住宅建筑構(gòu)件的裂縫研究與分析

楊曉波，胡珊珊

（1.蚌埠學(xué)院 機械與電子工程系，安徽 蚌埠 233030；2.六安職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系，安徽 六安 237020）

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體的應(yīng)用發(fā)展歷史并不長，但發(fā)展非常迅速.由于住宅樓板裂縫現(xiàn)象頻頻出現(xiàn)，并可能對結(jié)構(gòu)造成損傷，時常誘發(fā)房屋質(zhì)量糾紛.統(tǒng)計資料顯示非荷載裂縫幾乎占了全部混凝土構(gòu)筑物裂縫的80%以上，通過大量查閱有關(guān)混凝土內(nèi)部應(yīng)力方面的專著、教材[1]、規(guī)范和規(guī)程，對住宅裂縫產(chǎn)生的原因、預(yù)防裂縫的措施進行了簡單闡述.

1 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的研究背景

現(xiàn)代鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體的發(fā)展歷史可以追溯到19世紀(jì)五六十年代.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體自19世紀(jì)中葉開始使用后，由于混凝土和鋼筋材料性能的不斷改進，施工技術(shù)的進步使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)得到迅速發(fā)展.建筑用混凝土的發(fā)展簡史可以追溯到古希臘、羅馬時代，甚至可能在更早的古代文明中已經(jīng)使用了混凝土及其膠結(jié)材料.現(xiàn)代鋼筋混凝土的發(fā)展是隨著世界鋼產(chǎn)量的不斷提高而發(fā)展起來，近百年來鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展迅速.

我國鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展比較緩慢，改革開放30年來我國鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計水準(zhǔn)已趕上世界先進水平.我國鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體的發(fā)展已為大跨度結(jié)構(gòu)，多、高層建筑的發(fā)展開辟了一條新途徑.我國建筑業(yè)發(fā)展很快，尤其是住宅產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，2010年城鎮(zhèn)新建住宅面積近13億M2.但是，不容忽視的是目前我國住宅建筑傳統(tǒng)的粗放式生產(chǎn)模式并未改變，技術(shù)創(chuàng)新能力弱，資源消耗大，建筑壽命短，事故頻發(fā)，這些都與國家提出的節(jié)能減排、綠色環(huán)保要求還有很大的差距.

我國鋼混結(jié)構(gòu)的成功應(yīng)用，例如：長江三峽水利樞紐工程，大壩高186m，壩體混凝土用量達1527萬m3，是世界上最大的水利工程；上海金茂大廈金茂大廈高421米，共88層，于1998年落成，成為中國大陸最高的建筑，被譽為中華第一高樓的上海金茂大廈，堪稱國際上現(xiàn)代建筑藝術(shù)的佳作，融現(xiàn)代氣派、民族風(fēng)格為一體……都是典型的范例.

2 鋼筋混凝土裂縫分析

2.1 產(chǎn)生裂縫因素分析

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫直接影響房屋的抗震、耐火、抗拉壓性能，降低房屋結(jié)構(gòu)的承重能力，砌體裂縫的存在影響建筑的美觀，并降低了房屋保溫、防滲性能.現(xiàn)代房屋建筑設(shè)計主要是減少裂縫的產(chǎn)生，在設(shè)計、管理、施工、裝修等方面要嚴(yán)格按照建筑規(guī)范實施.

目前以住宅的多、高層建筑為例，鋼筋混凝土現(xiàn)澆板中的裂縫，大部分是由于在受力需要的配筋率較低的情況下，有利于防止表面裂縫，然而當(dāng)配筋比較高時，約束應(yīng)力較大，有時可導(dǎo)致構(gòu)件開裂.由于混凝土自身存在凝縮和干縮，澆筑施工后農(nóng)民工沒有及時覆蓋，受風(fēng)吹日曬，表面水分蒸發(fā)過快，產(chǎn)生急劇收縮，混凝土與砌體結(jié)構(gòu)養(yǎng)護強度達不到設(shè)計要求，也是開裂的原因之一.由于樓板支撐剛度差異造成模板支撐下沉變形過大，施工期間過度震動使支撐部位出現(xiàn)多次瞬間相對位移，拆模過早，混凝土硬化前過早承載或受到振動也將引起開裂.在住宅滲漏潮濕環(huán)境下為減少裂紋必須先表面封堵,封堵須用堵漏靈、堵漏王、水不漏等速凝材料.目前,出現(xiàn)裂紋后要嵌縫，常用的傳統(tǒng)嵌縫材料有塑性材料,塑性材料有聚氯乙烯膠泥和塑料油膏等.還有表面涂抹外加劑拌合不均勻，混凝土攪拌時間不足，攪拌和運輸時間過長，澆筑順序不合理，澆筑速度過快，未能很好地保護樓板負筋，混凝土保護層過薄，也是產(chǎn)生裂紋的原因.目前，鋼筋混凝土產(chǎn)生裂縫因素見圖1.

圖1 鋼筋混凝土產(chǎn)生裂縫因素

2.2 住宅非荷載裂縫分析

在住宅建設(shè)中現(xiàn)澆板的裂縫也有一部分是在樓房的設(shè)計中，特別是電氣專業(yè)，大多將照明、有線電視、通訊等所需的管線直接敷設(shè)于現(xiàn)澆板中，而且有時集中于某一處現(xiàn)澆板中的管線多達數(shù)十根，高度達3cm左右，也是引起裂縫應(yīng)力的出現(xiàn).影響裂縫形成的因素是多方面的，有設(shè)計原因、施工原因、材料原因、非荷載大小隨機變化原因等.由于住宅建筑設(shè)計中忽略隨機產(chǎn)生的非荷載作用，如風(fēng)載荷、雨載荷、雪載荷、地震載荷等對裂縫的影響也比較大，非荷載形成的構(gòu)件的裂縫見圖2.

圖2 非荷載形成的構(gòu)件的裂縫

3 預(yù)制板裂縫案例分析

3.1 案例

某廠有9幢7層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)住宅，均采用預(yù)制空心樓板、平屋頂，總建筑面積30290M2.該工程1994年5月開工，同年底完成主體工程，翌年內(nèi)部裝修.在1995年6月進行工程質(zhì)量檢查時，發(fā)現(xiàn)其中一幢住宅有多處預(yù)制樓板起鼓、酥裂情況.隨后，該住宅樓板損壞愈來愈嚴(yán)重，其它四幢住宅也相繼不同程度地出現(xiàn)破壞跡象，至1995年10月，在這五幢住宅樓房鋪設(shè)的2190塊預(yù)制板中，已完成塌落有的有48塊，明顯存在隱患的有1065塊，這些預(yù)制板都由某鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)生產(chǎn)，質(zhì)量問題也最嚴(yán)重，樓板裂縫、酥裂和塌落的情況見圖3.

圖3 預(yù)制混凝土空心板破壞情況

3.2 案例從三方面研究與分析

3.2.1 從材料力學(xué)知識研究樓板構(gòu)件產(chǎn)生裂縫、酥裂和塌落與構(gòu)件剛度有關(guān)

材料的力學(xué)性能包括材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：化學(xué)成分、制備工藝、內(nèi)部缺陷和外部環(huán)境：載荷性質(zhì)、應(yīng)力狀態(tài)、服役環(huán)境、形狀尺寸分析裂縫產(chǎn)生的原因.從材料力學(xué)的理論上說安全性體現(xiàn)在構(gòu)件的強度、剛度、穩(wěn)定性.強度是構(gòu)件在外載作用下，抵抗破壞的能力.剛度是構(gòu)件在外載作用下，抵抗可恢復(fù)變形的能力.穩(wěn)定性是構(gòu)件在某種外載作用下，保持其原有平衡狀態(tài)的能力[3].首先從材料力學(xué)剛度條件看撓度方程、轉(zhuǎn)角方程公式見1-1，1-2.

討論：從材料力學(xué)的理論上看，荷載大，彎矩M大，撓度值偏大，但實際情況并不是這樣.從實踐看建筑結(jié)構(gòu)裂縫分析剛度的定義不科學(xué)，剛度應(yīng)是構(gòu)件裂縫開展變形構(gòu)件就不能用了.在從材料力學(xué)剛度條件公式上看，在計算中荷載只考慮到構(gòu)件自重荷載彎曲變形的影響，沒考慮非荷載作用如：風(fēng)載荷、雨載荷、雪載荷、地震載荷等剪切變形的影響，公式中求撓度、轉(zhuǎn)角的彎曲變形不太全面.

3.2.2 從鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)理論分析樓板構(gòu)件產(chǎn)生裂縫的應(yīng)力分析

從鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生裂縫的應(yīng)力與混凝土的不均勻性、荷載的可變性如風(fēng)載荷、雨載荷、雪載荷、地震載荷以及截面尺寸偏差等因素有一定影響.預(yù)制樓板裂縫應(yīng)力的出現(xiàn)、分布和開展寬度具有很大的隨機性，預(yù)制樓板起鼓、酥裂、裂縫寬度隨可變荷載作用時間長短也有關(guān)聯(lián).預(yù)制樓板起鼓、酥裂、裂縫寬度所產(chǎn)生的應(yīng)力是由于鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)破壞也有關(guān)，出現(xiàn)相對滑移，產(chǎn)生應(yīng)力集中，引起裂縫、裂縫寬度見圖4.

圖4 鋼筋與混凝土處混凝土的裂縫、裂縫寬度

建議：從鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)理論分析樓板構(gòu)件的變形引起裂縫應(yīng)力的問題，僅看到混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉強度是不全面的，更重要的是要看“材料的抗變形能力”，即材料的剛度問題.在裝修中樓板構(gòu)件的實踐上看住宅裝修電路、網(wǎng)線、水路等布線，預(yù)埋PVC電線管過多，當(dāng)裝修公司裝修中預(yù)埋線管的直徑較大，特別是多根線管的交叉處，從而引起應(yīng)力集中，農(nóng)民工施工不規(guī)范，樓板構(gòu)件剛度降低，也是引起樓板構(gòu)件裂縫、酥裂和塌落的一個不可忽略的影響.

建議國家要對裝修公司工人進行建筑理論培訓(xùn)，國家要建立對裝修工人資格等級證書考核機制.

3.2.3 從鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)基本計算公式分析裂縫

預(yù)制樓板裂縫寬度是由于鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)破壞.出現(xiàn)相對滑移，引起裂縫處混凝土的回縮引起的.根據(jù)國內(nèi)試驗資料的分析結(jié)果，再按照粘結(jié)力的等效原則，平均裂縫間距,平均裂縫寬度[5]可按以下公式1-1，公式1-2計算.

式中：ρte——以受拉混凝土截面計算的有效配筋率

deq——縱向受拉鋼筋的等效直徑（mm）

式中:εsm、εcm——分別為縱向受拉鋼筋重心處的平均拉應(yīng)變和受壓區(qū)邊緣混凝土的平均壓應(yīng)變

σsk——裂縫截面處鋼筋應(yīng)力

σsm——裂縫之間鋼筋平均應(yīng)力σsm=ψσsk

ψ——裂縫間受拉應(yīng)力不均勻系數(shù)，當(dāng)ψ<0.2時，取ψ=0.2；當(dāng)ψ>1.0時，取ψ=1.0

結(jié)論及建議：

由以上公式可知ωm主要與鋼筋應(yīng)力σsk，有效配筋率ρte及鋼筋直徑有主要關(guān)系，根據(jù)σsk，ρte及d三者的關(guān)系，《規(guī)范》給出了鋼筋混凝土構(gòu)件不需作裂縫寬度驗算的最大鋼筋直徑圖表（查規(guī)范），通常裂縫寬度的控制在實際工程中是用控制鋼筋最大直徑來滿足.實踐證明，以上兩個公式對混凝土常見的裂縫設(shè)計中，對于結(jié)構(gòu)上經(jīng)常作用的可變荷載沒有考慮，例如：水壓力、風(fēng)壓力、地震荷載等.建議修改以上兩個公式考慮可變荷載.

4 結(jié)束語

綜上所述，結(jié)構(gòu)的裂縫問題并不是一個無法跨越的難題，只要我們不斷的進行理論和實踐的研究，裂縫是可以得到有效控制的.雖然本文在理論和實踐應(yīng)用中提出了分析與建議，但具體設(shè)計與施工中還要靠我們多觀察、多比較，出現(xiàn)問題后多分析、多總結(jié)，結(jié)合多種預(yù)防裂縫處理措施，使裂縫對構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的危害降到最小，以延長構(gòu)筑物的使用壽命，從而使構(gòu)筑物能夠安全可靠地運行，為企業(yè)自身創(chuàng)造出更好的經(jīng)濟效益.

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