建筑技术丨地下结构工程质量事故分析与处理

1 无梁楼盖垮塌事故

地下室楼板结构布置形式通常可分为梁板式和无梁楼盖两种。梁板式结构形式特点是抗震性好，布置灵活，对柱距无明显要求，楼板开洞易于处理。缺点是梁截面较大，对于层高影响较明显，不利于机电专业管线排布。无梁楼盖结构形式优点是采用大板加柱帽的形式，建筑外形美观，除柱帽处空间略为紧张，其余位置楼层净高均较高，利于机电专业管线排布。可在满足建筑使用功能的前提下，降低基础埋深，减少基坑的土方开挖量，大幅节约土建成本。缺点是抗震性能较差，对柱距有一定要求。

由于地下结构位于土内，其抗震要求没有地上严格，且地下室轴网一般相对比较规则，无梁楼盖的优势可充分体现，越来越多地被用做地下室楼盖结构形式。但随着使用的增加，近些年关于无梁楼盖的事故也频繁出现。

从现场情况看，大多表现为楼板板柱节点处直接发生冲切破坏，导致楼板坍塌。当某一位置出现问题破坏后，会导致内力重分配至附近其余柱跨，引起周边结构超过极限承载力，进而连续倒塌，造成现场人员生命危险及财产损失。

对于事故情况，可从以下设计到施工的角度进行分析，并提出相应的应对措施以作参考。

1.1 荷载取值

由于无梁楼盖设计时基本不考虑地震作用，仅考虑抗震措施中相关构造做法，故其设计工况为永久荷载+可变荷载，荷载取值很重要，常用地库荷载取值见表1。

表1 地库荷载取值

注：楼板自重由程序自动计算，假定顶板覆土取1.5 m厚，建筑面层为100 mm。

（1）由上表可看出地下车库设计中，地库顶板荷载最大，且现场材料及设备经常堆积于此，出事故区域经常发生在此位置。考虑绿化要求顶板通常都会有覆土，厚度大小不一，从1m到3m都有可能。覆土容重的取值差别很大，由GB50009—2012《建筑结构荷载规范》可知，干土容重为16 kN/m³，湿土容重为18 kN/m³，很湿土容重为20 kN/m³。地面绿化会经常浇水，故覆土按照很湿土取值相对合理，后期绿化的操作不会影响结构整体安全。若按小值计算，永久荷载取值不足，会带来设计隐患，直接影响结构的安全性。

（2）地库范围内基本都会规划消防车路线，在整体计算时，应根据建筑总图中的消防车行进路线，修改顶板的可变荷载，避免发生遗漏。

（3）建筑专业规划地库时，常会在地面布置各种景观，但很多细节在土建开工后才能确定，在初始设计时应预留足够的可变荷载，避免出现超负荷情况。

1.2 计算分析

无梁楼盖目前仍沿用弹性理论计算，楼板配筋属于抗弯计算，通过调幅后延性有一定保证，D+L工况下楼板变形如图1所示，由于按照板带配筋，变形可控一旦破坏会有先兆。

图1 无梁楼盖变形示意

板柱节点处受力分为弯曲和冲切两种工况，计算抗弯时由于柱帽有效高度增加，柱端弯矩虽大可通过设置附加钢筋解决，保证足够的延性。冲切破坏属于脆性破坏，一旦破坏直接导致楼板坍塌，需重点关注。

柱帽抗冲切计算时，截面高度变化处应分别进行验算，如图2所示。

图2 柱帽冲切示意

GB50010—2010（2015版）《混凝土结构设计规范》冲切承载力验算规定：

F_l≤0.7β_hf_tb_mh₀                            （1）

式中：F_l为局部荷载设计值或集中反力设计值，β_h为截面高度影响系数，b_m为冲切破坏锥体上下边长中心线长度，h₀为截面有效高度。

图2中冲切面1为柱冲托板，冲切面2为托板冲楼板，按照所示两个冲切面复核，保持柱帽总高度不变，楼板厚度由小变大，托板厚度反之，得出冲切面1和冲切面2的抗冲切比值，如图3所示。

图3 柱帽冲切比

由图3可知，当柱帽总厚度不变时，增加板厚减小托板高度，使楼板自重加大。对于抗冲切工况，增加了冲切集中荷载，使得柱根冲切比加大，安全度降低，相反托板冲切比安全冗余度过大。对于抗弯工况，虽然楼板有效高度加大，但自重引起内力增加更多，总体导致板配筋加大。故板柱节点宜在满足楼板抗弯冲切情况下，减少板厚加大托板高度。

1.3 垮塌现场分析

上述节点计算分析属于理论计算，当排除荷载过大、设计失误等因素后，实际施工现场是否能满足设计要求，事故发生后的调查给出了答案。北京某地库坍塌后，其柱帽节点处发生的脆性破坏并非是45°棱柱体破坏，而是出现了沿柱边的通缝，即“直剪”破坏。经现场检查后发现柱帽的托板与楼板间存在施工缝，即本该是一个整体的构件分成了两部分，柱端承担负弯矩的截面计算高度并非设计的h₀₁，而仅仅是楼板厚度h₀₂，故很快会开裂，下部托板此时已成为与楼板脱离的悬臂构件，受到上部楼板传来压力，与柱相连处也没有抗弯剪钢筋，则直接在根部产生通缝破坏。

上述分析得出，施工单位没有偷工减料，但在施工顺序上处理不当，托板应与楼板成为一体，但现场施工时把托板与柱一次浇筑完成，后期再浇筑楼板，计算假定与实际完成情况不符，受力途径发生变化造成了事故。

1.4 事故预防措施

1.4.1 设计加强措施

坍塌事故多为柱帽冲切破坏引起，此种破坏属于变形较小的脆性破坏，很难通过计算方法进行大幅改变，要提高柱帽节点受力性能，只能通过增加节点构造措施来提高结构延性，改善抗冲切性能。

GB50011—2010《建筑抗震设计规范》规定，对于板柱–抗震墙结构的板柱节点，沿两个主轴方向通过柱截面的板底连续钢筋的总截面面积，应符合式（2）要求。

A_s≥N_g/f_y（2）

式中：A_s为板底连续钢筋总截面面积；N_g为在本层楼板重力荷载代表值（8度时宜计入竖向地震)作用下的柱轴压力设计值；f_y为楼板钢筋的抗拉强度设计值。

板柱节点应根据抗冲切承载力要求，配置抗剪栓钉或抗冲切钢筋。此两条规定可保证结构在外力作用下，楼板不会发生无征兆的脱落，板底连通钢筋作为防塌落钢筋，使楼板延性加大，不会引起连锁倒塌情况。抗剪栓钉或抗冲切钢筋可降低柱帽发生脆性破坏风险，增加安全冗余度，同等条件下建议优先设置抗剪栓钉。

规范中要求无柱帽平板设置构造暗梁，对有柱帽平板并未说明，但2018年2月住建部办公厅正式发文，要求无梁楼盖均设置暗梁等构造措施，以提高结构的整体安全性。

在实际工程设计中，开发商往往控制结构的用钢量，地下室成为主要优化对象，设计人员大部分没有严格执行上述要求，应从前面的倒塌案例中吸取教训，认真执行规范要求。

1.4.2 施工现场控制

地下室顶板覆土占永久荷载的很大部分，其回填顺序尤为重要，由前述案例可知，操作失误会酿成重大质量事故。当局部覆土过厚，而另一侧无覆土或覆土较少时，极易造成柱端产生不平衡弯矩，导致柱端节点破坏。施工方应制订科学的回填作业流水线，均匀分层铺设回填，避免在板顶产生不均匀荷载，且不应超过设计允许值，避免永久荷载超载破坏。土料进场后不应采用大型车辆运输，应用小型运输设备分批运送。

施工现场经常会有大型设备进场，重量远超地库顶板设计时的可变荷载，应在地库范围避免设备搁置或规划行进路线，如确实无法避免，则需要对地下室顶板进行临时支撑，待荷载移除后方可拆除。

现场浇筑混凝土时，严禁把施工缝留在柱帽托板与楼板之间，整个柱帽应一体浇筑成型。

2 地下室开裂问题

地下车库平面尺寸通长较大，大型地库单向会超过百米，地下室外墙超长后经常出现裂缝，导致地下水渗透进入墙体，造成钢筋腐蚀，影响结构安全，墙体内部装饰面被浸泡，造成内部装饰装修损坏。现场如图4、图5所示。

图4 南京市江宁区某地下室外墙开裂渗水现场

图5 嘉兴市南湖区某地下室外墙开裂渗水现场

2.1 裂缝成因分析

地下室外墙开裂原因较为复杂，比较明显的有3种成因：一种是由外部土压力引起墙体面外受弯，当弯曲应力过大，超出原设计范围，导致裂缝超过GB50010—2010《混凝土结构设计规范》规定限值，造成墙体开裂渗漏，此类裂缝属于外部荷载引起的弯曲裂缝。

第二种属于混凝土外墙长度较长、墙体较厚，混凝土内部产生的水化热无法及时扩散出去，聚集在内部引起过大的膨胀，而外部混凝土温度并没有太大变化，未发生同步变形，客观上约束了内部混凝土的膨胀，内外的差异变形导致墙体表面产生了拉应力，当面内拉应力大于混凝土抗拉强度时，墙体就会开裂产生竖向裂缝，属于温度引起的变形裂缝。

第三种是由于混凝土内水分蒸发不同步引起，通常混凝土浇筑完成后，混凝土外表面直接接触空气，水分蒸发较快，而混凝土内部受条件所限水分蒸发缓慢，内外含水率的不均匀导致墙体表面产生局部拉应力，引起墙体开裂，由此产生的裂缝属于干缩裂缝。

2.2 裂缝预防措施

针对以上几种常见裂缝，分别进行分析并提出预防措施。

2.2.1 弯曲裂缝

地下室外墙进行设计时，通常采用带外墙模块的软件计算，以理正计算软件为例进行计算，假设为单层地下室，计算过程如图6（a）~图6（d）所示。

（a）

（b）

（c）

（d）

图6 地下室外墙计算过程（计算机截图）

（a）地下室外墙计算参数；（b）地下室外墙计算荷载；（c）地下室外墙配筋计算参数；（d）地下室外墙计算方法

由于外墙水平向均比竖向长很多，故在图6（a）中墙宽L应大大超出层高H，以便于程序区分竖向为主受力方向。图6（b）输入计算荷载时，土侧压力一般不会出现问题，但图中所示地面可变荷载经常会被忽略，参看建筑总图会发现，场地内消防车行车路线常贴近地下室边缘，其荷载作为竖向压力通过土的内摩擦角φ折算成对外墙的侧压力，如取值过小，外墙在承受实际荷载时会产生开裂的情况。

图6（c）中所示保护层厚度应按地下迎水面取，如按正常情况取会导致h0偏大，墙体配筋变小，正常使用状态下有开裂风险。鉴于外墙长度远远大于高度，图6（d）中所示竖向弯矩计算方法应按连续梁考虑，上下受力使内力计算结果与实际相符，否则会造成水平分布筋过大，竖向主受力方向分布筋不足，同样会引起墙体开裂。上述问题为设计时易发生错误的地方，当采用正确取值与合适的方法后，可避免因设计不足带来的影响。

2.2.2 温度裂缝

温度裂缝究其成因，混凝土的水化热是引起开裂的源头，这是混凝土自身不可避免的特性，应根据不同项目特点采用不同方式进行疏导与控制，不可一刀切处理。

对于温度产生的变形，在设计阶段可采用设置温度后浇带、温度诱导缝和膨胀加强带的方式处理。前两种方式属于“放”的措施，即通过结构、节点构造做法释放温度应力，用时间和空间换取结构的正常使用，如图7（a）~图7（b）所示。后一种方式属于“抗”的措施，如图7（c）所示，即通过加入添加剂后混凝土加强带的微膨胀性，抵抗混凝土水化热引起的变形，使结构不会开裂，同时亦可减少施工工期。两种方法各有特点，可根据具体工程情况采用。

（a）

（b）

（c）

图7 侧墙诱导缝剖面示意

（a）后浇带节点做法；（b）诱导缝节点做法；（c）膨胀加强带节点做法

2.2.3 干缩裂缝

干缩裂缝的产生与现场施工养护有很大关系，当外部环境温湿度变化较大时，可布置淋水管对墙体进行淋水养护，采用人工包麻袋等方式处理，保证养护时间不少于14 d。

在经历炎热天气及寒冷气候时，现场应采取相应措施避免暴晒，并进行保温处理。

2.3 裂缝处理措施

已产生的墙体裂缝，可采用以下方法进行修补处理。

对于裂缝宽度小于0.2 mm的部位，可采用混凝土修补胶的方式处理。先将混凝土出现裂缝区域的蜂窝、麻面处理干净，如有砂浆层需在相关范围内进行剔除，将墙体表面吹干不残留水渍，露出混凝土外表面，按规定比例配置好胶后均匀涂抹在裂缝缺陷处，填充找平，待干燥后打磨平整。注意操作环境温度不可过低，20°~25°最佳，固化时间不得少于3 d，具体以胶品种要求为准。

对于裂缝宽度不小于0.2 mm的部位，可采用高压灌浆修补法，根据裂缝长度确定在混凝土表面开孔灌浆间距，采用压力灌浆方式以45°将灌浆料灌入混凝土内部，充填满裂缝，灌注完成后将溢浆清理干净，并用快干水泥迅速封堵住灌浆口，如图8所示。

（a）

（b）

图8 墙体裂缝灌浆处理

（a）处理一；（b）处理二

3 结束语

随着地下结构的需求越来越大，设计及施工阶段一些问题也不断暴露，对一些典型的案例进行了分析并归纳出以下几点。

（1）在设计时无梁楼盖应设置板底连续钢筋，并配置构造暗梁，增加延性。

（2）无梁楼盖在施工时应控制覆土回填方式，加强大型运输机械管理。施工作业时柱帽处应整体浇筑，不得随意留置施工缝。

（3）地下室外墙在设计时荷载应取值准确，模型合理，构造措施完备。应注意温湿度影响，施工时应注意养护，对已产生裂缝可通过修补胶和高压注浆的方式进行修补。