水電站主廠房發電機層風罩周圍樓板裂縫的成因和防治

曾艷

（湖南省水利水電勘測設計研究總院 長沙市 410007）

主廠房發電機層樓板具有荷載大、孔洞多、結構布置不規則等特點，結構設計大多采用現澆的鋼筋混凝土肋形結構。風罩與樓板之間的連接，一般有整體現澆連接，或樓板簡支于風罩上，或樓板與風罩在結構上分開等。由于整體連接剛度大，對機墩抵抗扭矩和水平力有利，對減少主廠房排架中部側移也有益處，所以國內大多數采用整體連接方式，但在建造與使用過程中，發現很多廠房沿風罩周圍的樓板出現裂縫，且多數裂縫呈輻射狀，這是非常值得關注的問題。裂縫的發展會使結構物產生異常的內部應力或變形，嚴重的可能會危及結構安全和正常使用。由于發電機層樓板有動荷載作用，又經常處在振動的狀態下工作，一旦開裂容易惡化。因此正確地分析裂縫的成因，得到防治措施對于水利工程有著很重要的意義。

1 工程實例

某水電站主廠房發電機層樓板采用現澆的鋼筋混凝土肋形結構，風罩與樓板之間的連接采用整體連接方式。工程完工后，還未正式投入使用，項目部在現場觀察發現主廠房發電機層風罩周圍樓板出現了多處貫穿性裂縫，如圖1所示。

圖1 發電機層風罩周圍樓板裂縫實例

2 主廠房發電機層風罩周圍樓板裂縫產生原因分析

2.1 概 述

混凝土結構裂縫的成因復雜而繁多，甚至多種因素相互影響，每一條裂縫均有其產生的一種或幾種原因。在鋼筋混凝土樓板上所看到的裂縫都是由于構造上的或與荷載條件有關的種種原因而造成的。導致主廠房發電機層風罩周圍樓板裂縫產生的原因，大致可分為以下幾類：

（1）作用的常規靜、動荷載過大或次應力的產生。在設計計算階段，計算模型不合理；設計斷面不足；結構計算時部分荷載漏算；構造處理不當，鋼筋設置偏少或布置錯誤；設計圖紙交代不清等。在施工階段，不加限制地堆放施工機具、材料；不按設計圖紙施工，擅自更改結構、施工順序，改變結構受力模式等。在使用階段，實際載荷超出設計載荷等。以上幾種情況都會使樓板在荷載的作用下發生應力集中而出現裂縫。這種由常規靜、動荷載或次生應力所產生的裂縫稱為荷載裂縫。荷載裂縫特征依荷載大小而呈現不同的特點，其分布規律是沿主拉應力方向開展，其走向與主拉應力方向垂直。這類裂縫多出現在受拉區、受剪區或振動嚴重部位。

（2）溫度變化頻繁或溫差過大。混凝土具有熱脹冷縮的性能，當外部環境或結構內部溫度發生變化，混凝土將發生變形，若變形遭到約束，則在結構內產生應力，當應力超過混凝土抗拉強度時即產生溫度裂縫。

（3）混凝土的干縮。在混凝土中，水以結合水、層間水、物理吸附水和毛細水等狀態存在。當這些水在混凝土硬化過程中失去時，水泥漿體就會收縮，當收縮受到限制產生收縮應力時，就會產生裂縫。混凝土收縮裂縫的特點是大部分屬表面裂縫，裂縫寬度較細，且縱橫交錯，成龜裂狀，形狀沒有任何規律。

（4）地基變形。由于基礎豎向不均勻沉降或水平方向位移，使結構中產生附加應力，超出混 凝土結構的抗拉能力，導致結構開裂產生裂縫。

（5）施工質量不良。在施工過程中，假如混凝土級配不良或施工工藝不合理、施工質量低劣，造成結構構件強度不足，容易產生各種裂縫。

2.2 病因分析

（1）現場查勘情況。對廠房樓板進行詳細的查勘發現，廠房3臺機組風罩周圍樓板均出現了規律性的多處相似裂縫，而且在樓板底部同一位置上很明顯發現裂縫的存在，大的縫寬有（0.2～0.3）mm，小的縫寬小于0.1mm，沿風罩周圍呈輻射狀布置，由此可判斷該裂縫是上下貫通的。對樓板其它位置及梁、風罩進行細致檢查，未發現有裂縫。

（2）施工情況。該工程所使用的混凝土和鋼筋各項指標基本合格，水泥凝結試驗以及摻合料、水、細骨料的試驗結果均屬正常。樓板與風罩的連接采用整體澆筑，鋼筋布設按圖施工。冬季施工，不能排除混凝土養護問題。

（3）基礎情況。由地質勘察資料分析，在廠房左邊墻基礎有斷層帶。但進行了刻槽換基的基礎處理，因此可排除因地基不均勻沉降所造成的裂縫。

（4）設計情況。風罩為鋼筋混凝土薄壁圓筒結構，配筋滿足規范要求。主廠房發電機層樓板采用現澆的鋼筋混凝土肋形結構，梁格布置符合《鋼筋混凝土結構規范》的要求。樓板厚度為150mm，樓板和風罩采用整體連接方式。設計荷載采用機電專業提供數據，計算模型采用PKPM軟件按框架結構建模，經復核主廠房發電層樓板配筋量符合規范要求。樓板配筋采用分離式，鋼筋的直徑一般采用Φ10、Φ12，鋼筋間距不大于200mm，風罩周圍樓板鋼筋按縱橫方式擺放。沒有在風罩周圍樓板采取裂縫控制措施，如配置環向鋼筋等。我們調查類似工程的設計情況，發現此為很常用的設計方式。符合規范要求。

（5）診斷結論。綜上所述，本例中樓板裂縫排除基礎不均勻沉降、樓板配筋量不足的可能性。造成橋面板開裂的主要原因應該是由于溫度及混凝土干縮作用等。由于風罩的剛性較大，如果在設計和施工過程中不夠重視樓板和風罩連接處的配筋，樓板的應變受到風罩很強的制約從而很容易引起應力集中導致裂縫，當應力反復作用時，裂縫逐步擴展，最后上下貫通，使樓板失去整體性，承載力下降，危害性較大，必須及時采取有效的修補措施，控制裂縫的發展，增強樓板的整體性，保證主廠房的正常使用。

3 修補措施

根據樓板裂縫的成因，本工程采用了比較成熟有效的粘結鋼板加固方案，具體操作如下：首先處理發電機層樓板已經出現的裂縫，將所有裂縫進行封閉。非貫穿性裂縫用填充密封法封閉裂縫，具體措施是沿裂縫鑿V型槽，槽寬50mm，槽深30mm，沖洗后，用環氧砂漿重新填縫修補；貫穿性裂縫用壓力注漿法將改性環氧砂漿壓入裂縫腔內封閉裂縫。然后對風罩周圍樓板進行粘鋼加固。樓板面層用結構強力膠沿風罩周圍粘貼寬900mm，厚4mm的環形鋼板，樓板底層用結構強力膠沿風罩周圍粘貼寬500mm，厚4mm的環形鋼板。最后對未被環型鋼板覆蓋的裂縫，用厚20mm的碳鋼纖維抹面加固。樓板加固后，整個樓板結構恢復整體性。

4 發電機層風罩周圍樓板裂縫的控制措施

實踐表明發電機層風罩周圍樓板很容易出現裂縫，且出現破壞性裂縫加固難度很大，所以裂縫的控制措施顯得尤為重要。

4.1 從設計的角度控制樓板裂縫

（1）優化樓板梁格布置。

發電機層整個樓蓋是以發電機風罩上、下游側底墻以及中間短柱作為支承。梁格布置采用如下結構布置最為合理：從樓板的中央部位開始沿風罩上下游側各布置一排縱向主梁；沿風罩左右側各布置一排橫向次梁；大中型水電站板厚一般采用（150～300）mm，板跨限制在（1.8～2.22）m內（雙向板可放寬至2.5m～3m），梁跨限制在（4～6）m；如圖2所示。優化樓板梁格布置，機組投入運行時結構受力明確、可靠。

圖2 水電站發電機層結構布置

板的內力計算可按區域計算，風罩周圍為三角形板，三角形兩個方向的跨度比小于2，屬雙向板，三角形雙向板可近似簡化為矩形雙向板，兩個方向的計算跨度可各自取直角邊的2/3，如圖3所示。

圖3 三角形板的簡化計算

（2）若發電機樓板與風罩采用整體澆筑，則須在樓板配置一定數量細而密的環向構造鋼筋，以控制裂縫的發展。

4.2 從施工的角度控制樓板裂縫

（1）延長養護。施工中混凝土用麻袋或草包覆蓋，進行一周左右的保溫養護，在板面或板底拆模后涂刷養護劑，避免混凝土的早期干縮，確保膨脹劑產物的充分水化，使混凝土達到有效的補償收縮作用。

（2）減少荷載。在施工頻繁通行處，應搭設臨時的簡易通道，避免樓面上層鋼筋受到踩踏而變形；不得將材料集中堆放在樓板，應分散就位，從而減少早期荷載形成的裂縫。

5 結語

造成發電機層風罩周圍樓板出現裂縫的原因是比較復雜的，設計疏漏、施工低劣、監理不力，均可能使混凝土樓板出現裂縫。結構設計中，鋼筋混凝土結構構件是允許帶裂縫工作的，問題不在有無裂縫，而在于出現什么樣的裂縫。當樓板發生開裂現象后，應從設計、施工及其使用狀況等各方面進行細致地調查及詳盡地分析，找出開裂的主要原因，分析裂縫的性質，預料其對結構的危害性，判斷其需要修補或加固的緊迫性，最后采取合理、有效、經濟的修補加固措施，使樓板損傷尚在輕微時期就能得到修補，保證其正常地使用。當然防范于未然，提前從設計和施工的角度控制樓板的裂縫更加重要。