某超高层建筑混凝土梁开裂原因分析与处理

第 40 卷第 1 期2024 年2 月结构工程师
Structural Engineers Vol. 40 ， No. 1
Feb. 2024
某超高层建筑混凝土梁开裂原因分析与处理
张彦博1，*胡克旭2胡晓依3
（1.同济大学房屋质量检测站，上海 200092； 2.同济大学土木工程学院结构防灾减灾工程系，上海 200092；
3.同济大学土木工程学院建筑工程系，上海 200092）
摘要现浇钢筋混凝土结构在我国的超高层建筑中大量应用。

混凝土开裂是目前许多现浇混凝土结构中较易发生的质量问题。

混凝土开裂不仅影响美观，也易引起内部钢筋锈蚀，降低结构的耐久性，甚至会影响结构安全。

本文基于某新建超高层建筑中混凝土梁普遍开裂的实例，通过现场调查、检测，以及对设计和施工资料的分析，分析混凝土梁的开裂原因，并结合现场实际情况提出相应的处理意见，以期对类似的工程质量问题的检测、鉴定和处理提供参考。

关键词超高层建筑，混凝土梁，收缩裂缝，裂缝检测，裂缝处理
Cause Analysis and Treatment of Cracking of RC Beams in
a Super-tall Building
ZHANG　Yanbo1，*HU　Kexu2HU　Xiaoyi3
（1.Quality Inspection and Assessment Institute for Buildings，Tongji University， Shanghai 200092， China；
2.Department of Disaster Mitigation for Structures， College of Civil Engineering，Tongji University，
Shanghai 200092， China； 3.Department of Structural Engineering， College of Civil Engineering，
Tongji University， Shanghai 200092， China）
Abstract Cast-in-situ concrete structures are widely used in super-tall buildings in China. Concrete cracking is the most common quality problem in this kind of structures . Concrete cracks not only affect the appearance of the building，but also easily cause the corrosion of internal steel bars，reduce the durability of the structure，and even threaten the structural safety. Based on an example of a newly-built super-tall building where concrete beams are commonly cracked， the paper investigates the causes of concrete cracking through on-site inspection，testing，and analysis of design and construction data，and the corresponding treatment suggestions are also proposed based on the actual situation on the spot，aiming to provide reference for the inspection， identification and treatment of similar engineering problems.
Keywords super-tall building， RC beam， shrinkage cracks， crack inspection， crack treatment
1 工程概况
某超高层建筑位于安徽省合肥市，是一幢地上47层、地下3层的钢筋混凝土框架-核心筒结构办公楼。

其中，-1F为商业及后勤、设备用房，-2F 和-3F为车库及设备用房；除地上6F、16F、26F和37F为设备避难层，其他为办公层；该房屋典型建筑平面如图1所示，平面形状基本呈正方形，核心筒位于正中间，总建筑面积为86 500 m2（含整体地下室和裙房）。

该房屋1F层高6.30 m，2F层高为6.00 m，3F~5F层高为5.60 m，6F~47F层高为4.20 m（其中26F层高为4.50 m），结构总高度为205.25 m。

收稿日期：2023-02-23
*联系作者：张彦博，男，工程师，主要从事房屋结构检测鉴定及加固设计工作。

E-mail：*********************
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结构工程师第 40 卷 第 1 期
该房屋标准层的结构平面布置如图2所示，典型柱距为8.40 m ，框架梁典型跨度为10.00 m 。

-1F~18F 的框架柱为型钢混凝土柱，19F 以上的框架柱为钢筋混凝土柱；框架柱截面均为正方形，自下而上截面尺寸1 300 mm×1 300 mm~900 mm×
900 mm 不等。

框架梁截面均为矩形，典型截面尺寸主要有600 mm×900 mm 、600 mm×800 mm 和
550×700 mm 等。

核心筒墙肢厚度自下而上为1 000 mm~400 mm 不等。

该房屋墙、柱的原设计混凝土强度等级自下而上有C60、C50、C40三种，楼、屋面结构的原设计混凝土强度等级统一为
C35。

图1　典型建筑平面图（单位：mm ）
Fig.1　Typical floor plan of the building （Unit ：mm ）
图2　典型结构平面布置图
Fig.2　Typical structural plan of the building
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Structural Analysis
该房屋结构于2017年4月完成地下室部分的施工，主体结构于2018年12月封顶。

后在2021年的内部装修过程中发现楼面梁侧面和底面普遍出现裂缝，且有一定的规律性，故委托同济大学进行房屋质量检测鉴定，分析楼面梁开裂原因，并提出针对性的处理意见。

2 楼面梁开裂情况调查
2.1　裂缝数量分布情况　
根据现场调查，该房屋楼面梁上的裂缝基本可以分为竖向裂缝和斜向裂缝两种；绝大部分梁仅有竖向裂缝，少部分梁的两端产生了斜向裂缝。

梁上竖向裂缝和斜向裂缝情况如图3所示。

依照梁上裂缝分布数量的多寡情况，将不同裂缝分布数量的梁分为a 、b 、c 、d 四个等级；a 级为梁两端有明显斜裂缝（数量不少于5条）及跨中有环通竖向裂缝，或者整条梁上的三面环通裂缝不少于20条；b 级为梁两端有明显斜裂缝（数量少于5条），及跨中有三面环通竖向裂缝，或者整条梁
上的三面环通裂缝有10~20条；c 级为整条梁上裂缝数量3~10条、少部分裂缝三面环通；d 级梁上裂缝数量不多于3条。

依据上述分级规则，现场对各楼层的梁上裂缝的分布情况进行统计，统计结果如图4所示。

可以看出，随着楼层的增高，有较为严重裂缝的a 级和b 级梁的数量逐步增加；而14F 以下的楼层基本没有a 级梁，8F 以下的楼层基本没有b 级梁。

另外，从楼面梁的裂缝数量分布看，框架梁上的裂缝数量明显要比次梁上的多一些，且裂缝严重程度明显甚于次梁。

2.2　裂缝位置分布情况　
前已述及，该房屋楼面梁的裂缝基本分为竖向裂缝和斜向裂缝两种。

其中，绝大部分梁仅有竖向裂缝，没有斜向裂缝，且有以下特征：①竖向裂缝沿梁通长分布，裂缝集中于梁跨中2/3范围
内，梁端裂缝数量相对较少；②大多数竖向裂缝在梁的两侧面对应位置成对出现，并沿梁底部环通；③对于开裂较严重的a 级梁，竖向裂缝的间距约为150 mm~200 mm ，与梁内箍筋的间距基本一致；④现场利用钢筋探测仪对竖向裂缝的位置进行扫描，发现竖向裂缝位置基本都会有梁箍筋的分布。

该房屋少数梁上产生的斜裂缝具有明显的分布规律：①
产生斜裂缝的梁主要是位于平面四大
图3　梁上裂缝分布情况示例
Fig.3　Sample of cracks distribution on beam
图4　不同开裂等级梁的数量沿楼层分布柱状图
Fig.4　Bar graph of different severity of beam cracks along the floor
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角部的8根梁柱框架梁上（图1中的Xd 、Xf 、X3和X5轴线上）；②斜裂缝基本位于梁端1/5跨度内，且都是梁的单面裂缝（梁的另一侧面是竖缝）；③梁的两端裂缝呈八字形分布。

2.3　裂缝宽度和深度情况　
现场采用裂缝宽度观测仪对梁上裂缝的宽度进行测量，结果显示：①该房屋楼面梁上的裂缝大部分在为0.10~0.30 mm 之间，有少数梁上三面环通裂缝的最大宽度达到0.30~0.40 mm ；②仅单面出现的裂缝的最大宽度均小于0.15 mm ；③大部分三面环通裂缝呈现下宽上窄的特征。

现场采用钻芯取样对不同楼层（低区、中区和高区）、不同裂缝宽度、不同裂缝类型（梁两侧成对出现的裂缝和仅单面裂缝）、不同裂缝方向（竖向裂缝和斜向裂缝）的裂缝深度进行了检测。

结果显示：①不论裂缝宽度大小，只要是梁两侧成对出现的裂缝，均为穿透性裂缝，且梁内部裂缝宽度明显大于表面宽度，如图5a （裂缝表面宽度0.3 mm ）和图5b （裂缝表面宽度0.15 mm ）；②对于梁的单面竖向裂缝，裂缝深度均不大，一般不超过50 mm （图6）；③对于梁端的单面斜向裂缝，裂缝深度一般不超过1/3梁宽（图7）。

2.4　裂缝稳定性情况　
为考察梁上裂缝的稳定性，现场采用表面粘贴石膏饼的方法［1］，分别在该房屋的高区（屋面层）、中区（21F ）和低区（11F ）楼层，在宽度较大的梁裂缝处贴石膏饼；并在石膏饼旁边没有裂缝区域做比对试样。

完成石膏饼的粘贴后一个月、两个月返场查看石膏饼的状况，发现裂缝上的石膏饼和对比试样均未发生开裂，说明该房屋的裂缝当前基本处于稳定状态。

3 楼面梁辅助调查结果
为全面分析该房屋楼面梁的开裂原因，现场检测时专门进行了楼面梁的辅助调查，包括混凝土强度检测，梁的变形测量，混凝土材料配比和现场施工过程调查，以及楼面结构承载力状况复核等。

3.1　楼面梁变形情况　
该房屋结构形式为框架-核心筒结构（图2），框架梁的跨度为10 m 左右，梁高度为700 mm （屋面梁为850 mm ），梁的高跨比相对偏小；为分析梁的开裂原因，分别选择高区、中区和低区的部分楼层梁，测量其两端的高差和相对挠曲变形，以了解房屋核心筒与外围框架间的不均匀沉降对梁的开
裂影响，以及梁的竖向开裂与其挠度变形的关联情况。

根据现场测量结果，以框架柱一侧的梁底高程定为0点，核心筒一侧的梁底相对高程（＋9）~（-10）mm （含施工误差），相对倾斜率不超过1‰，且没有明显的倾斜规律，可以认为梁端产生的单面斜裂缝不是差异沉降造成的。

现场实测屋面层的框架梁的挠跨比在1/1344与1/433之间，其他楼层的框架梁的挠跨比在
1/3 217与1/526之间；产生裂缝的梁的挠度与未明显产生裂缝梁的挠度无明显的差异，
未发现混
图5　楼面梁对穿裂缝内部情况
Fig.5　
Internal condition of beam penetrating crack
图6　楼面梁竖向裂缝内部情况
Fig.6　
Internal condition of beam vertical crack
图7　楼面梁单面斜向裂缝内部情况
Fig.7　Internal condition of beam diagonal crack
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凝土梁的竖向开裂与其挠度变形有明显的关联。

3.2　梁混凝土强度情况　
为掌握该房屋现场混凝土施工质量，采用钻芯法［2］检测了结构梁、板、柱、墙的混凝土强度。

其中，梁芯样混凝土强度平均值45.8 MPa ，最小值36.3 MPa ，标准差为6.76 MPa ，推定该房屋楼面梁
的混凝土强度区间值为36.3~59.8 MPa ，达到原设计C35的要求。

3.3　现场施工情况　
3.3.1　楼面梁混凝土配合比情况　
根据施工资料，楼面梁、板混凝土的设计强度为C35，混凝土配合比如表1所示，通过该表可以看出，胶凝材料中水泥的占比为92%，粉煤灰的占比为8%。

另外，根据浇筑混凝土的季节不同，加入不同的外加剂，如2F~20F 、26F~40F 楼面梁混凝土外加剂采用聚羟酸高效减水剂（标准型），
21F~25F 楼面梁混凝土外加剂为聚羟酸高效减水剂（早强防冻型），41F~46F 楼面梁混凝土外加剂采用RAWY101高效减水剂，47F~屋面层采用RAWY101高效减水剂（缓凝型）。

3.3.2　混凝土浇筑、拆模和养护调查　
根据该房屋混凝土浇筑和拆模的施工记录，各楼层从浇筑到拆模的天数统计如图8所示，大部分楼层的拆模时间在混凝土浇筑后20 d 左右，最短的是14 d ，大部分均未达到28 d 。

各楼层混凝土浇筑当日气温状况的统计情况如图9所示，该工程混凝土的浇筑时间跨度为一年多，五个季节，其中15F~26F 和41F~47F 为冬季施工。

根据规范［3］第4.5.2条的有关规定，对于跨度大于8 m 的梁，底模拆除时的混凝土强度应达到设计强度的100%。

该房屋核心筒周边的框架梁的跨度在10.0 m 左右，20 d 左右拆模时，楼面梁的混凝土强度可能未完全达到设计强度，尤其是冬季施工的时候。

本工程浇筑混凝土时利用三套模板进行周转，采用整体顶升钢平台系统，水平构件的模板采用木模板。

混凝土的养护采用覆膜养护法；冬季施工时，另采用草席覆盖进行保温。

3.3.3　楼面结构承载力状况　
根据原设计混凝土强度，对楼面梁的承载力验算结果表明，该房屋楼面梁能满足承载能力极限状况和正常使用极限状况的要求。

因
表1 C35混凝土配合比Table 1　
Concrete mix proportion of C35
材料名称每立方用量/kg
配合比水胶比
水184
0.430.43水泥395
0.92
砂率/%砂682
1.59石1068
2.48
39%
外加剂6.51.5%粉煤灰35
0.08图8　各楼层从浇筑到拆模的天数柱状图
Fig.8　Bar graphs of days from concrete pouring to form removal of each floor
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此，在正常施工条件下，楼面梁不会产生受力裂缝。

4 楼面梁开裂原因分析
根据第3节的辅助调查分析，该房屋楼面梁混凝土强度和承载力满足设计要求，正常施工条件下不会产生受力裂缝；现场梁的差异沉降也不会引起目前的斜裂缝；而梁的竖向裂缝与挠度变形也没有明显的关联。

根据第2节关于楼面梁裂缝的数量分布、位置分布和深度状况的调查，该房屋楼面梁裂缝产生有明显的规律性：竖向裂缝的数量分布（或梁的开裂程度）随楼层升高而增大；大部分竖向裂缝为穿透性裂缝，且裂缝宽度内部大于表面；梁的端部斜裂缝为单面裂缝（非穿透性裂缝），且仅出现于四角的八根框架梁上。

由此可以判断，该房屋楼面梁两侧面的竖向裂缝基本为混凝土的收缩裂缝，梁端斜裂缝和梁底横向裂缝（前述的三面环通竖向裂缝）基本为施工期间（梁的混凝土强度尚未达到设计强度时）的受力裂缝。

结合现场检测结果，本工程中楼、屋面梁的开裂原因分析如下。

4.1　梁侧面竖向裂缝　
上已述及，该房屋楼面梁两侧产生的竖向裂
缝是混凝土的收缩裂缝，主要由混凝土材料本身的收缩变形、外部环境影响和结构约束作用三方面原因所致。

4.1.1　材料本身的影响　
混凝土产生收缩变形的主要原因在于环境或混凝土内部温度、湿度变化产生的内部应力。

混凝土的表观变形是材料内部及表面温度、湿度变化状态的反映，开裂则是变形在约束下产生的拉应力超过其抗拉强度产生的［4］。

根据国内外关于混凝土塑性开裂的大量研究，普遍认可的开裂原因是由于水分蒸发和泌水不平衡引起的“毛细管负压机理”以及“塑性
沉降机理”［5］。

在混凝土的初凝阶段，水泥基材
料还处于可塑状态，可以看成由固相颗粒、颗粒空间的液相及气相组成的三相复合体，体系内主要存在三种作用力，即范德华力、静电作用力和固-液-气界面作用引起的毛细作用力（毛细管负压），而毛细管负压是引起塑性收缩开裂的主要原因［4］。

由表1可见，本工程楼面梁所采用的混凝土中胶凝材料用量为430 kg/m 3，其中水泥含量为92%，粉煤灰含量为8%，胶凝材料中水泥的占比较大。

水泥的水化反应比粉煤灰更为剧烈，水化反应产生的热量使得水分蒸发过快，泌水率小于表面水分蒸发率，水分得不到补充时，进一步的水分蒸发将产生弯液面，
引起空隙负压并产生塑性
图9　各楼层混凝土浇筑当日气温状况柱状图
Fig.9　Bar graphs of air temperature at concrete pouring of each floor
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收缩，这是导致本工程中的混凝土梁出现裂缝的主要原因。

另外，混凝土浇筑后，骨料因自重而下沉，在骨料下沉的过程中若受到钢筋阻挡，便形成沿钢筋方向的裂缝。

塑性收缩中的塑性沉降是导致梁上裂缝发生在箍筋位置的原因。

众所众知，水泥水化过程中会产生水化热，水泥的水化热越大，放热速率越快，混凝土的内外温差就越大，冷却后产生的收缩量也就越大。

本工程混凝土中的水泥含量较大，395 kg水泥水化绝对温升可达44~70 ℃［6］，并且该房屋楼面梁的高宽比仅为1.13~1.27，梁相对较为“宽胖”，在模板的包裹下，内部的水化热量不易散失，混凝土梁的内部温度会比普通结构梁（高宽比2~3）更高，冷却后的收缩变形也就更大，因此，更容易产生穿透性裂缝。

“热胀冷缩”也是诱发或加剧本工程中的混凝土梁出现裂缝的一个主要原因。

自收缩是水泥基材料在密封养护、等温的条件下表观体积或长度的减少，化学减缩是引起自收缩的原因［7］。

由于本工程混凝土胶凝材料中水泥用量较多，从而增加了混凝土的自收缩，这也是本工程中混凝土梁裂缝较多的一个原因。

4.1.2　外部环境的影响　
混凝土结构从浇筑成型开始，就处于材料-环境耦合作用的状态。

在早龄期，环境因素影响混凝土表面自由水的蒸发速度（或失水速度），同时影响水泥等胶凝材料的水化放热速率，并对混凝土温度和湿度造成影响［4］，因此，温度收缩裂缝的产生也跟环境温度有直接的关系。

本工程为超高层建筑，随着楼层的增加，相对高度也在增加，风速也随着增大，从而加剧混凝土表面的水分蒸发。

混凝土拌合物水分蒸发越快，使得毛细管负压力较快产生，较早地产生塑性收缩，而此时由于拌合物体系较低的水化程度使其实时抗拉强度不足以抵抗塑性收缩产生的应力［8］，就加快、加剧了塑性收缩裂缝的产生和发展。

这也是本工程中，楼面梁开裂的严重程度随楼层增加而增加的重要原因。

4.1.3　结构的约束作用　
本工程为框架-核心筒结构，核心筒位于建筑的中心区域，周边布置混凝土框架；超高建筑的结构抗侧刚度较高，核心筒和框架柱对混凝土梁的约束也较大，结构的静不定次数较高。

在施工时，竖向构件的混凝土浇筑早于水平构件，在混凝土
梁浇筑时，竖向构件已经形成一定的水平刚度；因此，框架梁的收缩受到两端核心筒和框架柱的约束增大，这也导致框架梁的裂缝情况相对于次梁就更为严重。

4.2　梁底裂缝和梁端斜裂缝　
根据图5，本工程大部分楼层的拆模时间在混凝土浇筑后20 d左右，最短的是14 d，大部分均未达到28 d。

如此，采用三套模板系统周转时，当过早的拆除最下层的模板，本层相当于承担上面三层的楼板自重和施工荷载（一般不小于楼面结构的设计使用荷载），但本层的混凝土强度还未完全达到设计强度。

在楼面梁已经产生收缩裂缝（甚至是穿透性裂缝）的情况下，过早的拆模就更易引起梁底开裂，导致梁跨中处的裂缝“三面环通”，同时也导致梁侧面的竖向裂缝呈现“上窄下宽”之势。

该房屋少部分混凝土梁端部出现斜裂缝，而且斜裂缝基本为单面裂缝（另一侧面为竖向裂缝），产生此类裂缝的梁基本都位于房屋的四个角部的8根大梁上，这些梁处于受扭、受剪和受弯的复杂受力状态，又与混凝土的塑性收缩、温度收缩和自收缩等相互耦合，形成目前的梁上裂缝形态。

但经计算复核，这些梁原设计的承载力（包括受扭承载力和受剪承载力）是满足要求的。

根据分析，也是由于施工期间梁板的拆模时间较早，以及施工荷载较大，混凝土拆模时的实时强度未达到设计强度，梁受扭应力水平相对较高，与梁混凝土收缩产生的内应力相耦合，最终导致产生一侧为斜裂缝，一侧为竖裂缝的形态。

5 楼面梁裂缝处理
混凝土构件一旦有裂缝的存在，裂缝便成为了液相、气相侵入混凝土内部的便捷通道；水汽、氧气、氯离子等有害物质很易通过裂缝抵达钢筋表面，从而影响混凝土构件的耐久性，长此以往还可能会导致混凝土构件承载力的丧失。

另外，梁上的裂缝有碍观瞻，会造成使用者心理不适。

再者，框架梁上有较多的环通裂缝，使梁处于“藕断丝连”的状态，对于梁的承载力和刚度也都有一定的削弱。

所以，尽管本工程的裂缝绝大多数为非受力裂缝，但对其处理还是十分必要的。

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裂缝的处理应综合考虑不同的结构特点、材料性能及技术经济效果，合理选择。

当前，对于非受力裂缝的处理常用的方法有表面封闭法、注射法、压力注浆法和填充密封等方法［1］，对需要补强的裂缝，可以采用粘贴碳纤维布或粘贴钢板的方式进行承载力的补强［9］。

虽然本工程中梁上的裂缝为非受力裂缝，但是处于支座受剪区域的竖向裂缝对混凝土受剪承载力有所影响，其他区域的裂缝对梁的抗弯刚度也有一定影响，也需要根据裂缝的形态采取一定的处理措施。

根据本工程特点和梁的开裂状况，经与原设计单位协商，提出如下裂缝处理建议：
（1）对于梁端斜裂缝，在耐久性处理（可采用表面封闭法）基础上，建议采用适当方式（如粘贴碳纤维布）进行抗剪、抗扭承载力补强。

（2）位于梁端部的竖向裂缝，在对梁的耐久性处理（可采用表面封闭法）的基础上，需要做适当的抗剪补强。

（3）对于梁跨中部位的裂缝，依照规范规定［1］，裂缝宽度在0.2~0.5 mm时，可采用填充密封法进行处理，表面宽度大于0.5 mm的，可使用压力注浆法进行处理。

（4）基于美观性和耐久性的考虑，除上述以外的宽度小于0.2 mm的竖向裂缝，建议表面涂刷涂料进行裂缝的遮蔽和覆盖。

6 结论
经过现场检测和原因分析，本工程中混凝土梁侧面的竖向裂缝符合混凝土收缩裂缝的主要特征，裂缝产生的原因主要是材料本身的塑性收缩、温度收缩和自收缩，环境影响和抗侧力构件的结构约束是导致本工程楼面梁裂缝较为严重的原因。

梁底裂缝和少部分梁上的端部斜裂缝是施工期间梁的内力和材料收缩相互耦合产生的，基本不影响后续整体结构的安全使用。

虽然本工程梁上的绝大部分裂缝为非受力裂缝，但贯穿裂缝对框架梁的承载力、刚度、适用性和耐久性有影响，应采取处理措施。

处理措施包括修复和补强两部分，对于不同位置、形态、宽度和深度的裂缝采取有针对性的措施。

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