置用墊塊固定好，注意成品保護，基層清理并澆水養護24h后，澆筑C20補償收縮細石混凝土。用平板振動器振實，找平搓平，做好混凝土的現場覆蓋養護工作，做好檢查驗收記錄。
4 結束語
對于檢測出的坡屋蓋結構質量問題，根據不同的工程部位、不同的質量問題和構件受力特征采用不同的加固補強處理方法。坡屋面經堆荷靜載試驗、大雨和淋水試驗，完全達到原設計要求的承載力，滿足使用功能的要求。經有關部門檢查驗收，確認加固補強施工方法較方便。經濟4年多的使用檢驗，證明其加固補強效果是可靠的。
參考文獻
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