房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中現(xiàn)澆混凝土裂縫的有效控制策略

文／袁良 云南云大設(shè)計(jì)研究院有限公司 云南昆明 650031

引言：

房屋建筑工程作為社會(huì)經(jīng)濟(jì)體系中的重要項(xiàng)目，其施工質(zhì)量是否符合標(biāo)準(zhǔn)、建筑結(jié)構(gòu)是否穩(wěn)定都是影響建筑企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵。但是，現(xiàn)澆混凝土裂縫問(wèn)題卻嚴(yán)重影響了房屋建筑工程的質(zhì)量，在房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工過(guò)程中，應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)澆混凝土裂縫的有效管控，提高房屋建筑結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)，增強(qiáng)現(xiàn)澆混凝土的各項(xiàng)性能指標(biāo)，保證房屋建筑工程整體的穩(wěn)定性，保障建筑企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

1、房屋建筑結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆混凝土裂縫的類型分析

1.1 塑性裂縫

當(dāng)完成混凝土澆筑工作后，其在凝結(jié)硬化期間體積會(huì)產(chǎn)生一定變化，在變化過(guò)程中又因收縮受到束縛呈現(xiàn)出塑性狀態(tài)，而混凝土混合料中的骨料、鋼筋等在塑性狀態(tài)下會(huì)造成混凝土發(fā)生不均勻沉降等現(xiàn)象，導(dǎo)致混凝土收縮速度下降，進(jìn)而引發(fā)塑性裂縫。相較于其他裂縫形狀而言，塑性裂縫的裂紋通常呈不規(guī)則狀，并且最早出現(xiàn)于混凝土表面，而后逐漸向混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)延伸，嚴(yán)重降低了混凝土的穩(wěn)定性，影響了房屋建筑結(jié)構(gòu)的安全性。一般塑性裂縫又可分為碳化收縮、干燥收縮及化學(xué)收縮等多種類型，在混凝土硬化前極易出現(xiàn)，因此工程設(shè)計(jì)師及施工人員需要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)塑性裂縫進(jìn)行有效控制，提高現(xiàn)澆混凝土的強(qiáng)度性能。

1.2 應(yīng)力裂縫

應(yīng)力裂縫是房屋建筑結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆混凝土裂縫中的常見類型之一，其主要是由于混凝土溫度控制不合理所引發(fā)的裂縫，時(shí)常出現(xiàn)在配筋不均勻的位置。當(dāng)混凝土硬化并完成拆模工作后，自然環(huán)境與混凝土的溫度差距較大，在低溫狀態(tài)下混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)外溫差及溫度應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生大幅度變化，進(jìn)而導(dǎo)致裂縫出現(xiàn)。另外，在混凝土硬化過(guò)程中內(nèi)部水分會(huì)逐漸蒸發(fā)，混凝土的體積也會(huì)隨之縮小，最終引發(fā)收縮裂縫。鑒于此，工程設(shè)計(jì)師應(yīng)明確現(xiàn)澆混凝土的溫度，而施工人員則需要根據(jù)實(shí)際情況合理控制混凝土的拆模時(shí)間及溫度，減少應(yīng)力裂縫的發(fā)生。

1.3 結(jié)構(gòu)裂縫

在房屋建筑結(jié)構(gòu)施工或使用過(guò)程中，結(jié)構(gòu)較為薄弱的部位很容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)裂縫。在對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，工程設(shè)計(jì)師如若削剪了混凝土現(xiàn)澆板的截面尺寸，那么便會(huì)提高墻體結(jié)構(gòu)的剛度、降低樓板剛度，而墻角則成為應(yīng)力集中的部位，如此便容易引發(fā)斜裂縫或板面裂縫的問(wèn)題。對(duì)此，工程設(shè)計(jì)師要明確房屋建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，合理調(diào)整混凝土現(xiàn)澆板的設(shè)計(jì)，確保建筑結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性。

2、房屋建筑結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆混凝土裂縫的危害

2.1 降低結(jié)構(gòu)承載性能

在房屋建筑結(jié)構(gòu)使用過(guò)程中，如若現(xiàn)澆混凝土樓板出現(xiàn)有害裂縫，那么建筑結(jié)構(gòu)的承載性能便會(huì)大幅度降低，并且還會(huì)影響整體建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，如果工程設(shè)計(jì)師沒(méi)有準(zhǔn)確計(jì)算出結(jié)構(gòu)承載參數(shù)，那么結(jié)構(gòu)的預(yù)期承載力便達(dá)到不到標(biāo)準(zhǔn)要求，現(xiàn)澆混凝土構(gòu)件在后續(xù)施工、使用過(guò)程中便會(huì)產(chǎn)生裂縫。在此情況下，如果質(zhì)量管理人員或施工人員沒(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)裂縫問(wèn)題仍然按照施工圖紙進(jìn)行作業(yè)，那么在外荷載作用下裂縫會(huì)進(jìn)一步延伸、擴(kuò)大，進(jìn)而出現(xiàn)混凝土保護(hù)層剝落、鋼筋松動(dòng)等現(xiàn)象，甚至導(dǎo)致房屋建筑結(jié)構(gòu)坍塌，嚴(yán)重降低了房屋建筑工程整體的安全性。

2.2 影響建筑結(jié)構(gòu)的耐久性

現(xiàn)澆混凝土的強(qiáng)度指標(biāo)是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求是決定房屋建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的關(guān)鍵，同時(shí)也是延長(zhǎng)其使用壽命的重要指標(biāo)。一旦現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫，在外荷載作用下便會(huì)發(fā)生剝落等現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也會(huì)隨之減弱，建筑結(jié)構(gòu)的耐久性也會(huì)逐漸下降。并且，裂縫病害會(huì)隨著水分子的作用不斷擴(kuò)散，造成內(nèi)部鋼筋被腐蝕、混凝土出現(xiàn)碳化等現(xiàn)象，進(jìn)一步降低了現(xiàn)澆混凝土的強(qiáng)度、影響了建筑結(jié)構(gòu)的耐久性。

3、在房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中加強(qiáng)現(xiàn)澆混凝土裂縫的控制措施

3.1 樹立現(xiàn)代化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念

目前，房屋建筑工程的結(jié)構(gòu)形式愈發(fā)復(fù)雜，現(xiàn)澆混凝土的設(shè)計(jì)是決定整體建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量的核心，科學(xué)合理的設(shè)計(jì)方案能有效提高房屋建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及協(xié)調(diào)性。因此，工程設(shè)計(jì)師應(yīng)樹立現(xiàn)代化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，遵循科學(xué)性、合理性、實(shí)用性及經(jīng)濟(jì)性等原則開展高質(zhì)量的設(shè)計(jì)工作，提高房屋建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)質(zhì)量，規(guī)避因質(zhì)量問(wèn)題引發(fā)的經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)，平衡項(xiàng)目設(shè)計(jì)各要素之間的矛盾以求獲得較好的協(xié)調(diào)性。

工程設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要根據(jù)房屋建筑結(jié)構(gòu)的建設(shè)規(guī)模及要求準(zhǔn)確計(jì)算出整體現(xiàn)澆混凝土能承受的最大荷載值，參考相關(guān)規(guī)范明確混凝土的強(qiáng)度及抗裂性能等指標(biāo)，確保設(shè)計(jì)效果能滿足房屋建筑結(jié)構(gòu)的防裂要求。運(yùn)用現(xiàn)代化設(shè)計(jì)理念優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆混凝土的性能指標(biāo)，以此提高整體建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，保障房屋建筑結(jié)構(gòu)的安全性。

3.2 優(yōu)化房屋建筑結(jié)構(gòu)的平面布局與立面布置

在對(duì)房屋建筑結(jié)構(gòu)開展設(shè)計(jì)工作時(shí)，工程設(shè)計(jì)師需要根據(jù)房屋建筑結(jié)構(gòu)的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化其平面布局與立面布置，保證局部現(xiàn)澆混凝土表面的平整性及結(jié)構(gòu)單元的規(guī)則性，避免現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)單元因整體不規(guī)則而導(dǎo)致局部構(gòu)件的應(yīng)力集中及其相鄰部位應(yīng)變不均勻所引發(fā)的裂縫問(wèn)題，由此規(guī)避裂縫病害。以筆者擔(dān)任結(jié)構(gòu)專業(yè)負(fù)責(zé)人完成設(shè)計(jì)的盛棠項(xiàng)目房屋建筑工程為例，該項(xiàng)目位于云南省文山州文山市城南片區(qū)，建筑的主要功能為住宅及附屬用房，建筑風(fēng)格為新中式風(fēng)格，建設(shè)規(guī)模較大，其大底盤多塔樓結(jié)構(gòu)中底盤的占地面積及上部塔樓的縱向總尺度都很大（大底盤長(zhǎng)度約245m，寬度約139 米）。

在對(duì)其結(jié)構(gòu)布置進(jìn)行優(yōu)化比選時(shí)，結(jié)構(gòu)工程師不僅要考慮住宅戶型的平面設(shè)計(jì)，還要結(jié)合建筑風(fēng)格合理劃分現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)單元體量的大小，并考慮伸縮縫、變形縫的平面布局與立面布置的關(guān)系等問(wèn)題（如圖1、圖2），使劃分后的結(jié)構(gòu)單元相對(duì)規(guī)則且縱向長(zhǎng)度適中，減小溫度應(yīng)力的不利影響。結(jié)構(gòu)工程師在兼顧滿足建筑使用功能和美觀要求的同時(shí)，尚需合理控制并劃分房屋結(jié)構(gòu)單元的長(zhǎng)度。當(dāng)某一結(jié)構(gòu)單元的長(zhǎng)度因建筑功能需要確需超過(guò)40m 時(shí)，在不設(shè)置變形縫的情況下，在結(jié)構(gòu)單元中部增設(shè)了后澆帶，后澆帶優(yōu)先設(shè)置在受彎構(gòu)件承受剪力較小的跨中部位（即：現(xiàn)澆梁板跨中距離支座約1/3 部位處），后澆帶的寬度控制在90cm 左右。本工程按照上述原則，通過(guò)對(duì)變形縫與后澆帶相互結(jié)合的設(shè)計(jì)，既保證了建筑結(jié)構(gòu)平面布局與立面布置的整體性與合理性，同時(shí)也兼顧了結(jié)構(gòu)施工的經(jīng)濟(jì)性，受到了建設(shè)單位與業(yè)主的好評(píng)。

圖1 盛棠項(xiàng)目底部大底盤結(jié)構(gòu)平面分縫示意圖

圖2 盛棠項(xiàng)目房屋建筑工程超長(zhǎng)立面分縫示意圖

對(duì)于掛板、女兒墻等外露構(gòu)件而言，如若其水平長(zhǎng)度超過(guò)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，則參考建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的要求將其長(zhǎng)度控制在12m 以內(nèi)，并設(shè)置伸縮縫。工程設(shè)計(jì)師要全面、綜合的分析各設(shè)計(jì)項(xiàng)目，在保證現(xiàn)澆混凝土設(shè)計(jì)質(zhì)量的基礎(chǔ)上，提高建筑結(jié)構(gòu)的整體性，通過(guò)合理規(guī)劃結(jié)構(gòu)平面布局，增強(qiáng)其抗裂性能，延長(zhǎng)房屋建筑結(jié)構(gòu)的使用壽命。

3.3 完善配筋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案

完善配筋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化配筋率是控制現(xiàn)澆混凝土裂縫的有效方法。在房屋建筑結(jié)構(gòu)的不同部位其配筋率并不相同，并且時(shí)常存在配筋不均勻的問(wèn)題，為了加強(qiáng)混凝土裂縫的控制，工程設(shè)計(jì)師可參考《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010-2010，2015 版）中的相關(guān)內(nèi)容計(jì)算出受拉鋼筋最小的配筋率，以此把控配筋數(shù)量，保證配筋設(shè)計(jì)的平衡性。就上述工程而言，針對(duì)現(xiàn)澆樓板局部不規(guī)則的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改善，即：通過(guò)相應(yīng)的計(jì)算模型對(duì)地震作用及內(nèi)力調(diào)整的實(shí)際參數(shù)進(jìn)行了分析，工程設(shè)計(jì)師參考計(jì)算結(jié)果在樓板陰角和陽(yáng)角部位增設(shè)了受力鋼筋，加強(qiáng)了樓板承載力；同時(shí)提高了樓板凹凸部位及其豎向構(gòu)件的配筋率，采取綜合加固的設(shè)計(jì)方式提升了現(xiàn)澆混凝土的強(qiáng)度，降低裂縫發(fā)生率。

3.4 增強(qiáng)混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度

房屋建筑結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆混凝土的強(qiáng)度同裂縫問(wèn)題有著直接聯(lián)系，而水灰比的數(shù)值也會(huì)影響現(xiàn)澆混凝土的強(qiáng)度性能。對(duì)此，工程設(shè)計(jì)師要充分認(rèn)識(shí)到混凝土強(qiáng)度對(duì)整體建筑結(jié)構(gòu)的重要性，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)酌情增強(qiáng)混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，合理控制水泥用量，提高現(xiàn)澆混凝土的各項(xiàng)性能指標(biāo)。如若設(shè)計(jì)方案存在缺陷導(dǎo)致水泥添加量過(guò)多，在后續(xù)施工過(guò)程中現(xiàn)澆混凝土便容易出現(xiàn)裂縫問(wèn)題，這樣一來(lái)，不僅需要施工人員進(jìn)行補(bǔ)修，還會(huì)增加施工成本。為了滿足房屋建筑結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆混凝土的強(qiáng)度需求，工程設(shè)計(jì)師可加強(qiáng)主體結(jié)構(gòu)梁、板、柱的混凝土強(qiáng)度等級(jí)，通常達(dá)到C25～C40 即可；而填充墻砌體及砂漿的強(qiáng)度等級(jí)需要分別達(dá)到Mu10 及Ms5.0 以上，由此達(dá)到增強(qiáng)效果，規(guī)避裂縫問(wèn)題。

4、預(yù)防現(xiàn)澆混凝土裂縫的有效策略

4.1 加大施工現(xiàn)場(chǎng)的質(zhì)量管控力度

施工質(zhì)量管理工作是保證房屋建筑工程順利完工的基礎(chǔ)，也是有效控制混凝土裂縫的重要手段。工程負(fù)責(zé)人要結(jié)合實(shí)際情況制定完善的質(zhì)量管理制度，參考相關(guān)法規(guī)增強(qiáng)制度的嚴(yán)謹(jǐn)性，也可利用PDCA 質(zhì)量循環(huán)管理法（如圖3）提高施工質(zhì)量的管理水平，加強(qiáng)施工質(zhì)量的精細(xì)化管理?，F(xiàn)場(chǎng)管理人員要明確自身管理職責(zé)，充分掌握房屋建筑結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆混凝土的管理重點(diǎn)，詳細(xì)了解質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，切實(shí)將質(zhì)量管理工作落實(shí)到建筑工程施工的全過(guò)程中。質(zhì)量監(jiān)管人員要嚴(yán)格檢測(cè)現(xiàn)澆混凝土的各類原材料，保證材料質(zhì)量符合使用標(biāo)準(zhǔn)，從根源把控現(xiàn)澆混凝土的施工質(zhì)量，預(yù)防裂縫問(wèn)題。針對(duì)容易產(chǎn)生裂縫的部位，質(zhì)量監(jiān)管人員應(yīng)加強(qiáng)管理力度，并制定有效的預(yù)防措施防止裂縫發(fā)生，如若裂縫已經(jīng)產(chǎn)生也要及時(shí)采取控制措施遏制其繼續(xù)延伸。

圖3 PDCA 質(zhì)量循環(huán)管理示意圖

4.2 選擇合適的施工技術(shù)

除了嚴(yán)格控制房屋建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)質(zhì)量，還需選擇合適的施工技術(shù)確保現(xiàn)澆混凝土的施工質(zhì)量能滿足建設(shè)要求。在實(shí)際施工過(guò)程中，為了防止現(xiàn)澆混凝土產(chǎn)生較大應(yīng)力、以防建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生收縮或膨脹等現(xiàn)象，施工人員可根據(jù)混凝土澆筑的實(shí)際情況采取收縮技術(shù)添加不同類型及性能的膨脹劑，避免混凝土出現(xiàn)裂縫。同時(shí)，施工人員還要做好現(xiàn)澆混凝土的日常維護(hù)及保養(yǎng)工作，可采用邊施工邊保養(yǎng)的方式對(duì)現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)開展具體作業(yè)，以防現(xiàn)澆混凝土出現(xiàn)嚴(yán)重裂縫。

4.3 保證混凝土配比和的準(zhǔn)確性

混凝土配比的準(zhǔn)確性是決定現(xiàn)澆混凝土強(qiáng)度及各項(xiàng)指標(biāo)的核心。施工人員在配置現(xiàn)澆混凝土混合料時(shí)，要保證混凝土配比的準(zhǔn)確性，加強(qiáng)精細(xì)化配置操作，確保混凝土配置性能符合房屋建筑結(jié)構(gòu)的抗裂要求。在配置混凝土材料時(shí)，施工人員可參考相關(guān)規(guī)定選擇品質(zhì)優(yōu)、性能穩(wěn)定的水泥材料及石砂材質(zhì)，依照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、采用規(guī)范技術(shù)對(duì)石砂和水泥進(jìn)行科學(xué)配比（如表1），以防混凝土材料在配置過(guò)程中出現(xiàn)泌水性較高或離析等問(wèn)題，避免在后續(xù)使用過(guò)程中產(chǎn)生裂縫病害。另外，為了增強(qiáng)現(xiàn)澆混凝土的強(qiáng)度，施工人員可根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)選擇合適的外加劑或摻合料添加至混凝土混合料中，在保證混凝土原有設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，提高混凝土材料的各項(xiàng)性能，規(guī)避裂縫問(wèn)題。

表1 混凝土配合比表格

4.4 合理控制現(xiàn)澆混凝土的溫度

自然環(huán)境的溫度變化也是造成現(xiàn)澆混凝土裂縫病害的主要因素。由于房屋建筑工程的施工周期長(zhǎng)、建設(shè)規(guī)模大且過(guò)程繁瑣，所以在施工過(guò)程中可能會(huì)跨越不同季節(jié)，在溫差大幅度升降的情況下現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)則極易產(chǎn)生裂縫。因此，施工人員不僅要嚴(yán)格把控混凝土的澆筑溫度，還要合理控制混凝土的拆模溫度，要盡可能避免在極端天氣時(shí)工作，以防溫度變化過(guò)大降低現(xiàn)澆混凝土的強(qiáng)度。在完成混凝土澆筑后，其內(nèi)部溫度與表面溫差較大，為了防止內(nèi)部水化熱過(guò)高、縮小內(nèi)外溫差，施工人員要在混凝土達(dá)到初凝狀態(tài)時(shí)對(duì)其進(jìn)行澆水養(yǎng)護(hù)，以此維持混凝土內(nèi)外溫度的平衡性、保持混凝土的濕度。此外，澆筑完成后12h 以內(nèi)，施工人員可將塑料薄膜覆蓋至現(xiàn)澆混凝土表面，以防混凝土表面因缺水發(fā)生硬化膨脹或凍結(jié)收縮等不良現(xiàn)象，避免其產(chǎn)生裂縫。

結(jié)語(yǔ)：

在房屋建筑結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆混凝土設(shè)計(jì)階段，工程設(shè)計(jì)師要全面、綜合的分析整體建筑結(jié)構(gòu)，根據(jù)工程規(guī)模、質(zhì)量要求及現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度指標(biāo)等進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，科學(xué)規(guī)劃建筑結(jié)構(gòu)的平面布局。參考相關(guān)規(guī)范計(jì)算出結(jié)構(gòu)外荷載及次應(yīng)力參數(shù)，提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)度，確?，F(xiàn)澆混凝土的設(shè)計(jì)指標(biāo)滿足房屋建筑結(jié)構(gòu)的防裂要求，嚴(yán)格控制裂縫病害，強(qiáng)化房屋建筑結(jié)構(gòu)的安全性及穩(wěn)定性，為建筑企業(yè)穩(wěn)定發(fā)展奠定良好基礎(chǔ)。