裂縫在民用建筑設(shè)計中的成因及控制措施

言景 李靜

(1.中國建筑西南設(shè)計研究院有限公司，四川成都 610041;2.四川大學錦江學院，四川錦江 620860)

0 引言

近年來，我國城市化進程加快，商品高層住宅建筑取得了飛速發(fā)展，而現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)占了絕大多數(shù)。其中，由于裂縫導致的裝修損壞、樓板滲漏、設(shè)備無法安裝等問題成了用戶投訴最多的工程質(zhì)量問題。資料顯示［1］，80%以上的裂縫都是由變形作用引起的:一方面，泵送混凝土收縮變形約為 6.0×10－4～8.0×10－4，比過去混凝土的收縮變形加大了2倍～3倍;另一方面，工程設(shè)計人員專業(yè)技術(shù)水平參差不齊，只注意到結(jié)構(gòu)的承載力能力極限狀態(tài)，而忽視正常使用極限狀態(tài)的驗算，這也使得裂縫出現(xiàn)的概率增大。

本文計算理論、軟件因素、構(gòu)造措施闡述了裂縫的成因，望為工程技術(shù)人員提供參考。

1 計算理論

1.1 裂縫寬度計算

由于裂縫是混凝土的一種固有的特性，它的出現(xiàn)是不可避免的。從設(shè)計上控制裂縫，指通過“抗”與“放”相結(jié)合的方法使統(tǒng)計概率上的最大平均裂縫寬度小于限定值，即滿足正常使用極限狀態(tài)。根據(jù)GB 50010-2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中式(7.1.2-1)即可得出按荷載效應的標準組合并考慮長期作用影響的最大裂縫寬度

規(guī)范中所使用的分析模型為單軸受力的試驗模型，而對于多軸應力狀態(tài)，只是引入經(jīng)驗公式或系數(shù)加以調(diào)整。在實際工程中，混凝土構(gòu)件承受單軸受壓、受拉或純剪的單軸應力狀態(tài)幾乎不存在，而都處于明顯的多軸應力狀態(tài)。然而，計算結(jié)果的準確性取決于材料本構(gòu)關(guān)系的建立，實際工程的受力狀態(tài)與計算模型的不同使軟件關(guān)于裂縫寬度的驗算有較大偏差，而這正是目前規(guī)范理論所欠缺的地方?？紤]到混凝土材料、施工以及長、短期荷載效應的影響，往往要求工程設(shè)計人員按最不利情況選取調(diào)整系數(shù)，這又大大低估了材料的強度，造成了大量的浪費。

1.2 伸縮縫間距計算

規(guī)范［2］中對各種結(jié)構(gòu)在不同自然條件下不設(shè)伸縮縫的間距做了規(guī)定，設(shè)計人員往往以此為依據(jù)來判斷是否考慮間接應力的影響。而在實際工程中卻發(fā)現(xiàn)有一些工程突破了規(guī)范規(guī)定的伸縮縫最大間距卻未發(fā)現(xiàn)裂縫問題，但同時還有一些工程遵循了規(guī)范的規(guī)定而產(chǎn)生大量有害裂縫。這是因為隨著大體積混凝土、泵送商品混凝土技術(shù)的采用，使其對混凝土的強度和流動性的要求越來越高。大量工程中的水泥用量增大，水泥強度等級提高，水化熱引起的溫差加大，再加上施工時，骨料級配不合理，不注意養(yǎng)護措施，溫度、收縮裂縫出現(xiàn)的可能性大大增加。盲目加配鋼筋、提高混凝土等級措施的收效不但不明顯，所付出的經(jīng)濟成本也是巨大的。根據(jù)“放”的設(shè)計概念，設(shè)置伸縮縫能有效限制溫度、收縮裂縫的開展，是防止發(fā)展為嚴重損害性裂縫的一項基本措施。王鐵夢教授對此問題做了系統(tǒng)的研究，得出連續(xù)約束條件下結(jié)構(gòu)最大約束應力的計算公式［1］:

其中，H(t，τ)為應力松弛系數(shù);T=T1+T2+T3為溫差，包含水化熱、氣溫差及收縮當量溫差，取代數(shù)和;E為混凝土彈性模量;α為線膨脹系數(shù);H為均拉層厚度;Cx為水平約束系數(shù);εp為混凝土的極限拉伸;ch，arcch為雙曲余弦及雙曲余弦反函數(shù);由式(2)～式(4)可知，產(chǎn)生裂縫最主要的因素是約束、溫差、收縮和混凝土本身材料性能。在設(shè)計上防止有害裂縫的產(chǎn)生，一方面要減小結(jié)構(gòu)的約束，減小施工過程中產(chǎn)生的溫差;另一方面要增加混凝土的材料強度，抵抗其產(chǎn)生的收縮應力。溫度、收縮變形與結(jié)構(gòu)的約束條件、環(huán)境條件、施工狀況、結(jié)構(gòu)體型等有關(guān)。因此，設(shè)計人員在考慮是否設(shè)置伸縮縫時，不應只根據(jù)結(jié)構(gòu)體系的長度，還應綜合考慮以上因素，按公式試算裂縫最大間距。

2 軟件因素及相應措施

在運用結(jié)構(gòu)軟件分析工程模型時，總是希望結(jié)果越精確越好。但由于工程實際的復雜性，為減少計算耗時，軟件采用的是簡化的模型，導致結(jié)果出現(xiàn)較大偏差。另一方面，大多數(shù)結(jié)構(gòu)分析軟件在計算裂縫寬度時，只是考慮直接荷載作用，而對于變形作用引起的裂縫未提供成熟的計算方法，使得裂縫問題更加復雜。以下幾點在軟件使用中容易引起裂縫問題:

1)設(shè)計人員在處理廚房、衛(wèi)生間等隔墻時，通常不在墻下設(shè)梁。用軟件進行承載力計算時，直接把隔墻自重除以板的面積，即把隔墻線荷載折算成板的面荷載。當隔墻的荷載較大時會導致隔墻下板的配筋不足，隔墻下樓板變形過大，引起填充墻開裂。因此，設(shè)計時應在簡化計算后在墻的位置下的板中加配補強鋼筋。

2)由于建筑功能的需要(板底不露梁)，樓板不可避免有開洞和異形板的情況，易出現(xiàn)應力集中的現(xiàn)象，而結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件對其承載力的計算還不成熟。假如設(shè)計人員直接根據(jù)軟件計算結(jié)果配筋，洞口處及板面陰角處易出現(xiàn)裂縫。因此，在工程設(shè)計實踐中，主要是從構(gòu)造措施來加強，見圖1，圖2。因此，建筑平面應力求簡單、規(guī)則，當樓板凹凸和洞口尺寸較大時，建議加設(shè)小梁，使之成為矩形、四邊形等比較規(guī)則的形狀。

圖1 角部及陰角處附加鋼筋

圖2 洞口處補強鋼筋

3)配梁端鋼筋時，結(jié)構(gòu)軟件(PKPM)可根據(jù)自動配筋結(jié)果計算裂縫寬度，當裂縫寬度非常接近規(guī)范限值，而工程人員配的鋼筋粗而少時，由于混凝土材料是非均質(zhì)的，截面各質(zhì)點受力是不均勻的，有大量不規(guī)則的應力集中點，這些點由于應力首先達到抗拉強度極限，引起了局部塑性變形，如無鋼筋，繼續(xù)受力，易在應力集中處出現(xiàn)有害裂縫［1］。因此，建議在配筋時盡量配成細而多的梁端鋼筋，并應手工驗算裂縫寬度。

4)計算雙向板裂縫時，一般按板底短向鋼筋的有效高度計算h0，而長向鋼筋由于搭在短向鋼筋上，h0應減去短向鋼筋的直徑，但軟件一般沒有考慮混凝土構(gòu)件有效高度的減少。因此，當長向跨度較大且裂縫寬度接近限制時，應按實際的h0手算裂縫寬度。同樣的情況出現(xiàn)在梁板搭接處，施工時板鋼筋一般搭置在梁縱筋上，使板支座鋼筋已接近板截面中和軸處，這樣支座受拉區(qū)幾乎沒有受拉鋼筋，易引起板支座處的裂縫。

5)由于水電設(shè)計的需要，樓板和梁中需埋設(shè)電線套管，而在實際工程中大量使用PVC管，它的強度差，與混凝土的線膨脹系數(shù)相差較大，粘結(jié)效果差，不能很好的發(fā)揮混凝土的整體受力性能，使混凝土構(gòu)件受到很大的削弱。這樣沿管線埋設(shè)方向易出現(xiàn)應力集中情況，因此，應加強套管處的構(gòu)造鋼筋，見圖3［4］。

圖3 梁洞口附加鋼筋

6)設(shè)置軟件選項時，應根據(jù)工程實際情況選定數(shù)據(jù)，注意易引起裂縫的選項。如為了降低含鋼量，常對現(xiàn)澆板采用塑性理論計算，導致板面鋼筋拉應力過大，產(chǎn)生較大板面裂縫。因此，對屋面板受溫度應力較大和上部結(jié)構(gòu)嵌固頂板提倡采用彈性理論計算;計算板裂縫時，軟件常把板的支座簡化為固支、簡支。而梁本身不是無限剛，在荷載作用下有明顯的撓曲變形，由于變形協(xié)調(diào)，板的實際撓度比計算值要大，易導致板底裂縫。

3 結(jié)語

高層現(xiàn)澆住宅建筑中，裂縫是一種常見的建筑質(zhì)量通病，單一的因素不能從系統(tǒng)上消除裂縫，而應從設(shè)計、施工、材料、環(huán)境條件等整體上控制。從設(shè)計上控制裂縫，就是注重概念設(shè)計，綜合“抗”與“放”的原則，采用合理的構(gòu)造措施，盡量建立與工程實際相似的計算模型，充分考慮到軟件和計算理論的缺陷，這樣才能使裂縫寬度滿足裂縫控制的要求。

［1］ 王鐵夢.工程結(jié)構(gòu)裂縫控制［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1997:5-6，164-165，30-31.

［2］ GB 50010-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.

［3］ 郭劍飛，楊育人.淺析現(xiàn)澆板裂縫的若干設(shè)計因素［J］.四川建筑科學研究，2009，35(4):105-107.

［4］ JGJ 3-2010，高層建筑混凝土技術(shù)規(guī)程［S］.