水电站主厂房发电机层风罩周围楼板裂缝的成因和防治

曾艳

（湖南省水利水电勘测设计研究总院 长沙市 410007）

主厂房发电机层楼板具有荷载大、孔洞多、结构布置不规则等特点，结构设计大多采用现浇的钢筋混凝土肋形结构。风罩与楼板之间的连接，一般有整体现浇连接，或楼板简支于风罩上，或楼板与风罩在结构上分开等。由于整体连接刚度大，对机墩抵抗扭矩和水平力有利，对减少主厂房排架中部侧移也有益处，所以国内大多数采用整体连接方式，但在建造与使用过程中，发现很多厂房沿风罩周围的楼板出现裂缝，且多数裂缝呈辐射状，这是非常值得关注的问题。裂缝的发展会使结构物产生异常的内部应力或变形，严重的可能会危及结构安全和正常使用。由于发电机层楼板有动荷载作用，又经常处在振动的状态下工作，一旦开裂容易恶化。因此正确地分析裂缝的成因，得到防治措施对于水利工程有着很重要的意义。

1 工程实例

某水电站主厂房发电机层楼板采用现浇的钢筋混凝土肋形结构，风罩与楼板之间的连接采用整体连接方式。工程完工后，还未正式投入使用，项目部在现场观察发现主厂房发电机层风罩周围楼板出现了多处贯穿性裂缝，如图1所示。

图1 发电机层风罩周围楼板裂缝实例

2 主厂房发电机层风罩周围楼板裂缝产生原因分析

2.1 概 述

混凝土结构裂缝的成因复杂而繁多，甚至多种因素相互影响，每一条裂缝均有其产生的一种或几种原因。在钢筋混凝土楼板上所看到的裂缝都是由于构造上的或与荷载条件有关的种种原因而造成的。导致主厂房发电机层风罩周围楼板裂缝产生的原因，大致可分为以下几类：

（1）作用的常规静、动荷载过大或次应力的产生。在设计计算阶段，计算模型不合理；设计断面不足；结构计算时部分荷载漏算；构造处理不当，钢筋设置偏少或布置错误；设计图纸交代不清等。在施工阶段，不加限制地堆放施工机具、材料；不按设计图纸施工，擅自更改结构、施工顺序，改变结构受力模式等。在使用阶段，实际载荷超出设计载荷等。以上几种情况都会使楼板在荷载的作用下发生应力集中而出现裂缝。这种由常规静、动荷载或次生应力所产生的裂缝称为荷载裂缝。荷载裂缝特征依荷载大小而呈现不同的特点，其分布规律是沿主拉应力方向开展，其走向与主拉应力方向垂直。这类裂缝多出现在受拉区、受剪区或振动严重部位。

（2）温度变化频繁或温差过大。混凝土具有热胀冷缩的性能，当外部环境或结构内部温度发生变化，混凝土将发生变形，若变形遭到约束，则在结构内产生应力，当应力超过混凝土抗拉强度时即产生温度裂缝。

（3）混凝土的干缩。在混凝土中，水以结合水、层间水、物理吸附水和毛细水等状态存在。当这些水在混凝土硬化过程中失去时，水泥浆体就会收缩，当收缩受到限制产生收缩应力时，就会产生裂缝。混凝土收缩裂缝的特点是大部分属表面裂缝，裂缝宽度较细，且纵横交错，成龟裂状，形状没有任何规律。

（4）地基变形。由于基础竖向不均匀沉降或水平方向位移，使结构中产生附加应力，超出混 凝土结构的抗拉能力，导致结构开裂产生裂缝。

（5）施工质量不良。在施工过程中，假如混凝土级配不良或施工工艺不合理、施工质量低劣，造成结构构件强度不足，容易产生各种裂缝。

2.2 病因分析

（1）现场查勘情况。对厂房楼板进行详细的查勘发现，厂房3台机组风罩周围楼板均出现了规律性的多处相似裂缝，而且在楼板底部同一位置上很明显发现裂缝的存在，大的缝宽有（0.2～0.3）mm，小的缝宽小于0.1mm，沿风罩周围呈辐射状布置，由此可判断该裂缝是上下贯通的。对楼板其它位置及梁、风罩进行细致检查，未发现有裂缝。

（2）施工情况。该工程所使用的混凝土和钢筋各项指标基本合格，水泥凝结试验以及掺合料、水、细骨料的试验结果均属正常。楼板与风罩的连接采用整体浇筑，钢筋布设按图施工。冬季施工，不能排除混凝土养护问题。

（3）基础情况。由地质勘察资料分析，在厂房左边墙基础有断层带。但进行了刻槽换基的基础处理，因此可排除因地基不均匀沉降所造成的裂缝。

（4）设计情况。风罩为钢筋混凝土薄壁圆筒结构，配筋满足规范要求。主厂房发电机层楼板采用现浇的钢筋混凝土肋形结构，梁格布置符合《钢筋混凝土结构规范》的要求。楼板厚度为150mm，楼板和风罩采用整体连接方式。设计荷载采用机电专业提供数据，计算模型采用PKPM软件按框架结构建模，经复核主厂房发电层楼板配筋量符合规范要求。楼板配筋采用分离式，钢筋的直径一般采用Φ10、Φ12，钢筋间距不大于200mm，风罩周围楼板钢筋按纵横方式摆放。没有在风罩周围楼板采取裂缝控制措施，如配置环向钢筋等。我们调查类似工程的设计情况，发现此为很常用的设计方式。符合规范要求。

（5）诊断结论。综上所述，本例中楼板裂缝排除基础不均匀沉降、楼板配筋量不足的可能性。造成桥面板开裂的主要原因应该是由于温度及混凝土干缩作用等。由于风罩的刚性较大，如果在设计和施工过程中不够重视楼板和风罩连接处的配筋，楼板的应变受到风罩很强的制约从而很容易引起应力集中导致裂缝，当应力反复作用时，裂缝逐步扩展，最后上下贯通，使楼板失去整体性，承载力下降，危害性较大，必须及时采取有效的修补措施，控制裂缝的发展，增强楼板的整体性，保证主厂房的正常使用。

3 修补措施

根据楼板裂缝的成因，本工程采用了比较成熟有效的粘结钢板加固方案，具体操作如下：首先处理发电机层楼板已经出现的裂缝，将所有裂缝进行封闭。非贯穿性裂缝用填充密封法封闭裂缝，具体措施是沿裂缝凿V型槽，槽宽50mm，槽深30mm，冲洗后，用环氧砂浆重新填缝修补；贯穿性裂缝用压力注浆法将改性环氧砂浆压入裂缝腔内封闭裂缝。然后对风罩周围楼板进行粘钢加固。楼板面层用结构强力胶沿风罩周围粘贴宽900mm，厚4mm的环形钢板，楼板底层用结构强力胶沿风罩周围粘贴宽500mm，厚4mm的环形钢板。最后对未被环型钢板覆盖的裂缝，用厚20mm的碳钢纤维抹面加固。楼板加固后，整个楼板结构恢复整体性。

4 发电机层风罩周围楼板裂缝的控制措施

实践表明发电机层风罩周围楼板很容易出现裂缝，且出现破坏性裂缝加固难度很大，所以裂缝的控制措施显得尤为重要。

4.1 从设计的角度控制楼板裂缝

（1）优化楼板梁格布置。

发电机层整个楼盖是以发电机风罩上、下游侧底墙以及中间短柱作为支承。梁格布置采用如下结构布置最为合理：从楼板的中央部位开始沿风罩上下游侧各布置一排纵向主梁；沿风罩左右侧各布置一排横向次梁；大中型水电站板厚一般采用（150～300）mm，板跨限制在（1.8～2.22）m内（双向板可放宽至2.5m～3m），梁跨限制在（4～6）m；如图2所示。优化楼板梁格布置，机组投入运行时结构受力明确、可靠。

图2 水电站发电机层结构布置

板的内力计算可按区域计算，风罩周围为三角形板，三角形两个方向的跨度比小于2，属双向板，三角形双向板可近似简化为矩形双向板，两个方向的计算跨度可各自取直角边的2/3，如图3所示。

图3 三角形板的简化计算

（2）若发电机楼板与风罩采用整体浇筑，则须在楼板配置一定数量细而密的环向构造钢筋，以控制裂缝的发展。

4.2 从施工的角度控制楼板裂缝

（1）延长养护。施工中混凝土用麻袋或草包覆盖，进行一周左右的保温养护，在板面或板底拆模后涂刷养护剂，避免混凝土的早期干缩，确保膨胀剂产物的充分水化，使混凝土达到有效的补偿收缩作用。

（2）减少荷载。在施工频繁通行处，应搭设临时的简易通道，避免楼面上层钢筋受到踩踏而变形；不得将材料集中堆放在楼板，应分散就位，从而减少早期荷载形成的裂缝。

5 结语

造成发电机层风罩周围楼板出现裂缝的原因是比较复杂的，设计疏漏、施工低劣、监理不力，均可能使混凝土楼板出现裂缝。结构设计中，钢筋混凝土结构构件是允许带裂缝工作的，问题不在有无裂缝，而在于出现什么样的裂缝。当楼板发生开裂现象后，应从设计、施工及其使用状况等各方面进行细致地调查及详尽地分析，找出开裂的主要原因，分析裂缝的性质，预料其对结构的危害性，判断其需要修补或加固的紧迫性，最后采取合理、有效、经济的修补加固措施，使楼板损伤尚在轻微时期就能得到修补，保证其正常地使用。当然防范于未然，提前从设计和施工的角度控制楼板的裂缝更加重要。