英国砌体规范变形裂缝控制简介

张超，张京街，高连玉

（1 重庆市建筑科学研究院有限公司，重庆 400020；2 中国建筑东北设计研究院有限公司，辽宁沈阳 110111）

1 砌体结构变形

房屋建成后，在荷载、地面运动（不均匀沉降）、碳化以及温度、湿度等环境作用下会产生尺寸变化。砌体因为存在约束不能自由伸缩，会产生压力或拉力，进而导致弯曲或开裂。如墙板不是沿其整个厚度方向设置支承时，压力偏心会在墙体内产生附加弯矩；而在洞口、墙体截面（高度、厚度）变化、转角等部位或使用超过相应规定的高强砂浆时，会存在应力集中，进而可能导致结构开裂。工程结构中常见裂缝多是由于温度、干缩等因素引起形变产生的，荷载引起的裂缝只占20%左右[1]。BS 5628-3[2]附录B 对温度、湿度和碳化变形的基本原理和考虑作了较为详细的阐述，介绍如下。

1.1 温度变形

理论上讲，结构温度变形等于材料线性热膨胀系数与温度变化及构件长度的乘积，而且是可逆的，见图1。因为原材料、制作工艺不同，不同材料砌块（黏土、硅酸钙、混凝土、石等）的变形性能有很大不同，见表1。但砌体墙的实际变形不仅与环境温度变化有关，还与砌筑时砌块初始温度有关，同时受墙体约束的影响。初始温度又与砌筑季节、砌筑时的环境条件以及砌块生产后多久在现场砌筑等因素有关。因此，在确定墙体因为温度变化引起的自由变形量时，需要估算砌体初始温度及其温度变化范围，同时水平方向和竖向变形要分别计算：（1）水平方向砌体线性热膨胀系数取块材的线性热膨胀系数；（2）竖向变形取块材和砂浆竖向温度变形之和。

表1 常见砌体材料线性热膨胀系数（摘自BS 5628-3，与实际材料类型、组分等有关）

图1 温度变形（摘自BS 5628-3）

1.2 湿度变形

黏土类块材与硅酸钙、混凝土砌块湿度变形的性质和变形量均有所不同，BS 5628 对其分别予以考虑。

黏土块材会由于含水率变化产生细微的尺寸变化，墙体实际干缩变形取决于初始、最小和最大含水率。这类变形通常小于0.02%，在整体变形中可以忽略不计。黏土砖出窑后会吸收空气中的水分发生不可逆的（细微）膨胀，膨胀率在砌块刚冷却的时候最大，随后减小。内外墙都会有，外墙中膨胀速度略快。墙体实际变形取决于约束大小和砂浆已发生的徐变。

硅酸钙和混凝土砌块因含水率变化引起的自由变形与图1所示温度变形特点类似，控制因素同样是初始（砌筑时）、最小和最大含水率。但与黏土类砌块不同，硅酸钙或混凝土砌块失水会收缩，因此砌筑前和砌筑过程中尽量保持干燥有利于减小使用过程中的变形。因为相对湿度不同，内墙变形会比外墙小。干缩变形受约束影响，容易在端部产生拉应力。

砂浆干缩变形与集料混凝土砌块类似，但因为砂浆含水率砌筑后才会变化，其自由变形量应该更大，但其对砌体纵向变形可以忽略。表2 给出了砂浆收缩参考值，实际收缩变形与砂浆组分、配比和相对湿度等有关，但为方便使用，外墙砂浆可取表中较低值，内墙砂浆可取表中较高值。砂浆水平方向收缩受到周围砌块的约束，在黏土类砌体中，会与砌块的细微膨胀相抵消。砂浆竖向收缩通常无约束，在砌体变形中需要考虑，将其变形与砌块变形叠加。因为室内环境一旦干燥后再严重潮湿的机会不大，其在内墙引起的变形通常可以忽略不计。

表2 含水率变化引起的砂浆收缩（非约束条件，摘自BS 5628-3）

1.3 碳化变形

混凝土砌块和砂浆会因为其所含水泥与空气中的二氧化碳作用而碳化收缩。渗透性碳化及变形程度与混凝土透水性和环境相对湿度有关。在密实混凝土砌块和蒸压砌块中，碳化引起的变形非常小，可以忽略不计。但在未采取任何防护措施的纹理砌块和砂浆中，碳化引起的变形可以达到初始自由含水率引起变形的20%～30%。

1.4 砌体墙总自由变形

墙体变形计算要综合考虑上述温度、湿度和碳化等因素引起的变形，确切的变形计算十分困难，但绝不是简单的叠加。

对于环境温度整体较为稳定的内墙，前述黏土类砌块长期（膨胀）变形占主导，除了在长度小于1 m 的转角等部位以外，通常不会受拉开裂。外墙则需要考虑这种长期（膨胀）变形与温度变形的组合效应。对于硅酸钙与混凝土类砌体，BS 5628 没有给出整体自由变形计算系数，但认为只要按要求设置变形缝，将认为实际变形会很小，不需要进行计算。

另外，砌体结构通常不需要考虑因为设置保温隔热层产生温度、湿度或水分蒸发率变化引起的变形，但对于某些特定的黏土类块材用于太阳辐射产生温度高、结构约束小的情况，适当减小变形缝间距有利于防裂，具体要征求生产厂家或设计单位的意见。

2 砌体变形裂缝控制

在实际应用中，不同材料砌块之间的连接不应因为其变形特性不同而产生过度应力，如在饰面墙中不能将黏土砖直接粘贴在混凝土砌体表面。如果不同材料之间的变形存在数量级的差别或在性质（伸缩）上有差别，相应的砌体结构之间应该通过设置（竖向或水平）变形缝、滑移面等方式有效隔开，或者进行适当配筋。

砌体结构洞口上下部位会因为竖向砌体墙截面突然变化而产生裂缝，硅酸钙或混凝土类砌体这些部位应该通过配筋来减少开裂，配筋应该从洞口部位向外延伸足够长来适应截面变化引起的应力影响，但要注意有足够的保护层来防止钢筋锈蚀。滑移面允许不同部位的砌体相对滑移以减小相邻材料之间的剪应力。但需要注意的是，变形缝和滑移面的设计和布置除需考虑变形控制之外，还要求不能对墙体稳定或其他功能带来不利影响。变形缝是BS 5628 着重提出的变形控制方式，现将相应规定重点介绍如下。

2.1 变形缝设置的一般要求

砌体住宅内墙或空心墙内叶墙长度较小时，一般不需要设置变形缝。距离墙体转角最近的一道变形缝距转角的距离不应大于正常变形缝间距的1/2；对于交接处连续的墙体，考虑墙板端部约束影响，最好小于正常变形缝间距的1/2。

目前没有简便的数学计算式来确定砌体结构中变形缝的位置，但BS 5628 标准给出了变形缝设置的基本原则：（1）变形缝间距应使墙体中产生的纵向应变不超过墙体的应变承载力；（2）砌体中的最大变形不应超过变形缝密封材料的最大允许变形，并基于实际经验给出了变形缝的间距建议。

砌体结构中的变形缝设置应考虑以下建筑特征：（1）墙、墙垛、楼板等交叉部位；（2）门窗洞口；（3）墙体厚度或高度变化部位；（4）墙体开凿部位；（5）房屋变形缝整体设置或在楼板设置。

2.2 变形缝间距与宽度——黏土类砌体

对于类似女儿墙或使用薄膜防潮层的不承重窗间墙等无约束或约束很小的墙体，其在房屋使用寿命期内因为温度和湿度变化引起的膨胀变形约为1 mm/m，这类墙体中变形缝的间距与宽度主要取决于填充材料的压缩性和密封材料性能。作为通用指南，变形缝宽度（mm）应取变形缝间距（m）的130%，如变形缝间距为12 m，变形缝宽度应为约16 mm。无约束墙体的竖向变形与水平方向变形大致在一个数量级。

对于常规层高墙体，其在房屋使用寿命期内因为温度和湿度变化引起的膨胀变形要小于1 mm/m，而且随着约束增强而变小。但为预防因温度收缩引起的开裂，BS 5628—3 规定：（1）在无筋砌体墙中，变形缝间距任何情况下应不小于15 m，对于约束不强的墙体（如女儿墙）变形缝间距尚应适当减小；（2）有水平灰缝配筋时，变形缝间距可大于15 m，但需要进行专业设计。

在墙体拐角部位，拐角部位墙体长度不小于675 mm 时，可认为具有足够的刚度来适应墙体反向作用力引起的应力。拐角部位墙体长度小于675 mm且任一侧墙体长度大于6 m 时，砌体应在拐角处断开，通过设置竖向压缩缝或滑移构造来防止产生力偶和开裂（图2）。

图2 黏土类砌体短拐角部位构造（摘自BS 5628-3）

2.3 变形缝间距与宽度——碳酸钙类砌体

硅酸钙类砌体应尽量设计成由变形缝分隔成的多个墙板以防止收缩，每块墙板的长高比通常不大于3:1，且（适应墙体水平方向变形）竖向变形缝间距应在7.5～9 m 之间。变形缝宽度通常不需要超过10 mm，需要的时候进行密封。外墙洞口部位变形缝间距应适当减小，洞口上下可能需要配筋。

硅酸钙类砌体外墙应该设置压缩性变形缝来适应温度膨胀变形，变形缝间距不应超过30 m。

2.4 变形缝间距与宽度——混凝土类砌体

混凝土类砌体应尽量设计成由变形缝分隔成的多个墙板以防止收缩，每块墙板的长高比通常不大于3:1，且竖向缝间距应在6～9 m 之间。

混凝土类砌体外墙应该设置用以协调温度膨胀的压缩性变形缝，变形缝间距不超过30 m。

2.5 变形缝填充与密封

BS 5628 要求密封材料应能够轻松地压缩至其本身厚度的50%，聚氨基甲酸酯泡沫塑料、泡沫聚乙烯、泡沫橡胶都是适宜的材料。大麻、纤维板、软木及类似材料可以用于硅酸钙和混凝土砌体的收缩缝，但不能用于黏土砖砌体的膨胀缝。

需要防水部位的变形缝应进行密封。变形缝的宽度应能适应可逆与不可逆变形叠加而不破坏密封，因此变形缝的宽度与变形缝间距和所选用的密封材料有关。密封材料选型有专门的标准（BS 6213）。为保证密封材料与砌体可靠连接，密封深度不应小于10 mm。对接部位的密封，使用弹塑性密封材料时，宽度与深度比在2:1～1:1 之间时性能最优；如使用塑弹性密封材料，宽度与深度比在1:2～1:1 之间时性能最优。

相较于其宽度，变形缝的深度通常较大，填充时应预留密封要求的深度。但如果需要连接破坏膜，应该在填充和密封之间设置，交叉连接的闭孔聚乙烯泡沫可以兼作填充和连接破坏膜。其截面应该比变形缝宽约25%，以保证在变形缝两侧挤压塞紧，为密封材料提供足够的支撑。填充材料不应与密封材料粘结或发生化学反应。

3 相连结构构件变形考虑

3.1 结构构件变形影响

当墙支承于楼板或梁上但设计不考虑组合作用时，可能需要考虑支承构件变形的影响，如在墙体底部设置隔离缝和/或在墙体下部灰缝配筋。

隔墙设计未考虑承担上部结构传递竖向荷载时，应考虑上部构件变形，在隔墙与结构之间应预留空隙或用弹性材料填充，但需要考虑墙体是否设置横向支承和保证防火整体性的问题。

3.2 框架结构砌体围护墙

框架结构砌体围护墙设计应防止因砌体和框架不均匀变形引起的开裂，同时围护墙要有足够的横向边缘支承，以保证墙体稳定性。

混凝土结构因为干缩和徐变等作用会产生竖向变形，这种竖向变形与砌体围护墙温度膨胀变形方向相反。如果砌体围护墙与水平梁或楼板相连紧固，尤其砌体墙支承存在竖向偏心的情况下，这种反向变形会在砌体中产生过度应力。要防止这种过度应力，应设置水平向可压缩连接来协调这种不均匀变形。水平向可压缩连接会影响砂浆连接或简单支承件的稳定效应，通常又需要提供限制水平作用力的约束。

钢框架结构没有混凝土结构收缩变形的问题，与砌体墙之间的不均匀变形主要来自于砌体墙本身的温度和湿度变形。因此，对于内墙来说，如果可以避免偏心和短转角，多层钢结构房屋的黏土类砌体墙板可以与钢框架刚性连接。硅酸钙或混凝土类砌体不能与钢框架刚性连接，但应该设置足够的横向支承。

框架结构房屋在风荷载作用下的摇摆不可忽略时，砌体围护墙设计应考虑这种摇摆产生的变形。一种方式是将砌体墙与框架结构连接，两者同步变形，砌体墙可沿底部防潮层部位适当转动。另一种方式是砌体墙按自承重墙设计，其与框架结构的连接应不能限制其可预见的变形。砌体墙作为框架结构抗风支撑时，应与周边框架牢固连接。砌体墙不仅要抵抗荷载引起的应力，还要抵抗砌体与框架不均匀变形引起的应力。

4 结语

裂缝控制一直是结构工程师不可回避的重要课题。现行国家规范《砌体结构设计规范》GB 50003—2011[3]第6.5 节规定了防止或减轻墙体开裂的构造措施，《墙体材料应用统一技术规范》GB 50574、《建筑工程裂缝防治技术规程》JGJ/T 317 及不同材料应用标准也有针对砌体裂缝控制的技术要求。但如徐建等[4]指出，GB 50003—2011 在裂缝控制方面存在一些不足，如砌体房屋的伸缩缝间距一直沿用GBJ 3-73 的要求，只是对干燥收缩较大的非烧结砌体房屋笼统地提出了0.8 的修正系数；不同气候条件和不同围护结构保温形式对屋盖与墙体的温差作用影响很大[5]，若按现行规范的方式给出统一的伸缩缝间距是不合理的。近年来，国内学者从不同角度对砌体裂缝控制问题进行了很多深入研究。高连玉[6]对加气混凝土墙体干缩裂缝进行了试验研究。梁建国[7]对异型平面砌体结构房屋伸缩缝间距进行了专门研究。曾小婧[8]对中外规范关于砌体房屋裂缝控制措施进行了对比分析。BS 5628 对砌体结构变形的基本原理有较为详细的阐述，对变形裂缝控制尤其对变形缝设置作了较为系统和具体的规定，同时对考虑相连结构构件变形影响作了原则性的规定，希望对我国砌体结构裂缝理论发展和相关标准规范完善能够有所参考和借鉴。