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摘要:裂缝控制对于结构设计者是一道难题，本人将结合多年的工作经验对其进行深入的探讨，并结合工程案例从中得到了建筑平面纵向长度过长、钢筋直径的选用、地基不均匀沉降、过长的窗台墙和电气线路的敷设等情况将会直接影响到裂缝的控制。
关键词:钢筋混凝土;裂缝;控制;结构设计
Abstract: The crack control for structure designers is a difficult problem, I will be combined with years of the worked experience to further discussed, and combined with engineering cases get the building plane longitudinal long long, the diameter of the reinforced through selecting, foundation, the uneven settlement long wall and window of laying the electrical wiring etc will directly affect the cracking control.
Key Words: reinforced concrete; Crack; Control; Structure design
中圖分类号：TU375 文献标识码：A文章编号：
近年来我国高层建筑发展迅猛，但其结构通常采用现浇混凝土，虽然能提高结构的安全性,但是工程裂缝确实一大技术难题。其在使用过程中经常出现不同程度、不同形式的裂缝。一般宽度小于或等于0. 3mm的裂缝,对使用无多大危害。但工程中仍应尽可能采取有效的技术措施控制裂缝,使结构尽量不出现裂缝或尽量减少裂缝的数量和宽度,特别是避免有害裂缝。
在工程设计中,大部分工程设计人员对待裂缝的态度是:一方面设计规范对裂缝有明确规定,即用裂缝计算公式计算出裂缝,只要满足允许宽度限值即可;另一方面对于变形引起的裂缝没有计算规定,所以只要规范每隔一定距离留一条伸缩缝,不管荷载差别大小,只要留出变形缝(伸缩缝或沉降缝)就认为问题不复存在了,即留缝就不裂的设计原则。
大量的工程实践证明,计算满足或者按规范设缝并不是决定结构变形开裂与否的条件,计算虽然满足但并不一定在工程实践中完全满足,是否开裂还与许多设计因素有关。
1对裂缝新的认识
虽然现代仪器如实体显微镜、超声仪器、渗流观察仪对裂缝的观察有所进步,但对其真实的受力机理仍未搞清,学术上用各种模型模拟裂缝,但对于混凝土这种多性材料没有一种方法是足够精确的,国家规范中理论和试验结合并用概率统计的方法,得出其出现的概率,具有一定的近似性,结构设计人员需要正确认识裂缝的存在性,控制其有害程度。
裂缝形成是不规则的,正常使用中的裂缝是非贯通的微裂缝,只有在受力较大的薄弱环节,微裂的拉力作用就会贯穿全截面而断裂。肉眼可见的裂缝范围一般以0. 05mm为界。大于等于0. 05mm的裂缝就是宏观裂缝。《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)中最严格的裂缝是0. 2mm。可以认为混凝土有裂缝是绝对的,无裂缝是相对的,研究认为:裂缝的扩展程度就是材料破损程度的标志,同时,裂缝的存在也是材料本身固有的一种物理性质。
如果严格要求构件不出现裂缝,那就需要采用预应力,使构件预压力压至全部荷载作用下不出现拉应力,须付出较大的代价才能获得,这样又给构件带来了一个缺陷,从形成裂缝初期到构件破环的荷载增加余地不大,破坏前兆小,形成了脆性破坏。
在防水要求情况下,并非不允许出现裂缝,因为裂缝具有一定的自愈能力,比如在地下室外墙的裂缝处经常附有白色的沉淀物,当裂缝形成时,有水渗流时,会和混凝土中的石灰矿物质发生反应,形成碳酸钙的覆盖层。但这种自愈的能力对裂缝的宽度有要求,裂缝如果超过0. 2mm,水头就会冲刷裂缝,使得裂缝变宽,所以防渗要求的裂缝需要更加严格的规定。
2建筑结构设计裂缝控制措施
2. 1如何控制建筑平面纵向长度过长的裂缝及其措施
当房屋纵向长度过长时,在板面薄弱部位处将产生垂直房屋纵向长度的通长裂缝;当建筑平面形状复杂时也往往由于应力集中而产生裂缝。
一般钢排架纵向长度与温度伸缩缝之间的关系为:
混凝土中Δn的计算在上式计算中需要考虑混凝土材料的原因。可见结构温度伸缩缝与建筑物长度成正比。
结构在约束状态下,首先要求有变形的余地,如果约束阻止这种变形,使得混凝土超过抗拉强度,结构就会开裂。但结构设计中是该减小这种约束力还是该提高构件的抗拉强度是应该按结构所处的具体时空条件加以灵活的应用,如采用抗放相结合,以抗为主或以放为主的措施等。
例如图1中某裙房商业,长度将近120m,宽度20~32m,檐口距室外地面高度12. 900m,抗震设防类别为丙类,抗震设防烈度8度(0. 20g),场地类别类,结构设计中如果严格按照伸缩缝最大间距来控制时,该结构需要设置四个伸缩缝,给施工会带来不变,所以选用抗放相结合的手段来控制裂缝。其一在纵向设置两条施工后浇带;其二对结构的纵向板配筋及纵向梁腰筋予以加强;其三该结构在楼梯间处楼板纵向相对薄弱,拉应力相对集中,此部位运用板中通长纵向钢筋的方式予以加强。该工程建成后经观察,并未出现纵向裂缝,可见采取措施的有效性。
2. 2选用合适钢筋直径控制裂缝的措施
设计中钢筋配置方式对结构裂缝也有一定的影响,过少或过粗的钢筋往往会产生较大的裂缝。
计算矩形截面b×h=250mm×600mm的现浇混凝土梁,混凝土:C30,主筋:HRB400,混凝土保护层厚度: c=25. 0mm,按荷载效应标准组合计算的弯矩值:Mk=60. 00kN·m。
当受拉区纵筋根数、直径: 3 14,受拉区纵筋实配面积:,应用规范公式,求出最大裂缝宽度。而当受拉区纵筋根数、直径: 412,受拉区纵筋实配面积:,求最大裂缝宽度。可见虽然配筋面积减小了,但如果用细而密的钢筋反而裂缝变小了。所以设计人员应重视钢筋的配置,应注意钢筋的直径和数量的选择。
2. 3地基不均匀沉降产生板裂缝控制的措施
由于结构地基土质不匀或浸水而造成不均匀沉降,除对墙体产生裂缝外,板也会承受平面外方向附加弯矩和剪力,框架梁板结构体系的设计中,规范并不要求作板抗剪承载力验算此板的抗剪能力计算,所以就没有考虑作过多储备以承受意外的附加内力。地基不均匀沉降产生板裂缝多为深进或贯穿性裂缝,其走向与沉陷情况有关,一般沿与地面垂直或呈30°~40°角方向发展,较大的沉陷裂缝,往往有一定的错位,裂缝宽度往往与沉降量成正比关系。地基变形稳定之后,沉陷裂缝也基本趋于稳定。
在设计中需要有意的提高框架梁的抗弯、剪能力要求(特别是抗震设防烈度较高时),或有意加强上部结构梁、柱刚(强)度的办法来抵御难以预估的基础不均匀沉降。同时还需加强地基验槽工作,验槽时必须有建设单位、施工单位、设计单位、勘察单位、监理单位等五方共同参加,对于较复杂的地基,在基槽开挖后应进行局部详勘,对探出的软弱部位进行加固处理,并办理隐蔽工程合格验收签证后,方可进行基础施工。
同样因为模板刚度不足,模板支撑间距过大或支撑底部松动同样会引起板裂缝,特别是在冬季,模板支撑在冻土上,冻土化冻后产生不均匀沉降,致使混凝土结构产生裂缝。
2. 4窗台墙中部竖向裂缝的控制措施
医院、学校等公共建筑的走廊上一般开有尺寸较大的窗口,如图2中的走廊悬挑,其窗台墙又很长,早期的工程中窗台墙不处理,使用中发现有中部竖向裂缝,首层裂缝上宽下窄,二层以上的上宽下窄但比首层小。由于首层窗台墙起着反梁作用,特别是较宽大的窗口或窗间墙承受较大的集中荷载情况下更是明显,窗台墙上部产生拉应力,因反向变形过大而开裂.另外,地基如建在冻土层上,由于冻胀作用而在窗台处产生裂。
二层以上的墙中部开裂是由于填充墙过于长。
图2悬挑走廊建筑图
经与建筑协商,结构对图2的平面处理,在窗间墙之间每隔3m加一个构造柱,并在一层的窗台墙窗口下部应力集中处考虑设置卧梁(断面为120mmx200mm,配筋为410,箍筋6@150),以适应窗台反梁作用的变形;同时要求各层窗台墙采用通长配筋砌体的方法来加强窗台墙整体性,而且窗台部位不宜使用过多的半砖砌筑,如图3。
图3悬挑走廊结构图
2. 5电气线路引起的裂缝
结构设计中需要考虑由于电气专业线路设计采用暗装方式,塑料电气管敷设不当就会削弱混凝土截面,会影响结构构件的承载力;同时混凝土和PVC管的温度线膨胀系数不一样,往往导致楼板产生沿管线方向裂缝。
当采用暗装方式时,预埋PVC线管走向最好平行于楼板受力方向,且应设置在楼板上下两层钢筋中间,当楼板较薄时,应在线管外侧加设钢丝网,并要确保保护层的厚度足够。
结语
结构物的裂缝虽说不可避免,但其危害程度可以控制,控制技术包括开裂前的预防与开裂后的处理。就结构设计人员来说,应该在设计之初就应充分考虑各种情况,提高建筑的抗裂能力,将裂缝控制在对结构无害状态。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词:钢筋混凝土;裂缝;控制;结构设计
Abstract: The crack control for structure designers is a difficult problem, I will be combined with years of the worked experience to further discussed, and combined with engineering cases get the building plane longitudinal long long, the diameter of the reinforced through selecting, foundation, the uneven settlement long wall and window of laying the electrical wiring etc will directly affect the cracking control.
Key Words: reinforced concrete; Crack; Control; Structure design
中圖分类号：TU375 文献标识码：A文章编号：
近年来我国高层建筑发展迅猛，但其结构通常采用现浇混凝土，虽然能提高结构的安全性,但是工程裂缝确实一大技术难题。其在使用过程中经常出现不同程度、不同形式的裂缝。一般宽度小于或等于0. 3mm的裂缝,对使用无多大危害。但工程中仍应尽可能采取有效的技术措施控制裂缝,使结构尽量不出现裂缝或尽量减少裂缝的数量和宽度,特别是避免有害裂缝。
在工程设计中,大部分工程设计人员对待裂缝的态度是:一方面设计规范对裂缝有明确规定,即用裂缝计算公式计算出裂缝,只要满足允许宽度限值即可;另一方面对于变形引起的裂缝没有计算规定,所以只要规范每隔一定距离留一条伸缩缝,不管荷载差别大小,只要留出变形缝(伸缩缝或沉降缝)就认为问题不复存在了,即留缝就不裂的设计原则。
大量的工程实践证明,计算满足或者按规范设缝并不是决定结构变形开裂与否的条件,计算虽然满足但并不一定在工程实践中完全满足,是否开裂还与许多设计因素有关。
1对裂缝新的认识
虽然现代仪器如实体显微镜、超声仪器、渗流观察仪对裂缝的观察有所进步,但对其真实的受力机理仍未搞清,学术上用各种模型模拟裂缝,但对于混凝土这种多性材料没有一种方法是足够精确的,国家规范中理论和试验结合并用概率统计的方法,得出其出现的概率,具有一定的近似性,结构设计人员需要正确认识裂缝的存在性,控制其有害程度。
裂缝形成是不规则的,正常使用中的裂缝是非贯通的微裂缝,只有在受力较大的薄弱环节,微裂的拉力作用就会贯穿全截面而断裂。肉眼可见的裂缝范围一般以0. 05mm为界。大于等于0. 05mm的裂缝就是宏观裂缝。《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)中最严格的裂缝是0. 2mm。可以认为混凝土有裂缝是绝对的,无裂缝是相对的,研究认为:裂缝的扩展程度就是材料破损程度的标志,同时,裂缝的存在也是材料本身固有的一种物理性质。
如果严格要求构件不出现裂缝,那就需要采用预应力,使构件预压力压至全部荷载作用下不出现拉应力,须付出较大的代价才能获得,这样又给构件带来了一个缺陷,从形成裂缝初期到构件破环的荷载增加余地不大,破坏前兆小,形成了脆性破坏。
在防水要求情况下,并非不允许出现裂缝,因为裂缝具有一定的自愈能力,比如在地下室外墙的裂缝处经常附有白色的沉淀物,当裂缝形成时,有水渗流时,会和混凝土中的石灰矿物质发生反应,形成碳酸钙的覆盖层。但这种自愈的能力对裂缝的宽度有要求,裂缝如果超过0. 2mm,水头就会冲刷裂缝,使得裂缝变宽,所以防渗要求的裂缝需要更加严格的规定。
2建筑结构设计裂缝控制措施
2. 1如何控制建筑平面纵向长度过长的裂缝及其措施
当房屋纵向长度过长时,在板面薄弱部位处将产生垂直房屋纵向长度的通长裂缝;当建筑平面形状复杂时也往往由于应力集中而产生裂缝。
一般钢排架纵向长度与温度伸缩缝之间的关系为:
混凝土中Δn的计算在上式计算中需要考虑混凝土材料的原因。可见结构温度伸缩缝与建筑物长度成正比。
结构在约束状态下,首先要求有变形的余地,如果约束阻止这种变形,使得混凝土超过抗拉强度,结构就会开裂。但结构设计中是该减小这种约束力还是该提高构件的抗拉强度是应该按结构所处的具体时空条件加以灵活的应用,如采用抗放相结合,以抗为主或以放为主的措施等。
例如图1中某裙房商业,长度将近120m,宽度20~32m,檐口距室外地面高度12. 900m,抗震设防类别为丙类,抗震设防烈度8度(0. 20g),场地类别类,结构设计中如果严格按照伸缩缝最大间距来控制时,该结构需要设置四个伸缩缝,给施工会带来不变,所以选用抗放相结合的手段来控制裂缝。其一在纵向设置两条施工后浇带;其二对结构的纵向板配筋及纵向梁腰筋予以加强;其三该结构在楼梯间处楼板纵向相对薄弱,拉应力相对集中,此部位运用板中通长纵向钢筋的方式予以加强。该工程建成后经观察,并未出现纵向裂缝,可见采取措施的有效性。
2. 2选用合适钢筋直径控制裂缝的措施
设计中钢筋配置方式对结构裂缝也有一定的影响,过少或过粗的钢筋往往会产生较大的裂缝。
计算矩形截面b×h=250mm×600mm的现浇混凝土梁,混凝土:C30,主筋:HRB400,混凝土保护层厚度: c=25. 0mm,按荷载效应标准组合计算的弯矩值:Mk=60. 00kN·m。
当受拉区纵筋根数、直径: 3 14,受拉区纵筋实配面积:,应用规范公式,求出最大裂缝宽度。而当受拉区纵筋根数、直径: 412,受拉区纵筋实配面积:,求最大裂缝宽度。可见虽然配筋面积减小了,但如果用细而密的钢筋反而裂缝变小了。所以设计人员应重视钢筋的配置,应注意钢筋的直径和数量的选择。
2. 3地基不均匀沉降产生板裂缝控制的措施
由于结构地基土质不匀或浸水而造成不均匀沉降,除对墙体产生裂缝外,板也会承受平面外方向附加弯矩和剪力,框架梁板结构体系的设计中,规范并不要求作板抗剪承载力验算此板的抗剪能力计算,所以就没有考虑作过多储备以承受意外的附加内力。地基不均匀沉降产生板裂缝多为深进或贯穿性裂缝,其走向与沉陷情况有关,一般沿与地面垂直或呈30°~40°角方向发展,较大的沉陷裂缝,往往有一定的错位,裂缝宽度往往与沉降量成正比关系。地基变形稳定之后,沉陷裂缝也基本趋于稳定。
在设计中需要有意的提高框架梁的抗弯、剪能力要求(特别是抗震设防烈度较高时),或有意加强上部结构梁、柱刚(强)度的办法来抵御难以预估的基础不均匀沉降。同时还需加强地基验槽工作,验槽时必须有建设单位、施工单位、设计单位、勘察单位、监理单位等五方共同参加,对于较复杂的地基,在基槽开挖后应进行局部详勘,对探出的软弱部位进行加固处理,并办理隐蔽工程合格验收签证后,方可进行基础施工。
同样因为模板刚度不足,模板支撑间距过大或支撑底部松动同样会引起板裂缝,特别是在冬季,模板支撑在冻土上,冻土化冻后产生不均匀沉降,致使混凝土结构产生裂缝。
2. 4窗台墙中部竖向裂缝的控制措施
医院、学校等公共建筑的走廊上一般开有尺寸较大的窗口,如图2中的走廊悬挑,其窗台墙又很长,早期的工程中窗台墙不处理,使用中发现有中部竖向裂缝,首层裂缝上宽下窄,二层以上的上宽下窄但比首层小。由于首层窗台墙起着反梁作用,特别是较宽大的窗口或窗间墙承受较大的集中荷载情况下更是明显,窗台墙上部产生拉应力,因反向变形过大而开裂.另外,地基如建在冻土层上,由于冻胀作用而在窗台处产生裂。
二层以上的墙中部开裂是由于填充墙过于长。
图2悬挑走廊建筑图
经与建筑协商,结构对图2的平面处理,在窗间墙之间每隔3m加一个构造柱,并在一层的窗台墙窗口下部应力集中处考虑设置卧梁(断面为120mmx200mm,配筋为410,箍筋6@150),以适应窗台反梁作用的变形;同时要求各层窗台墙采用通长配筋砌体的方法来加强窗台墙整体性,而且窗台部位不宜使用过多的半砖砌筑,如图3。
图3悬挑走廊结构图
2. 5电气线路引起的裂缝
结构设计中需要考虑由于电气专业线路设计采用暗装方式,塑料电气管敷设不当就会削弱混凝土截面,会影响结构构件的承载力;同时混凝土和PVC管的温度线膨胀系数不一样,往往导致楼板产生沿管线方向裂缝。
当采用暗装方式时,预埋PVC线管走向最好平行于楼板受力方向,且应设置在楼板上下两层钢筋中间,当楼板较薄时,应在线管外侧加设钢丝网,并要确保保护层的厚度足够。
结语
结构物的裂缝虽说不可避免,但其危害程度可以控制,控制技术包括开裂前的预防与开裂后的处理。就结构设计人员来说,应该在设计之初就应充分考虑各种情况,提高建筑的抗裂能力,将裂缝控制在对结构无害状态。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。