框架結(jié)構(gòu)填充墻裂縫成因分析

付光旭　李　峰　李　旺　尚　凱

摘 要:本文通過對框架結(jié)構(gòu)填充墻體裂縫的特點及成因進行分析,更進一步的闡述了其影響因素。

關(guān)鍵詞:框架填充墻;溫度裂縫;干縮裂縫;裂縫成因

1 引言

長期以來,實心黏土磚一直是我國墻體材料中的主導(dǎo)材料。但實心黏土磚的生產(chǎn)消耗了大量的土地資源和煤炭資源,造成嚴重的環(huán)境破壞和污染,在國務(wù)院的相關(guān)文件己明確提出相關(guān)城市限時禁止使用黏土實心磚的目標。大力開發(fā)與推廣使用節(jié)土、節(jié)能、利廢、多功能、有利于環(huán)保、符合可持續(xù)發(fā)展的新型墻體材料,特別是輕質(zhì)、高效、保溫、隔熱、外觀整齊、帶有自裝飾、施工方便快捷的新型墻體材料是各級政府和廣大建筑科技人員的一項重要使命。隨著輕型填充墻體材料在當前建筑中框架結(jié)構(gòu)和框架一剪力墻結(jié)構(gòu)中的廣泛應(yīng)用,輕質(zhì)填充墻墻體材料不再使用傳統(tǒng)的黏土磚,而是使用輕質(zhì)高強和多功能的建筑材料,即屬于新型建筑材料。但與此同時,隨著新型建筑材料的廣泛應(yīng)用,隨之而來的一系列問題也出現(xiàn)了,尤其是墻體的裂縫問題。有關(guān)填充墻裂縫這類建筑質(zhì)量缺陷的投訴也越來越多,人們對輕質(zhì)砌塊這種新型墻體材料產(chǎn)生了懷疑。由于對輕質(zhì)砌塊缺乏了解,再加上許多粘土磚填充墻使用多年也很少出現(xiàn)裂縫,許多人認為是砌塊本身存在嚴重的質(zhì)量問題,對砌塊的態(tài)度由歡迎變成了抵制,有些工程甚至又開始使用黏土磚。其實,砌塊填充墻出現(xiàn)裂縫在世界上很多國家都普遍出現(xiàn)過,一些發(fā)達國家解決裂縫的主要方法是從生產(chǎn)質(zhì)量方面入手,經(jīng)過嚴格的砌塊生產(chǎn)控制和有效的施工措施,這些國家已基本解決墻體裂縫問題。但在我國,填充墻體的裂縫問題仍然大面積出現(xiàn),這個問題給消費者和設(shè)計施工單位帶來很多負面的影響,有待徹底解決。故本文針對框架填充墻體裂縫特點、影響因素和成因進行探討分析。

2 框架填充墻裂縫的特點及影響因素

在墻體中,由于諸多內(nèi)在因素的影響,墻體內(nèi)產(chǎn)生形式多樣的內(nèi)應(yīng)力,這種內(nèi)應(yīng)力從墻體砌筑完成便已開始形成并一直會在墻體中發(fā)生變化。當變化過程中形成較大的內(nèi)應(yīng)力集中在墻體的某一部位,且該處的強度不足以抗衡時,該處則會產(chǎn)生裂縫并將這部分的集中應(yīng)力逐步釋放。砌體結(jié)構(gòu)裂縫原因從客觀上有兩類:一類是由結(jié)構(gòu)上的荷載作用引起的;另一類是由使結(jié)構(gòu)發(fā)生變形作用引起的。由前者引起的稱為荷載裂縫(或受力裂縫),由后者引起的稱為變形裂縫(或非受力裂縫),這是兩種性質(zhì)截然不同的裂縫。

我們研究的框架填充墻裂縫屬于變形裂縫。其原因是框架結(jié)構(gòu)填充墻只承受墻體自重,不承擔上部荷載,因此填充墻裂縫不屬于受力裂縫。當出現(xiàn)結(jié)構(gòu)材料硬化導(dǎo)致的體積變形、環(huán)境溫濕度變化、地基沉降等非荷載因素影響時,墻體結(jié)構(gòu)發(fā)生變形作用,當這種變形超出墻體的自身強度極限時,框架填充墻開裂?？蚣芴畛鋲α芽p經(jīng)常出現(xiàn)的部位有:①填充墻墻體與框架交接處裂縫出現(xiàn)的最多,尤其是墻頭的兩端部。據(jù)分析,墻體的溫差應(yīng)力在房屋兩端部形成最大值。因此,在墻體的兩端部最容易導(dǎo)致主拉應(yīng)力破壞;②門窗洞口四角處也容易開裂;③墻體裂縫頂層和次頂層相對較多,端開間尤其嚴重。由于屋頂梁板熱脹或冷縮時,會產(chǎn)生較小的運動,使得頂層橫墻或縱墻沿墻頂支座處錯動而形成通長水平裂縫。同時,頂板受熱膨脹也會對山墻及女兒墻產(chǎn)生水平推力,從面產(chǎn)生水平裂縫;④在長墻體中間部位,不但邊界出現(xiàn)裂縫,墻體中部亦出現(xiàn)豎向通縫;⑤總體上采用燒結(jié)磚(如黏土多孔磚、頁巖燒結(jié)磚)的墻體裂縫比非燒結(jié)墻體裂縫少。

填充墻產(chǎn)生裂縫的影響因素,①墻體材料的影響。對于框架結(jié)構(gòu)填充墻,可以把每一面墻所包含的梁柱門窗洞口和填充墻、抹灰層、外墻裝飾層視為有機結(jié)合的一個整體墻。在這個整體墻當中,由于許多內(nèi)在因素的影響,從而產(chǎn)生了形式多樣的內(nèi)應(yīng)力,砌塊干縮是其中主要因素。當砌塊砌筑時,材料一般較濕,其后由于氣候或使用條件而逐漸干燥,墻體水分排出而隨之收縮。當砌塊砌城墻后,體積的變化使其受到砂漿和其他構(gòu)件的約束,形成內(nèi)應(yīng)力。這些內(nèi)應(yīng)力從墻體砌筑完成便已開始形成并一直在墻體中發(fā)生變化。當變化過程中形成較大的內(nèi)應(yīng)力并集中在墻體的某一部位,而該處的抗拉強度不足以抗衡的情況下,則會產(chǎn)生裂縫并將這部分的集中應(yīng)力逐步釋放。砌體材料的干、濕不穩(wěn)定性也會產(chǎn)生裂縫。由于墻體材料大多是由粉煤灰、煤研石之類的材料壓制而成的砌塊,其內(nèi)部空隙多,吸水率高,收縮變形大,其制品收縮率是傳統(tǒng)燒結(jié)粘土磚的3倍以上。如加氣混凝土砌塊在自然堆積狀態(tài)下,其含水率逐步降低的同時,砌塊收縮變形,當含水率達到5%時,干縮變形才趨于穩(wěn)定。干縮后的材料受潮后仍會膨脹,無水后還會干縮變形,只是干縮率有所降低。②溫度影響?？蚣芙Y(jié)構(gòu)頂層屋面板和填充墻的接觸面緊密結(jié)合。在太陽光的輻射下,建筑物內(nèi)部會因此產(chǎn)生相應(yīng)的溫度應(yīng)力。頂層的梁比墻體溫度偏高,且鋼混的線膨脹系數(shù)常大于磚砌體,二者的相對溫差導(dǎo)致屋面板受壓應(yīng)力,墻體受拉應(yīng)力,接觸面上產(chǎn)生剪應(yīng)力。當屋面板和墻體的自由變形差異較大時,通過摩擦阻力使墻體內(nèi)主拉應(yīng)力達到一定數(shù)量(抗拉強度)之后,便引起斜裂縫或剪應(yīng)力水平裂縫。③地基不均勻沉降引起裂縫。一般情況下,當混凝土結(jié)構(gòu)主體和基礎(chǔ)剛度較大時,其抵抗地基沉陷的能力還是比較強的。但是地基處理不滿足規(guī)范要求時,特別是在嚴重濕陷性黃土、凍脹土、膨脹土、鹽漬土、軟弱土等不良場地,仍時常產(chǎn)生地基沉陷(膨脹)裂縫。

3 框架填充墻體裂縫成因分析

內(nèi)部因素兩方面。外界因素包括溫度、濕度、地基條件及各種外荷載等,內(nèi)部因素有墻體材料性能、建筑物本身的特點及門窗洞口的位置與尺度、墻體整體性能等。對于框架結(jié)構(gòu)填充墻,根據(jù)調(diào)查和試驗分析結(jié)果可以得出,產(chǎn)生填充墻裂縫的主要原因有兩個:一是溫度變化,二是砌體干縮,以及二者共同作用產(chǎn)生的裂縫。以下就框架填充墻裂縫的兩個主要成因進行分析。

3.1 溫度變化影響

溫度作用是一種變形作用。結(jié)構(gòu)物在溫度作用下會產(chǎn)生變形,若變形受到約束,會在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生約束應(yīng)力。這種由溫度作用而產(chǎn)生的應(yīng)力稱為溫度應(yīng)力。當某處砌體的溫度應(yīng)力超出了其抗拉抗剪強度極限值時,該處則會產(chǎn)生裂縫并將這部分的集中應(yīng)力逐步釋放。

溫度的變化會引起材料的熱脹冷縮。溫度的變化會引起材料的熱脹冷縮。當溫度變化時,框架體系中的鋼筋混凝土和砌體都會產(chǎn)生溫度變形,但二者的線膨脹系數(shù)存在差別,鋼筋混凝土變形不同步。在相同構(gòu)件長度條件下,鋼筋混凝土和砌體的鋼筋混凝土和砌體的變形值相差兩倍之多,二者變形不同步,相互之間就會形成一種約束力,當這種約束力超出了材料的強度極限范圍時,不同材料之間就會產(chǎn)生集中應(yīng)力釋放,裂縫因此產(chǎn)生。

溫度應(yīng)力的產(chǎn)生與計算。溫度應(yīng)力產(chǎn)生必須具備兩個條件:一是構(gòu)件之間產(chǎn)生溫差,二是變形受到約束。如果沒有溫度變化,材料就不會產(chǎn)生相應(yīng)變形;如果變形不受到約束,變形就屬于無任何約束的自由變形,因此材料只是伸長或縮短而己,其內(nèi)部就不會產(chǎn)生溫度應(yīng)力?？蚣芙Y(jié)構(gòu)具有一定的約束力,在約束條件和砌體溫度變形同時存在的情況下,建筑物將產(chǎn)生溫度應(yīng)力,該溫度應(yīng)力與溫度的變化成正比。當作用于墻體的溫度應(yīng)力超過砌體的抗拉抗剪強度時,裂縫出現(xiàn)。頂層梁下墻體的開裂很多是都是這個原因。例如,炎熱的夏日常使混凝土屋面結(jié)構(gòu)處于高溫狀態(tài),且混凝土線脹系數(shù)較大,發(fā)生較大的熱脹變形,而屋面下的磚墻溫度較低,且其線脹系數(shù)較小,發(fā)生較小的熱脹變形,因其熱脹變形差較大而產(chǎn)生混凝土屋面結(jié)構(gòu)對磚墻的熱脹推力;又如氣溫下降到低于成型溫度時(砌體成型溫度高),砌體又發(fā)生冷縮。裂縫工程實例表明:建成交付使用后的裂縫,往往是由季節(jié)性溫差較大,炎夏砌筑的砌體到冬季寒潮來臨時發(fā)生。

3.2 砌體的干縮

填充墻的干縮裂縫大多與采用墻體材料的收縮性能和結(jié)構(gòu)約束條件有關(guān),通常砌體收縮值和結(jié)構(gòu)約束小的砌體,一般不易產(chǎn)生干縮裂縫。

材料收縮性能。砌體的收縮包括兩個方面:一是非燒結(jié)砌塊(如混凝土砌塊)在結(jié)硬過程中的干縮;另一個是砌筑砂漿在結(jié)硬過程中的干縮。可知:燒結(jié)黏土磚砌體收縮率為-0.1 mm/m蒸壓灰砂磚、蒸壓粉煤灰磚砌體和混凝土砌塊砌體為-0.2 mm/m,輕骨料混凝土砌塊砌體為-0.3 mm/m。因此,非燒結(jié)砌塊砌體總是比燒結(jié)黏土磚砌體的材料收縮大,特別是剛出廠短齡期的混凝土砌體的收縮更大。

約束條件。對墻體的約束條件,也有局部約束和體系約束兩種。前者為發(fā)生在兩種材料的界面約束或縱墻與橫墻相互間的約束,這種局部約束由溫度收縮引起的豎向裂縫,其寬度約為0.2-0.3mm;后者裂縫發(fā)生在墻體截面受到削弱的窗上或窗下墻上,每層豎向墻體受到地基基礎(chǔ)以及各層樓(屋)面的約束。當主要受各層現(xiàn)澆混凝土樓(屋)面約束,且具備兩頭樓(屋)面面積大,中間樓(屋)面面積小的條件時,不僅在中間面積較小的現(xiàn)澆混凝土樓(屋)面板上出現(xiàn)貫穿裂縫,而且其下的墻體中在相應(yīng)部位也會出現(xiàn)豎向裂縫。這種體系裂縫寬度較寬,約為1.2-3.0mm。

結(jié)論

近年來,由于房地產(chǎn)行業(yè)的迅速發(fā)展,框架結(jié)構(gòu)得到廣泛應(yīng)用。在我國,填充墻體的裂縫問題仍然大面積出現(xiàn),這個問題給設(shè)計施工單位和開發(fā)單位帶來很多負面的影響。本文針對這種情況,分析了框架結(jié)構(gòu)填充墻體裂縫產(chǎn)生的特點,對裂縫成因進行分析,通過論述有助于在實際設(shè)計人員與施工建造人員更進一步在施工和設(shè)計中盡量減少墻體開裂和裂縫的發(fā)展。

參考文獻

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