黃志彬

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(guó)城市建設(shè)，混凝土結(jié)構(gòu)得到了廣泛的應(yīng)用。但混凝土工程當(dāng)前存在著的結(jié)構(gòu)裂縫問(wèn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，混凝土結(jié)構(gòu)裂縫是很難避免的，這與材料本身的特性及結(jié)構(gòu)的受力變形機(jī)理密切相關(guān)。所以要滿足建筑的需求和結(jié)構(gòu)的需要，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就是要把混凝土裂縫控制在合理的范圍內(nèi)。下面結(jié)合工作實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)，就建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的成因及控制措施進(jìn)行了探討。

一、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中裂縫形成的原因分析

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

1.混凝土水化熱引起的混凝土結(jié)構(gòu)裂縫

當(dāng)前混凝土現(xiàn)澆施工中，均不同程度加入緩凝劑或早強(qiáng)劑等添加劑，造成混凝土硬化過(guò)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(dǎo)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(shí)間差異使混凝土內(nèi)部水化熱不均勻釋放，導(dǎo)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(yīng)力引起的混凝土結(jié)構(gòu)裂縫

建筑物在使用過(guò)程中，混凝土結(jié)構(gòu)受到外界環(huán)境溫度變化而產(chǎn)生熱脹冷縮，當(dāng)結(jié)構(gòu)變形受到約束時(shí)，將會(huì)引起應(yīng)力。若溫度變形收到相鄰結(jié)構(gòu)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(diǎn)之間的約束，屬于內(nèi)約束。約束使溫度變形無(wú)法自由實(shí)施的情況下引起的結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力（約束應(yīng)力）超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生混凝土結(jié)構(gòu)裂縫。外約束應(yīng)力常見(jiàn)于炎熱地區(qū)或嚴(yán)寒地區(qū)，而內(nèi)約束應(yīng)力常見(jiàn)于日溫差較大的山區(qū)。

3.結(jié)構(gòu)變形不協(xié)調(diào)引起的混凝土結(jié)構(gòu)裂縫

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，有時(shí)會(huì)不注意將剛度差異較大的結(jié)構(gòu)設(shè)置在一起，導(dǎo)致協(xié)同變形中，剛度較大的結(jié)構(gòu)拉壞剛度較小的結(jié)構(gòu)。如預(yù)應(yīng)力梁、框支梁等高度較大梁變形較大，經(jīng)常會(huì)把位于梁受拉（壓）區(qū)的側(cè)邊樓板帶動(dòng)變形而產(chǎn)生混凝土結(jié)構(gòu)裂縫。

4.結(jié)構(gòu)受力引起的混凝土結(jié)構(gòu)裂縫

因?yàn)樵O(shè)計(jì)不完善、施工不到位，造成結(jié)構(gòu)個(gè)別部位薄弱、有缺陷，當(dāng)結(jié)構(gòu)受力時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力集中而開(kāi)裂。如樓板內(nèi)暗埋線管減少結(jié)構(gòu)實(shí)際厚度，且線管下方因施工不到位而沒(méi)形成密實(shí)混凝土，造成板跨中暗埋線管處板底開(kāi)裂。

5.地基變形引起的混凝土結(jié)構(gòu)裂縫

在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)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(huì)有沉降的影響，但是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的軟基脫水固結(jié)，也會(huì)造成建筑物不均勻沉降而產(chǎn)生開(kāi)裂。此外，有些建筑地基是換填處理的，也會(huì)在長(zhǎng)時(shí)間的填土固結(jié)變形中產(chǎn)生不均勻沉降而導(dǎo)致上部混凝土結(jié)構(gòu)開(kāi)裂。

二、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中裂縫的控制措施

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

1.合理設(shè)置建筑變形縫

在混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制過(guò)程中，可以通過(guò)設(shè)置伸縮縫、沉降縫，將結(jié)構(gòu)劃分為幾個(gè)自由獨(dú)立變形結(jié)構(gòu)單體，可以有效地解決結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力和收縮應(yīng)力過(guò)大、以及基礎(chǔ)不均勻沉降的問(wèn)題。然而，設(shè)置變形縫會(huì)受到建筑使用功能的限制，例如，在伸縮縫設(shè)置時(shí)，由于建筑使用功能的不可分割性而不能設(shè)置。而且，變形縫的防水防潮問(wèn)題一直沒(méi)得到很好的解決。

2.設(shè)置混凝土后澆帶

后澆帶，是解決不能設(shè)置伸縮縫時(shí)的一種解決方式。后澆帶一般設(shè)計(jì)為，在樓層結(jié)構(gòu)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(shí)間以后，才采用微膨脹混凝土進(jìn)行澆筑。設(shè)置后澆帶能夠有效地解決不適宜設(shè)置伸縮縫的結(jié)構(gòu)混凝土，澆筑和固化過(guò)程的伸縮變形而產(chǎn)生裂縫問(wèn)題。甚至，后澆帶能解決建筑前期固結(jié)敏感土質(zhì)上的沉降差問(wèn)題。但是，后澆帶無(wú)法解決后期使用過(guò)程中，混凝土溫度變形和結(jié)構(gòu)不均勻沉降變形產(chǎn)生裂縫的問(wèn)題。

3.設(shè)置混凝土加強(qiáng)帶

因?yàn)楹鬂矌У氖┕ぶ芷谳^長(zhǎng)，有時(shí)會(huì)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(qiáng)帶代替后澆帶來(lái)進(jìn)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(yù)壓力，這種預(yù)壓力可以抵消溫度應(yīng)力的作用，防止混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫。加強(qiáng)帶能解決一次成型的超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的施工問(wèn)題。但是，加強(qiáng)帶中膨脹劑的摻量控制不好，產(chǎn)生的預(yù)壓力過(guò)大或過(guò)小也會(huì)造成混凝土開(kāi)裂。其次，由于加強(qiáng)帶需要整層樓板混凝土摻入膨脹劑，導(dǎo)致施工成本有所增加。

4.完善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增加抗裂構(gòu)造措施

在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(kāi)洞、穿線管等減弱結(jié)構(gòu)受力的地方，增設(shè)構(gòu)造配筋或增加結(jié)構(gòu)厚度；在容易產(chǎn)生變形集中的板角加設(shè)加強(qiáng)筋；預(yù)應(yīng)力梁及大梁側(cè)邊板厚度適當(dāng)增加且雙層配筋等等。增加構(gòu)造性配筋，雖然會(huì)增加建設(shè)成本，但對(duì)于控制建筑結(jié)構(gòu)開(kāi)裂會(huì)有明顯的效益。

5.采用保溫隔熱措施

為避免混凝土結(jié)構(gòu)因溫度應(yīng)力產(chǎn)生裂縫，除了混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)通過(guò)覆蓋及澆水來(lái)保持混凝土均勻散熱外，建筑設(shè)計(jì)中還設(shè)計(jì)屋面保溫層、外墻隔熱層等保溫隔熱措施，來(lái)避免日常使用中溫度應(yīng)力對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的影響。

6.采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)

無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)作為一種抗裂技術(shù)，在混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制發(fā)揮著重要的作用。在鋼筋混凝土應(yīng)用中，通過(guò)預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉而產(chǎn)生較大的預(yù)壓力，可以抵消混凝土收縮時(shí)產(chǎn)生的拉應(yīng)力，防止混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫。

三、工程實(shí)例

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

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

2.上部結(jié)構(gòu)的裂縫控制

結(jié)合本工程建筑建設(shè)的特點(diǎn)，主樓與裙樓分為兩個(gè)單體，因此在裙房與主樓連接處設(shè)置寬120mm伸縮縫，以降低整個(gè)結(jié)構(gòu)的混凝土溫度應(yīng)力和收縮應(yīng)力。

由于裙樓內(nèi)部功能需要不能設(shè)置伸縮縫。因此，對(duì)裙樓部分混凝土結(jié)構(gòu)裂縫進(jìn)行控制時(shí)，應(yīng)采取以下措施：（1）一層頂至屋頂縱向設(shè)置寬后澆帶。（2）混凝土構(gòu)件不外露，利用填充墻外包，以降低混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件溫度應(yīng)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(shè)板角加強(qiáng)筋。（6）在施工過(guò)程中合理設(shè)計(jì)混凝土配比。在滿足混凝土強(qiáng)度下，盡量減少水泥用量，在混凝土澆筑完畢后，要及時(shí)進(jìn)行混凝土養(yǎng)護(hù)，并控制好混凝土入模溫度。

另外，主樓兩側(cè)建筑布置較為靈活，這樣不僅有利于結(jié)構(gòu)的抗震，而且可以有效地解決結(jié)構(gòu)混凝土溫度應(yīng)力及收縮應(yīng)力問(wèn)題。

該工程結(jié)合建筑功能和結(jié)構(gòu)安全要求，考慮到結(jié)構(gòu)施工的可行性和經(jīng)濟(jì)性，采取混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的控制措施，并經(jīng)實(shí)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(jié)語(yǔ)

總之，混凝土結(jié)構(gòu)裂縫一直是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工中的熱點(diǎn)問(wèn)題。因此，為了解決混凝土結(jié)構(gòu)裂縫這一困擾，我們需要掌握好建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中裂縫形成的原因，并及時(shí)采取合理有效的控制措施，以確保建筑工程結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。

（作者單位：廣州軍區(qū)建筑設(shè)計(jì)院）