基于變形失調原理的工程結構裂縫分析與防治

祝雯霞

（西安外事學院，陜西西安 710077）

隨著房地產市場持續升溫，建筑工程技術也迅猛發展，尤其是鋼筋混凝土結構在建筑工程技術中的應用越來越普遍，但工程事故屢見不鮮。引起事故的原因大部分因為結構裂縫。根據調查資料，引起裂縫的主要原因是結構變形失調引起，其概率約80%。

1 結構變形失調裂縫的成因分析

1.1 溫濕脹縮變化引起的變形失調裂縫

1.2 結構體系剛度分布不均勻引起的變形失調裂縫

結構體系剛度分布不均勻，通常表現在下面幾個方面：(1）結構構件的剛度分布不均勻。結構構件變形與結構剛度成反比，結構構件之間如果各自擁有的剛度互不適應，則必然引起結構變形失調，導致結構裂縫。(2）構件斷面內的變形失調。壓彎構件的結構計算是建立在平斷面和平衡設計假定基礎之上的。要維持兩個假定的成立，就必須滿足構件斷面內的變形協調條件。(3)梁板之間的變形失調。梁與板是結構體系中的兩個重要成員，梁板之間的變形不協調將導致抵抗力偏低的板面會出現裂縫現象。而較嚴重的板面裂縫會直接導致板的使用功能喪失，比如板面滲漏、地面磚破裂、室內裝修污損等。(4)梁柱之間的變形失調。梁與柱是結構體系中的中流砥柱，相當于人的脊梁骨。梁柱之間的變形不協調，比如強梁弱柱，則必然在柱上產生裂縫。為了滿足建筑結構抗震中“小震不壞，中震可修，大震不倒”的結構設計原則，常走強柱弱梁之道，讓裂縫首先出現在梁上，從而免于坍塌之險。(5)框架與填充墻之間的變形失調。填充墻本來不受力，其上裂縫無關緊要，但如果框架與填充墻之間的變形嚴重失調，墻面裂縫特別嚴重，嚴重損壞墻面裝飾。(6)上部結構與地基之間的變形失調。上部結構剛度很大，而地基的剛度，尤其是軟弱地基的剛度極小，極易導致地基不均勻沉降，引起結構裂縫甚至整體坍塌事件。

2 工程結構變形失調裂縫的防治

工程結構中的變形失調現象已很嚴重，現行規范（GB50010-2002）強調提出了結構設計必須滿足力學平衡、變形協調和本構關系合理三個條件。關于力學平衡條件的滿足，已經是駕輕就熟的老問題；而如何滿足變形協調、本構關系合理則是一個困擾工程師們的工程難題。伴隨著建筑材料品質的不斷改進，施工技術水平的不斷提高，結構裂縫現象的防治手段也取得了進一步發展。

2.1 改進結構設計

要滿足結構體系的變形協調，可以從以下幾個方面改進結構設計。（1）結構平面應力求簡單。在滿足使用功能的前提下，結構平面越簡單，變形協調關系越容易實現。（2）減少約束。合理地分區分塊，避免基礎過大起伏，允許梁板在一定范圍內自由變形。（3）構造鋼筋的配置應合理。配筋率越大，收縮越小，但配筋過量則會增加混凝土拉應力，鋼筋盡量采用小直徑、密間距。全截面配筋率不小于 0.3%，應在 0.3%～0.5%之間。（4）正確地設置沉降縫，限制伸縮縫間距。（5）設置滑動層：考慮到基礎同時受到地基和樁基的約束，在基礎的下底面設置滑動層來減小其約束，降低混凝土內部的約束應力。（6）做好屋面保溫層。進行熱工計算，屋面保溫層應滿足建筑節能的標準要求。

2.2 改進施工技術

施工的規范性對工程質量影響很大，除嚴格按圖紙施工外，施工過程的技術水平對控制混凝土結構裂縫也有重要的影響。

避免混凝土由于溫濕度變化而產生裂縫可采取如下措施：（1)采用合理的原材料。選用低水化熱水泥，改善骨料級配，降低水灰比，摻混合料等。（2)降低入模溫度。攪拌混凝土時加冰和用水將碎石冷卻以降低混凝土的澆筑溫度。（3)選擇合理的澆注速度。熱天澆筑混凝土時減少澆筑厚度和降低澆筑速度，厚度最好控制在500 mm以內，以便于表面散熱。（4）適當的養護。加強保溫養護措施避免內部水分蒸發過快，設置專人灑水養護時間不少于14 d。（5)規定合理的拆模時間，以免混凝土表面發生急劇的溫度梯度。

合理地使用后澆帶，可以讓一部分變形在施工階段得到滿足。后澆帶處理不當極易造成質量事故，輕則開裂滲漏，重則危及結構安全。（1)必須嚴格按施工圖施工。施工時應用堵頭板，根據接口形式在堵頭板上裝凸條。（2)設置圍護。后澆帶澆筑混凝土完成后應進行防護，局部應覆蓋，四周用臨時欄桿圍護。（3)后澆帶兩側鑿毛。否則新老混凝土的粘結強度差，會在后澆帶兩側造成兩條貫穿裂縫,極易滲水。（4)后澆帶應用強度等級提高一級、早強、微膨脹混凝土澆筑。（5)拆模時間不可過早。后澆帶跨內的梁板在后澆帶混凝土澆筑前，長期處于懸臂受力狀態，在施工期間，本跨內的模板和支撐不能拆除，必須待后澆混凝土強度達到設計強度值的75% (如跨度不小于8 m，須達到設計強度值的100% )以上后，方可按由上向下順序拆除。

2.3 選取優異性能的原材料

對于一些特殊的工程或結構部位，應用新型材料，可有效防止結構裂縫的產生。

在鋼筋混凝土梁的底部加人適當的鋼纖維，可明顯提高抗裂能力。對于鋼筋鋼纖維混凝土梁而言，當摻入鋼纖維的體積率在1.0%～1.5%，受拉區鋼纖維混凝土層達到 0.3 倍的截面高度時，鋼纖維就能很好地降低裂縫寬度。同時，彎拉性能將接近全截面鋼纖維混凝土梁。

碳纖維的線脹系數為負值，不是熱脹冷縮而是熱縮冷脹。在溫度應力、濕度裂縫問題中，可有效地防止結構裂縫的產生。

裂縫自愈合混凝土結構利用仿生學的原理，根據人體傷口由“破裂— —流血凝結— —愈合”的全過程，在混凝土結構構件中沿受拉方向分層布置一些注入縮聚高分子溶液的玻璃空心纖維，當混凝土受拉開裂時，這些玻璃纖維管道破裂，其中的溶液流至裂縫處結硬，實現混凝土裂縫的自愈合。

2.4 結構裂縫的修補方法

對于已經發生的結構裂縫，必須在裂縫發展穩定后采取必要的修補與加固技術，以期延長建筑物的使用壽命。鋼筋混凝土裂縫處理方法有下列幾種:(1)表面修補。常用方法有壓實抹平、涂抹環氧樹脂膠結劑、噴涂水泥砂漿或細石混凝土、壓抹環氧膠泥、環氧樹脂粘貼玻璃絲布、增加整體面層、鋼錨栓縫合等。（2）局部修補法。常用的有充填法、部分鑿除重新澆筑混凝土等。（3）水泥壓力灌漿法。適用于縫寬大于0.5mm的穩定裂縫。（4）化學灌漿法。可灌入縫寬大于0.05mm的裂縫。（5）減小框架結構內力。常用的方法有卸載或控制荷載、設置卸荷結構、增設支點、支撐，改簡支梁為連續梁等。（6）框架結構補強。增加鋼筋，粘貼鋼板，預應力補強等。

3 結語

工程結構裂縫的防治，是一個老生常談的話題，有很多成熟的方法，但都不能完全避免。特別是由于溫濕度變化而引起的結構裂縫就如醫學上的傷風感冒一樣不可避免，結構剛度分布不均勻而產生的變形失調裂縫就像醫學上的高血壓、高血脂、高血糖一樣成為工程上的疑難雜癥。然而，通過改進設計方法、改進施工技術、采用新材料、科學方法填補等，可以有效地解決結構體系變形失調問題，從而起到防治結構裂縫的目的。

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