工程结构裂缝控制的综合方法

工程结构裂缝控制的综合方法(王铁梦)由于变形作用（水化热、收缩,气温差）引起工程结构的裂缝是很复杂并很重要的问题。作者在大量的施工和处理裂缝的经验以及理论研究基础上提出“工程结构裂缝控制的综合方法”，包括结构力学近似计算法、结构与基础的共同作用、施工技术、材料优选、以及环境条件等。[关键词]工程结构裂缝:控制结构设计施工方法材料环境条件1建筑工程的质量问题半个世纪以来，我国建筑业取得了辉煌的成就，其中混凝土结构、预应力混凝土结构技术突飞猛进，日新月异，取得大批先进、成熟的科技成果，混凝土结构设计理论与设计规范水平已跻身世界先进行列。在建筑材料方面开发出一大批新型高强和高性能材料，如高强混凝土、超高强混凝土、高性能混凝土、超高性能混凝土、轻质混凝土、钢纤维、塑料纤维、玻璃纤维混凝土、碳纤维混凝土、约束混凝土等，大批新品种的外加剂和掺合料已出现在建筑市场。在砖混结构方面，我国的空心砖及砌块建筑也获得迅速发展。在建筑领域，泵送混凝土的发展实现了混凝土商品化供应方式，从而改变了以预制化作为混凝土结构的设计方向，转向现浇整体结构，在施工方面，由硬性混凝土转向流动性混凝土。我们应当看到在大规模建设取得上述巨大成就的同时还存在着质量问题。目前，在工程结构领域中一个相当普遍的问题是建筑物的裂缝问题，并且近年来日趋增多，它已影响到生活和生产，并困扰着大批工程技术人员和管理人员，是迫切需要解决的技术难题。2建筑物裂缝的综合性原因国际上关于荷载作用下构件的裂缝扩展问题，都应用纯经验计算公式，虽然其计算结果与实际出入较大，还可参考应用。但一般工程设计中，只进行荷载作用下的承载力计算，却经常忽略了裂缝的验算(除有特殊要求外)。按照国际上近代结构的极限状态设计原则，整体建筑结构的功能必需满足两种极限状态的要求:①承载能力的极限状态，以确保结构不产生破坏，不失去平衡，不产生破坏时过的变形，不失去稳定，即不超过承载力的极限状态；②正常使用极限状态，以确保结构不产生超过正常使用状态的变形、裂缝及耐久性、振动以及其它影响使用的极限状态。目前人们对第一极限状态已给子足够的重视并严格执行，而对第二极限状态却经常被忽视了。近年来，工程裂缝是影响正常使用极限状态的主要因素。裂缝产生的原因主要是变形作用，如温度变形、收缩变形、基础不均匀沉降变形等多因素，统称为变形作用引起的裂缝问题，此类裂缝几乎占全部裂缝的80%以上。对于变形作用引起的裂缝研究还很不成熟，缺乏有关规范及规程，它涉及到结构设计、地基基础、施工技术、材料质量、环境状态等诸多因素，特别是泵送混凝土施工工艺的发展，使得混凝土裂缝控制的技术难度大大增加。例如过去干硬性及预制混凝土的收缩变形约为2.5×10-4~3.5×10-4,而现在泵送流态混凝土约为6×10-4~8×10-4，水化热也大幅度增高。3裂缝控制的综合方法3.1结构设计方面3.1.1结构温度伸缩缝间距问题根据《混凝土结构设计规范》(GBJ10-89)，为避免结构由于温度收缩应力引起的开裂,采取永久式伸缩的方法，伸缩缝允许间距为30-55m(室内或土中长墙、剪力墙结构及框架结构)，露天条件下为20~35m，规范的附注中又明确指出:如有充分依据和可靠措施时，上述规定可以增减。其它有关的规程中还有允许采用“后浇带”取代伸缩缝的办法。3.1.2后浇带的有效作用现行规范的伸缩缝规定是把结构长度看作控制开裂与否的唯一因素。根据大量现场调查，引起结构裂缝的原因是综合性的，结构长度只是影响温度收缩应力综合因素之一，而不是唯一的因素。仅就长度而言，结构长度与应力呈非线性关系，如结构长度小于规范的规定，似乎结构内力影响很小，伸缩缝或后浇带可以有效地控制裂缝，但是对于承受很大温差和收缩作用的现浇楼板、大截面梁、剪力墙及长墙等约束度较高的结构，裂缝的概率仍然很高。此外，由于综合因素的关系，有些工程长度超过规范的规定并没有开裂。从防水角度分析，由于近代建筑规模日趋宏大，超长、超宽、超厚结构都日趋增多，永久性的变形缝(包括伸缩缝、沉降缝、抗震缝)给工程的防水质量带来严重不利，止水带渗漏是常见而又难以处理的质量缺陷。所以，后浇带的应用是一种进步，但并不是在任何条件下都能奏效。利用后浇带取代永久伸缩缝时应当注意以下两个问题:①后浇带中清理垃圾困难，接缝不密实，防水质量差，后期可能形成两条裂缝，因此后浇带的构造很重要:②后浇带的间距不宜过长(30m左右)，填充封闭时间不宜过短，以能将总降温及收缩变形进行一半以上的时间为佳，从目前混凝土的收缩量来看，估计3-6个月方能取得明显效果，最短不少于45d:在软土地区，填充时间在结构封顶以后，方可有效地释放差异沉降的应力。如通过地基处理解决差异沉降问题，为此目的而设的后浇带可以不设。根据现场实践经验，裂缝分为有害的及无害的两类，有害与无害的界限由使用功能而定。当采取必要的设计、施工及材料措施控制有害裂缝的产生或由于估计不足等因素，即便出现少量有害裂缝，通过化学灌浆处理，仍然满足设计使用要求，即可取消后浇带。实践证明，从长期正常使用来看，这种以“抗”为主的无缝工程较留永久性变形缝具有一系列的优点如整体性好、防水性好、抗震性好、施工方便等。3.1.3结构约束问题结构物的变形有3种:自由变形、约束变形和实际变形(显现变形)，其中只有约束变形产生约束应力。约束变形(约束应力)超过建筑材料的极限拉伸(抗拉强度)，便引起裂缝。变形作用引起的作用力有最大值，设计者可以采取抗与放”或“抗放兼施”进行结构形式的设计。留伸缩缝与不留伸缩缝的方法都是以“放”或“抗”为主的方法，做得合适，都可以使结构不产生有害裂缝。结构所受到的外部作用分为：外荷载(静动荷载)，可看作是第一类荷载:具有十分重要的外部作用是变形作用，即第一类荷载为间接荷载，变形作用包括温度、湿度、地基不均匀沉降，在该作用下，结构的抗力取决于混凝土的抗拉性能，即抗拉强度和抗拉变形。做结构裂缝分析时，首先应当注意第一类荷载引起裂缝的可能，特别值得注意的是那些自重荷载超过极限承载力约30%的结构，拆模后发现0.lmm左右的裂缝是正常的结构受力状态。当结构的极限承载力取决于抗拉、抗剪和稳定条件时，变形作用引起的裂缝对结构极限承载力的影响是不允许忽视的，常说“温度收缩裂缝没关系”是不全面的，有时梁板结构产生贯穿性裂缝可能降低抗剪和冲切承载力。关于框排架约束应力计算可查参考文献1，本文对目前常出现的竖向开裂计算作一介绍。连续式约束条件下大底板、长墙、剪力墙、楼板等最大约束应力近似计算公式或按时间增量计算:当应力超过抗拉强度时，可求出裂缝间距:式中:T—包含水化热、气温差及收缩当量温差，同号叠加，异号取差，由此可见，夏天炎热季节浇筑混凝土到秋冬冷缩及收缩都是叠加的,拉应力较大。H(t,T)—松弛系数，在保温保湿养护条件下(缓慢降温即缓慢收缩)，可按“工程结构裂缝控制”第123页表5-1取值:如不考虑龄期的影响则按表5一2取值:施工养护条件良好者总降温差包括水化热降温差及收缩当量温差一次计算(即非分段计算)，松弛系数在良好的温湿度养护条件下取0.3或0.5养护一般)，当寒潮袭击或激烈干燥时，松弛系数为O.8，应力接近弹性应力，容易开裂。当拉应力超过设计强度时，应验算裂缝间距，再根据裂缝间距验算裂缝宽度(注意:裂缝间距既是伸缩缝间距，又是后浇带间距，如果建筑物的总长小于或等于该间距，则该建筑物即可取消伸缩缝，计算后浇带间距所取的降温及收缩只是后浇带封闭前的一段降温及收缩差，但还应验算后浇带封闭后的应力，这是采用结构的、全长和封闭后温度及收缩差):T=T1+T2+T3(水化热温差、气温差、收缩当量差，取代数和):混凝土的极限拉伸，级配不良，养护不佳，约为；正常级配，一般养护，为；级配良好，养护优良，取；配筋合理(细一些、密一些)，可提高极限拉伸20%一40%。构造配筋率宜为0.3%一0.5%。H—均拉层厚度(强约束区):E-混凝土弹性模量:,Cx—水平约束系数:ch,arcch-双曲余弦及双曲余弦反函数:a—线膨胀系数:一般情况，当时，取公式(3),(4),(5)告诉我们，控制开裂的主要因素是约束、温差及收缩和混凝土的极限拉伸。我们尽力降低前两项数值同时尽力提高极限拉伸方能有效的解决裂缝问题。根据公式，可求出平均裂缝间距[L],最大裂缝间距[L]、最小裂缝间距，进一步算出平均裂缝宽度、最大、最小裂缝宽。从公式(3),(4),(5)可看出，设计上减少约束程度(滑动层、可动节点、变截面处理等)的作用，温差变形(包括收缩)与极限拉伸的差别越小，允许长度越大，当温差变形aT等于极限拉伸或Cx一0，则L一∞。当极限拉伸一0时，L一0，它们之间是非线性关系。应当强调，不仅设计，在施工及材料方面亦都应当尽可能采取措施减少温差(收缩差)，提高极限拉伸，降低约束程度达到综合控制裂缝目的。裂缝开展宽度：式中:为裂缝宽度经验系数，如表1所示:约束系数Cx值如表2所示。从工程经验可知，高层建筑混凝土大底板对长墙的约束系数Cx比地基对混凝土大底板的约束系数约大l00倍(300一600mm墙1.5-2.5m板)，故地基上混凝土底板的裂缝率极低，而长墙的裂缝率极高。因此受混凝土基础约束的长墙出现轻微的竖向裂缝是可以谅解的，经略加处理(裂缝化学灌浆)仍然满足设计施工的要求，不宜据此降低评级标准。3.1.4加强构造配筋问题设计时注意构造配筋十分重要，它对结构抗裂影响很大。但目前国内外对此都不够重视。对连续式板不宜采用分离式配筋，应采用上下两层(包括受压区)连续式配筋:对转角处的楼板(受双向约束较大)宜配上下两层放射筋，孔洞处配加强筋:对混凝土梁的腰部增配构造钢筋，其自径为8-14mm,间距约200mm，视情况而定。3.1.5混凝土结构形式与强度等级问题在水平结构(如梁、板、墙等)中，尽量采用中低档混凝土的强度等级(C25-C35)，利用后期强度R60。泵送混凝土的迅速发展，由于流动性与和易性的要求，坍落度增加，水灰比增大，水泥标号提高，水泥用量、用水量、砂率均增加，骨料粒径减小，减水剂及其它外加剂的增加等诸因素的变化，导致混凝土的收缩及水化热作用都比以往预制装配工程结构和中低强度等级混凝土大量增加，收缩时间延长，已为大量试验所证实。在裂缝控制中决定混凝土抗力的是抗拉强度(极限拉伸)。水泥用量及标号的增加，可明显提高抗压强度，但对抗拉强度(极限拉伸)的提高是较小的。同时在结构设计方面，已从过去大量运用简支构件组合的静定体系发展为超静定框架和剪力墙体系，新结构体系的约束度显著增加，约束应力也相应增加。随着建设规模的日趋宏大，超长、超宽、超厚结构日趋增多，对结构的约束应力更是雪上加霜。混凝土高强化，缺乏考虑适用范围而推广到长墙、板梁、箱体等承受水平约束应力很高的结构中，导致过大的约束应力。工程结构设计中应当特别注意混合结构的约束状态，尽可能降低结构的约束度(约束变形与自由变形之比)。各种砌块结构的抗裂性能较差，又由于砌体含水量较大导致收缩变形较大，与混凝土共同工作协调性不良，常引起严重开裂(特别在顶层楼板和墙体约束温度应力及填充框架变形裂缝)。在基岩上或老混凝土上常采用设滑动层的作法(放的设计原则)和设铰接节点的作法(微动节点)。在约束度很高的结构中，除合理选择材料强度等级外，必须加强构造配筋(抗的设计原则)，提高抗裂能力。平屋顶结构的设计，应注意加强屋面保温隔热措施，尽可能采用性能较好的保温材料、防水材料，有条件的地区可利用架空隔热板以减少太阳辐射引起的升温。变形作用引起的开裂多发区经常在高层建筑的地下室及地上1,2层(强约束区)以及顶层(温差及收缩激烈波动区)，所以要加强这些区域的构造设计。钢筋保护层厚度过薄，对于耐久性不利:过厚会增加开裂宽度和开裂率，所以应根据耐久性要求的最小允许厚度确定，如C25-C35的混凝土结构，按50年设计寿命考虑，保护层厚度最小应为25mm,混凝土强度等级≦C20时为35mm,混凝土强度等级≧C35时，取15mm:遇有高湿环境时应加厚保护层:保护层厚度不均匀容易引起裂缝:楼板的一次浇灌层应注意其抗裂性。3.2施工