住宅建筑構件的裂縫研究與分析

楊曉波，胡珊珊

（1.蚌埠學院 機械與電子工程系，安徽 蚌埠 233030；2.六安職業技術學院 建筑工程系，安徽 六安 237020）

鋼筋混凝土結構體的應用發展歷史并不長，但發展非常迅速.由于住宅樓板裂縫現象頻頻出現，并可能對結構造成損傷，時常誘發房屋質量糾紛.統計資料顯示非荷載裂縫幾乎占了全部混凝土構筑物裂縫的80%以上，通過大量查閱有關混凝土內部應力方面的專著、教材[1]、規范和規程，對住宅裂縫產生的原因、預防裂縫的措施進行了簡單闡述.

1 鋼筋混凝土結構的研究背景

現代鋼筋混凝土結構體的發展歷史可以追溯到19世紀五六十年代.鋼筋混凝土結構體自19世紀中葉開始使用后，由于混凝土和鋼筋材料性能的不斷改進，施工技術的進步使鋼筋混凝土結構得到迅速發展.建筑用混凝土的發展簡史可以追溯到古希臘、羅馬時代，甚至可能在更早的古代文明中已經使用了混凝土及其膠結材料.現代鋼筋混凝土的發展是隨著世界鋼產量的不斷提高而發展起來，近百年來鋼筋混凝土結構體的應用領域發展迅速.

我國鋼筋混凝土結構的發展比較緩慢，改革開放30年來我國鋼筋混凝土結構的設計水準已趕上世界先進水平.我國鋼筋混凝土結構體的發展已為大跨度結構，多、高層建筑的發展開辟了一條新途徑.我國建筑業發展很快，尤其是住宅產業發展迅速，2010年城鎮新建住宅面積近13億M2.但是，不容忽視的是目前我國住宅建筑傳統的粗放式生產模式并未改變，技術創新能力弱，資源消耗大，建筑壽命短，事故頻發，這些都與國家提出的節能減排、綠色環保要求還有很大的差距.

我國鋼混結構的成功應用，例如：長江三峽水利樞紐工程，大壩高186m，壩體混凝土用量達1527萬m3，是世界上最大的水利工程；上海金茂大廈金茂大廈高421米，共88層，于1998年落成，成為中國大陸最高的建筑，被譽為中華第一高樓的上海金茂大廈，堪稱國際上現代建筑藝術的佳作，融現代氣派、民族風格為一體……都是典型的范例.

2 鋼筋混凝土裂縫分析

2.1 產生裂縫因素分析

鋼筋混凝土結構裂縫直接影響房屋的抗震、耐火、抗拉壓性能，降低房屋結構的承重能力，砌體裂縫的存在影響建筑的美觀，并降低了房屋保溫、防滲性能.現代房屋建筑設計主要是減少裂縫的產生，在設計、管理、施工、裝修等方面要嚴格按照建筑規范實施.

目前以住宅的多、高層建筑為例，鋼筋混凝土現澆板中的裂縫，大部分是由于在受力需要的配筋率較低的情況下，有利于防止表面裂縫，然而當配筋比較高時，約束應力較大，有時可導致構件開裂.由于混凝土自身存在凝縮和干縮，澆筑施工后農民工沒有及時覆蓋，受風吹日曬，表面水分蒸發過快，產生急劇收縮，混凝土與砌體結構養護強度達不到設計要求，也是開裂的原因之一.由于樓板支撐剛度差異造成模板支撐下沉變形過大，施工期間過度震動使支撐部位出現多次瞬間相對位移，拆模過早，混凝土硬化前過早承載或受到振動也將引起開裂.在住宅滲漏潮濕環境下為減少裂紋必須先表面封堵,封堵須用堵漏靈、堵漏王、水不漏等速凝材料.目前,出現裂紋后要嵌縫，常用的傳統嵌縫材料有塑性材料,塑性材料有聚氯乙烯膠泥和塑料油膏等.還有表面涂抹外加劑拌合不均勻，混凝土攪拌時間不足，攪拌和運輸時間過長，澆筑順序不合理，澆筑速度過快，未能很好地保護樓板負筋，混凝土保護層過薄，也是產生裂紋的原因.目前，鋼筋混凝土產生裂縫因素見圖1.

圖1 鋼筋混凝土產生裂縫因素

2.2 住宅非荷載裂縫分析

在住宅建設中現澆板的裂縫也有一部分是在樓房的設計中，特別是電氣專業，大多將照明、有線電視、通訊等所需的管線直接敷設于現澆板中，而且有時集中于某一處現澆板中的管線多達數十根，高度達3cm左右，也是引起裂縫應力的出現.影響裂縫形成的因素是多方面的，有設計原因、施工原因、材料原因、非荷載大小隨機變化原因等.由于住宅建筑設計中忽略隨機產生的非荷載作用，如風載荷、雨載荷、雪載荷、地震載荷等對裂縫的影響也比較大，非荷載形成的構件的裂縫見圖2.

圖2 非荷載形成的構件的裂縫

3 預制板裂縫案例分析

3.1 案例

某廠有9幢7層鋼筋混凝土結構住宅，均采用預制空心樓板、平屋頂，總建筑面積30290M2.該工程1994年5月開工，同年底完成主體工程，翌年內部裝修.在1995年6月進行工程質量檢查時，發現其中一幢住宅有多處預制樓板起鼓、酥裂情況.隨后，該住宅樓板損壞愈來愈嚴重，其它四幢住宅也相繼不同程度地出現破壞跡象，至1995年10月，在這五幢住宅樓房鋪設的2190塊預制板中，已完成塌落有的有48塊，明顯存在隱患的有1065塊，這些預制板都由某鄉鎮企業生產，質量問題也最嚴重，樓板裂縫、酥裂和塌落的情況見圖3.

圖3 預制混凝土空心板破壞情況

3.2 案例從三方面研究與分析

3.2.1 從材料力學知識研究樓板構件產生裂縫、酥裂和塌落與構件剛度有關

材料的力學性能包括材料的內部結構：化學成分、制備工藝、內部缺陷和外部環境：載荷性質、應力狀態、服役環境、形狀尺寸分析裂縫產生的原因.從材料力學的理論上說安全性體現在構件的強度、剛度、穩定性.強度是構件在外載作用下，抵抗破壞的能力.剛度是構件在外載作用下，抵抗可恢復變形的能力.穩定性是構件在某種外載作用下，保持其原有平衡狀態的能力[3].首先從材料力學剛度條件看撓度方程、轉角方程公式見1-1，1-2.

討論：從材料力學的理論上看，荷載大，彎矩M大，撓度值偏大，但實際情況并不是這樣.從實踐看建筑結構裂縫分析剛度的定義不科學，剛度應是構件裂縫開展變形構件就不能用了.在從材料力學剛度條件公式上看，在計算中荷載只考慮到構件自重荷載彎曲變形的影響，沒考慮非荷載作用如：風載荷、雨載荷、雪載荷、地震載荷等剪切變形的影響，公式中求撓度、轉角的彎曲變形不太全面.

3.2.2 從鋼筋混凝土結構理論分析樓板構件產生裂縫的應力分析

從鋼筋混凝土結構的產生裂縫的應力與混凝土的不均勻性、荷載的可變性如風載荷、雨載荷、雪載荷、地震載荷以及截面尺寸偏差等因素有一定影響.預制樓板裂縫應力的出現、分布和開展寬度具有很大的隨機性，預制樓板起鼓、酥裂、裂縫寬度隨可變荷載作用時間長短也有關聯.預制樓板起鼓、酥裂、裂縫寬度所產生的應力是由于鋼筋與混凝土之間的粘結破壞也有關，出現相對滑移，產生應力集中，引起裂縫、裂縫寬度見圖4.

圖4 鋼筋與混凝土處混凝土的裂縫、裂縫寬度

建議：從鋼筋混凝土結構理論分析樓板構件的變形引起裂縫應力的問題，僅看到混凝土結構的抗拉強度是不全面的，更重要的是要看“材料的抗變形能力”，即材料的剛度問題.在裝修中樓板構件的實踐上看住宅裝修電路、網線、水路等布線，預埋PVC電線管過多，當裝修公司裝修中預埋線管的直徑較大，特別是多根線管的交叉處，從而引起應力集中，農民工施工不規范，樓板構件剛度降低，也是引起樓板構件裂縫、酥裂和塌落的一個不可忽略的影響.

建議國家要對裝修公司工人進行建筑理論培訓，國家要建立對裝修工人資格等級證書考核機制.

3.2.3 從鋼筋混凝土結構基本計算公式分析裂縫

預制樓板裂縫寬度是由于鋼筋與混凝土之間的粘結破壞.出現相對滑移，引起裂縫處混凝土的回縮引起的.根據國內試驗資料的分析結果，再按照粘結力的等效原則，平均裂縫間距,平均裂縫寬度[5]可按以下公式1-1，公式1-2計算.

式中：ρte——以受拉混凝土截面計算的有效配筋率

deq——縱向受拉鋼筋的等效直徑（mm）

式中:εsm、εcm——分別為縱向受拉鋼筋重心處的平均拉應變和受壓區邊緣混凝土的平均壓應變

σsk——裂縫截面處鋼筋應力

σsm——裂縫之間鋼筋平均應力σsm=ψσsk

ψ——裂縫間受拉應力不均勻系數，當ψ<0.2時，取ψ=0.2；當ψ>1.0時，取ψ=1.0

結論及建議：

由以上公式可知ωm主要與鋼筋應力σsk，有效配筋率ρte及鋼筋直徑有主要關系，根據σsk，ρte及d三者的關系，《規范》給出了鋼筋混凝土構件不需作裂縫寬度驗算的最大鋼筋直徑圖表（查規范），通常裂縫寬度的控制在實際工程中是用控制鋼筋最大直徑來滿足.實踐證明，以上兩個公式對混凝土常見的裂縫設計中，對于結構上經常作用的可變荷載沒有考慮，例如：水壓力、風壓力、地震荷載等.建議修改以上兩個公式考慮可變荷載.

4 結束語

綜上所述，結構的裂縫問題并不是一個無法跨越的難題，只要我們不斷的進行理論和實踐的研究，裂縫是可以得到有效控制的.雖然本文在理論和實踐應用中提出了分析與建議，但具體設計與施工中還要靠我們多觀察、多比較，出現問題后多分析、多總結，結合多種預防裂縫處理措施，使裂縫對構件或結構的危害降到最小，以延長構筑物的使用壽命，從而使構筑物能夠安全可靠地運行，為企業自身創造出更好的經濟效益.

〔1〕丁大鈞.鋼筋混凝土構件抗裂度、裂縫和剛度[M].南京：南京工業出版社，1986（7）：87-92.

〔2〕童光兵.砌體結構裂縫成因及預防措施[J].成都：四川建筑，2005，25(6)：111–113.

〔3〕楊伯源.材料力學[M].北京：機械工業出版社，2002.70-77.

〔4〕羅井國.鋼筋混凝土水池設計的幾個問題[J].哈爾濱：黑龍江冶金，2003(3)：33-34.

〔5〕白國良，王毅紅.混凝土結構設計[M].武漢：武漢理工大學出版社，2012.3-9，149-155.

〔6〕王鐵夢，工程結構裂縫控制[M].北京：中國建筑工業出版社，1997.224-227.

〔7〕蘇明會，現澆鋼筋混凝土樓板裂縫的成因及防治、處理措施[J].科技創新導報，2008(31)：51-52.

〔8〕李志強，陳曉德.淺談住宅現澆鋼筋混凝土樓板裂縫的防治[J].工程與建設，2008(01)：78-79.

〔9〕趙國藩，李樹瑤.鋼筋混凝土結構的裂縫控制[M].北京：海洋出版社，1991.67-71.

〔10〕林宗凡.鋼筋混凝土受彎構件裂縫寬度允許值的直接控制[J].工業建筑，1988,6(11)：41-47,53.

〔11〕中華人民共和國冶金部行業標準.鋼管混凝土結構設計與施工規程 [S].北京中國計劃出版社，1992.3-5.