浅论建筑结构设计裂缝的成因及防治措施

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  摘要:在现代建筑中混凝土裂缝是一个普遍存在的现象,产生的原因也有很多种。建筑工程一旦出现裂缝,将会带来安全隐患,因此必须对其成因进行分析并加以控制,以提高建筑工程质量,消除安全隐患。
  关键词:建筑工程;裂缝;危害;结构设计
  Abstract: in the modern construction of concrete crack is a widespread phenomenon, reasons and there are many. Once the construction cracks, will bring security hidden danger, so you must to analyze the causes and control, in order to improve the construction quality, eliminate the safety hidden trouble.
  Keywords: building engineering; Fracture; Harm; The structure design
  中图分类号:TU746.3文献标识码:A文章编号:2095-2104(2013)
  
  引言
  在建筑结构设计中,混凝土裂缝一直是个棘手的难题。引起现浇混凝土裂缝的因素很多,比如结构设计不合理,材料质量不合格,工艺不完善等。混凝土裂缝关系着整个工程的成败必须引起人们的重视。
  一、混凝土裂缝的分类
  1.收缩裂缝
  收缩裂缝的种类主要分为塑性收缩裂缝和干缩裂缝。
  (1)塑性收缩裂缝:在混凝土结构的表面上,经常会出现这样的裂缝,这种裂缝的形成形状没有规律性,长度也不尽相同,它们之间也没有连贯性。塑性收缩裂缝主要出现是由于在浇筑时,混凝土暴露在露天的情况下,在浇筑后,很大程度上会受到自然天气的影响,这种裂缝一般不会在浇筑的时候显现出来,会在浇筑几个小时候慢慢出现。
  (2)干缩裂缝:这种裂缝和塑性收缩裂缝最大的区别就是出现的时间不同,它一般是出现在混凝土快凝固的时候,混凝土的表面会出现裂缝,这些裂缝的大小一般在0.05 ~ 0.2mm之间。在凝固前出现的这些裂缝,梁板这类构件多沿短方向分布,并出现在相邻的钢筋之间。这种裂缝是由于受到天气的影响,混凝土在不断的凝固过程中,水分蒸发的比较快,混凝土中的凝胶体干缩引起了初始应力,导致出现裂缝。
  2.温度裂缝
  温度裂缝产生的原因是由于温度、焊接和混凝土内部的水化热作用影响,冷热变化比较显著,导致混凝土内部结构的收缩或者膨胀,导致出现裂缝。这几种原因产生的裂缝也不太相同,环境温度产生的裂缝往往会出现在杆件截面,焊接产生的裂缝往往出现在焊接周边,水热化产生的裂缝多平行于结构的短边。下面我们将详细的分析这三类原因引起的裂缝。
  (1)由于温度引起的裂缝主要出现在高温车间、冷藏室等一些温度骤变比较大的环境中,这些裂缝一般平行于梁板结构的短边。
  (2)混凝土在浇筑后,会慢慢的硬化,在这个过程中,水泥本身会释放出比较多的热量,这就会提高混凝土内部的温度,这样混凝土内外部温度会出现较大的不同,此时如果未采取有效的治理措施的话,就会出现裂缝。
  (3)焊接裂缝预制构件安装时预埋件因焊接措施不当,也会使周边的混凝土产生裂缝。因此,在焊接时,尽量采取分层分段焊接的方法,并对预埋件周围的混凝土做好隔热处理,避免焊接时温度过高使局部的混凝土产生裂缝。
  3.钢筋锈蚀裂缝
  混凝土中的钢筋在由于某些原因,会出现锈蚀的情况,而且这些锈蚀会产生膨胀,进一步使混凝土开裂,降低钢筋和混凝土之间的粘合力,同时会降低混凝土整体结构的功能,耐久性不断下降。
  4.受力裂缝
  是指混凝土结构受外力影响引起的裂缝。我们常用的一般的混凝土构件在一定程度上是允许有裂缝的,但其中的构件会由设计的錯误、荷载过大、施工质量等原因会使这些裂缝不断扩大,超出规定要求的范围。
  5.水泥安定性不良产生的裂缝
  由于水泥安定性不良使混凝土产生裂缝,裂缝的形式通常遍及结构的表面,形状如同龟裂,严重的可使构件弯曲、松脆或崩溃。水泥安定性不良主要是水泥熟料烧结不充分而产生较多的游离氧化钙,它在凝结硬化过程中水化很慢,当水泥已经凝结硬化后它还在继续起水化作用,破坏已经硬化的水泥石结构,使结构构件的体积发生不均匀变化而产生裂缝。使用安定性不良的水泥会降低结构或构件的承载力,严重的还会造成结构的承载力破坏。
  6.地基不均匀沉降产生的裂缝
  地基沉降的不平衡也会导致产生裂缝,不均匀沉降产生的裂缝多属贯穿性裂缝,其走向与沉降情况有关,一般表现为垂直或呈30° -45°角方向发展。在设计和勘察时,要认真了解地形结构和掌握当地的土质特点,如果地基下是软土层,应加强对地基质量的监督检查,保证其质量要符合技术要求,同时,加强对地基周边的排水力度,避免地面水影响地基的稳定。
  二、裂缝对钢筋混凝土结构造成的危害
  1.钢筋混凝土结构受力重新分配钢筋混凝土结构正常使用时,钢筋抵抗拉力,混凝土则抵抗压力,当钢筋混凝土结构开裂之后,裂缝处的钢筋与混凝土锚固失效,钢筋的应力变化极大,混凝土由整体变为破碎的各部分,上部混凝土受压区高度相对变小,压应力也急剧增长。
  2.钢筋混凝土结构的抗剪能力下降当钢筋混凝土结构开裂之后,混凝土由一个整体被分为各支离破碎的部分,混凝土的各个截面不再完整,使得起到抗剪作用的净截面面积减小,整体的抗剪能力大幅度下降。
  3.钢筋混凝土结构的刚度减小钢筋混凝土结构开裂比较严重时,裂缝截面处的中性轴上移,结构的变形加大,刚度减小,整体挠度随着裂缝的发展而激增。
  4.钢筋混凝土结构的疲劳度下降裂缝的出现不但降低了结构的整体刚度,还使得钢筋及混凝土长时间处于高应力拉压状态,降低了它们的疲劳寿命,从而降低了整体结构的疲劳度。
  5.钢筋混凝土结构的强度降低裂缝的出现致使结构中的钢筋外露,空气及水分中有腐蚀作用的成分侵入混凝土内部,引起钢筋锈蚀及混凝土质变,导致整个结构强度逐渐降低,强度的降低又会加大裂缝的扩展,最终造成结构的受力性能进一步恶化,钢筋混凝土结构的耐久性及使用性能严重下降。
  三、钢筋混凝土裂缝产生的原因分析
  1.建筑结构设计的原因
  建筑设计不合理会导致混凝土结构中出现裂缝,主要表现在:结构中的断面突变而产生的应力集中所产生的构件裂缝;对构件施加预应力不当,造成构件的裂缝;构造钢筋配置过少或过粗等引起构件裂缝;未充分考虑混凝土构件的收缩变形;采用的混凝土等级过高,造成用灰量过大,对收缩不利。混凝土在硬化过程中,由于水分蒸发、体积逐渐缩小,产生收缩,而板的四周由于受到支座的约束,不能自由伸展,当混凝土的收缩所引起板的约束应力超过一定程度时,必然引起现浇表面的开裂。
  2.混凝土材料的因素
  不同种类和不同用量的水泥拌制的砂浆干缩性变化很大。矿渣硅酸盐水泥收缩比普通硅酸盐水泥的收缩大,而粉煤灰水泥收缩值较小,快硬性水泥收缩大。一般来说,其水灰比不变,水泥用量越多,混凝土的收缩率越大,因为混凝土的干缩主要产生于水泥浆的干缩,水泥浆越少,混凝土中骨料对干缩的制约作用越显著。
  其次,混凝土中水的蒸发引起混凝土的收缩,水灰比越大水泥浆越稀,收缩率越大开裂的可能性也越大。同时减少用水量和水泥量对于改善干缩、提高混凝土的抗裂更为有效,但应在正确的方法指导下采用,必须保证混凝土的设计强度要求。
  再次,粗细骨料含泥量过大、骨料颗粒级配不良都会造成混凝土收缩增大,从而诱导裂缝的发生,骨料的密度大、级配好、弹性模量高、骨料粒径大则可减少混凝土的收缩。外加剂和掺合料会影响混凝土的硬化速度、混凝土的用水量、混凝土的收缩和徐变,从而会对混凝土的开裂产生影响,掺有外加剂的混凝土干缩值较大,特别是初期干缩值较大。
  3.混凝土材料的配合比
  集料颗粒级配不良或采取不恰当的间断级配,容易造成混凝土收缩的增大,诱导裂缝的产生。混凝土水灰比过大,或使用过量粉砂也可以使楼板产生裂缝。当用同一品种及相同强度等级水泥时,混凝土强度等级主要取决于水灰比。当水泥水化后,多余的水分就残留在混凝土中,形成水泡或蒸发后形成气孔,减少了混凝土抵抗荷载的实际有效断面,在荷载作用下,可能在孔隙周围产生应力集中,使楼板表面出现裂缝,而采用含泥量大的粉砂配制的混凝土收缩大,拉力强度低,容易因塑性而产生裂缝。配合比设计不当直接影响砼的抗拉强度,是造成砼开裂不可忽视的原因。配合比不当指水泥用量过大,水灰比大,含砂率不适当,骨料种类不佳,选用外加剂不当等。
  4.施工工艺及养护的原因
  混凝土拌和不匀、拌和时间过长,运输时间过长、运输泵送时改变了配合比,浇筑顺序不合理、速度太快等施工会改变混凝土的质量,降低混凝土的性能,引起浇筑后混凝土结构或构件的裂缝。现场振捣混凝土时,振捣或插入不当,漏振、过振或振捣抽撤过快,会影响混凝土的密实性和均匀性,诱导裂缝的发生。施工中,振捣棒直接搁在钢筋上进行振动,钢筋被扰动,同时使得浇筑完的混凝土过早受到振动,影响了钢筋与混凝土的握裹作用,也影响了混凝土的均匀性与密实性。钢筋保护层厚度不足,造成钢筋与混凝土的握裹作用减小,对混凝土变形开裂的约束作用减弱。在风速过大或烈日暴晒的情况下施工,混凝土的收缩值大。大体积混凝土构件浇筑后,抹面的次数和保温工作不到位,易产生表面收缩裂缝。
  四、当前钢筋混凝土结构裂缝控制设计方面存在的问题
  1.未重视结构设计原则当前我国规范规定的结构设计原则为:建筑结构的设计必须要满足承载力极限状态及正常使用极限状态,前者是保证建筑结构不会发生破坏及失稳等破坏的极限标准,而后者则是保证建筑结构不出现超过正常使用状态的变形、裂缝以及可靠、耐久等其它影响正常使用的极限标准。当前许多设计人员只注重满足承载力极限状态,而正常使用极限状态却往往被忽视。
  2.简化计算,导致与实际受力不符很多的设计人员在计算钢筋混凝土结构时,为求简单,往往将复杂受力体系简化为简单的结构,如将双向板当单向板计算,这样计算出的配筋往往
  与实际的受力情况不符,导致结构构件局部产生裂缝。
  3. 对开口楼板,特别是开洞口比较大的双向板,设计时往往只考虑楼板在竖向荷载作用下的洞口四周加强配筋。由于纵向的受力钢筋被切断,而忽视了板与墙体或板与梁的变形协调问题。这时如墙或梁的刚度较大,板的孔边凹角处未必出现应力集中现象,开洞板易发生翘曲。
  五、从建筑结构设计方面有效控制裂缝的产生
  1、结构平面布置宜规则
  结构的平面布置宜规则,尽量避免平面形状突变,平面有凹口时,宜在凹口处边缘设置拉梁,凹口周边的楼板应适当加厚并加强配筋,楼板负筋宜拉通。要严格按规范控制房屋长度,当长度超过规范不大时,可在中部设置收缩后浇带;当房屋长度超过规范较大时,宜设变形缝。
  2、变形缝的设置
  (1)沉降缝的设置。在建筑物的下列部位应设置沉降缝:地基土的压缩性有明显差异处;平面形状复杂的建筑物转折部位;高度差异或荷载差异处;建筑结构(或基础)类型不同处;过长的砖石承重结构或钢筋混凝土框架结构的适当部位;局部地下室的边缘;地基基础处理方法不同处。这样可以减小因基础沉降而产生的裂缝。
  伸缩缝的设置。排架结构的柱高(从基础顶面算起)低于sm时,宜适当减小伸缩缝间距。位于气候干燥地区,夏季炎热且暴雨频繁地区的结构或经常处于高温作用下的结构,可按照使用经验适当减小伸缩缝间距。伸缩缝间距尚应考虑施工条件的影响,必要时(如材料收缩较大或室内结构因施工外露时间较长)宜适当减小伸缩缝间距。
  3、选择地基基础类型
  选择地基基础方案时,一般都优先考虑采用浅基础,持力层设置在天然土层上。由于这类基础埋置不深,无需复杂的施工设备,用料较省,开挖基坑,必要时排水疏干后和支护坑壁,地基不加处理即可修建,故工期短,造价低。上部结构的层数与荷载情况是选择基础形式的重要因素。层数越多,荷载越大,要求基础的承载能力和总体刚度越大。上部结构的结构形式和结构体系也直接影响基础形式的选择。不同的上部结构对于地基不均匀,变形的敏感程度是不同的。
  4、结构构件优化设计的问题
  (1)增加抗弯结构体系的有效宽度,以调整结构的抗侧刚度。这样做,是非常直接的,也是非常有效的。增加宽度可以直接增大抵抗力臂,从而减小抗倾覆力。从材料力学的基本
  知识可以知道,同样面积、抗倾覆力同结构宽度的关系不同形状,可以获得不同的其几何特征。根据这个原理,不难理解加大宽度以后,整个结构的抗侧刚度得到很大提高。
  (2)剪力墙超筋的情况。剪力墙暗柱超筋。软件中设定的暗柱最大配筋率是4%,而各规范以边缘构件方式给出了剪力墙主筋的配筋面积,没有最大配筋率。所以当程序给出剪力墙超筋的警告信息时,可以酌情考虑;当剪力墙连梁超筋时,通常表明其在水平地震力作用下抗剪承载力不够。
  (3)柱的轴压比计算。软件在计算考虑地震作用下柱的轴压比时,采用的是地震作用组合下的的柱轴力设计值;软件在不考虑地震作用下柱的轴压比时,采取的是非地震作用组合下的柱轴力设计值。
  六、结束语
  总之,混凝土裂缝的发生是一个极其复杂的问题,裂缝产生的原因是多方面的,各种条件的相互作用也会导致裂缝的进一步发展,在结构设计阶段的控制预防尤其重要,也是从根本上防止和减少裂缝发生,从而保证结构的安全性和耐久性的有效手段。
  参考文献
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