從建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)談現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板的裂縫問題

孟光強(qiáng)　姜　震

摘 要:針對(duì)現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板易出現(xiàn)裂縫的問題,從建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面對(duì)產(chǎn)生裂縫的各種因素進(jìn)行了探討,并提出了在設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行裂縫控制的建議和方法。

關(guān)鍵詞:現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板;裂縫;建筑設(shè)計(jì);結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板在結(jié)構(gòu)安全和使用功能方面比預(yù)制板優(yōu)越得多,但是樓板裂縫不斷增加。大多數(shù)消費(fèi)者對(duì)樓板裂縫缺乏必要常識(shí),統(tǒng)視裂縫為有害,擔(dān)心樓板裂縫會(huì)引起建筑物倒塌,反應(yīng)極為敏感,近年來成為投訴熱點(diǎn),開發(fā)商和承包商為此的花費(fèi)亦逐年增長(zhǎng)。

1 樓板裂縫種類

1.1 溫差裂縫

由于溫度變化,混凝土熱脹冷縮而形成的裂縫,此類裂縫一般集中在東西單元的房間、屋面層和上部樓層的樓板。

1.2 結(jié)構(gòu)裂縫

雖然現(xiàn)澆樓板承載力均能滿足設(shè)計(jì)要求,但由于預(yù)制多孔板改為現(xiàn)澆板后,墻體剛度相對(duì)增大,樓板剛度相對(duì)減弱。因此在一些薄弱部位和截面突變處。往往容易產(chǎn)生一些結(jié)構(gòu)性裂縫。例如:墻角應(yīng)力集中處的45°斜裂縫,板端負(fù)彎矩較大處的板面裂縫等。

1.3 構(gòu)造裂縫

PVC管處混凝土厚度減薄,容易出現(xiàn)裂縫。

1.4 收縮裂縫

混凝土在塑性收縮、硬化收縮、碳化收縮、失水收縮過程中易形成各種收縮裂縫。

2 樓板裂縫形式

2.145°斜裂縫

該裂縫常出現(xiàn)在墻角,特別是房屋東西兩端房間,呈45°狀。

2.2 縱橫向裂縫

該裂縫一般出現(xiàn)在跨中、負(fù)彎距鋼筋端部、PVC電線暗管敷埋處。

2.3 長(zhǎng)裂縫

一部分房間預(yù)埋PVC電線管的板面上出現(xiàn)裂縫,裂縫寬度達(dá)0.2mm～0.3mm左右。這種裂縫僅在樓板表面出現(xiàn),板底無裂縫。

2.4 不規(guī)則裂縫

裂縫出現(xiàn)部位形狀無規(guī)則,或散狀或龜裂狀。一般發(fā)生在房屋東西兩單元、閣樓頂層部位。

3 從設(shè)計(jì)方面分析裂縫及控制方法

造成現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板開裂有設(shè)計(jì)原因、施工原因、材料原因,本文僅從設(shè)計(jì)方面進(jìn)行探討。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、建設(shè)任務(wù)增加迅猛,勘察設(shè)計(jì)隊(duì)伍亦在迅速擴(kuò)大,住宅工程相當(dāng)一部分是由乙級(jí)和丙級(jí)設(shè)計(jì)單位承擔(dān)。住宅設(shè)計(jì)單位低資質(zhì),或由于設(shè)計(jì)市場(chǎng)管理的不到位,造成低資格設(shè)計(jì)人員掛靠設(shè)計(jì),而掛靠單位收取一定比例管理費(fèi)后,就盲目蓋章、簽字,根本不對(duì)圖紙的結(jié)構(gòu)安全、合理性、完整性等認(rèn)真審核。結(jié)果是一部分住宅工程勘察設(shè)計(jì)質(zhì)量低下,問題較多。另一個(gè)原因是,一些住宅開發(fā)商任意壓價(jià),片面降低勘察設(shè)計(jì)費(fèi),以收費(fèi)最低為主要條件選擇勘察設(shè)計(jì)單位,同時(shí)又不講合理設(shè)計(jì)時(shí)間,限期開工,逼迫提前出圖,造成施工圖設(shè)計(jì)深度不夠,問題必然較多。

3.1 目前與溫度有關(guān)的裂縫計(jì)算公式有:

連續(xù)式約束條件下樓板、長(zhǎng)板、剪力墻、大底板等最大約束應(yīng)力計(jì)算公式:

σ*xmax=-EaT1-1chβL2H(t,τ)(1)

或按時(shí)間增量的計(jì)算公式:

σ*xmax=∑ni=1Δσi=-a1-u∑ni=11-1chβiL2ΔTiεi(t)H(t,τ) (2)

當(dāng)應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí),可求出裂縫間距:

Lmax=2EHCxarcchaTaT-εp (3)

L=1.5EHCxarcchaTaT-εp(4)

Lmin=12Lmax(5)

式中,T-包含水化熱、氣溫差及收縮當(dāng)量溫差。同號(hào)疊加,異號(hào)取差,由此可見,夏天炎熱季節(jié)澆筑混凝土到秋冬冷縮都是疊加的,拉應(yīng)力較大;

H(t,τ)-松弛系數(shù)。在保溫保濕養(yǎng)護(hù)條件下(緩慢降溫即緩慢收縮),松弛系數(shù)取0.3或0.5,當(dāng)寒潮襲擊或激烈干燥時(shí),松弛系數(shù)取0.8,應(yīng)力接近彈性應(yīng)力,容易開裂;

T=T1+T2+T3(T1為水化熱溫差、T2為氣溫差、T3為收縮當(dāng)量差,取代數(shù)和);

εp-混凝土的極限拉伸。級(jí)配不良,養(yǎng)護(hù)不佳,取0.5×10-4～0.8×10-4;正常級(jí)配,一般養(yǎng)護(hù),取1.0×10-4～1.5×10-4;級(jí)配良好,養(yǎng)護(hù)優(yōu)良,取2×10-4;配筋合理(細(xì)一些,密一些),可提高極限拉伸20%～40%。構(gòu)造配筋宜為0.3%～0.5%;

H-均拉層厚度(強(qiáng)約束區(qū));

E-混凝土彈性模量;

Cx-水平約束系數(shù);

ch、arcch-雙曲余弦及雙曲余弦反函數(shù);

a-線膨脹系數(shù),一般情況εp≤|aT|,當(dāng)εp≥|aT|時(shí)取εp=|aT|,[L]→∞。

裂縫開展寬度:

δf=2ψEHCxaTthβL2(6)

δfmax=2ψEHCxaTthβLmax2(7)

δf=2ψEHCxaTthβLmin2 (8)

β=CxEH(9)

式中,ψ-裂縫寬度經(jīng)驗(yàn)系數(shù);

Cx-約束系數(shù)。

3.2 住宅長(zhǎng)度超長(zhǎng)

住宅平面超長(zhǎng),由于溫差和材料變形,會(huì)造成墻體和樓板橫向開裂。僅就長(zhǎng)度而言,結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度與應(yīng)力呈非線性關(guān)系,如結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度小于規(guī)范要求,結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響很小。

3.3 平面形狀

當(dāng)住宅臥室沿長(zhǎng)度、寬度方向尺寸變化,由于樓板剛度不一致,會(huì)產(chǎn)生不相同變形,引起薄弱部位開裂。

3.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面原因

3.4.1 近代國(guó)際上結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則是,整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)的功能必須滿足兩種狀態(tài)的要求:①承載力極限狀態(tài),以保證結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生破壞,不失去平衡,不產(chǎn)生破壞時(shí)過大變形,不失去穩(wěn)定。②正常使用極限狀態(tài),以確保結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生超過正常使用狀態(tài)的變形、裂縫及耐久性、振動(dòng)及其它影響使用的極限狀態(tài)。目前人們對(duì)第一極限狀態(tài)已給于足夠重視并嚴(yán)格執(zhí)行,而對(duì)第二種極限狀態(tài)卻經(jīng)常被忽視。

3.4.2 從鋼筋混凝土現(xiàn)澆樓板各種受力體系分析,無論是按單向板設(shè)計(jì)還是按雙向板設(shè)計(jì),是單跨還是多跨連續(xù)板設(shè)計(jì);無論是板端支承在磚墻上還是支承在過梁或剪力墻內(nèi),受力狀態(tài)考慮都是局限于樓板平面的應(yīng)力變化(按彎矩配置抵抗正、負(fù)彎矩的受力鋼筋)、板平面的受剪變形。即使是考慮板端嵌固端節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生彎矩,也只是考慮板平面彎曲或屈曲所產(chǎn)生的應(yīng)力。在樓板受力體系分析時(shí),對(duì)于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間在三維空間中如何分配內(nèi)力、協(xié)調(diào)變形,根本沒有考慮。

3.4.3 目前不少設(shè)計(jì)人員只按單向板計(jì)算方法來設(shè)計(jì)配置樓板鋼筋,支座處僅設(shè)置分離式負(fù)彎矩鋼筋。由于計(jì)算受力與實(shí)際受力情況不符,單向高強(qiáng)鋼筋或粗鋼筋使混凝土樓面抗拉能力不均,局部較弱處易產(chǎn)生裂縫。部分設(shè)計(jì)人員對(duì)構(gòu)造配筋,放射筋設(shè)置不重視或不合理,薄弱環(huán)節(jié)無加強(qiáng)筋。

3.4.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)板內(nèi)布線引起裂縫的構(gòu)造考慮不夠。住宅電器、電信快速發(fā)展的今日,現(xiàn)澆樓板內(nèi)暗敷PVC電線管越來越多,甚至有些部位三根交錯(cuò)疊放,兩根管交錯(cuò)疊放更為普遍。PVC管錯(cuò)疊處板的抗彎高度大大降低,從而減弱了板的抗彎性能。

3.4.5 對(duì)開口樓板,特別是開洞口比較大的雙向板,設(shè)計(jì)時(shí)往往只考慮樓板在豎向荷載作用下的洞口四周加強(qiáng)配筋。由于縱向的受力鋼筋被切斷,而忽視了板與墻體或板與梁的變形協(xié)調(diào)問題。這時(shí)如墻或梁的剛度較大,板的孔邊凹角處未必出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,開洞板易發(fā)生翹曲。

結(jié)語

現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板裂縫是工程常見的質(zhì)量通病,只有在設(shè)計(jì)過程中針對(duì)各影響因素考慮全面、細(xì)致,嚴(yán)格遵守設(shè)計(jì)規(guī)范,才能大大減少現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板產(chǎn)生裂縫的可能。