言景 李靜

(1.中國(guó)建筑西南設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610041;2.四川大學(xué)錦江學(xué)院，四川錦江 620860)

0 引言

近年來，我國(guó)城市化進(jìn)程加快，商品高層住宅建筑取得了飛速發(fā)展，而現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)占了絕大多數(shù)。其中，由于裂縫導(dǎo)致的裝修損壞、樓板滲漏、設(shè)備無法安裝等問題成了用戶投訴最多的工程質(zhì)量問題。資料顯示［1］，80%以上的裂縫都是由變形作用引起的:一方面，泵送混凝土收縮變形約為 6.0×10－4～8.0×10－4，比過去混凝土的收縮變形加大了2倍～3倍;另一方面，工程設(shè)計(jì)人員專業(yè)技術(shù)水平參差不齊，只注意到結(jié)構(gòu)的承載力能力極限狀態(tài)，而忽視正常使用極限狀態(tài)的驗(yàn)算，這也使得裂縫出現(xiàn)的概率增大。

本文計(jì)算理論、軟件因素、構(gòu)造措施闡述了裂縫的成因，望為工程技術(shù)人員提供參考。

1 計(jì)算理論

1.1 裂縫寬度計(jì)算

由于裂縫是混凝土的一種固有的特性，它的出現(xiàn)是不可避免的。從設(shè)計(jì)上控制裂縫，指通過“抗”與“放”相結(jié)合的方法使統(tǒng)計(jì)概率上的最大平均裂縫寬度小于限定值，即滿足正常使用極限狀態(tài)。根據(jù)GB 50010-2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中式(7.1.2-1)即可得出按荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合并考慮長(zhǎng)期作用影響的最大裂縫寬度

規(guī)范中所使用的分析模型為單軸受力的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，而?duì)于多軸應(yīng)力狀態(tài)，只是引入經(jīng)驗(yàn)公式或系數(shù)加以調(diào)整。在實(shí)際工程中，混凝土構(gòu)件承受單軸受壓、受拉或純剪的單軸應(yīng)力狀態(tài)幾乎不存在，而都處于明顯的多軸應(yīng)力狀態(tài)。然而，計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性取決于材料本構(gòu)關(guān)系的建立，實(shí)際工程的受力狀態(tài)與計(jì)算模型的不同使軟件關(guān)于裂縫寬度的驗(yàn)算有較大偏差，而這正是目前規(guī)范理論所欠缺的地方?？紤]到混凝土材料、施工以及長(zhǎng)、短期荷載效應(yīng)的影響，往往要求工程設(shè)計(jì)人員按最不利情況選取調(diào)整系數(shù)，這又大大低估了材料的強(qiáng)度，造成了大量的浪費(fèi)。

1.2 伸縮縫間距計(jì)算

規(guī)范［2］中對(duì)各種結(jié)構(gòu)在不同自然條件下不設(shè)伸縮縫的間距做了規(guī)定，設(shè)計(jì)人員往往以此為依據(jù)來判斷是否考慮間接應(yīng)力的影響。而在實(shí)際工程中卻發(fā)現(xiàn)有一些工程突破了規(guī)范規(guī)定的伸縮縫最大間距卻未發(fā)現(xiàn)裂縫問題，但同時(shí)還有一些工程遵循了規(guī)范的規(guī)定而產(chǎn)生大量有害裂縫。這是因?yàn)殡S著大體積混凝土、泵送商品混凝土技術(shù)的采用，使其對(duì)混凝土的強(qiáng)度和流動(dòng)性的要求越來越高。大量工程中的水泥用量增大，水泥強(qiáng)度等級(jí)提高，水化熱引起的溫差加大，再加上施工時(shí)，骨料級(jí)配不合理，不注意養(yǎng)護(hù)措施，溫度、收縮裂縫出現(xiàn)的可能性大大增加。盲目加配鋼筋、提高混凝土等級(jí)措施的收效不但不明顯，所付出的經(jīng)濟(jì)成本也是巨大的。根據(jù)“放”的設(shè)計(jì)概念，設(shè)置伸縮縫能有效限制溫度、收縮裂縫的開展，是防止發(fā)展為嚴(yán)重?fù)p害性裂縫的一項(xiàng)基本措施。王鐵夢(mèng)教授對(duì)此問題做了系統(tǒng)的研究，得出連續(xù)約束條件下結(jié)構(gòu)最大約束應(yīng)力的計(jì)算公式［1］:

其中，H(t，τ)為應(yīng)力松弛系數(shù);T=T1+T2+T3為溫差，包含水化熱、氣溫差及收縮當(dāng)量溫差，取代數(shù)和;E為混凝土彈性模量;α為線膨脹系數(shù);H為均拉層厚度;Cx為水平約束系數(shù);εp為混凝土的極限拉伸;ch，arcch為雙曲余弦及雙曲余弦反函數(shù);由式(2)～式(4)可知，產(chǎn)生裂縫最主要的因素是約束、溫差、收縮和混凝土本身材料性能。在設(shè)計(jì)上防止有害裂縫的產(chǎn)生，一方面要減小結(jié)構(gòu)的約束，減小施工過程中產(chǎn)生的溫差;另一方面要增加混凝土的材料強(qiáng)度，抵抗其產(chǎn)生的收縮應(yīng)力。溫度、收縮變形與結(jié)構(gòu)的約束條件、環(huán)境條件、施工狀況、結(jié)構(gòu)體型等有關(guān)。因此，設(shè)計(jì)人員在考慮是否設(shè)置伸縮縫時(shí)，不應(yīng)只根據(jù)結(jié)構(gòu)體系的長(zhǎng)度，還應(yīng)綜合考慮以上因素，按公式試算裂縫最大間距。

2 軟件因素及相應(yīng)措施

在運(yùn)用結(jié)構(gòu)軟件分析工程模型時(shí)，總是希望結(jié)果越精確越好。但由于工程實(shí)際的復(fù)雜性，為減少計(jì)算耗時(shí)，軟件采用的是簡(jiǎn)化的模型，導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)較大偏差。另一方面，大多數(shù)結(jié)構(gòu)分析軟件在計(jì)算裂縫寬度時(shí)，只是考慮直接荷載作用，而對(duì)于變形作用引起的裂縫未提供成熟的計(jì)算方法，使得裂縫問題更加復(fù)雜。以下幾點(diǎn)在軟件使用中容易引起裂縫問題:

1)設(shè)計(jì)人員在處理廚房、衛(wèi)生間等隔墻時(shí)，通常不在墻下設(shè)梁。用軟件進(jìn)行承載力計(jì)算時(shí)，直接把隔墻自重除以板的面積，即把隔墻線荷載折算成板的面荷載。當(dāng)隔墻的荷載較大時(shí)會(huì)導(dǎo)致隔墻下板的配筋不足，隔墻下樓板變形過大，引起填充墻開裂。因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在簡(jiǎn)化計(jì)算后在墻的位置下的板中加配補(bǔ)強(qiáng)鋼筋。

2)由于建筑功能的需要(板底不露梁)，樓板不可避免有開洞和異形板的情況，易出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件對(duì)其承載力的計(jì)算還不成熟。假如設(shè)計(jì)人員直接根據(jù)軟件計(jì)算結(jié)果配筋，洞口處及板面陰角處易出現(xiàn)裂縫。因此，在工程設(shè)計(jì)實(shí)踐中，主要是從構(gòu)造措施來加強(qiáng)，見圖1，圖2。因此，建筑平面應(yīng)力求簡(jiǎn)單、規(guī)則，當(dāng)樓板凹凸和洞口尺寸較大時(shí)，建議加設(shè)小梁，使之成為矩形、四邊形等比較規(guī)則的形狀。

圖1 角部及陰角處附加鋼筋

圖2 洞口處補(bǔ)強(qiáng)鋼筋

3)配梁端鋼筋時(shí)，結(jié)構(gòu)軟件(PKPM)可根據(jù)自動(dòng)配筋結(jié)果計(jì)算裂縫寬度，當(dāng)裂縫寬度非常接近規(guī)范限值，而工程人員配的鋼筋粗而少時(shí)，由于混凝土材料是非均質(zhì)的，截面各質(zhì)點(diǎn)受力是不均勻的，有大量不規(guī)則的應(yīng)力集中點(diǎn)，這些點(diǎn)由于應(yīng)力首先達(dá)到抗拉強(qiáng)度極限，引起了局部塑性變形，如無鋼筋，繼續(xù)受力，易在應(yīng)力集中處出現(xiàn)有害裂縫［1］。因此，建議在配筋時(shí)盡量配成細(xì)而多的梁端鋼筋，并應(yīng)手工驗(yàn)算裂縫寬度。

4)計(jì)算雙向板裂縫時(shí)，一般按板底短向鋼筋的有效高度計(jì)算h0，而長(zhǎng)向鋼筋由于搭在短向鋼筋上，h0應(yīng)減去短向鋼筋的直徑，但軟件一般沒有考慮混凝土構(gòu)件有效高度的減少。因此，當(dāng)長(zhǎng)向跨度較大且裂縫寬度接近限制時(shí)，應(yīng)按實(shí)際的h0手算裂縫寬度。同樣的情況出現(xiàn)在梁板搭接處，施工時(shí)板鋼筋一般搭置在梁縱筋上，使板支座鋼筋已接近板截面中和軸處，這樣支座受拉區(qū)幾乎沒有受拉鋼筋，易引起板支座處的裂縫。

5)由于水電設(shè)計(jì)的需要，樓板和梁中需埋設(shè)電線套管，而在實(shí)際工程中大量使用PVC管，它的強(qiáng)度差，與混凝土的線膨脹系數(shù)相差較大，粘結(jié)效果差，不能很好的發(fā)揮混凝土的整體受力性能，使混凝土構(gòu)件受到很大的削弱。這樣沿管線埋設(shè)方向易出現(xiàn)應(yīng)力集中情況，因此，應(yīng)加強(qiáng)套管處的構(gòu)造鋼筋，見圖3［4］。

圖3 梁洞口附加鋼筋

6)設(shè)置軟件選項(xiàng)時(shí)，應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際情況選定數(shù)據(jù)，注意易引起裂縫的選項(xiàng)。如為了降低含鋼量，常對(duì)現(xiàn)澆板采用塑性理論計(jì)算，導(dǎo)致板面鋼筋拉應(yīng)力過大，產(chǎn)生較大板面裂縫。因此，對(duì)屋面板受溫度應(yīng)力較大和上部結(jié)構(gòu)嵌固頂板提倡采用彈性理論計(jì)算;計(jì)算板裂縫時(shí)，軟件常把板的支座簡(jiǎn)化為固支、簡(jiǎn)支。而梁本身不是無限剛，在荷載作用下有明顯的撓曲變形，由于變形協(xié)調(diào)，板的實(shí)際撓度比計(jì)算值要大，易導(dǎo)致板底裂縫。

3 結(jié)語

高層現(xiàn)澆住宅建筑中，裂縫是一種常見的建筑質(zhì)量通病，單一的因素不能從系統(tǒng)上消除裂縫，而應(yīng)從設(shè)計(jì)、施工、材料、環(huán)境條件等整體上控制。從設(shè)計(jì)上控制裂縫，就是注重概念設(shè)計(jì)，綜合“抗”與“放”的原則，采用合理的構(gòu)造措施，盡量建立與工程實(shí)際相似的計(jì)算模型，充分考慮到軟件和計(jì)算理論的缺陷，這樣才能使裂縫寬度滿足裂縫控制的要求。

［1］ 王鐵夢(mèng).工程結(jié)構(gòu)裂縫控制［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1997:5-6，164-165，30-31.

［2］ GB 50010-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］ 郭劍飛，楊育人.淺析現(xiàn)澆板裂縫的若干設(shè)計(jì)因素［J］.四川建筑科學(xué)研究，2009，35(4):105-107.

［4］ JGJ 3-2010，高層建筑混凝土技術(shù)規(guī)程［S］.