裂缝在民用建筑设计中的成因及控制措施

言景 李静

(1.中国建筑西南设计研究院有限公司，四川成都 610041;2.四川大学锦江学院，四川锦江 620860)

0 引言

近年来，我国城市化进程加快，商品高层住宅建筑取得了飞速发展，而现浇混凝土结构占了绝大多数。其中，由于裂缝导致的装修损坏、楼板渗漏、设备无法安装等问题成了用户投诉最多的工程质量问题。资料显示［1］，80%以上的裂缝都是由变形作用引起的:一方面，泵送混凝土收缩变形约为 6.0×10－4～8.0×10－4，比过去混凝土的收缩变形加大了2倍～3倍;另一方面，工程设计人员专业技术水平参差不齐，只注意到结构的承载力能力极限状态，而忽视正常使用极限状态的验算，这也使得裂缝出现的概率增大。

本文计算理论、软件因素、构造措施阐述了裂缝的成因，望为工程技术人员提供参考。

1 计算理论

1.1 裂缝宽度计算

由于裂缝是混凝土的一种固有的特性，它的出现是不可避免的。从设计上控制裂缝，指通过“抗”与“放”相结合的方法使统计概率上的最大平均裂缝宽度小于限定值，即满足正常使用极限状态。根据GB 50010-2010混凝土结构设计规范中式(7.1.2-1)即可得出按荷载效应的标准组合并考虑长期作用影响的最大裂缝宽度

规范中所使用的分析模型为单轴受力的试验模型，而对于多轴应力状态，只是引入经验公式或系数加以调整。在实际工程中，混凝土构件承受单轴受压、受拉或纯剪的单轴应力状态几乎不存在，而都处于明显的多轴应力状态。然而，计算结果的准确性取决于材料本构关系的建立，实际工程的受力状态与计算模型的不同使软件关于裂缝宽度的验算有较大偏差，而这正是目前规范理论所欠缺的地方。考虑到混凝土材料、施工以及长、短期荷载效应的影响，往往要求工程设计人员按最不利情况选取调整系数，这又大大低估了材料的强度，造成了大量的浪费。

1.2 伸缩缝间距计算

规范［2］中对各种结构在不同自然条件下不设伸缩缝的间距做了规定，设计人员往往以此为依据来判断是否考虑间接应力的影响。而在实际工程中却发现有一些工程突破了规范规定的伸缩缝最大间距却未发现裂缝问题，但同时还有一些工程遵循了规范的规定而产生大量有害裂缝。这是因为随着大体积混凝土、泵送商品混凝土技术的采用，使其对混凝土的强度和流动性的要求越来越高。大量工程中的水泥用量增大，水泥强度等级提高，水化热引起的温差加大，再加上施工时，骨料级配不合理，不注意养护措施，温度、收缩裂缝出现的可能性大大增加。盲目加配钢筋、提高混凝土等级措施的收效不但不明显，所付出的经济成本也是巨大的。根据“放”的设计概念，设置伸缩缝能有效限制温度、收缩裂缝的开展，是防止发展为严重损害性裂缝的一项基本措施。王铁梦教授对此问题做了系统的研究，得出连续约束条件下结构最大约束应力的计算公式［1］:

其中，H(t，τ)为应力松弛系数;T=T1+T2+T3为温差，包含水化热、气温差及收缩当量温差，取代数和;E为混凝土弹性模量;α为线膨胀系数;H为均拉层厚度;Cx为水平约束系数;εp为混凝土的极限拉伸;ch，arcch为双曲余弦及双曲余弦反函数;由式(2)～式(4)可知，产生裂缝最主要的因素是约束、温差、收缩和混凝土本身材料性能。在设计上防止有害裂缝的产生，一方面要减小结构的约束，减小施工过程中产生的温差;另一方面要增加混凝土的材料强度，抵抗其产生的收缩应力。温度、收缩变形与结构的约束条件、环境条件、施工状况、结构体型等有关。因此，设计人员在考虑是否设置伸缩缝时，不应只根据结构体系的长度，还应综合考虑以上因素，按公式试算裂缝最大间距。

2 软件因素及相应措施

在运用结构软件分析工程模型时，总是希望结果越精确越好。但由于工程实际的复杂性，为减少计算耗时，软件采用的是简化的模型，导致结果出现较大偏差。另一方面，大多数结构分析软件在计算裂缝宽度时，只是考虑直接荷载作用，而对于变形作用引起的裂缝未提供成熟的计算方法，使得裂缝问题更加复杂。以下几点在软件使用中容易引起裂缝问题:

1)设计人员在处理厨房、卫生间等隔墙时，通常不在墙下设梁。用软件进行承载力计算时，直接把隔墙自重除以板的面积，即把隔墙线荷载折算成板的面荷载。当隔墙的荷载较大时会导致隔墙下板的配筋不足，隔墙下楼板变形过大，引起填充墙开裂。因此，设计时应在简化计算后在墙的位置下的板中加配补强钢筋。

2)由于建筑功能的需要(板底不露梁)，楼板不可避免有开洞和异形板的情况，易出现应力集中的现象，而结构设计软件对其承载力的计算还不成熟。假如设计人员直接根据软件计算结果配筋，洞口处及板面阴角处易出现裂缝。因此，在工程设计实践中，主要是从构造措施来加强，见图1，图2。因此，建筑平面应力求简单、规则，当楼板凹凸和洞口尺寸较大时，建议加设小梁，使之成为矩形、四边形等比较规则的形状。

图1 角部及阴角处附加钢筋

图2 洞口处补强钢筋

3)配梁端钢筋时，结构软件(PKPM)可根据自动配筋结果计算裂缝宽度，当裂缝宽度非常接近规范限值，而工程人员配的钢筋粗而少时，由于混凝土材料是非均质的，截面各质点受力是不均匀的，有大量不规则的应力集中点，这些点由于应力首先达到抗拉强度极限，引起了局部塑性变形，如无钢筋，继续受力，易在应力集中处出现有害裂缝［1］。因此，建议在配筋时尽量配成细而多的梁端钢筋，并应手工验算裂缝宽度。

4)计算双向板裂缝时，一般按板底短向钢筋的有效高度计算h0，而长向钢筋由于搭在短向钢筋上，h0应减去短向钢筋的直径，但软件一般没有考虑混凝土构件有效高度的减少。因此，当长向跨度较大且裂缝宽度接近限制时，应按实际的h0手算裂缝宽度。同样的情况出现在梁板搭接处，施工时板钢筋一般搭置在梁纵筋上，使板支座钢筋已接近板截面中和轴处，这样支座受拉区几乎没有受拉钢筋，易引起板支座处的裂缝。

5)由于水电设计的需要，楼板和梁中需埋设电线套管，而在实际工程中大量使用PVC管，它的强度差，与混凝土的线膨胀系数相差较大，粘结效果差，不能很好的发挥混凝土的整体受力性能，使混凝土构件受到很大的削弱。这样沿管线埋设方向易出现应力集中情况，因此，应加强套管处的构造钢筋，见图3［4］。

图3 梁洞口附加钢筋

6)设置软件选项时，应根据工程实际情况选定数据，注意易引起裂缝的选项。如为了降低含钢量，常对现浇板采用塑性理论计算，导致板面钢筋拉应力过大，产生较大板面裂缝。因此，对屋面板受温度应力较大和上部结构嵌固顶板提倡采用弹性理论计算;计算板裂缝时，软件常把板的支座简化为固支、简支。而梁本身不是无限刚，在荷载作用下有明显的挠曲变形，由于变形协调，板的实际挠度比计算值要大，易导致板底裂缝。

3 结语

高层现浇住宅建筑中，裂缝是一种常见的建筑质量通病，单一的因素不能从系统上消除裂缝，而应从设计、施工、材料、环境条件等整体上控制。从设计上控制裂缝，就是注重概念设计，综合“抗”与“放”的原则，采用合理的构造措施，尽量建立与工程实际相似的计算模型，充分考虑到软件和计算理论的缺陷，这样才能使裂缝宽度满足裂缝控制的要求。

［1］ 王铁梦.工程结构裂缝控制［M］.北京:中国建筑工业出版社，1997:5-6，164-165，30-31.

［2］ GB 50010-2010，混凝土结构设计规范［S］.

［3］ 郭剑飞，杨育人.浅析现浇板裂缝的若干设计因素［J］.四川建筑科学研究，2009，35(4):105-107.

［4］ JGJ 3-2010，高层建筑混凝土技术规程［S］.