砌體結(jié)構(gòu)裂縫成因及預(yù)防措施

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⒈裂縫的類型及成因

   按裂縫的成因，墻體裂縫可分為受力裂縫和非受力裂縫兩大類。各種直接荷載作用下，墻體產(chǎn)生的裂縫稱為受力裂縫。而砌體因收縮、溫度、濕度變化，地基沉陷不均等引起的裂縫是非受力裂縫，又稱變形裂縫。砌體房屋的裂縫中變形裂縫占80％以上^[1]，其中溫度裂縫更為突出。相對(duì)于受力裂縫，變形裂縫的產(chǎn)生機(jī)理和影響因素復(fù)雜得多，本文主要分析砌體結(jié)構(gòu)的變形裂縫。

1.1砌體房屋的溫度變形

1.1.1 溫度裂縫的主要形態(tài)

最常見的溫度裂縫出現(xiàn)在混凝土平屋蓋房屋的頂層兩端墻體和山墻上。如在門窗洞邊的正“八”字斜裂縫、山墻上部的斜裂縫、平屋頂下或屋頂圈梁下沿磚(塊)灰縫的水平裂縫、以及水平包角裂縫(包括女兒墻)等。

溫度裂縫是造成墻體早期裂縫的主要原因。這些裂縫一般經(jīng)過(guò)一個(gè)冬夏之后才逐漸穩(wěn)定,不再繼續(xù)發(fā)展,裂縫的寬度隨著溫度變化而略有變化。溫度裂縫有明顯的規(guī)律性：兩端重中間輕，頂層重往下輕，陽(yáng)面重陰面輕。

1.1.2 溫度裂縫產(chǎn)生機(jī)理

對(duì)于磚砌體的結(jié)構(gòu)，磚砌體的線膨脹系數(shù)5×10^－6，是混凝土的一半。當(dāng)外界溫度升高時(shí)，混凝土頂蓋變形大，墻體變形相對(duì)較小，導(dǎo)致磚砌體和混凝土屋蓋之間產(chǎn)生約束應(yīng)力。使屋蓋受壓，墻體受拉、受剪。當(dāng)約束條件下溫度變形引起的溫度應(yīng)力足夠大時(shí),墻體就會(huì)產(chǎn)生溫度裂縫。

混凝土砌塊墻體的線膨脹系數(shù)與混凝土屋蓋相同。在夏季陽(yáng)光照射下，兩者之間存在一定的溫差。屋面最高溫度可達(dá)40℃～50℃，而頂層外墻平均最高溫度約為30℃～35℃。屋面和頂層外墻存在10℃～15℃的溫差，兩者的溫差可能引起墻體開裂。另外，從材料上

看，相同砂漿強(qiáng)度等級(jí)下抗拉、抗剪強(qiáng)度混凝土砌塊比磚砌體小了很多，沿齒縫截面彎拉強(qiáng)度僅為磚砌體的30％～35％，沿通縫彎拉強(qiáng)度僅為磚砌體的45％～50％，抗剪強(qiáng)度僅為磚砌體的50％～55％。因此，在相同受力狀態(tài)下，混凝土砌塊抵抗拉力和剪力的能力要比磚砌體小很多，所以更容易開裂。

1.1.3 溫度應(yīng)力的估算

砌體結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力可通過(guò)下式估算^[2]：

         (1－1)

             （1－2）

當(dāng)頂板與墻體材料不同時(shí)，

式中，Cx－水平阻力系數(shù)，混凝土板與墻體Cx=0.3~0.6N/mm³，混凝土板和鋼筋混凝土圈梁Cx=1.0N/mm³;

      t－墻厚；

      b－一面墻負(fù)擔(dān)的樓板寬度；

      h－頂板厚度；

      Es－混凝土的彈性模量；

      α₁－墻的線膨脹系數(shù)，磚砌體5×10^－6；

α₂－頂板線膨脹系數(shù)，混凝土10×10^－6；

T₁－墻的溫度；

T₂－頂板的溫度；

L－墻長(zhǎng)。

式（1－1）中τ_max為彈性剪應(yīng)力。考慮升溫較快，取應(yīng)力松弛系數(shù)H（t）=0.7~0.8，則砌體的徐變剪應(yīng)力為：

           （1－3）

對(duì)于頂層墻體，墻體的壓應(yīng)力較小，墻體的剪應(yīng)力近似等于主拉應(yīng)力。根據(jù)式（1－1），墻體的剪應(yīng)力與溫差、水平阻力系數(shù)Cx以及建筑物長(zhǎng)度有關(guān)。

從式（1－1）可知，墻體剪應(yīng)力與溫差成正比。因此，采取隔熱措施以減少溫差，可達(dá)到減小主拉應(yīng)力的目的；墻體剪應(yīng)力與成正比。如水平阻力系數(shù)Cx降低30％，則剪應(yīng)力降低16％。因此，可通過(guò)在鋼筋混凝土屋面板與墻體圈梁的接觸面處設(shè)置水平滑動(dòng)層來(lái)減少頂板與墻體的約束作用，滑動(dòng)層可采用兩層油氈夾滑石粉或橡膠片等^[3]；剪應(yīng)力和建筑物的長(zhǎng)度呈非線性關(guān)系，增加長(zhǎng)度，剪應(yīng)力隨之增加。    

1.1.4 溫度變形的估算

粘土和混凝土砌體都有與溫度變化成比例的特性，溫度變形的大小可以根據(jù)熱膨脹系數(shù)計(jì)算。構(gòu)件受到溫度變化為△T的構(gòu)件，長(zhǎng)度變化△L可以表達(dá)為

               （1－4）

其中，△L－溫度變形；

α－熱膨脹系數(shù)，磚砌體5×10^－6，混凝土砌塊10×10^－6；

L－受到溫度變化的構(gòu)件長(zhǎng)度；

△T－溫度變化。

1.2砌體房屋的收縮變形

1.2.1 收縮裂縫的形態(tài)

因砌塊收縮引起的墻體裂縫，在混凝土砌塊房屋中比較普遍。在內(nèi)外墻、在房屋的各層均可能出現(xiàn)。干縮裂縫形態(tài)一般有：⑴在墻體中部出現(xiàn)的階梯形裂縫；⑵環(huán)塊體周邊灰縫的裂縫；⑶在外墻的窗下墻出現(xiàn)豎向均勻裂縫；⑷山墻等大墻面出現(xiàn)的豎向、水平向裂縫。收縮裂縫一般多出現(xiàn)在下部幾層，有的砌塊房屋山墻大墻面中間部位出現(xiàn)了由底層一直延伸至3、4層的豎向裂縫。

由于砌筑砂漿強(qiáng)度不高，灰縫不飽滿，干縮引起的裂縫往往呈發(fā)絲狀分散在灰縫縫隙中，清水墻時(shí)不易被發(fā)現(xiàn)，當(dāng)有粉刷抹面時(shí)就顯露出來(lái)。干縮引起的裂縫寬度不大，且裂縫寬度較均勻。

1.2.2 收縮裂縫的產(chǎn)生機(jī)理

粘土砌體和混凝土砌體對(duì)含水率變化的反應(yīng)不同。粘土砌塊隨含水率的增加而膨脹。在含水率降低時(shí)磚不會(huì)收縮。即這種膨脹不會(huì)因?yàn)樵诖髿鉁囟戎凶兏啥湛s^[4]。磚中的含水量取決于原材料的種類和燒制溫度范圍。當(dāng)磚從窯中取出時(shí)尺寸最小，然后隨著含水率的增加而膨脹。當(dāng)磚暴露在潮濕的空氣中它開始膨脹，在開始的幾個(gè)星期內(nèi)膨脹最大，膨脹會(huì)以很低的速率持續(xù)幾年，磚的長(zhǎng)期濕膨脹在0.0002和0.0009之間^[5]。

混凝土砌塊是混凝土拌合物經(jīng)澆注、振搗、養(yǎng)生而成?；炷猎谟不^(guò)程中逐漸失水而干縮，砌干縮量因材料和成型質(zhì)量而異，并隨時(shí)間增長(zhǎng)而逐漸減小。在自然條件下，成型28天后，混凝土砌塊收縮趨于穩(wěn)定。其干縮率為0.03％～0.035％，含水量在50％～60％左右。砌成砌體后，在正常使用條件下，含水量繼續(xù)下降，可達(dá)10％左右，其干縮率為0.018％～0.07％^[6]。對(duì)于干縮已趨穩(wěn)定的混凝土砌塊，如再次被浸濕后，會(huì)再次發(fā)生干縮，通常稱為第二干縮?；炷疗鰤K在含水飽和后的第二干縮，穩(wěn)定時(shí)間比成型硬化過(guò)程的第一干縮時(shí)間要短，一般為15天左右。第二干縮的收縮率約為第一干縮的80％左右。當(dāng)混凝土砌塊的收縮受到約束并且收縮引起的拉應(yīng)力超過(guò)了塊材的抗拉強(qiáng)度或塊材與砂漿之間的抗彎強(qiáng)度，會(huì)出現(xiàn)收縮裂縫。收縮裂縫不是結(jié)構(gòu)裂縫，但它們破壞了墻體外觀。

1.2.3 收縮變形的估算

粘土和混凝土砌體對(duì)含水率變化的反應(yīng)不同。當(dāng)失去水分時(shí)，混凝土砌塊會(huì)收縮，而粘土砌塊會(huì)隨含水率的增大而膨脹。由水分變化引起的變形可以根據(jù)與熱膨脹相同的原理估計(jì)^[6]:

               （1－4）

式中，k－對(duì)粘土砌體采用濕膨脹系數(shù)k_e，對(duì)混凝土砌體采用收縮系數(shù)k_m;

L－砌體長(zhǎng)度；

－收縮變形。

《砌體標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)合委員會(huì)（Masonry Standards Joint Committee，縮寫為MSJC）規(guī)范》^[6]規(guī)定粘土砌體的濕膨脹系數(shù)值k_e為0.0003。由控濕的混凝土砌塊砌筑的砌體k_m=0.15s_l，由非控濕的混凝土砌塊砌筑的砌體k_m=0. 5s_l。s_l為混凝土砌塊的總線性干縮值，其值不超過(guò)0.00065。

1.3 地基變形

在軟土、填土、沖溝、古河道、暗渠以及各種不均勻地基上建造結(jié)構(gòu)物，或者地基雖然相當(dāng)均勻，但是荷載差別過(guò)大，結(jié)構(gòu)物剛度差別懸殊時(shí)，應(yīng)特別注意由于地基不均勻沉降引起的裂縫。

1.3.1 地基不均勻沉降裂縫的形態(tài)

地基不均勻沉降裂縫的形態(tài)是多種多樣的，有些裂縫尚隨時(shí)間長(zhǎng)期變化，裂縫寬度較寬，有時(shí)寬至數(shù)厘米。裂縫主要分為剪切裂縫和彎曲裂縫。地基不均勻沉降裂縫常見的有：正八字裂縫和斜向裂縫。沉降裂縫多出現(xiàn)在房屋中下部且發(fā)生于房屋中下部的裂縫較上部寬度大。

1.3.2地基不均勻沉降裂縫的產(chǎn)生機(jī)理

⑴ 墻體中下部區(qū)域的正八字裂縫

一般情況下，地基受到上部傳遞的壓力，引起地基的沉降變形呈凹形，常稱為“盆形沉降曲面”。這是由于中部壓力相互影響高于邊緣處相互影響，以及邊緣處非受載區(qū)地基對(duì)受載區(qū)下沉有剪切阻力等共同作用的結(jié)果，導(dǎo)致地基反力在邊緣區(qū)較高。這種沉降使建筑物形成中部沉降大、端部沉降小的彎曲，產(chǎn)生正彎距。結(jié)構(gòu)中下部受拉，端部受剪，特別是由于端部地基反力梯度很大，端部的剪應(yīng)力很大，墻體由于剪力形成的主拉應(yīng)力破裂，裂縫呈正八字形。

由于墻體中上部受壓并形成“拱”作用，墻體裂縫越靠近地基和門窗孔越嚴(yán)重。且中下部開裂區(qū)的墻體有自重下墜作用，造成垂直方向拉應(yīng)力，可能形成水平裂縫。

⑵ 墻體斜向裂縫

當(dāng)?shù)鼗胁坑谢靥钌?、石，或中部地基?jiān)硬而端部軟弱，或由于荷載相差懸殊，建筑物端部沉降大于中部時(shí)，會(huì)形成負(fù)彎距。主拉應(yīng)力將引起墻體的斜裂縫或倒八字裂縫。局部的沉降不均不僅可以引起斜裂縫，由于垂直沉降還可能引起砌體的水平裂縫。

1.3.3 影響地基沉降裂縫的因素

   地基、基礎(chǔ)、建筑物構(gòu)成一個(gè)整體，共同工作。其內(nèi)力和變形形態(tài)與土的性質(zhì)、建筑物與地基的剛度、基礎(chǔ)與建筑物的尺寸形狀、材料的彈塑性性質(zhì)、徐變等有關(guān)。

⑴ 地基與建筑物的相對(duì)剛度

   為考慮地基與建筑物的共同工作，地基與建筑物的相對(duì)剛度可根據(jù)葛爾布諾夫方法確定，該法中彈性地基的柔性指數(shù)：

                        （1－5）

式中，E₀－地基土的變形模量；

      μ₀—地基土的泊松比；

EJ—地基上梁、板或箱體剛度；

a,b－基礎(chǔ)的半長(zhǎng)和半寬。

柔性指數(shù)表示了建筑物和地基的相對(duì)剛度。從式中可以看出，⑴建筑物和基礎(chǔ)抗彎剛度越大，基礎(chǔ)的長(zhǎng)度和寬度越小，則柔性指數(shù)就越小，結(jié)構(gòu)物或基礎(chǔ)的相對(duì)剛度越大。這時(shí)在外荷載作用下，地基的反壓力越往兩端集中，則中部彎矩越大，這就需要結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度，滿足結(jié)構(gòu)物最大彎矩的要求；⑵在較好的地基上，地基的變形模量較高，而地基上基礎(chǔ)的抗彎剛度較小，結(jié)構(gòu)物的幾何尺寸較長(zhǎng)，則柔性指數(shù)相應(yīng)增大。這時(shí)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)接近于柔性板，此時(shí)地基的沉降與荷載的分布有關(guān)。地基承受荷載大的地方，該處的沉降和變形較大，基礎(chǔ)承受的彎矩較小。

⑵ 徐變

   建筑物的下沉、水平位移、溫度、濕度變化引起的變形，除了絕對(duì)數(shù)量外，變形速率是一個(gè)重要因素。只要變形是緩慢的，則多數(shù)建筑物能經(jīng)受較大的變形而不破壞。其主要原因就是由于建筑材料都具有徐變特性，在變形過(guò)程中，其內(nèi)應(yīng)力會(huì)隨著變形速度的下降而松弛。

⑶ 建筑物的形狀

   平面形狀復(fù)雜的建筑物，如“I”、“T”、“L”、“E”字形等，在縱橫單元交叉處基礎(chǔ)密集，地基附加應(yīng)力重疊，使地基沉降量增大。同時(shí)，此類建筑物整體性差，剛度不對(duì)稱，在地基產(chǎn)生不均勻沉降時(shí)容易發(fā)生墻體開裂^[8]。因此，遇不良地基時(shí)，在滿足使用的情況下應(yīng)盡量采用平面形狀簡(jiǎn)單的建筑形式。

2 裂縫的預(yù)防措施

在目前的技術(shù)經(jīng)濟(jì)水平下，尚不能完全防止和杜絕由于鋼筋混凝土屋蓋的溫度變形和砌體干縮變形引起的墻體局部裂縫。只能通過(guò)一些合理的構(gòu)造措施，使砌體房屋墻體的裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展達(dá)到可接受的程度^[3]。

從上節(jié)的分析可知，建筑物的長(zhǎng)度即伸縮縫、沉降縫或控制縫間距與溫度裂縫、干縮裂縫和沉降裂縫的產(chǎn)生有很大關(guān)系。按照歐美規(guī)范，如英國(guó)規(guī)范規(guī)定，對(duì)粘土磚砌體的控制間距為10～15m，對(duì)混凝土砌塊砌體一般不因大于6m；美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)（ACI）規(guī)定，無(wú)筋砌體的最大控制縫間距為12～18m，配筋砌體的控制縫間距不超過(guò)30m，這些都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于我國(guó)砌體規(guī)范的規(guī)定。這也是按我國(guó)砌體規(guī)范的溫度縫和有關(guān)抗裂構(gòu)造措施不能消除墻體裂縫的一個(gè)重要原因。

2.1   溫度變化引起的墻體開裂

防止主要由溫度變化引起的砌體結(jié)構(gòu)開裂,宜采取下列措施:⑴當(dāng)采用整體式或裝配式的鋼筋混凝土屋蓋時(shí),宜在屋蓋上設(shè)置保溫層或隔熱層;⑵在屋蓋的適當(dāng)部位設(shè)置控制縫,控制縫的間距不大于30ｍ;⑶當(dāng)采用現(xiàn)澆混凝土挑檐的長(zhǎng)度大于12ｍ時(shí),宜設(shè)置分隔縫,分隔縫的寬度不應(yīng)小于20ｍｍ,縫內(nèi)用彈性油膏嵌縫;⑷建筑物溫度伸縮縫的間距應(yīng)滿足現(xiàn)行《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定,控制縫宜在建筑物墻體的適當(dāng)部位設(shè)置,控制縫的間距不宜大于30ｍ。⑸非地震地區(qū),在房屋頂層宜設(shè)鋼筋混凝土圈梁。若采用鋼筋混凝土圈梁,圈梁不宜外露。若不設(shè)圈梁,可在屋蓋四周檐口下的砌體內(nèi),配置適當(dāng)轉(zhuǎn)角鋼筋。

2.2墻體材料的干縮引起的開裂

防止主要由墻體材料的干縮引起的裂縫，可采用下列措施:⑴選用干縮值低的墻材。控制砌筑時(shí)材料的含水量(先讓材料干縮后砌墻)。采用低強(qiáng)度砂漿和長(zhǎng)度小的磚塊,可以避免磚塊的斷裂,并將細(xì)小裂縫均勻分散到各個(gè)垂直的灰縫隙中,避免變形和應(yīng)力集中,累加出現(xiàn)大裂縫。⑵面積較大的墻體采用在墻體內(nèi)增設(shè)構(gòu)造梁柱的構(gòu)造措施。如墻體長(zhǎng)度超過(guò)5ｍ,可在中間設(shè)置鋼筋混凝土構(gòu)造柱;當(dāng)墻體高度超過(guò)3ｍ(120ｍｍ厚墻)或4ｍ(≥180ｍｍ厚墻)時(shí),須在墻中腰處增設(shè)鋼筋混凝土腰梁,或設(shè)置伸縮縫。⑶嚴(yán)格控制以膠凝材料為原料的砌塊的齡期,不足28ｄ的不應(yīng)進(jìn)入施工現(xiàn)場(chǎng)。對(duì)于混凝土制品,如果以90ｄ的干燥收縮值為基準(zhǔn),28ｄ只完成收縮的80%左右。而且這類砌塊,28ｄ前含水率大,物理化學(xué)變形不穩(wěn)定,干燥收縮值大,特別是蒸壓加氣混凝土,出廠含水率有時(shí)高達(dá)60%以上。⑷正確掌握各種砌塊使用時(shí)的含水率。輕集料混凝土空心砌塊和蒸壓灰砂磚、蒸壓粉煤灰加氣混凝土砌塊砌筑時(shí)的含水率分別控制為5%～8%和15%、20%以內(nèi)。砌體在生產(chǎn)儲(chǔ)存期、運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)堆放等均要防止被水浸濕,雨季還應(yīng)做好對(duì)砌塊和砌體的遮蓋。施工時(shí),一般提前1～2ｄ灑水稍作濕潤(rùn)。砌塊含水深度以表層8ｍｍ～10ｍｍ為宜。

2.3 地基沉降引起的開裂

防止主要由地基沉降引起的裂縫，可采用下列措施：⑴建筑物的體型力求簡(jiǎn)單；⑵合理設(shè)置沉降縫。在建筑物平面轉(zhuǎn)折處、建筑高度荷載突變處、結(jié)構(gòu)類型不同處以及地基土軟硬交界處設(shè)置沉降縫；⑶減輕結(jié)構(gòu)自重。⑷增強(qiáng)建筑物的剛度和強(qiáng)度。設(shè)置封閉圈梁和構(gòu)造柱，特別是增強(qiáng)頂層和底層圈梁、合理布置縱橫墻、采用整體性好、剛度大的基礎(chǔ)形式等；⑸減小或調(diào)整基底的附加應(yīng)力。改變基礎(chǔ)地面尺寸，使不同荷載的基礎(chǔ)沉降量接近。

3工程實(shí)例

某房產(chǎn)開發(fā)公司住宅樓竣工 2個(gè)月后 , 西邊單元外山墻及內(nèi)外縱墻開裂 ,開口最大達(dá) 12ｍｍ ,經(jīng)調(diào)查 ,夏季屋面板承受太陽(yáng)的直射 ,板截面的最高平均溫度 50°Ｃ ,磚砌體外墻承受的最高平均溫度為 30°Ｃ。屋面現(xiàn)澆板ｈ=8ｃｍ ,磚墻厚 24ｃｍ ,ＭＵ5、Ｍ2.5混合砂漿砌筑 ,建筑物全長(zhǎng)Ｌ =50ｍ ,求因溫差引起外縱墻頂部磚墻內(nèi)產(chǎn)生的剪應(yīng)力。

=0.887Mpa

砌體的徐變剪應(yīng)力

而ＭＵ5、Ｍ2.5的砌體抗剪強(qiáng)度=0. 1ＭＰａ< =0.621ＭＰａ 故墻體出現(xiàn)溫度縫開裂現(xiàn)象。

4         結(jié)論

⑴墻體的溫度應(yīng)力與溫差成正比，隨水平阻力系數(shù)和建筑物長(zhǎng)度（或伸縮縫間距）非線性增加。

⑵墻體的收縮變形與墻體材料、砌塊的含水率以及建筑物的長(zhǎng)度有關(guān)。粘土和混凝土砌體對(duì)含水率變化的反應(yīng)不同，當(dāng)失去水分時(shí)混凝土砌塊會(huì)收縮，而粘土砌塊會(huì)隨含水率的增大而膨脹。

⑶地基沉降裂縫的內(nèi)力和變形形態(tài)與土的性質(zhì)、建筑物與地基的剛度、基礎(chǔ)與建筑物的尺寸形狀、材料的彈塑性性質(zhì)、徐變等有關(guān)。

⑷影響砌體結(jié)構(gòu)裂縫的因素較多，有些裂縫是由多種因素引起的混合裂縫。設(shè)計(jì)時(shí)可通過(guò)構(gòu)造措施來(lái)防止和減輕砌體結(jié)構(gòu)裂縫的危害。