建筑結構設計中裂縫形成的原因及控制措施

黃志彬

建筑結構設計中裂縫形成的原因及控制措施

黃志彬

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隨著我國城市建設，混凝土結構得到了廣泛的應用。但混凝土工程當前存在著的結構裂縫問題，影響到建筑物的正常使用功能和耐久性。大量的研究和實驗結果表明，混凝土結構裂縫是很難避免的，這與材料本身的特性及結構的受力變形機理密切相關。所以要滿足建筑的需求和結構的需要，結構設計就是要把混凝土裂縫控制在合理的范圍內。下面結合工作實踐和經驗，就建筑結構設計中混凝土結構裂縫的成因及控制措施進行了探討。

一、建筑結構設計中裂縫形成的原因分析

建筑混凝土結構裂縫的產生，實際就是結構變形至塑性階段持續伸張或壓縮變形導致混凝土內部顆粒發生位移脫離。雖然導致混凝土結構裂縫產生的原因有很多，但從當前比較常見的主要原因有：混凝土成形時水化熱控制不良導致急劇膨脹或收縮、混凝土因溫度應力產生變形、混凝土受力及結構沉降變形等。

1.混凝土水化熱引起的混凝土結構裂縫

當前混凝土現澆施工中，均不同程度加入緩凝劑或早強劑等添加劑，造成混凝土硬化過程中的水化熱在后期或早期大量地集中釋放，從而使混凝土急速膨脹后又冷卻干縮，導致混凝土不規則裂縫的形成。而且，在體積較大、厚度較厚的混凝土澆筑中，因澆筑成型時間差異使混凝土內部水化熱不均勻釋放，導致內部膨脹和收縮不一致并相互制約而產生裂縫。

2.溫度應力引起的混凝土結構裂縫

建筑物在使用過程中，混凝土結構受到外界環境溫度變化而產生熱脹冷縮，當結構變形受到約束時，將會引起應力。若溫度變形收到相鄰結構約束的，屬于外約束，如梁變形受到柱的約束、樓板變形受到梁柱的約束等。若溫度變形因內部熱量不均勻而受到內部質點之間的約束，屬于內約束。約束使溫度變形無法自由實施的情況下引起的結構溫度應力（約束應力）超過混凝土抗拉強度時，就會產生混凝土結構裂縫。外約束應力常見于炎熱地區或嚴寒地區，而內約束應力常見于日溫差較大的山區。

3.結構變形不協調引起的混凝土結構裂縫

在結構設計中，有時會不注意將剛度差異較大的結構設置在一起，導致協同變形中，剛度較大的結構拉壞剛度較小的結構。如預應力梁、框支梁等高度較大梁變形較大，經常會把位于梁受拉（壓）區的側邊樓板帶動變形而產生混凝土結構裂縫。

4.結構受力引起的混凝土結構裂縫

因為設計不完善、施工不到位，造成結構個別部位薄弱、有缺陷，當結構受力時產生應力集中而開裂。如樓板內暗埋線管減少結構實際厚度，且線管下方因施工不到位而沒形成密實混凝土，造成板跨中暗埋線管處板底開裂。

5.地基變形引起的混凝土結構裂縫

在基礎設計過程中，對于其中一些可塑、軟塑地基可滿足承載不大的建筑物，短期使用也不會有沉降的影響，但是經過長時間的軟基脫水固結，也會造成建筑物不均勻沉降而產生開裂。此外，有些建筑地基是換填處理的，也會在長時間的填土固結變形中產生不均勻沉降而導致上部混凝土結構開裂。

二、建筑結構設計中裂縫的控制措施

根據建筑混凝土結構裂縫產生的原因分析，為了更合理地控制好建筑結構裂縫，至少應采取以下幾方面的措施。

1.合理設置建筑變形縫

在混凝土結構裂縫控制過程中，可以通過設置伸縮縫、沉降縫，將結構劃分為幾個自由獨立變形結構單體，可以有效地解決結構溫度應力和收縮應力過大、以及基礎不均勻沉降的問題。然而，設置變形縫會受到建筑使用功能的限制，例如，在伸縮縫設置時，由于建筑使用功能的不可分割性而不能設置。而且，變形縫的防水防潮問題一直沒得到很好的解決。

2.設置混凝土后澆帶

后澆帶，是解決不能設置伸縮縫時的一種解決方式。后澆帶一般設計為，在樓層結構剪力較小處留置1米左右寬度的梁板混凝土，在相鄰混凝土完成澆筑一段時間以后，才采用微膨脹混凝土進行澆筑。設置后澆帶能夠有效地解決不適宜設置伸縮縫的結構混凝土，澆筑和固化過程的伸縮變形而產生裂縫問題。甚至，后澆帶能解決建筑前期固結敏感土質上的沉降差問題。但是，后澆帶無法解決后期使用過程中，混凝土溫度變形和結構不均勻沉降變形產生裂縫的問題。

3.設置混凝土加強帶

因為后澆帶的施工周期較長，有時會影響工期或后續工序的施工，所以為縮短混凝土施工工期，經常采用加強帶代替后澆帶來進行施工。具體做法是：將適量的膨脹劑添加到混凝土中，使混凝土發生膨脹產生內部的預壓力，這種預壓力可以抵消溫度應力的作用，防止混凝土結構出現裂縫。加強帶能解決一次成型的超長結構的施工問題。但是，加強帶中膨脹劑的摻量控制不好，產生的預壓力過大或過小也會造成混凝土開裂。其次，由于加強帶需要整層樓板混凝土摻入膨脹劑，導致施工成本有所增加。

4.完善結構設計，增加抗裂構造措施

在混凝土結構設計中，采用量多的小直徑配筋比量少的大直徑配筋更有利于抗裂。此外，在一些容易受到溫度影響的樓板中，要采用雙層雙向配筋或配置抗溫度變形鋼筋網片；在水電等其它專業開洞、穿線管等減弱結構受力的地方，增設構造配筋或增加結構厚度；在容易產生變形集中的板角加設加強筋；預應力梁及大梁側邊板厚度適當增加且雙層配筋等等。增加構造性配筋，雖然會增加建設成本，但對于控制建筑結構開裂會有明顯的效益。

5.采用保溫隔熱措施

為避免混凝土結構因溫度應力產生裂縫，除了混凝土養護時通過覆蓋及澆水來保持混凝土均勻散熱外，建筑設計中還設計屋面保溫層、外墻隔熱層等保溫隔熱措施，來避免日常使用中溫度應力對混凝土結構的影響。

6.采用預應力技術

無粘結預應力技術作為一種抗裂技術，在混凝土結構裂縫控制發揮著重要的作用。在鋼筋混凝土應用中，通過預應力鋼筋張拉而產生較大的預壓力，可以抵消混凝土收縮時產生的拉應力，防止混凝土結構出現裂縫。

三、工程實例

某住宅樓，地下2層，地上20層，采用鋼筋混凝土框架結構，樓蓋采用鋼筋混凝土梁板體系，主樓長度為110m，裙樓長度為80m，裙樓與主樓寬度均為75m。地上部分采用設置抗震縫等措施，以保證混凝土結構的穩定和安全。

混凝土結構裂縫的控制措施

1.地下室底板及頂板的裂縫控制：

根據建筑結構地基分析得知，土質承載力較高。因此，主樓基礎采用梁板式筏基，裙樓基礎采用獨立基礎。為了控制混凝土結構的裂縫，地下室底板及頂板沿裙樓與主樓連接處橫向設置一道后澆帶，以消除地基不均勻沉降的影響；與此同時，裙樓部分和主樓部分分別沿縱向設置一道后澆帶和兩道后澆帶，以釋放混凝土溫度應力和收縮應力。

2.上部結構的裂縫控制

結合本工程建筑建設的特點，主樓與裙樓分為兩個單體，因此在裙房與主樓連接處設置寬120mm伸縮縫，以降低整個結構的混凝土溫度應力和收縮應力。

由于裙樓內部功能需要不能設置伸縮縫。因此，對裙樓部分混凝土結構裂縫進行控制時，應采取以下措施：（1）一層頂至屋頂縱向設置寬后澆帶。（2）混凝土構件不外露，利用填充墻外包，以降低混凝土結構構件溫度應力。（3）采取屋面保溫措施。（4）屋面板采用雙層雙向配筋。（5）加設板角加強筋。（6）在施工過程中合理設計混凝土配比。在滿足混凝土強度下，盡量減少水泥用量，在混凝土澆筑完畢后，要及時進行混凝土養護，并控制好混凝土入模溫度。

另外，主樓兩側建筑布置較為靈活，這樣不僅有利于結構的抗震，而且可以有效地解決結構混凝土溫度應力及收縮應力問題。

該工程結合建筑功能和結構安全要求，考慮到結構施工的可行性和經濟性，采取混凝土結構裂縫的控制措施，并經實踐表明具有一定的可行性，也體現了施工工藝的協調性。

四、結語

總之，混凝土結構裂縫一直是建筑結構設計和施工中的熱點問題。因此，為了解決混凝土結構裂縫這一困擾，我們需要掌握好建筑結構設計中裂縫形成的原因，并及時采取合理有效的控制措施，以確保建筑工程結構的安全性和穩定性。

（作者單位：廣州軍區建筑設計院）