框架填充墻墻體開(kāi)裂機(jī)理分析

何 羽

當(dāng)前建筑中框架結(jié)構(gòu)和框架—剪力墻結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用，許多建筑必然要使用各種類型的輕質(zhì)砌塊砌筑框架填充墻或隔墻，這極大的促進(jìn)了各類砌塊的應(yīng)用。輕質(zhì)填充墻墻體材料不再使用傳統(tǒng)的粘土磚，而是使用輕質(zhì)高強(qiáng)和多功能的建筑材料，即屬于新型建筑材料。但與此同時(shí)，隨著新型建筑材料的廣泛應(yīng)用，隨之而來(lái)的一系列問(wèn)題也出現(xiàn)了，尤其是墻體的裂縫問(wèn)題。有關(guān)填充墻裂縫這類建筑質(zhì)量缺陷的投訴也越來(lái)越多，人們對(duì)輕質(zhì)砌塊這種新型墻體材料產(chǎn)生了懷疑。其實(shí)，砌塊填充墻出現(xiàn)裂縫在世界上很多國(guó)家都普遍出現(xiàn)過(guò)，一些發(fā)達(dá)國(guó)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(guò)嚴(yán)格的砌塊生產(chǎn)控制和有效的施工措施，這些國(guó)家已基本解決墻體裂縫問(wèn)題。但在我國(guó)，填充墻體的裂縫問(wèn)題仍然大面積出現(xiàn)，這個(gè)問(wèn)題給消費(fèi)者和設(shè)計(jì)施工單位帶來(lái)很多負(fù)面的影響，有待徹底解決。

目前，大部分研究結(jié)果認(rèn)為填充墻產(chǎn)生裂縫的成因主要有以下四方面:溫度變化產(chǎn)生裂縫、墻體自身收縮產(chǎn)生的裂縫、砌體材料的干、濕不穩(wěn)定性產(chǎn)生裂縫和地基不均勻沉降引起裂縫。

本文結(jié)合調(diào)查情況和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)填充墻裂縫成因進(jìn)行系統(tǒng)的分析。

1 框架填充墻墻體裂縫特點(diǎn)

框架結(jié)構(gòu)填充墻只承受墻體自重，不承擔(dān)上部荷載，因此填充墻裂縫不屬于受力裂縫。當(dāng)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(shí)，墻體結(jié)構(gòu)發(fā)生變形作用，當(dāng)這種變形超出墻體的自身強(qiáng)度極限時(shí)，框架填充墻開(kāi)裂。因此，框架填充墻裂縫屬于變形裂縫。

1.1 框架填充墻墻體裂縫出現(xiàn)的部位

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(kāi)裂。3)墻體裂縫頂層和次頂層相對(duì)較多，端開(kāi)間尤其嚴(yán)重。由于屋頂梁板熱脹或冷縮時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較小的運(yùn)動(dòng)，使得頂層橫墻或縱墻沿墻頂支座處錯(cuò)動(dòng)而形成通長(zhǎng)水平裂縫。同時(shí)，頂板受熱膨脹也會(huì)對(duì)山墻及女兒墻產(chǎn)生水平推力，從而產(chǎn)生水平裂縫。4)在長(zhǎng)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(如粘土多孔磚、頁(yè)巖燒結(jié)磚)的墻體裂縫比非燒結(jié)墻體裂縫少。

1.2 框架填充墻墻體裂縫影響因素

1)墻體材料的影響。對(duì)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(jī)結(jié)合的一個(gè)整體墻。在這個(gè)整體墻當(dāng)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(dāng)砌塊砌筑時(shí)，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(dāng)砌塊砌成墻后，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(kāi)始形成并一直在墻體中發(fā)生變化。當(dāng)變化過(guò)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(qiáng)度不足以抗衡的情況下，則會(huì)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(huì)產(chǎn)生裂縫。由于墻體材料大多是由粉煤灰、煤矸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(shí)，砌塊收縮變形，當(dāng)含水率達(dá)到5%時(shí)，干縮變形才趨于穩(wěn)定。干縮后的材料受潮后仍會(huì)膨脹，無(wú)水后還會(huì)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(yáng)光的輻射下，建筑物內(nèi)部會(huì)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(duì)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(dāng)屋面板和墻體的自由變形差異較大時(shí)，通過(guò)摩擦阻力使墻體內(nèi)主拉應(yīng)力達(dá)到一定數(shù)量(抗拉強(qiáng)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(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)主體和基礎(chǔ)剛度較大時(shí)，其抵抗地基沉陷的能力還是比較強(qiáng)的。但是地基處理不滿足規(guī)范要求時(shí)，特別是在嚴(yán)重濕陷性黃土、凍脹土、膨脹土、鹽漬土、軟弱土等不良場(chǎng)地，仍時(shí)常產(chǎn)生地基沉陷(膨脹)裂縫。

2 框架填充墻墻體開(kāi)裂機(jī)理

填充墻開(kāi)裂會(huì)經(jīng)過(guò)以下三個(gè)步驟:1)“整體墻”內(nèi)部形成較大的內(nèi)應(yīng)力;2)內(nèi)應(yīng)力在墻體的某一部位出現(xiàn)應(yīng)力集中;3)在應(yīng)力集中的部位，砌體的抗拉強(qiáng)度不足以抗衡集中應(yīng)力的作用，以裂縫的形式表現(xiàn)，同時(shí)將這部分的集中應(yīng)力不斷釋放，逐步形成較大的裂縫。

其中，引起整體墻產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力因素有以下幾方面:1)墻體材料干縮變形產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力的大小與實(shí)際干縮值成正比，而實(shí)際干縮值的大小則與新墻體材料的標(biāo)態(tài)干縮值、實(shí)際含水率同方向變化，與產(chǎn)品的齡期反方向變化。2)砌體的沉縮產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。砌體在砌筑過(guò)程及砌筑完成后都會(huì)出現(xiàn)沉縮，它包括砌體在自重作用下產(chǎn)生的砂漿塑性變形而下沉，也包括墻體材料和砂漿的干燥收縮。其內(nèi)應(yīng)力的大小與砌體的沉縮量成正比。3)溫度的變化產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。溫度的變化會(huì)引起材料的熱脹、冷縮。鋼筋混凝土的線膨脹系數(shù)與砌體的存在不同，兩者在環(huán)境上通常還存在一定的溫差，這使得二者的變形不同步。由于框架結(jié)構(gòu)是超靜定結(jié)構(gòu)，約束條件下溫度變化引起足夠大的變形時(shí)，建筑物將產(chǎn)生溫度應(yīng)力，墻體內(nèi)部即產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，此內(nèi)應(yīng)力的大小與溫度的變化成正比。另外，砌體基層與抹灰層之間也會(huì)形成一種溫度應(yīng)力。4)建筑物設(shè)計(jì)構(gòu)造不合理引起內(nèi)應(yīng)力。建筑物某些部位如果設(shè)計(jì)時(shí)剛性不足，則由于其自身的變形而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，如梁的跨度太大，其中部的向下徐變量超過(guò)一定限度時(shí)，又如懸臂梁過(guò)長(zhǎng)而剛度不足以抵抗變形時(shí)，還有門窗洞口上面的過(guò)梁剛性小而向下彎曲等，這些內(nèi)應(yīng)力最終作用在墻體上。5)墻體應(yīng)力集中對(duì)于墻體來(lái)講，門、窗洞口以及不同結(jié)構(gòu)物體的交接處都是應(yīng)力集中的部位，這是我們最常見(jiàn)到出現(xiàn)裂縫的位置。還有容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的位置是與不按照有關(guān)規(guī)定施工操作有關(guān)的，比如在預(yù)埋暗線管處溝槽內(nèi)的砂漿填塞不飽滿密實(shí)，使用斷裂砌塊砌筑、砌塊存在瞎縫、預(yù)留洞口填塞不嚴(yán)、灰縫不飽滿等。對(duì)于框架填充墻來(lái)講，最易造成墻體開(kāi)裂的內(nèi)應(yīng)力是干縮和溫度變化形成的。所以，框架填充墻裂縫以干縮裂縫和溫度裂縫出現(xiàn)最多。

填充墻體開(kāi)裂的影響因素是比較復(fù)雜的，總的來(lái)講有外界因素和內(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(diǎn)及門窗洞口的位置與尺度、墻體整體性能等。對(duì)于框架結(jié)構(gòu)填充墻，根據(jù)調(diào)查和試驗(yàn)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(gè):1)溫度變化;2)砌體干縮，以及二者共同作用產(chǎn)生的裂縫。

3 導(dǎo)致墻體開(kāi)裂的其他因素

導(dǎo)致填充墻產(chǎn)生裂縫的原因還有地基不均勻沉降、受外力影響、設(shè)計(jì)構(gòu)造和施工不當(dāng)?shù)纫蛩?，這些因素是導(dǎo)致墻體開(kāi)裂的次要原因。

3.1 不均勻沉降

底層墻體的斜裂縫、正八字或倒八字裂縫為地基基礎(chǔ)不均勻沉降引起的變形裂縫，簡(jiǎn)稱沉降裂縫。房屋各層窗間墻一個(gè)方向傾斜的斜裂縫，說(shuō)明房屋一邊沉降大而另一邊沉降小;房屋窗間墻出現(xiàn)正八字的裂縫，表明房屋地基基礎(chǔ)中間部位沉降大而兩頭沉降小;房屋窗間墻產(chǎn)生立面上呈倒八字的裂縫，則揭示房屋地基中間部位沉降小，而兩頭大。墻柱中的水平裂縫，是由墻基或柱基沉降引起的變形裂縫，也簡(jiǎn)稱為沉降裂縫。這種裂縫通常出現(xiàn)在較高的樓層或頂層中。在新回填土較深的樁基上的單層房屋，在負(fù)摩擦力作用下也有在窗上墻出現(xiàn)水平裂縫的工程實(shí)例。沉降裂縫是由地基基礎(chǔ)沉降(或不均勻沉降)引起的，而導(dǎo)致沉降或不均勻沉降的具體原因有抽排地下水、設(shè)計(jì)不當(dāng)和施工不當(dāng)?shù)取?/p>

3.2 受力

底層窗下墻，在條形地基反力的作用下，為彎、剪構(gòu)件，因而在窗下墻中間的上部出現(xiàn)垂直裂縫，而在支座附近出現(xiàn)斜裂縫。窗間墻或窗間護(hù)壁柱在自重、各層樓面和屋面梁板傳來(lái)的荷載作用下，一般為小偏心受壓構(gòu)件，當(dāng)抗壓承載力安全儲(chǔ)備不滿足規(guī)范要求時(shí)，往往使軸向壓力達(dá)到墻體破壞荷載的 50%以上，因而使單磚先裂，繼而出現(xiàn)貫穿若干皮磚的豎向裂縫，其原因往往是少算荷載或加層超載引起的。

3.3 設(shè)計(jì)構(gòu)造和施工不當(dāng)造成裂縫

框架填充墻是框架成型后再砌筑而成的，當(dāng)選用的砌塊或磚外形尺寸不規(guī)范或砌筑的規(guī)格與墻體尺寸不匹配時(shí)，墻體很難被填滿，造成砌體與框架結(jié)構(gòu)的梁板柱交接部位空隙過(guò)大而開(kāi)裂;當(dāng)應(yīng)力集中區(qū)門窗洞等部位如果未采取有效的拉結(jié)加強(qiáng)措施時(shí)，墻體容易因撞擊振動(dòng)開(kāi)裂;砌塊養(yǎng)護(hù)齡期未達(dá) 28 d或陰雨天上墻，墻體會(huì)因砌塊過(guò)大的收縮變形導(dǎo)致開(kāi)裂;設(shè)計(jì)與施工往往忽略頂層砌體的砂漿強(qiáng)度，誤認(rèn)為頂層墻體受力最小，砂漿強(qiáng)度可以最低，未顧及屋面熱脹引起的推力對(duì)墻體的作用。在檢測(cè)鑒定中發(fā)現(xiàn)，在設(shè)計(jì)上頂層的砌筑砂漿強(qiáng)度采用M 2.5，是各樓層中最低值，而實(shí)際施工連M 1.0都未達(dá)到，手捏即成粉末狀，因而頂層墻體出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的屋面熱脹裂縫。

各種裂縫原因疊加，常常使裂縫加劇，如一旦出現(xiàn)沉降引起的斜裂縫，溫度收縮將使這種裂縫加寬。

4 結(jié)語(yǔ)

在對(duì)框架填充墻裂縫調(diào)查基礎(chǔ)上，闡述墻體開(kāi)裂的機(jī)理及裂縫的主要成因。分析墻體的溫度應(yīng)力和墻體開(kāi)裂機(jī)理，歸納出引起各種裂縫的具體原因:1)溫度變化影響;2)材料干縮，其他還有地基不均勻沉降、受外力、設(shè)計(jì)構(gòu)造和施工不當(dāng)?shù)仍?。其中溫度變化和材料干縮是框架填充墻裂縫出現(xiàn)的最主要原因。

[1] 王鐵夢(mèng).工程結(jié)構(gòu)裂縫控制[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1997.

[2] 何星華，高小旺.建筑工程裂縫防治指南[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[3] 王命平，張春俠，于素健.小型空心砌塊填充墻的裂縫分析及防治措施[J].施工技術(shù)，2003，32(10):49-50.

[4] 王 澤.框架結(jié)構(gòu)填充墻裂縫成因研究[D].成都:西華大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008.