1、小議建筑結構設計中裂縫及其控制要點【摘要】筆者通過實踐經驗結合相關資料，從結構設計者的角度對裂縫控制進行了探討,考慮了建筑平面縱向長度過長、鋼筋直徑的選用、地基不均勻沉降、過長的窗臺墻和電氣線路的敷設等情況裂縫的控制,并結合工程實例進行說明。 【關鍵詞】結構設計；鋼筋混凝土；裂縫；控制在工程設計中,大部分工程設計人員對待裂縫的態度是:一方面設計規范對裂縫有明確規定,即用裂縫計算公式計算出裂縫,只要滿足允許寬度限值即可;另一方面對于變形引起的裂縫沒有計算規定,所以只要規范每隔一定距離留一條伸縮縫,不管荷載差別大小,只要留出變形縫(伸縮縫或沉降縫)就認為問題不復存在了,即留縫就不裂的設計原則。大量
2、的工程實踐證明,計算滿足或者按規范設縫并不是決定結構變形開裂與否的條件,計算雖然滿足但并不一定在工程實踐中完全滿足,是否開裂還與許多設計因素有關。1 對裂縫新的認識雖然現代儀器如實體顯微鏡、超聲儀器、滲流觀察儀對裂縫的觀察有所進步,但對其真實的受力機理仍未搞清,學術上用各種模型模擬裂縫,但對于混凝土這種多性材料沒有一種方法是足夠精確的,國家規范中理論和試驗結合并用概率統計的方法,得出其出現的概率,具有一定的近似性,結構設計人員需要正確認識裂縫的存在性,控制其有害程度。裂縫形成是不規則的,正常使用中的裂縫是非貫通的微裂縫,只有在受力較大的薄弱環節,微裂的拉力作用就會貫穿全截面而斷裂。肉眼可見的裂
3、縫范圍一般以0. 05mm為界。大于等于0. 05mm的裂縫就是宏觀裂縫。混凝土結構設計規范(GB50010-2002)中最嚴格的裂縫是0. 2mm。可以認為混凝土有裂縫是絕對的,無裂縫是相對的,研究認為:裂縫的擴展程度就是材料破損程度的標志,同時,裂縫的存在也是材料本身固有的一種物理性質。如果嚴格要求構件不出現裂縫,那就需要采用預應力,使構件預壓力壓至全部荷載作用下不出現拉應力,須付出較大的代價才能獲得,這樣又給構件帶來了一個缺陷,從形成裂縫初期到構件破環的荷載增加余地不大,破壞前兆小,形成了脆性破壞。在防水要求情況下,并非不允許出現裂縫,因為裂縫具有一定的自愈能力,比如在地下室外墻的裂縫處
4、經常附有白色的沉淀物,當裂縫形成時,有水滲流時,會和混凝土中的石灰礦物質發生反應,形成碳酸鈣的覆蓋層。但這種自愈的能力對裂縫的寬度有要求,裂縫如果超過0. 2mm,水頭就會沖刷裂縫,使得裂縫變寬,所以防滲要求的裂縫需要更加嚴格的規定。2 建筑結構設計裂縫控制措施2.1 建筑平面縱向長度過長的裂縫控制措施當房屋縱向長度過長時,在板面薄弱部位處將產生垂直房屋縱向長度的通長裂縫;當建筑平面形狀復雜時也往往由于應力集中而產生裂縫。一般鋼排架縱向長度Ln與溫度伸縮縫n之間的關系為:n=TLn混凝土中n的計算在上式計算中需要考慮混凝土材料的原因。可見結構溫度伸縮縫與建筑物長度成正比。結構在約束狀態下,首先
5、要求有變形的余地,如果約束阻止這種變形,使得混凝土超過抗拉強度,結構就會開裂。但結構設計中是該減小這種約束力還是該提高構件的抗拉強度是應該按結構所處的具體時空條件加以靈活的應用,如采用抗放相結合,以抗為主或以放為主的措施等。圖1某,裙房商業平面布置圖例如圖1中某裙房商業,長度將近120m,寬度2032m,檐口距室外地面高度12. 900m,抗震設防類別為丙類,抗震設防烈度8度(0. 20g),場地類別類,結構設計中如果嚴格按照伸縮縫最大間距來控制時,該結構需要設置四個伸縮縫,給施工會帶來不變,所以選用抗放相結合的手段來控制裂縫。其一在縱向設置兩條施工后澆帶;其二對結構的縱向板配筋及縱向梁腰筋予
6、以加強;其三該結構在樓梯間處樓板縱向相對薄弱,拉應力相對集中,此部位運用板中通長縱向鋼筋的方式予以加強。該工程建成后經觀察,并未出現縱向裂縫,可見采取措施的有效性。2.2 選用合適鋼筋直徑控制裂縫的措施設計中鋼筋配置方式對結構裂縫也有一定的影響,過少或過粗的鋼筋往往會產生較大的裂縫。計算矩形截面bh=250mm 600mm的現澆混凝土梁,混凝土:C30,主筋:HRB400,混凝土保護層厚度: c=25. 0mm,按荷載效應標準組合計算的彎矩值:Mk=60. 00kNm。當受拉區縱筋根數、直徑: 3 14,受拉區縱筋實配面積:As=461. 81mm2,應用規范公式max=crskEs(19c+
7、008+deqte,求出最大裂縫寬度max=0. 2655mm。而當受拉區縱筋根數、直徑: 4 12,受拉區縱筋實配面積:As=452. 39mm2,求最大裂縫寬度max=0. 2472mm。可見雖然配筋面積減小了,但如果用細而密的鋼筋反而裂縫變小了。所以設計人員應重視鋼筋的配置,應注意鋼筋的直徑和數量的選擇。2.3 地基不均勻沉降產生板裂縫控制的措施由于結構地基土質不勻或浸水而造成不均勻沉降,除對墻體產生裂縫外,板也會承受平面外方向附加彎矩和剪力,框架梁板結構體系的設計中,規范并不要求作板抗剪承載力驗算此板的抗剪能力計算,所以就沒有考慮作過多儲備以承受意外的附加內力。地基不均勻沉降產生板裂縫
8、多為深進或貫穿性裂縫,其走向與沉陷情況有關,一般沿與地面垂直或呈3040角方向發展,較大的沉陷裂縫,往往有一定的錯位,裂縫寬度往往與沉降量成正比關系。地基變形穩定之后,沉陷裂縫也基本趨于穩定。在設計中需要有意的提高框架梁的抗彎、剪能力要求(特別是抗震設防烈度較高時),或有意加強上部結構梁、柱剛(強)度的辦法來抵御難以預估的基礎不均勻沉降。同時還需加強地基驗槽工作,驗槽時必須有建設單位、施工單位、設計單位、勘察單位、監理單位等五方共同參加,對于較復雜的地基,在基槽開挖后應進行局部詳勘,對探出的軟弱部位進行加固處理,并辦理隱蔽工程合格驗收簽證后,方可進行基礎施工。同樣因為模板剛度不足,模板支撐間距
9、過大或支撐底部松動同樣會引起板裂縫,特別是在冬季,模板支撐在凍土上,凍土化凍后產生不均勻沉降,致使混凝土結構產生裂縫。2.4 窗臺墻中部豎向裂縫的控制措施醫院、學校等公共建筑的走廊上一般開有尺寸較大的窗口,如圖2中的走廊懸挑,其窗臺墻又很長,早期的工程中窗臺墻不處理,使用中發現有中部豎向裂縫,首層裂縫上寬下窄,二層以上的上寬下窄但比首層小。由于首層窗臺墻起著反梁作用,特別是較寬大的窗口或窗間墻承受較大的集中荷載情況下更是明顯,窗臺墻上部產生拉應力,因反向變形過大而開裂.另外,地基如建在凍土層上,由于凍脹作用而在窗臺處產生裂縫。二層以上的墻中部開裂是由于填充墻過于長。圖2 懸調走廊建筑圖經與建筑
10、協商,結構對圖2的平面處理,在窗間墻之間每隔3m加一個構造柱,并在一層的窗臺墻窗口下部應力集中處考慮設置臥梁(斷面為120mmx200mm,配筋為410,箍筋6150),以適應窗臺反梁作用的變形;同時要求各層窗臺墻采用通長配筋砌體的方法來加強窗臺墻整體性,而且窗臺部位不宜使用過多的半磚砌筑,如圖3。2.5 電氣線路引起的裂縫結構設計中需要考慮由于電氣專業線路設計采用暗裝方式,塑料電氣管敷設不當就會削弱混凝土截面,會影響結構構件的承載力;同時混凝土和PVC管的溫度線膨脹系數不一樣,往往導致樓板產生沿管線方向裂縫。當采用暗裝方式時,預埋PVC線管走向最好平行于樓板受力方向,且應設置在樓板上下兩層鋼筋中間,當樓板較薄時,應在線管外側加設鋼絲網,并要確保保護層的厚度足夠。3 結語結構物的裂縫雖說不可避免,但其危害程度可以控制,控制技術包括開裂前的預防與開裂后的處理。就結構設計人員來說,應該在設計之初就應充分考慮各種情況,提高建筑的抗裂能力,將裂縫控制在對結構無害狀態。圖3懸調走結構筑圖
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