建筑結構設計中裂縫形成的原因及控制措施

黃志彬

建筑結構設計中裂縫形成的原因及控制措施

黃志彬

Jian zhu jie gou she ji zhong lie feng xing cheng de yuan yin ji kong zhi cuo shi

隨著我國城市建設，混凝土結構得到了廣泛的應用。但混凝土工程當前存在著的結構裂縫問題，影響到建筑物的正常使用功能和耐久性。大量的研究和實驗結果表明，混凝土結構裂縫是很難避免的，這與材料本身的特性及結構的受力變形機理密切相關。所以要滿足建筑的需求和結構的需要，結構設計就是要把混凝土裂縫控制在合理的范圍內(nèi)。下面結合工作實踐和經(jīng)驗，就建筑結構設計中混凝土結構裂縫的成因及控制措施進行了探討。

一、建筑結構設計中裂縫形成的原因分析

建筑混凝土結構裂縫的產(chǎn)生，實際就是結構變形至塑性階段持續(xù)伸張或壓縮變形導致混凝土內(nèi)部顆粒發(fā)生位移脫離。雖然導致混凝土結構裂縫產(chǎn)生的原因有很多，但從當前比較常見的主要原因有：混凝土成形時水化熱控制不良導致急劇膨脹或收縮、混凝土因溫度應力產(chǎn)生變形、混凝土受力及結構沉降變形等。

1.混凝土水化熱引起的混凝土結構裂縫

當前混凝土現(xiàn)澆施工中，均不同程度加入緩凝劑或早強劑等添加劑，造成混凝土硬化過程中的水化熱在后期或早期大量地集中釋放，從而使混凝土急速膨脹后又冷卻干縮，導致混凝土不規(guī)則裂縫的形成。而且，在體積較大、厚度較厚的混凝土澆筑中，因澆筑成型時間差異使混凝土內(nèi)部水化熱不均勻釋放，導致內(nèi)部膨脹和收縮不一致并相互制約而產(chǎn)生裂縫。

2.溫度應力引起的混凝土結構裂縫

建筑物在使用過程中，混凝土結構受到外界環(huán)境溫度變化而產(chǎn)生熱脹冷縮，當結構變形受到約束時，將會引起應力。若溫度變形收到相鄰結構約束的，屬于外約束，如梁變形受到柱的約束、樓板變形受到梁柱的約束等。若溫度變形因內(nèi)部熱量不均勻而受到內(nèi)部質(zhì)點之間的約束，屬于內(nèi)約束。約束使溫度變形無法自由實施的情況下引起的結構溫度應力（約束應力）超過混凝土抗拉強度時，就會產(chǎn)生混凝土結構裂縫。外約束應力常見于炎熱地區(qū)或嚴寒地區(qū)，而內(nèi)約束應力常見于日溫差較大的山區(qū)。

3.結構變形不協(xié)調(diào)引起的混凝土結構裂縫

在結構設計中，有時會不注意將剛度差異較大的結構設置在一起，導致協(xié)同變形中，剛度較大的結構拉壞剛度較小的結構。如預應力梁、框支梁等高度較大梁變形較大，經(jīng)常會把位于梁受拉（壓）區(qū)的側邊樓板帶動變形而產(chǎn)生混凝土結構裂縫。

4.結構受力引起的混凝土結構裂縫

因為設計不完善、施工不到位，造成結構個別部位薄弱、有缺陷，當結構受力時產(chǎn)生應力集中而開裂。如樓板內(nèi)暗埋線管減少結構實際厚度，且線管下方因施工不到位而沒形成密實混凝土，造成板跨中暗埋線管處板底開裂。

5.地基變形引起的混凝土結構裂縫

在基礎設計過程中，對于其中一些可塑、軟塑地基可滿足承載不大的建筑物，短期使用也不會有沉降的影響，但是經(jīng)過長時間的軟基脫水固結，也會造成建筑物不均勻沉降而產(chǎn)生開裂。此外，有些建筑地基是換填處理的，也會在長時間的填土固結變形中產(chǎn)生不均勻沉降而導致上部混凝土結構開裂。

二、建筑結構設計中裂縫的控制措施

根據(jù)建筑混凝土結構裂縫產(chǎn)生的原因分析，為了更合理地控制好建筑結構裂縫，至少應采取以下幾方面的措施。

1.合理設置建筑變形縫

在混凝土結構裂縫控制過程中，可以通過設置伸縮縫、沉降縫，將結構劃分為幾個自由獨立變形結構單體，可以有效地解決結構溫度應力和收縮應力過大、以及基礎不均勻沉降的問題。然而，設置變形縫會受到建筑使用功能的限制，例如，在伸縮縫設置時，由于建筑使用功能的不可分割性而不能設置。而且，變形縫的防水防潮問題一直沒得到很好的解決。

2.設置混凝土后澆帶

后澆帶，是解決不能設置伸縮縫時的一種解決方式。后澆帶一般設計為，在樓層結構剪力較小處留置1米左右寬度的梁板混凝土，在相鄰混凝土完成澆筑一段時間以后，才采用微膨脹混凝土進行澆筑。設置后澆帶能夠有效地解決不適宜設置伸縮縫的結構混凝土，澆筑和固化過程的伸縮變形而產(chǎn)生裂縫問題。甚至，后澆帶能解決建筑前期固結敏感土質(zhì)上的沉降差問題。但是，后澆帶無法解決后期使用過程中，混凝土溫度變形和結構不均勻沉降變形產(chǎn)生裂縫的問題。

3.設置混凝土加強帶

因為后澆帶的施工周期較長，有時會影響工期或后續(xù)工序的施工，所以為縮短混凝土施工工期，經(jīng)常采用加強帶代替后澆帶來進行施工。具體做法是：將適量的膨脹劑添加到混凝土中，使混凝土發(fā)生膨脹產(chǎn)生內(nèi)部的預壓力，這種預壓力可以抵消溫度應力的作用，防止混凝土結構出現(xiàn)裂縫。加強帶能解決一次成型的超長結構的施工問題。但是，加強帶中膨脹劑的摻量控制不好，產(chǎn)生的預壓力過大或過小也會造成混凝土開裂。其次，由于加強帶需要整層樓板混凝土摻入膨脹劑，導致施工成本有所增加。

4.完善結構設計，增加抗裂構造措施

在混凝土結構設計中，采用量多的小直徑配筋比量少的大直徑配筋更有利于抗裂。此外，在一些容易受到溫度影響的樓板中，要采用雙層雙向配筋或配置抗溫度變形鋼筋網(wǎng)片；在水電等其它專業(yè)開洞、穿線管等減弱結構受力的地方，增設構造配筋或增加結構厚度；在容易產(chǎn)生變形集中的板角加設加強筋；預應力梁及大梁側邊板厚度適當增加且雙層配筋等等。增加構造性配筋，雖然會增加建設成本，但對于控制建筑結構開裂會有明顯的效益。

5.采用保溫隔熱措施

為避免混凝土結構因溫度應力產(chǎn)生裂縫，除了混凝土養(yǎng)護時通過覆蓋及澆水來保持混凝土均勻散熱外，建筑設計中還設計屋面保溫層、外墻隔熱層等保溫隔熱措施，來避免日常使用中溫度應力對混凝土結構的影響。

6.采用預應力技術

無粘結預應力技術作為一種抗裂技術，在混凝土結構裂縫控制發(fā)揮著重要的作用。在鋼筋混凝土應用中，通過預應力鋼筋張拉而產(chǎn)生較大的預壓力，可以抵消混凝土收縮時產(chǎn)生的拉應力，防止混凝土結構出現(xiàn)裂縫。

三、工程實例

某住宅樓，地下2層，地上20層，采用鋼筋混凝土框架結構，樓蓋采用鋼筋混凝土梁板體系，主樓長度為110m，裙樓長度為80m，裙樓與主樓寬度均為75m。地上部分采用設置抗震縫等措施，以保證混凝土結構的穩(wěn)定和安全。

混凝土結構裂縫的控制措施

1.地下室底板及頂板的裂縫控制：

根據(jù)建筑結構地基分析得知，土質(zhì)承載力較高。因此，主樓基礎采用梁板式筏基，裙樓基礎采用獨立基礎。為了控制混凝土結構的裂縫，地下室底板及頂板沿裙樓與主樓連接處橫向設置一道后澆帶，以消除地基不均勻沉降的影響；與此同時，裙樓部分和主樓部分分別沿縱向設置一道后澆帶和兩道后澆帶，以釋放混凝土溫度應力和收縮應力。

2.上部結構的裂縫控制

結合本工程建筑建設的特點，主樓與裙樓分為兩個單體，因此在裙房與主樓連接處設置寬120mm伸縮縫，以降低整個結構的混凝土溫度應力和收縮應力。

由于裙樓內(nèi)部功能需要不能設置伸縮縫。因此，對裙樓部分混凝土結構裂縫進行控制時，應采取以下措施：（1）一層頂至屋頂縱向設置寬后澆帶。（2）混凝土構件不外露，利用填充墻外包，以降低混凝土結構構件溫度應力。（3）采取屋面保溫措施。（4）屋面板采用雙層雙向配筋。（5）加設板角加強筋。（6）在施工過程中合理設計混凝土配比。在滿足混凝土強度下，盡量減少水泥用量，在混凝土澆筑完畢后，要及時進行混凝土養(yǎng)護，并控制好混凝土入模溫度。

另外，主樓兩側建筑布置較為靈活，這樣不僅有利于結構的抗震，而且可以有效地解決結構混凝土溫度應力及收縮應力問題。

該工程結合建筑功能和結構安全要求，考慮到結構施工的可行性和經(jīng)濟性，采取混凝土結構裂縫的控制措施，并經(jīng)實踐表明具有一定的可行性，也體現(xiàn)了施工工藝的協(xié)調(diào)性。

四、結語

總之，混凝土結構裂縫一直是建筑結構設計和施工中的熱點問題。因此，為了解決混凝土結構裂縫這一困擾，我們需要掌握好建筑結構設計中裂縫形成的原因，并及時采取合理有效的控制措施，以確保建筑工程結構的安全性和穩(wěn)定性。

（作者單位：廣州軍區(qū)建筑設計院）