工程结构裂缝控制的综合方法

1、工程结构裂缝控制的综合方法(王铁梦)由于变形作用（水化热、收缩,气温差）引起工程结构的裂缝是很复杂并很重要的问题。作者在大量的施工和处理裂缝的经验以及理论研究基础上提出“工程结构裂缝控制的综合方法”，包括结构力学近似计算法、结构与基础的共同作用、施工技术、材料优选、以及环境条件等。 关键词工程结构裂缝:控制 结构设计 施工方法 材料 环境条件  1建筑工程的质量问题  半个世纪以来，我国建筑业取得了辉煌的成就，其中混凝土结构、预应力混凝土结构技术突飞猛进，日新月异，取得大批先进、成熟的科技成果，混凝土结构设计理论与设计规范水平已跻身世界先进行列。在建筑材

2、料方面开发出一大批新型高强和高性能材料，如高强混凝土、超高强混凝土、高性能混凝土、超高性能混凝土、轻质混凝土、钢纤维、塑料纤维、玻璃纤维混凝土、碳纤维混凝土、约束混凝土等，大批新品种的外加剂和掺合料已出现在建筑市场。在砖混结构方面，我国的空心砖及砌块建筑也获得迅速发展。在建筑领域，泵送混凝土的发展实现了混凝土商品化供应方式，从而改变了以预制化作为混凝土结构的设计方向，转向现浇整体结构，在施工方面，由硬性混凝土转向流动性混凝土。 我们应当看到在大规模建设取得上述巨大成就的同时还存在着质量问题。目前，在工程结构领域中一个相当普遍的问题是建筑物的裂缝问题，并且近年来日趋增多，它已影响到生活

3、和生产，并困扰着大批工程技术人员和管理人员，是迫切需要解决的技术难题。 2建筑物裂缝的综合性原因  国际上关于荷载作用下构件的裂缝扩展问题，都应用纯经验计算公式，虽然其计算结果与实际出入较大，还可参考应用。但一般工程设计中，只进行荷载作用下的承载力计算，却经常忽略了裂缝的验算(除有特殊要求外)。 按照国际上近代结构的极限状态设计原则，整体建筑结构的功能必需满足两种极限状态的要求:承载能力的极限状态，以确保结构不产生破坏，不失去平衡，不产生破坏时过的变形，不失去稳定，即不超过承载力的极限状态；正常使用极限状态，以确保结构不产生超过正常使用状态的变形、裂缝及

4、耐久性、振动以及其它影响使用的极限状态。目前人们对第一极限状态已给子足够的重视并严格执行，而对第二极限状态却经常被忽视了。 近年来，工程裂缝是影响正常使用极限状态的主要因素。裂缝产生的原因主要是变形作用，如温度变形、收缩变形、基础不均匀沉降变形等多因素，统称为变形作用引起的裂缝问题，此类裂缝几乎占全部裂缝的80%以上。对于变形作用引起的裂缝研究还很不成熟，缺乏有关规范及规程，它涉及到结构设计、地基基础、施工技术、材料质量、环境状态等诸多因素，特别是泵送混凝土施工工艺的发展，使得混凝土裂缝控制的技术难度大大增加。例如过去干硬性及预制混凝土的收缩变形约为2.5×10-43.5&

5、#215;10-4,而现在泵送流态混凝土约为6×10-48×10-4，水化热也大幅度增高。 3裂缝控制的综合方法 3. 1结构设计方面 3.1.1结构温度伸缩缝间距问题 根据混凝土结构设计规范(GBJ10-89)，为避免结构由于温度收缩应力引起的开裂,采取永久式伸缩的方法，伸缩缝允许间距为30- 55m(室内或土中长墙、剪力墙结构及框架结构)，露天条件下为2035m，规范的附注中又明确指出:如有充分依据和可靠措施时，上述规定可以增减。其它有关的规程中还有允许采用“后浇带”取代伸缩缝的办法。 3.1.2后浇带的有效作用

6、0;现行规范的伸缩缝规定是把结构长度看作控制开裂与否的唯一因素。根据大量现场调查，引起结构裂缝的原因是综合性的，结构长度只是影响温度收缩应力综合因素之一，而不是唯一的因素。仅就长度而言，结构长度与应力呈非线性关系，如结构长度小于规范的规定，似乎结构内力影响很小，伸缩缝或后浇带可以有效地控制裂缝，但是对于承受很大温差和收缩作用的现浇楼板、大截面梁、剪力墙及长墙等约束度较高的结构，裂缝的概率仍然很高。 此外，由于综合因素的关系，有些工程长度超过规范的规定并没有开裂。从防水角度分析，由于近代建筑规模日趋宏大，超长、超宽、超厚结构都日趋增多，永久性的变形缝(包括伸缩缝、沉降缝、抗震缝)给工程

7、的防水质量带来严重不利，止水带渗漏是常见而又难以处理的质量缺陷。所以，后浇带的应用是一种进步，但并不是在任何条件下都能奏效。 利用后浇带取代永久伸缩缝时应当注意以下两个问题:后浇带中清理垃圾困难，接缝不密实，防水质量差，后期可能形成两条裂缝，因此后浇带的构造很重要:后浇带的间距不宜过长(30m左右)，填充封闭时间不宜过短，以能将总降温及收缩变形进行一半以上的时间为佳，从目前混凝土的收缩量来看，估计3-6个月方能取得明显效果，最短不少于45d:在软土地区，填充时间在结构封顶以后，方可有效地释放差异沉降的应力。如通过地基处理解决差异沉降问题，为此目的而设的后浇带可以不设。 根据

8、现场实践经验，裂缝分为有害的及无害的两类，有害与无害的界限由使用功能而定。当采取必要的设计、施工及材料措施控制有害裂缝的产生或由于估计不足等因素，即便出现少量有害裂缝，通过化学灌浆处理，仍然满足设计使用要求，即可取消后浇带。实践证明，从长期正常使用来看，这种以“抗”为主的无缝工程较留永久性变形缝具有一系列的优点如整体性好、防水性好、抗震性好、施工方便等。 3.1.3结构约束问题 结构物的变形有3种:自由变形、约束变形和实际变形(显现变形)，其中只有约束变形产生约束应力。约束变形(约束应力)超过建筑材料的极限拉伸(抗拉强度)，便引起裂缝。 变形作用引起的作用力有最大

9、值，设计者可以采取抗与放”或“抗放兼施”进行结构形式的设计。留伸缩缝与不留伸缩缝的方法都是以“放”或“抗”为主的方法，做得合适，都可以使结构不产生有害裂缝。 结构所受到的外部作用分为：外荷载(静动荷载)，可看作是第一类荷载:具有十分重要的外部作用是变形作用，即第一类荷载为间接荷载，变形作用包括温度、湿度、地基不均匀沉降，在该作用下，结构的抗力取决于混凝土的抗拉性能，即抗拉强度和抗拉变形。 做结构裂缝分析时，首先应当注意第一类荷载引起裂缝的可能，特别值得注意的是那些自重荷载超过极限承载力约30%的结构，拆模后发现0.lmm左右的裂缝是正常的结构受力状态。当结构的极限承载力取决

10、于抗拉、抗剪和稳定条件时，变形作用引起的裂缝对结构极限承载力的影响是不允许忽视的，常说“温度收缩裂缝没关系”是不全面的，有时梁板结构产生贯穿性裂缝可能降低抗剪和冲切承载力。关于框排架约束应力计算可查参考文献1，本文对目前常出现的竖向开裂计算作一介绍。 连续式约束条件下大底板、长墙、剪力墙、楼板等最大约束应力近似计算公式 或按时间增量计算:  当应力超过抗拉强度时，可求出裂缝间距:  式中:T包含水化热、气温差及收缩当量温差，同号叠加，异号取差，由此可见，夏天炎热季节浇筑混凝土到秋冬冷缩及收缩都是叠加的,拉应力较大。 H(t,T)松弛系数，在保温

11、保湿养护条件下(缓慢降温即缓慢收缩)，可按“工程结构裂缝控制”第123 页表5-1取值:如不考虑龄期的影响则按表5一2取值:施工养护条件良好者总降温差包括水化热降温差及收缩当量温差一次计算(即非分段计算)，松弛系数在良好的温湿度养护条件下取0.3或0.5养护一般)，当寒潮袭击或激烈干燥时，松弛系数为O.8，应力接近弹性应力，容易开裂。 当拉应力超过设计强度时，应验算裂缝间距，再根据裂缝间距验算裂缝宽度(注意:裂缝间距既是伸缩缝间距，又是后浇带间距，如果建筑物的总长小于或等于该间距，则该建筑物即可取消伸缩缝，计算后浇带间距所取的降温及收缩只是后浇带封闭前的一段降温及收缩差，但还应验算后

12、浇带封闭后的应力，这是采用结构的、全长和封闭后温度及收缩差): T=T1+ T2+ T3(水化热温差、气温差、收缩当量差，取代数和): 混凝土的极限拉伸，级配不良，养护不佳，约为 ；正常级配，一般养护，为 ；级配良好，养护优良，取 ；配筋合理(细一些、密一些)，可提高极限拉伸20%一40%。构造配筋率宜为0.3%一0.5% 。 H均拉层厚度(强约束区): E-混凝土弹性模量:, Cx水平约束系数: ch,arcch -双曲余弦及双曲余弦反函数: a线膨胀系数:一般情况 ，当 时，取 公式(3) ,(4) ,(5)告诉我们，控

13、制开裂的主要因素是约束、温差及收缩和混凝土的极限拉伸。我们尽力降低前两项数值同时尽力提高极限拉伸方能有效的解决裂缝问题。根据公式，可求出平均裂缝间距L,最大裂缝间距L、最小裂缝间距 ，进一步算出平均裂缝宽度、最大、最小裂缝宽。 从公式(3),(4),(5)可看出，设计上减少约束程度(滑动层、可动节点、变截面处理等)的作用，温差变形(包括收缩)与极限拉伸的差别越小，允许长度越大，当温差变形aT等于极限拉伸或Cx一0，则L一。当极限拉伸一0时，L一0，它们之间是非线性关系。应当强调，不仅设计，在施工及材料方面亦都应当尽可能采取措施减少温差(收缩差)，提高极限拉伸，降低约束程度达到综合控制

14、裂缝目的。 裂缝开展宽度：  式中: 为裂缝宽度经验系数， 如表1所示:约束系数Cx值如表2所示。  从工程经验可知，高层建筑混凝土大底板对长墙的约束系数Cx比地基对混凝土大底板的约束系数约大l00倍(300一600mm墙1.5- 2.5m板)，故地基上混凝土底板的裂缝率极低，而长墙的裂缝率极高。因此受混凝土基础约束的长墙出现轻微的竖向裂缝是可以谅解的，经略加处理(裂缝化学灌浆)仍然满足设计施工的要求，不宜据此降低评级标准。 3.1.4加强构造配筋问题 设计时注意构造配筋十分重要，它对结构抗裂影响很大。但目前国内外对此都不够重视。对连续式板不宜

15、采用分离式配筋，应采用上下两层(包括受压区)连续式配筋:对转角处的楼板(受双向约束较大)宜配上下两层放射筋，孔洞处配加强筋:对混凝土梁的腰部增配构造钢筋，其自径为8-14mm,间距约200mm，视情况而定。 3.1.5混凝土结构形式与强度等级问题 在水平结构(如梁、板、墙等)中，尽量采用中低档混凝土的强度等级(C25-C35)，利用后期强度R60。 泵送混凝土的迅速发展，由于流动性与和易性的要求，坍落度增加，水灰比增大，水泥标号提高，水泥用量、用水量、砂率均增加，骨料粒径减小，减水剂及其它外加剂的增加等诸因素的变化，导致混凝土的收缩及水化热作用都比以往预制装配工程

16、结构和中低强度等级混凝土大量增加，收缩时间延长，已为大量试验所证实。在裂缝控制中决定混凝土抗力的是抗拉强度(极限拉伸)。水泥用量及标号的增加，可明显提高抗压强度，但对抗拉强度(极限拉伸)的提高是较小的。 同时在结构设计方面，已从过去大量运用简支构件组合的静定体系发展为超静定框架和剪力墙体系，新结构体系的约束度显著增加，约束应力也相应增加。随着建设规模的日趋宏大，超长、超宽、超厚结构日趋增多，对结构的约束应力更是雪上加霜。混凝土高强化，缺乏考虑适用范围而推广到长墙、板梁、箱体等承受水平约束应力很高的结构中，导致过大的约束应力。 工程结构设计中应当特别注意混合结构的约束状态，尽

17、可能降低结构的约束度(约束变形与自由变形之比)。各种砌块结构的抗裂性能较差，又由于砌体含水量较大导致收缩变形较大，与混凝土共同工作协调性不良，常引起严重开裂(特别在顶层楼板和墙体约束温度应力及填充框架变形裂缝)。 在基岩上或老混凝土上常采用设滑动层的作法(放的设计原则)和设铰接节点的作法(微动节点)。在约束度很高的结构中，除合理选择材料强度等级外，必须加强构造配筋(抗的设计原则)，提高抗裂能力。 平屋顶结构的设计，应注意加强屋面保温隔热措施，尽可能采用性能较好的保温材料、防水材料，有条件的地区可利用架空隔热板以减少太阳辐射引起的升温。变形作用引起的开裂多发区经常在高层建筑的

18、地下室及地上1,2层(强约束区)以及顶层(温差及收缩激烈波动区)，所以要加强这些区域的构造设计。 钢筋保护层厚度过薄，对于耐久性不利:过厚会增加开裂宽度和开裂率，所以应根据耐久性要求的最小允许厚度确定，如C25- C35的混凝土结构，按50年设计寿命考虑，保护层厚度最小应为25mm,混凝土强度等级C20时为35mm,混凝土强度等级C35时，取15mm:遇有高湿环境时应加厚保护层:保护层厚度不均匀容易引起裂缝:楼板的一次浇灌层应注意其抗裂性。 3. 2施工工艺方面 3. 2. 1商品混凝土的精料供应问题 由施工单位委托搅拌站向现场供应商品混凝土时，委托的技

19、术依据只有设计院确定的强度等级，却忽略了工程特点对大体积混凝土性能的要求，这样对控制裂缝是不利的。施工单位应在混凝上浇筑施工组织设计编制中协调搅拌站、监理、设计及甲方管理部门对混凝土浇筑、振捣、养护及坍落度控制作出技术方案,并严格执行，特别是对坍落度的控制更应严格且得到搅拌站的同意。 3.2.2新浇筑混凝土的养护问题 施工工艺的中心工作是新浇筑混凝土的养护，方法有: (1)潮湿养护混凝土浇筑后，在其表面不断地补给水分。补给水分的方法有淋水、湿砂层、湿麻袋或草袋等，最好在表面盖一层塑料薄膜，这样水可渗入但又起到保湿作用。 潮湿养护的时间越长越好，但是考虑到

20、工期等因素一般不少于半个月，重大工程应不少于1个月。混凝土浇筑后数月内，即便养护完毕，也不宜长期自接暴露于风吹日晒的条件下。 （2）养护剂涂层必须注意养护剂的质量及必要的涂层厚度，同时还应提供一定的潮湿养护条件，覆盖一层塑料薄膜。特别要注意地下室外墙1层底板及出地面1层楼板的养护。 (3)自动给水养护(水平淋水管)对于一些长墙、长梁等结构，可采用自动喷淋管(塑料管带有细孔)，长期连续的淋水养护效果较好。 (4)保温养护 可采用2- 3层草袋或草垫之类的保温层，如水工领域采用的保温被(纤维编织布中填泡沫塑料)是有效的大面积保温措施，有条件的地方也可以应用:工民建领域

21、，冬季设置蓄热棚保温，棚内用碘乌灯或其它热源补给热量,有条件时，在冬季施工中尽可能利用混凝土的水化热进行“自养护”。 (5)防风风速对混凝土的水分蒸发有自接影响，不可忽视。地下越冬结构宜封闭门窗，减少对流。 (6)实现信息化施工对于大中型工程，应当预埋测温点跟踪测试，信息反馈，指导施工养护。除了注意温升、温差外，更应注意降温速度，只要降温速度缓慢(13/d)，里表温差在缓慢降温条件下，超过允许值一些也是可以的。 (7) 尽快回填，土是最佳的养护介质，地下工程混凝土施工完毕应尽快回填。 3. 3混凝上材质方面 泵送商品混凝土对原材料供应有很高的技

22、术要求。混凝土搅拌生产环境是相当恶劣的，处于高温、高湿、高粉尘、高振动的条件下，必须确保设备的稳定运行，称量装置的严格精确度，确保混凝上的质量。 由于泵送混凝土的流动性要求与抗裂的要求相互矛盾，故应当选取在满足泵送的坍落度下限条件下尽可能降低水灰比。目前国内搅拌站对砂石骨料的含水率控制波动很大，影响了混凝土的水灰比。利用较精确的含水率测定仪或传感器测出配料过程中的含水率，进行计算机处理，自动调整配料的水灰比对于控制混凝土的收缩和提高抗裂性是必要的。 砂石的含泥量对于混凝土的抗拉强度与收缩影响很大我国对含泥量的规定比较宽，但现在实际施工中还经常超标。有的搅拌站，虽然检验资料是

23、合格的，但在浇捣中发现大量泥块和杂质引起结构严重开裂。砂石骨料的粒径应当尽可能大一些,以达到减少收缩的目的。 搅拌站及施工单位都应根据结构强度需要和流动度的要求确定较低的坍落度,根据施工季节及运输距离选择适宜的出厂坍落度和送到浇筑地点的坍落度,并根据现场坍落度信息随时调整搅拌站水灰比。 当水灰比不变时，水和水泥的用量,即水泥浆量对于泵送状态及收缩都有显著影响。例如水灰比不变，水泥浆量由20%增加到25%水泥浆占混凝土总重录比)，混凝土的收缩量增大20%:如果水泥浆增加到30%，则收缩增加45 %。因此在保证可泵性和水灰比一定的条件下应尽可能降低水泥浆量。 砂率过高意味着细骨

24、料多，粗骨料少，仍然起到增加收缩的作用，对抗裂不利。砂石的吸水率应尽可能小一些，以利于降低收缩。 水泥品种的选择应根据大体积混凝土特点，视其结构特点以水化热控制或收缩控制。如以水化热控制可选用粉煤灰水泥、矿渣水泥及中热硅酸盐水泥:如以收缩控制，可选用普通硅酸盐水泥及粉煤灰水泥等。不要轻易采用早强水泥。 为了降低用水量，保证泵送流动度，应选择对收缩变形有利的减水剂。相对中低强度等级的混凝土可选用普通减水剂，夏季宜选用缓凝型，而冬季可选用普通型。 粉煤灰是泵送混凝土的重要组成部分。由于粉煤灰的火山灰活性效应及微珠效应，具有优良性质的粉煤灰(不低于II级)，在一定掺量下

25、水泥重量15%20% )，其强度还有所增加(包括早期强度)，密实度增加，收缩变形有所减少，泌水量下降，坍落度损失减少。粉煤灰与减水剂掺入混凝土称为“双掺技术”。通过预配试验会取得降低水灰比，减少水泥浆量,提高混凝土可泵性的良好效果，特别是可明显的延缓水化热峰值的出现，降低温度峰值。有的国外试验资料说明收缩变形也有所降低。 混凝土的裂缝与环境条件(施工期和施工后)有很大关系。施工过程中应注意温和湿度的变化，采取有效措施控制高温、低温冲击和激烈干燥冲击，此时，应力状态接近弹性应力状态，混凝土应力松弛效应无法发挥出来，特别注意浇筑后经过一定时期养护的混凝土仍然需要保护(维护)，不宜长期裸露

26、。注意与气象站的密切联系(降温及降雨预报)，不得在雨中浇筑混凝土，否则将严重地改变水灰比。 结构施工后验收投入使用，由于环境变化(如生产使用条件、房屋装修改变条件)，承受了新的温度、湿度、振动(包括相邻振动)、化学腐蚀及简载变化影响等，都可能引起后期开裂。 按照上述综合原则，在上海宝钢近百项超长大体积混凝土工程、上海八万人体育场、金茂大厦大体积混凝土底板、上海民防大厦、浦东新区某些高层建筑地下工程、大连高科技园大体积混凝土工程、青岛国际会展中心、厦门国际会展中心、厦门香格里拉大酒店、深圳鸿基大厦等工程都取得裂缝控制的圆满成功。 4混凝土裂缝限制标准  混凝土的裂缝是不可避免的，其微观裂缝是本身物理力学性质决定的，但它的有害程度是可以控制的，有害程度的标准是根据使用条件决定的。目前世界各国的规定不完全一致，但大致是相同的。如从结构耐久性要求、承载力要求及正常使用要求，最严格的允许裂缝宽度为0.lmm。近年来，许多国家已根据大量试验与泵送混凝上的经验将其放宽到0.2mm。 当结构所处的环境正常，保护层厚度满足设计要求，无侵蚀介质，钢筋混凝土裂缝宽度可放宽至0.4mm:在湿气及土中为0.3m