砌体结构裂缝的成因及控制措施.doc

砌体结构裂缝的成因及控制措施 摘要：（中文）砌体结构是指由块体和砂浆砌筑而成的墙、柱作为建筑物主要受力构件的结构。特点是整体性较差，抗拉和抗剪强度较低，比较容易产生裂缝。但砌体结构裂缝有一定原因和客观规律。本文通过对砌体结构裂缝和变形的分析，可以提出有针对性的预防和处理措施。 The bricking-up structure is refers to the wall, the column which becomes by the block body and the mortar masonry and building takes the building main stress component the structure.The characteristic is the integrity is bad, anti-pulls with the shearing strength is low, compared with easy to produce the crack.But the bricking-up structural cracks have certain reason and the objective law.This article through to the bricking-up structural cracks and the distortion analysis, may propose has the pointed prevention and the processing measure 关键字：砌体、裂缝、控制措施、预防 前言：目前，裂缝是砌体结构质量中最重要也是最难处理的问题之一，也是不可能完全避免的，多层房屋大多采用砖混结构，尤其是砖砌体房屋居多。房屋受损时，首先以墙体开裂的形式出现。目前砌体结构的房屋出现各种形式的裂缝，非常常见，是质量通病。 其裂缝程度轻重不一，差别很大，轻则影响房屋的正常使用和美观，重则将形成结构安全隐患，甚至发生工程事故。随着住宅商品化的发展，房屋裂缝问题越来越引起人们的重视。分析砌体结构裂缝的原因，讨论砌体结构开裂的因素，并针对这些影响因素提出了与之相应的防治措施，具有重要的现实意义和长远影响。 砌体结构裂缝一般分为荷载裂缝和非荷载裂缝，其中荷载裂缝是由于荷载对砌体产生的应力大于砌体所能承受的最大承载力所产生的裂缝，而非荷载裂缝是：砌体材料的膨胀系数不同，在温差作用下形成的剪应力超过了砌体的材料的抗剪力，是砌体出现裂缝的主要原因。国内外常见的砌体裂缝有温度型裂缝和干燥收缩裂缝，从而降低了墙体的整体性，耐久性和抗震性，随着国内外住房商品化的进展，人们对住房环境和建筑质量要求的不断提高。怎么样提高建筑的质量，避免出现裂缝成为了当今建筑业研究的课题。 1,砌体结构工程 砌体结构是用块体和砂浆砌筑而成的结构，原称为砖石结构。砌体结构与混合结构是密不可分的相关结构类型。混合结构，广义地讲，是指不同材料的构件或部件混合组成的结构。通常是指建筑物的墙、柱、基础等竖向承重构件由砌体结构组成，而屋盖、楼盖等水平承重构件由钢筋混凝土结构、钢结构或木结构等组成的混合结构体系。 根据块体材料不同，砌体结构可分为砖砌体、砌块砌体、石材砌体、配筋砌体等。 1.1砖砌体 在房屋建筑中，砖砌体用作内外承重墙或维护墙及隔墙。其厚度是根据承载力及高厚比的要求确定的，但外墙厚度往往还需考虑到保暖及隔热的要求。砖砌体一般多砌成实心，有时也可砌成空心，砖柱则应实砌。 1.2砌块砌体 砌块砌体是用中小型混凝土砌块或硅酸盐砌块与砂浆砌筑而成的砌体，砌块尺寸一般为180-350mm，称为混凝土空心小型砌块砌体，中型砌块高度，一般为360-900mm，有混凝土空心中型砌块砌体和硅酸盐实心中型砌块砌体2种。空心砌块内加设钢筋混凝土芯柱，称为钢筋混凝土芯柱砌块砌体，可用于有抗震设防要求的多层砌体房屋或高层砌体房屋。 1.3石材砌体 采用天然料石或毛石与砂浆砌筑的砌体称为天然石材砌体。石材砌体分为料石砌体、毛石砌体和毛石混凝土砌体。天然石材具有强度高、抗冻性强和导热性好的特点，是带形基础、挡土墙及某些墙体的理想材料。 1.4配筋砌体 在砌体水平灰缝中配置钢筋网片或在砌体外部预留沟槽，槽内设置竖向粗钢筋并灌注细实混凝土的组合砌体为配筋砌体。这种砌体可提高强度，减小构件截面，加强整体性，增加结构延性，从而改善结构的抗震能力 2、裂缝的类型及其产生的原因分析 　　砌体结构的房屋的裂缝一般是单因素典型裂缝，而这种裂缝的形态与产生的原因有较强的对应关系。大致分为温度收缩裂缝、地基沉降差异裂缝、受力裂缝及干缩裂缝等几种类型。 2.1.温度裂缝： 热胀冻缩，是各种物质的一个物理物征，各种建筑材料及其所形成的构件也不例外。在建筑中，各构件相互连接成一空间整体，混凝土和砌体之间的变形差异导致构件中产生温度应力，混凝土顶盖变形大，墙体变形相对较小，导致砖砌体和混凝土屋盖之间产生约束应力。当外界温度升高时，使屋盖受压，墙体受拉、受剪。当约束条件下作用于构件的温度应力足够大时，超过砌体的抗拉或抗剪强度时就产生了裂缝，这就是温度裂缝产生的直接原因。　　温度裂缝是造成墙体早期裂缝的主要原因，这些裂缝一般经过一个冬夏之后才逐渐稳定，不再继续发展，裂缝的宽度随着温度变化而略有变化。　　这类裂缝裂缝常在建筑物（特别是那些纵向较长的）混凝土平屋盖顶层两端内外纵墙上，门窗洞两边，以及砌体女儿墙根部。温度裂缝形态呈“八”字型或直线型，且显对称性，但有时又仅一端有。譬如混凝土平屋盖顶层两端内外纵墙上的“八”字缝。由于房屋两端为“自由端”，水平约束力较小；当屋面向两端热胀时，致使下部砌体出现正“八”字型缝，当冷缩时，就出现倒“八”字型缝。而在温度上升的时候由于混凝土的膨胀大于砌体，楼板的膨胀受砌体的约束，从而在女儿墙根部形成向外的剪应力；而气温下降时，对女儿墙根部形成向内的剪应力，周而服始，墙体根部水平裂缝就产生了。　　剪应力在墙体内的分布为两端附近较大、中间渐小、顶层大、下部小，所以温度裂缝也有明显的规律性，即两端重中间轻、顶层重往下轻、阳面重阴面轻。砌体结构的房屋的裂缝一般多产生于房屋的顶层，特别是房屋两端的纵横墙体，裂缝沿屋顶圈梁与墙体交接面水平分布及墙体外角斜向分布，其次是门窗洞口45度斜向分布。这类裂缝的产生主要是结构温度收缩变形不协调所致。　　有些温度裂缝的形成是由于温差太大的原因，例如，西气东输西段工程的阀室和站场建成后发现，在很多房屋的圈梁处出现了水平裂缝，严重的呈连续状。通过现场实地认真的勘察，发现除了以上裂缝外，其他地方均没有异常情况，排除了地基沉降的原因，大家一致认为这是由于温度引起的温度裂缝。因为西气东输西段工程的阀室和站场大多处于位于亚洲大陆腹地，远离海洋，近沙漠，有些直接位于砾漠（戈壁滩）区，属大陆干旱气侯区。这些地方具有日照长，太阳辐射强，气温低，昼夜温差大，夏季受阳光直射时间较长，温度可达40℃左右，而温度极端最低值也可达-40℃。所以这些地方气温变化很大，我们知道混凝土的线膨胀系数（10X10－6m/℃）远大于砖墙的线膨胀系数（5X10－6m/℃），这样使得两者的温度变形差别很大，因此在圈梁和砖墙接触处产生一个剪应力使砖墙处于受剪及受拉状态而出现裂缝。 2.1.1温度裂缝产生机理 对于砖砌体的结构，砖砌体的线膨胀系数5×10－6，是混凝土的一半。当外界温度升高时，混凝土顶盖变形大，墙体变形相对较小，导致砖砌体和混凝土屋盖之间产生约束应力。使屋盖受压，墙体受拉、受剪。当约束条件下温度变形引起的温度应力足够大时,墙体就会产生温度裂缝。 混凝土砌块墙体的线膨胀系数与混凝土屋盖相同。在夏季阳光照射下，两者之间存在一定的温差。屋面最高温度可达40℃～50℃，而顶层外墙平均最高温度约为30℃～35℃。屋面和顶层外墙存在10℃～15℃的温差，两者的温差可能引起墙体开裂。另外，从材料上 看，相同砂浆强度等级下抗拉、抗剪强度混凝土砌块比砖砌体小了很多，沿齿缝截面弯拉强度仅为砖砌体的30％～35％，沿通缝弯拉强度仅为砖砌体的45％～50％，抗剪强度仅为砖砌体的50％～55％。因此，在相同受力状态下，混凝土砌块抵抗拉力和剪力的能力要比砖砌体小很多，所以更容易开裂。 2.12 温度应力的估算 砌体结构的温度应力可通过下式估算：
         (1－1)         
   （1－2） 当顶板与墙体材料不同时， 式中，Cx－水平阻力系数，混凝土板与墙体Cx=0.3~0.6N/mm3，混凝土板和钢筋混凝土圈梁Cx=1.0N/mm3;       t－墙厚；       b－一面墙负担的楼板宽度；       h－顶板厚度；       Es－混凝土的弹性模量；       α1－墙的线膨胀系数，砖砌体5×10－6； α2－顶板线膨胀系数，混凝土10×10－6； T1－墙的温度； T2－顶板的温度； L－墙长。 式（1－1）中τmax为弹性剪应力。考虑升温较快，取应力松弛系数H（t）=0.7~0.8，则砌体的徐变剪应力为：         
   （1－3） 对于顶层墙体，墙体的压应力较小，墙体的剪应力近似等于主拉应力。根据式（1－1），墙体的剪应力与温差、水平阻力系数Cx以及建筑物长度有关。 从式（1－1）可知，墙体剪应力与温差成正比。因此，采取隔热措施以减少温差，可达到减小主拉应力的目的；墙体剪应力与 成正比。如水平阻力系数Cx降低30％，则剪应力降低16％。因此，可通过在钢筋混凝土屋面板与墙体圈梁的接触面处设置水平滑动层来减少顶板与墙体的约束作用，滑动层可采用两层油毡夹滑石粉或橡胶片等；剪应力和建筑物的长度呈非线性关系，增加长度，剪应力随之增加。     （一）.3 温度变形的估算 粘土和混凝土砌体都有与温度变化成比例的特性，温度变形的大小可以根据热膨胀系数计算。构件受到温度变化为△T的构件，长度变化△L可以表达为               
（1－4） 其中，△L－温度变形； α－热膨胀系数，砖砌体5×10－6，混凝土砌块10×10－6； L－受到温度变化的构件长度； △T－温度变化。  2干缩裂缝 烧结粘土砖，包括其它材料的烧结制品，其干缩变形相对很小，但变形完成比较快。粘土砖随含水率的增加而膨胀，在含水率降低时砖不会收缩，即这种膨胀不会因为在大气温度中变干而收缩。砖中的含水量取决于原材料的种类和烧制温度范围，只要不使用新出窑的满足了龄期的砖，一般不考虑砌体本身的干缩变形引起的附加应力。当砖从窑中取出时尺寸最小，然后随着含水率的增加而膨胀，即在潮湿情况下会产生较大的湿胀，而且这种湿胀是不可逆的变形。对于砌块、灰砂砖、粉煤灰砖等砌体，随着含水量的降低，材料会产生较大的干缩变形。轻骨料块体砌体的干缩变形更大。干缩变形的特征是早期发展比较快，当砌体暴露在潮湿的空气中它开始膨胀，在开始的几个星期内膨胀最大，膨胀会以很低的速率持续几年，以后逐步变慢，几年后材料才能停止干缩。但是干缩后的材料受湿后仍会发生膨胀，脱水后材料会再次发生干缩变形，但其干缩率有所减小。　　收缩裂缝不是结构裂缝，但它们破坏了墙体外观。这类干缩变形引起的裂缝在建筑上分布广、数量多、裂缝的程度也比较严重。如房屋内外纵墙中间对称分布的倒八字裂缝；在建筑底部一至二层窗台边出现的斜裂缝或竖向裂缝；在屋顶圈梁下出现的水平缝和水平包角裂缝；在大片墙面上出现的底部重、上部较轻的竖向裂缝。收缩裂缝一般多出现在下部几层，有的砌块房屋山墙大墙面中间部位出现了由底层一直延伸至3、4层的竖向裂缝。另外不同材料和构件的差异变形也会导致墙体开裂。如楼板错层处或高低层连接处常出现的裂缝，框架填充墙或柱间墙因不同材料的差异变形出现的裂缝；空腔墙内外叶墙用不同材料或温度、湿度变化引起的墙体裂缝，这种情况一般外叶墙裂缝较内叶墙严重。此外，由于砌筑砂浆强度不高，灰缝不饱满，干缩引起的裂缝往往呈发丝状分散在灰缝缝隙中，清水墙时不易被发现，当有粉刷抹面时就显露出来。干缩引起的裂缝宽度不大，且裂缝宽度较均匀。 砌体结构中的混凝土相对于其他结构更容易产生干缩裂缝。因为在砌体结构当中，混凝土在空气中硬化时,其中的水分更容易逐渐蒸发, 使毛细孔中形成负压,随着空气湿度的降低,负压逐渐增大,产生收缩力，当收缩受限制产生的拉应力超过其本身的抗拉强度时混凝土就会开裂而产生干缩裂缝。此类裂缝,无方向性,裂缝较细0.1mm-0.3mm 。　　平常我们看到的有些面层空鼓的斜裂缝，往往也是由于墙体面层空鼓、水泥干缩引起的。阳台栏板与砖砌体接槎处裂缝多由于混凝土二次浇筑引起。施工时未能在构造柱上留出钢筋进行搭接和焊接，导致钢筋混凝土栏板由于温度变化而使混凝土产生收缩，形成裂缝 2.1干缩裂缝的产生机理 粘土砌体和混凝土砌体对含水率变化的反应不同。粘土砌块随含水率的增加而膨胀。在含水率降低时砖不会收缩。即这种膨胀不会因为在大气温度中变干而收缩。砖中的含水量取决于原材料的种类和烧制温度范围。当砖从窑中取出时尺寸最小，然后随着含水率的增加而膨胀。当砖暴露在潮湿的空气中它开始膨胀，在开始的几个星期内膨胀最大，膨胀会以很低的速率持续几年，砖的长期湿膨胀在0.0002和0.0009之间。 混凝土砌块是混凝土拌合物经浇注、振捣、养生而成。混凝土在硬化过程中逐渐失水而干缩，砌干缩量因材料和成型质量而异，并随时间增长而逐渐减小。在自然条件下，成型28天后，混凝土砌块收缩趋于稳定。其干缩率为0.03％～0.035％，含水量在50％～60％左右。砌成砌体后，在正常使用条件下，含水量继续下降，可达10％左右，其干缩率为0.018％～0.07％[6]。对于干缩已趋稳定的混凝土砌块，如再次被浸湿后，会再次发生干缩，通常称为第二干缩。混凝土砌块在含水饱和后的第二干缩，稳定时间比成型硬化过程的第一干缩时间要短，一般为15天左右。第二干缩的收缩率约为第一干缩的80％左右。当混凝土砌块的收缩受到约束并且收缩引起的拉应力超过了块材的抗拉强度或块材与砂浆之间的抗弯强度，会出现收缩裂缝。收缩裂缝不是结构裂缝，但它们破坏了墙体外观。 2.2干缩变形的估算 粘土和混凝土砌体对含水率变化的反应不同。当失去水分时，混凝土砌块会收缩，而粘土砌块会随含水率的增大而膨胀。由水分变化引起的变形可以根据与热膨胀相同的原理估计:式中，k－对粘土砌体采用湿膨胀系数ke，对混凝土砌体采用收缩系数km;L－砌体长度；－收缩变形。 《砌体标准联合委员会（Masonry Standards Joint Committee，缩写为MSJC）规范》规定粘土砌体的湿膨胀系数值ke为0.0003。由控湿的混凝土砌块砌筑的砌体km=0.15sl，由非控湿的混凝土砌块砌筑的砌体km=0. 5sl。sl为混凝土砌块的总线性干缩值，其值不超过0.00065。 3地基变形： 房屋下面的地基承受整幢房屋的荷载而产生压缩变形，房屋随之沉降。当地基土层不一致或土层一致而上部荷载不均匀时，结构物刚度差别悬殊时，地基就产生不同的压缩变形而形成不均匀沉降，使房屋的墙体中产生弯曲和剪切引起的附加应力。当差异沉降较大时，墙体内产生的拉应力将超过砌体的抗拉强度，墙体中会出现裂缝。地基、基础、建筑物构成了一个整体、共同工作，其内力和变形形态与土的性质、建筑物与地基的刚度、基础与建筑物的尺寸形状、材料的弹塑性性质、徐变等影响因素有关。　　地基不均匀沉降裂缝的形态是多种多样的，有些裂缝随时间长期变化，裂缝宽度较宽，有时宽至数厘米。地基变形裂缝主要分为剪切裂缝和弯曲裂缝，常见的有八字裂缝和斜向裂缝，多出现在房屋中下部且发生于房屋中下部的裂缝较上部宽度大。地基沉降差异是引起砌体结构建筑物裂缝的一个主要的因素。由于地基沉降差异引起的裂缝多为斜裂缝，此类裂缝一般情况下裂而不鼓，往往贯通到基础。尤其对于软土地基和湿陷性黄土地基，当地基处理不当时，很容易在底层墙体产生斜向裂缝和窗下墙竖向裂缝。在房屋纵横墙地基不均匀沉降的情况下，将使墙体承受较大的剪切力，当结构刚度稍差、施工质量和材料强度不能满足要求时，会导致墙体开裂。另外，当房屋层数相差较多而没有设置沉降缝时，容易在交接部位产生竖向裂缝，这类裂缝常伴有较大的地基不均匀下沉。 3.1地基不均匀沉降裂缝的产生机理 3.1.1. 墙体中下部区域的正八字裂缝 一般情况下，地基受到上部传递的压力，引起地基的沉降变形呈凹形，常称为“盆形沉降曲面”。这是由于中部压力相互影响高于边缘处相互影响，以及边缘处非受载区地基对受载区下沉有剪切阻力等共同作用的结果，导致地基反力在边缘区较高。这种沉降使建筑物形成中部沉降大、端部沉降小的弯曲，产生正弯距。结构中下部受拉，端部受剪，特别是由于端部地基反力梯度很大，端部的剪应力很大，墙体由于剪力形成的主拉应力破裂，裂缝呈正八字形。 由于墙体中上部受压并形成“拱”作用，墙体裂缝越靠近地基和门窗孔越严重。且中下部开裂区的墙体有自重下坠作用，造成垂直方向拉应力，可能形成水平裂缝。 3.1.2.墙体斜向裂缝 当地基中部有回填砂、石，或中部地基坚硬而端部软弱，或由于荷载相差悬殊，建筑物端部沉降大于中部时，会形成负弯距。主拉应力将引起墙体的斜裂缝或倒八字裂缝。局部的沉降不均不仅可以引起斜裂缝，由于垂直沉降还可能引起砌体的水平裂缝。 3.2 影响地基沉降裂缝的因素    地基、基础、建筑物构成一个整体，共同工作。其内力和变形形态与土的性质、建筑物与地基的刚度、基础与建筑物的尺寸形状、材料的弹塑性性质、徐变等有关。 3.2.1. 徐变    建筑物的下沉、水平位移、温度、湿度变化引起的变形，除了绝对数量外，变形速率是一个重要因素。只要变形是缓慢的，则多数建筑物能经受较大的变形而不破坏。其主要原因就是由于建筑材料都具有徐变特性，在变形过程中，其内应力会随着变形速度的下降而松弛。 3.2.2.建筑物的形状    平面形状复杂的建筑物，如“I”、“T”、“L”、“E”字形等，在纵横单元交叉处基础密集，地基附加应力重叠，使地基沉降量增大。同时，此类建筑物整体性差，刚度不对称，在地基产生不均匀沉降时容易发生墙体开裂。因此，遇不良地基时，在满足使用的情况下应尽量采用平面形状简单的建筑形式。  4.受力裂缝 受力裂缝多出现在抗震设防区的建筑物上，虽然有圈梁构造柱、钢筋混凝土现浇板等整体连接，但这也不能完全保证不出现裂缝。比如发生在房屋底层窗台处的竖向裂缝，多数是由于纵墙开窗较大，地基受荷载后变形不均匀，窗台墙起到反梁的作用而引起的。在钢筋混凝土条形基础中，基础内一般均未设置基础梁，仅靠圈梁、构造柱等来加强建筑物的整体刚度，当地基受荷载较大时，窗台墙因反向变形过大而开裂。　　有些受力裂缝是由于地基沉降不均匀和温度的双重因素形成应力而产生的，我们把这种情形也归为受力裂缝。比如钢筋混凝土现浇板跨中裂缝，如果地基不均匀沉降，将使钢筋混凝土现浇板单边下沉而其他边又受到支座的约束，这样会导致在混凝土现浇板内部产生拉应力，而且，跨中多是施工缝的留置处，按照规范的要求：施工缝的位置宜留在结构受剪力较小且便于施工的部位。所以，板在其他支座的约束下，由于混凝土内部的拉应力的作用，加上混凝土现浇板受温差作用的影响，混凝土内部产生的拉应力在周围支座的约束下，要求在现浇板的最薄弱位置释放能量，于是在板跨中产生裂缝。 （六）其他裂缝 　　当然裂缝产生不是单一因素产生，还与材料、施工、环境及荷载等多方面因素叠加的结果，例如施工材料的不当应用和环境温度温差的叠加，施工过程中没有按规范的做法与荷载都可能使砌体结构产生裂缝。总之在砌体结构中应变的增长速度超过了砌体结构所能承受的应力就会在结构中产生微裂缝，微裂缝随荷载的增加而发展，结构塑性变形也逐渐增加，最后形成比较明显的裂缝。 3.裂缝的预防及控制措施 在目前的技术经济水平下，我们尚不能完全防止和杜绝由于钢筋混凝土屋盖的温度变形和砌体干缩变形引起的墙体局部裂缝。只能通过一些合理的构造措施，使砌体房屋墙体的裂缝的产生和发展达到可接受的程度。　 （五）、防止因设计原因而引起的墙体裂缝 1.在局部软弱地基中如处理不当，则可能产生不均匀沉降，当上部结构刚度不足以抵抗由不均匀沉降而产生的内应力时，即发生开裂。 2.房屋过长或型体复杂，易产生不均匀沉降或温差裂缝。 3.由于相邻建筑物基础的影响，地基易产生附加沉降。 4.设计时未进行荷载不利组合，导致使用荷载分布与设计值相差过大。 5.砌体强度设计不足。 6.圈梁设计过小或强度过低，洞口过梁搭接长度小于250毫米等。 7.大梁搁置在砌体上，砌体局部承压面不足或偏小，发生开裂。 8.因大梁刚度偏小而产生挠度，嵌固在墙内的梁端发生位移造成墙体开裂。   (一)防止主要由温度变化引起的砌体结构开裂，宜采取下列构造措施： 1、屋盖上设置保温层或隔热层,减缓热胀冷缩动力源；2、在屋面水泥砂浆找平层或刚性防水层适当部位设置分仓缝（控制缝），控制缝的间距不大于30m；3、当采用现浇混凝土挑檐的长度大于12m时，宜设置分隔缝，分隔缝的宽度不应小于20mm，缝内用弹性油膏嵌缝；4、建筑物温度伸缩缝的间距除应满足《砌体结构设计规范》BGJ3-88第5.3.2条的规定外，宜在建筑物墙体的适当部位设置控制缝，控制缝的间距不宜大于30m；5、女儿墙一定范围增加构造柱，分散温度应力；6、非地震地区,在房屋顶层宜设钢筋混凝土圈梁。若采用钢筋混凝土圈梁,圈梁不宜外露。若不设圈梁,可在屋盖四周檐口下的砌体内,配置适当转角钢