工程结构裂缝成因与控制方法

周双杰

摘要：混凝土因其取材广泛、价格低廉、抗压强度高、可浇筑成各种形状，成为当今世界建筑结构中使用最广泛的建筑材料。混凝土有裂缝是绝对的，无裂缝是相对的，所谓结构的抗裂质量，是把裂缝控制在一定的范围之内。混凝土裂缝分为荷载裂缝和非荷载裂缝，现对桥梁工程，房屋建筑工程，地下工程等裂缝进行产生原因及控制措施进行分析。

关键词：裂缝；裂缝控制方法；裂缝成因；桥梁裂缝；房屋建筑裂缝；地下工程裂缝

Abstract: Concrete material because of its wide range of inexpensive, high compressive strength, can be poured into various shapes, to become the most widely used building materials in the world today building structure. Concrete cracks is absolutely no crack is relative, the so-called structural quality of the crack, crack control within a certain range. Concrete cracks is divided into a load crack and non-load crack, and now the cracks in bridge engineering, housing construction, underground engineering, to analyze the causes and control measures.

Key words: crack; crack control methods; crack causes; bridge cracks; cracks in housing construction; cracks in underground engineering

中图分类号: TL372+.2 文献标识码：A文章编号：

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前言

“裂缝控制”，即通过适当的技术措施，控制建筑物使其不产生有害裂缝，达到抗裂防渗的目的。近年来，钢筋混凝土的规模逐渐增大，结构形式也日趋复杂，混凝土构筑物出现的裂缝也成为了人们不可忽视的一个问题。混凝土裂缝可以分为有害裂缝和无害裂缝。而工程师们在设计中的目的应是减少无害裂缝，杜绝有害裂缝。裂缝的存在不仅会影响结构的美观和正常使用，还会削弱结构的刚度及整体性。使结构安全度降低，抗震性能差。因此，要想避免在设计施工中裂缝的产生，我们应认识这些裂缝的产生原因，并制定相应的防范措施。本文将主要介绍桥梁、隧道、房屋建筑混凝土裂缝的产生原因及控制措施。[1]

桥梁类混凝土裂缝的分析

桥梁在使用过程中承受的荷载分两类，第一类荷载指承受外来的动静荷载，第二类荷载指承受变形（温度膨胀收缩、地基下沉等）引起的力。由外荷载作用引起的裂缝是指荷载作用下，混凝土的拉应力超过了材料的抗拉强度致使结构开裂，这类裂缝比较明确。有变形变化引起的裂缝，主要是指由温度、收缩、膨胀和不均匀沉降等引起的裂缝，这类裂缝是结构首先变形，当变形得不到满足或受到约束时就产生应力，而且应力与结构的刚度与约束情况有关，当应力超过当时的材料强度时就出现开裂，裂缝出现后变形得到满足，应力就得到释放。

重力式桥台温度裂缝

桥台指位于桥梁两端，支承桥梁上部结构并和路堤相衔接的建筑物。

由于重力式桥台尺寸都比较大，所以防止水化热过大引起裂缝是重力式桥台裂缝控制的重要内容。如果桥台混凝土中没有使用低热水泥或加入控制水化热的掺合料，或施工中一次性浇注完成，而没有进行分层、分块浇筑，则温度裂缝产生的可能性大大增加。

图1 重力式桥台温度裂缝

Fig.1 Temperature crack

gravity abutment

防止大体积混凝土水化热引起裂缝的措施主要有：

采用连续薄层推移式浇筑，这可以加大散热面，一般可采用低热水泥、在受压区埋设块石、加掺合料（如粉煤灰）、埋入冷却水管、遇冷骨料、预冷水、加强养护、合理地分层分块浇筑、合理地设置伸缩缝及结构缝等方法。

保温、保湿养护。

合理布置分布钢筋，尽量采用小直径、密间距分布筋。

合理选择混凝土，避免采用高强混凝土，尽量采用中低强度混凝土。

用较低的水灰比，减少绝热温升，使混凝土水化时降低内外温差和降低降温速度，前者可以减少温差裂缝产生的可能，后者可以减少温度收缩裂缝产生的可能。

防止过大水化热引起温度裂缝是大体积混凝土墩台温度裂缝控制的关键。[2]

桥塔裂缝

如图2所示桥塔，从该桥的受力情况来看，桥塔主要以压、弯为主，如果出现受力裂缝，则是横向裂缝，但该桥塔的裂缝是竖向裂缝，出现在塔体四周的外表面，因此从裂缝的方向、分布分析可以断定桥塔的裂缝不可能是外荷载引起的受力裂缝，应该是变形裂缝。

从环境条件来看，桥梁大多处于入海口，风况和日照环境较为恶劣，致使：

塔体截面内外侧温差大；

外侧混凝土表面水分挥发快，产生内外表面收缩差。

从材料特性看，塔体若采用高强混凝土，标号较高，材料脆性高，韧性差，容易产生变形裂缝。

从桥塔的结构特点来看，产生变形裂缝的几个可能因素是：

温差与收缩差，一般外表面受环境骤然降温的影响大，水份易挥发，收缩较快，容易形成塔体内外侧不均匀的温差的收缩差，引起弯曲应力，导致外表面开裂。

壁厚，一般当混凝土壁厚大于0.5m时，就可能由于壁表面和中心之间水化热的不均匀的温差和不均匀收缩引起显著的自约束应力，导致表面开裂。

均匀降温与收缩，塔体截面的四边在均匀降温收缩下，受到加劲梁的约束产生约束应力，这种应力可导致沿竖向贯穿壁厚的裂缝。

图2 桥塔裂缝

Fig.2 Pylon cracks

承台大体积混凝土裂缝

承台指的是为承受、分布由墩身传递的荷载，在基桩顶部设置的联结各桩顶的钢筋混凝土平台。

碱——骨料反应对桥梁等混凝土结构造成了严重破坏，尤其是近十几年来水泥含碱量增加及混凝土中含碱外加剂的使用，使得混凝土含碱量剧增。承台混凝土配合比设计以安全、经济、合理为原则，按强度、工作性、耐久性等指标控制。承台采用泵送混凝土，要求混凝土在不影响强度的情况下具有良好的流动性和可泵性，不出现分层离析，保水性好，粘聚性好。混凝土要具备一定的抗渗、抗冻、抗各种化学侵蚀等耐久性要求。一定量的粉煤灰掺入新拌混凝土中，不仅减少混凝土的泌水和离析，改善混凝土的和易性，降低混凝土水化热，提高混凝土的可泵性，而且降低混凝土收缩，减少混凝土徐变，抑制碱--骨料反应。混凝土配合比中掺加粉煤灰后腰加强养护。用粉煤灰代替部分水泥，仅承台1200立方米混凝土中，可减少水泥用量960t，节约30万元。具有较好的经济效益。[3]

图3承台大体积混凝土裂缝

Table 1 Mix concrete pile

受刚性基础约束的混凝土裂缝

对于现浇筑在刚性基础上的大体积混凝土，浇筑体的表面与空气接触，温度沿厚度方向变化。混凝土浇筑后在水化热作用下，混凝土体内温度迅速升高，体积发生膨胀，但由于受到下面刚性基础的约束，混凝土体内出现挤压应力。在混凝土强度初期，由于混凝土弹性模量较小，不会产生较大压应力。当混凝土体温度由最高值开始下降后，混凝土逐渐开始冷却，而弹性模量也比初期有很大上升，使由于混凝土冷却产生的拉应力超过早起在混凝土体内积累的压应力而最终形成较大拉应力。而对于体积稍大的混凝土拱座，如果不采取适当措施，在某时刻的约束应力超过了混凝土的极限抗拉强度，就会出现了贯通的竖向裂缝。大体积混凝土裂缝往往与所用材料、施工、环境条件、设计以及外荷载等多种因素有关。

地基变形引起的裂缝

桥梁基础置于滑坡体、溶洞或活动断层等不良地质时，可能造成不均匀沉降。桥梁建成以后，原有地基条件变化。大多数天然地基和人工地基浸水后，尤其是素填土、黄土、膨胀土等特殊地基土，土体强度遇水下降，压缩变形加大。在软土地基中，因人工抽水或干旱季节导致地下水位下降，地基土层重新固结下沉，同时对基础的上浮力减小，负摩阻力增加，基础受荷加大。有些桥梁基础埋置过浅，受洪水冲刷、掏挖，基础可能位移。地面荷载条件的变化，如桥梁附近因塌方、山体滑坡等原因堆置大量废方、砂石等，桥址范围土层可能受压缩再次变形。因此，使用期间原有地基条件变化均可能造成不均匀沉降。[2,3,4]

房屋建筑裂缝

房屋建筑产生裂缝的原因很多，如温度变

形、混凝土收缩、基础部均匀收缩等。

3.1 墙体裂缝

房屋建筑无论是工业还是名用建筑，在投入使用后，墙体裂缝较为常见

3.1.1 引起墙体裂缝的原因

地基不均匀沉降

横墙刚度较大，很少出现这类裂缝，裂缝多在墙体下部，向上逐渐减少，裂缝宽度下大上小。斜裂缝一般发生在纵墙的两端，大部分裂缝通过窗口的两个对角，裂缝向沉降较大的方向倾斜，并由此向上发展。

温度变化引起的裂缝

由温度变化引起的裂缝有八字形裂缝，水平裂缝，外墙水平裂缝。八字形裂缝出现在顶层纵墙的两端，有时横墙也可能发生。裂缝宽度一般中间大，两端小。水平裂缝一般发生在平屋顶屋檐下或顶层圈梁2-3皮砖的灰缝位置。外墙水平裂缝指外墙与顶层（圈）梁接头处形成水平裂缝。

工程设计方面不合理，引起墙体开裂

设计时没有认真按规范规程要求进行放裂缝设计。在许多工程中，设计虽有防裂缝措施，但与规程要求不完全相符，致使墙体防裂缝得不到有效保障，或保质年限大大缩短。[5,6]

图4 墙体裂缝

Fig.4 Wall cracks

3.1.2防止墙体裂缝措施

1）防止地基沉降引起裂缝的措施

合理设置沉降缝，从基础开始分成若干部分并设置沉降缝，使其各自沉降，以减少或防止裂缝产生。也可加强上部结构的刚度，提高墙的抗剪强度。

2）防止温度及干缩裂缝的措施

屋盖上设置保温层或隔热层，在屋盖的适当部位设置控制缝，当采用现浇混凝土挑檐的长度大于12mm时，宜设置分隔缝，其宽度大于20mm，合理设置灰缝钢筋。

现浇钢筋混凝土楼板切角裂缝

砖混结构是目前住宅量大面广的一种结构形式，墙体多采用砖砌体，楼、屋面板采用现浇钢筋混凝土梁板体系。但这种结构形式的楼、屋面板常在建筑的四角出现45度倾向裂缝，贯通楼、屋面板、顶部楼层裂缝较宽，底部楼层裂缝较小，且常在工程竣工后出现，甚至铺上地面砖后裂缝仍将地面砖贯通。此类裂缝为混凝土收缩及温度变化引起。为解决这类常见裂缝，可以从以下方面入手：首先采用合理的混凝土配合比，正确的养护，减少混凝土的干缩、自生收缩及塑性收缩；其次，通过添加外加剂补偿混凝土收缩，可使其在混凝土中产生预压力，减少混凝土的收缩变形。在房屋两端楼、屋面板中适当增加配筋，可增加楼板的抗裂能力，认真做好隔热层，减少由于温度变化引起的附加应力。[7]

隧道，地下构筑物裂缝

多年冻土及寒区铁路隧道衬砌开裂

图5铁路隧道衬砌开裂

Fig.5 Railway tunnel cracks

衬砌开裂是隧道结构物安全程度的一个综合反映，衬砌开裂分环向、纵向和斜向三种。环向开裂是垂直于隧道纵轴的衬砌开裂，它是隧道的一个突出弱点，无论隧道地质好坏，都有不同程度的环向开裂。一些隧道开裂情况见表2：

Table 2 tunneling crack cases

由资料得知绝大部分环向开裂多产生在混凝土衬砌施工缝处，对衬砌结构的受力影响虽然不大，但衬砌一旦产生环向开裂，就成为衬砌渗漏的良好通路，对加速衬砌内部风化有很大的促进作用。

隧道衬砌裂缝原因分析：

水泥水化热，水泥水化反应时一个放热过程，该热量聚集在衬砌混凝土内部不易散失，引起温度升高，内部对外部的收缩形成约束，表面将产生很大的拉应力，当混凝土初期抗拉强度不足以抵抗收缩而产生的拉应力时，便开始出现表面裂缝。

干燥收缩，隧道衬砌的表面干燥收缩快于内部，表面的干缩受到中心部位的约束，将在表面产生拉应力，促使裂缝产生。

混凝土在低温下的冻胀作用，混凝土由固相、气相、液相组成。由水泥石和骨料形成的不规则骨架，期间充满大量孔隙，孔隙中充满水和气体。当温度过低时，可引起衬砌冻胀裂缝，造成衬砌表面酥松剥落。[7,8]

地下构筑物结构裂缝

目前高层建筑混凝土地下室墙裂缝现象普遍，不仅因渗漏而影响使用，还会降低耐久性。

地下构筑物混凝土墙裂缝主要特征

绝大多数裂缝为竖向裂缝，多数缝长接近墙高；

裂缝数量较多，但宽度不大；

沿地下室墙长两端附近裂缝较少，墙长中部附近较多；

裂缝出现时间多在拆模后不久，有的还与气温骤降有关；

随着时间裂缝数量增多，但缝宽加大不多。[9]

地下构筑物裂缝的控制措施

图5地下室裂缝

Fig.5 Basement Crack

结构设计方面的裂缝控制对策

加强构造配筋，合理选择结构的配筋率，连续梁、板在受拉区和受压区均采用连续式配筋；

混凝土强度等级，提高混凝土的抗压强度，对抗拉强度（极限拉伸）提高的效果甚微，应使用龄期60d或90d的抗压强度作为设计控制依据；

尽量改变约束条件，优化混凝土的结构形式。结构设计中应注意结构的约束状态，尽可能降低结构的约束度，可设置滑动层、可动节点等减少约束作用；

严格控制钢筋保护层厚度，设计寿命为50年的C20以下的混凝土结构保护层宜取15mm，C25~C35的保护层厚度应不小于25mm。施工中，严格控制钢筋保护层厚度，防止保护层厚度不均匀所引起的裂缝。

施工工艺技术措施

采用信息化施工，加强对泵送混凝土坍落度、混凝土内部温度变化和气候（气温、适度和风力等）的检测，及时调整施工工艺和技术参数；

控制水化热温升；

合理选择施工缝在平面和立面上的位置及浇筑间隔时间。

采取有效措施减小混凝土早期阴阳表面的温差，减小暴雨、强风和干燥天气对混凝土表面温度湿度的影响。[9,10]

参考文献

[1]徐荣年,徐欣磊.工程结构裂缝控制[M].北京:中国建筑工业出版社,2005-06.