磚混結(jié)構(gòu)房屋溫度裂縫與結(jié)構(gòu)措施淺談

金攀龍

(西安成陽(yáng)機(jī)場(chǎng)西安亨泰房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)公司)

    磚混結(jié)構(gòu)房屋中墻體的溫度裂縫是常見(jiàn)的現(xiàn)象。導(dǎo)致砌體和屋面板出現(xiàn)溫度裂縫的因素很多，既有原材料質(zhì)量低劣、施工質(zhì)量不合格的原因，也有設(shè)計(jì)不合理、使用不當(dāng)?shù)仍�因。溫度裂縫的出現(xiàn)并有開(kāi)展是結(jié)構(gòu)破壞的先兆，過(guò)大、過(guò)多的裂縫不僅引起鋼筋的銹蝕，造成房屋滲漏，影響正常使用的建筑美觀，同時(shí)給居住者造成一種不安全的精神壓力和較大的心理負(fù)擔(dān)。溫度裂縫的存在，不僅破壞結(jié)構(gòu)的整體性，還降低結(jié)構(gòu)的承載力、耐久性和抗震性能。

1、工程中常見(jiàn)的裂縫形式

    工程中出現(xiàn)的八字形裂縫、水平裂縫、倒八字形裂縫、不規(guī)則斜裂縫及豎向裂縫等是磚混結(jié)構(gòu)中比較常見(jiàn)的溫度裂縫形式，在此我們將其歸納為三種，一種是斜裂縫，一種是水平裂縫，一種是豎向裂縫。以下將對(duì)這三種裂縫逐一進(jìn)行分析。

    1.1斜裂縫

    磚混結(jié)構(gòu)中斜裂縫的形式一般有三種。一種是正八字形裂縫，第二種是倒八字裂縫，第三種是正八字裂縫和倒八字裂縫同時(shí)出現(xiàn)，形成x形裂縫。此種裂縫一般出現(xiàn)在頂層建筑物兩端2～3個(gè)開(kāi)間內(nèi)，嚴(yán)重的會(huì)延伸至5～6個(gè)開(kāi)間甚至更長(zhǎng)，還有的會(huì)延伸到下一層而出現(xiàn)類(lèi)似的斜裂縫。裂縫多出現(xiàn)在縱墻上，尤以外縱墻為甚，局部橫墻也會(huì)出現(xiàn)類(lèi)八字裂縫。裂縫出現(xiàn)的一般規(guī)律是：兩端重，中間輕；向陽(yáng)面重，背陰面輕；上部重，下部輕。大多數(shù)裂縫通過(guò)洞口角部伸展，房屋兩端總體成對(duì)稱(chēng)狀。

    1.2水平裂縫

    水平裂縫大多出現(xiàn)在山墻上，有些房屋的縱橫墻上也會(huì)出現(xiàn)。常見(jiàn)部位為頂層樓板、圈梁下或在女兒墻的根部。屋面砼構(gòu)件與頂層墻溫度變形(升溫時(shí))差異大時(shí)，在山墻1／2高度處的里側(cè)也會(huì)產(chǎn)生明顯的水平裂縫。在外縱墻的洞口上部有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)水平裂縫。裂縫的某些特征同斜裂縫相似。另外在有些低層房屋的窗臺(tái)位置也會(huì)出現(xiàn)水平裂縫。

    1.3豎向裂縫

    各層窗臺(tái)的豎向裂縫多發(fā)生窗洞下部窗臺(tái)墻上，并具有上大下小的特點(diǎn)。底層窗臺(tái)墻的豎向裂縫多數(shù)開(kāi)展至勒腳處，嚴(yán)重者則發(fā)展至地圈梁及散水面。

2、溫度裂縫產(chǎn)生的原因

    砌體溫度裂縫主要是由于房屋長(zhǎng)時(shí)間受陽(yáng)光輻射，使屋面板的溫度比墻體的溫度高出很多，在炎熱的夏季甚至高出兩倍左右。但即使在溫度相同的條件下，鋼筋混凝土的線膨脹系數(shù)也為磚砌體的兩倍，因此屋蓋的膨脹變形遠(yuǎn)大于墻體，兩者變形不協(xié)調(diào)，結(jié)果屋面板的變形對(duì)墻體產(chǎn)生很大的水平推力，從而使墻體與屋面的接觸面受剪。當(dāng)應(yīng)力大于墻體強(qiáng)度時(shí)，墻體就產(chǎn)生裂縫(包括水平、垂直及斜裂縫)。對(duì)于平面為矩形的建設(shè)物來(lái)說(shuō)，房屋兩端第一、第二開(kāi)間墻體承受的溫度應(yīng)力最大，墻體裂縫也較嚴(yán)重，因此墻體溫度裂縫一般為兩端重、中間輕，向陽(yáng)重、背陽(yáng)輕。

    在磚混結(jié)構(gòu)中，混凝土屋面可承受的溫度一般為50qC左右，而磚砌體可承受的最高溫度一般為30℃左右。因此屋面與墻體的溫差可達(dá)20℃左右，再加上鋼筋混凝土的線膨脹系數(shù)比磚墻大一倍(鋼筋砼a=10x10-6，磚砌體α=5X10-6)，這樣便使屋蓋的膨脹比墻體大許多，屋蓋在變形過(guò)程中產(chǎn)生很大的推力，作用在墻體頂端的水平推力使墻體與屋蓋的接觸面處受剪，水平剪力和屋蓋、女兒墻等的垂直壓力構(gòu)成墻體的雙向應(yīng)力。當(dāng)主拉應(yīng)力大于墻體的抗拉強(qiáng)度時(shí)，墻體就會(huì)出現(xiàn)裂縫。沿墻體分布的剪應(yīng)力大致是兩端最大，中間為零。由于頂層端部正應(yīng)力較小，其主拉應(yīng)力接近于剪應(yīng)力，則可能引起斜裂縫，而洞口角部應(yīng)力集中，又易形成八字形裂縫。

    當(dāng)溫度升高時(shí)，屋蓋膨脹產(chǎn)生裂縫；與此相反，當(dāng)屋蓋產(chǎn)生較大的收縮時(shí)，與之相連的砌體便可能產(chǎn)生倒八字裂縫，而當(dāng)屋蓋熱脹冷縮的變形均較大時(shí)，在砌體的同一部位則可能同時(shí)出現(xiàn)正倒八字裂縫，兩者疊加形成X形裂縫。一般情況下，當(dāng)正(倒)八字裂縫形成后，另一方向的倒(正)八字裂縫便很難形成，因此在工程中x形裂縫比較少見(jiàn)。

    而對(duì)于砌體中出現(xiàn)的水平裂縫，也是由于屋蓋的溫度變形大于砌體的變形，屋蓋下砌體產(chǎn)生的水平剪力大于砌體的水平抗剪強(qiáng)度引起的，并大多從窗洞口開(kāi)始發(fā)展。

    近年來(lái)，有文獻(xiàn)*定量研究出了由于溫度變化引起砌體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫的原因。由于在建筑物頂層端部垂直壓力很小，假定此區(qū)域的主拉應(yīng)力等于最大剪應(yīng)力：

    σ=τmax=CxaT／β*thβL／2

    β=(cχt／bhE5)1/2

    其中：

    th——雙曲正切函數(shù)

    Cχ——水平阻力系數(shù)，鋼筋砼與磚墻相互作用時(shí)取0.6N／cm2，當(dāng)頂板與墻體材料不同時(shí)，aT=a2T2-α1T2；

    α1——墻的線膨脹系數(shù)；

    α2——頂板的線膨脹系數(shù)；

    T1——墻的溫差；

    T2——頂板的溫差；

    T——房屋長(zhǎng)度；

    t_墻厚；

    h——頂板厚度；

    b——墻體負(fù)擔(dān)頂板寬度，對(duì)于外墻可取檐口力至相鄰兩墻間距的中心線間的距離；

    E1——砌體的彈性模量。

    下面舉例分析在不同參數(shù)下Τ值的變化情況。各參數(shù)取值如下：αl=5xlO-6；α2=lOxlO-6；Tl=30℃；T2=50℃；τ=240mm；h=80mm；b=2900mm；E5=1547N／ mm2。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1  不同參數(shù)下剪應(yīng)力的變化情況

    從表l可以看出，墻體的剪應(yīng)力與溫差、水平阻力系數(shù)、建筑物的長(zhǎng)度等因素有關(guān)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，建筑物的長(zhǎng)度與最后τ值大小影響不大，由于計(jì)算公式中并未考慮砼的干縮等因素的影響，因此建筑物的長(zhǎng)度對(duì)裂縫的影響也不能忽視。而τ值卻與溫差成正比，溫差成了影響裂縫的最主要的元素，因此降低溫差是減小裂縫最有效的方法。

    從表l還可以看出，在舉例條件下計(jì)算得到的剪應(yīng)力τmax是很大的，而由現(xiàn)行砌體設(shè)計(jì)規(guī)范可知，在砌筑砂漿強(qiáng)度等級(jí)≥Ml0時(shí)，磚砌體沿水平通縫的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值僅達(dá)0．17MPa，故在頂層墻端很易產(chǎn)生溫度斜裂縫是不難理解的。

3、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常被忽略的問(wèn)題

    3.1建筑平面設(shè)計(jì)常常因受地形限制或造型需要而設(shè)計(jì)成“L”、“Y”、“鋸齒”形等復(fù)雜的幾何形狀，外墻不在同一平面上。溫度變化時(shí)轉(zhuǎn)角位置墻體要承受很大的雙向水平推力，若結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)未采取加強(qiáng)措施，易導(dǎo)致墻體產(chǎn)生溫度裂縫。

    3.2房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)商為增加樓房賣(mài)點(diǎn)，要求商住樓設(shè)計(jì)成錯(cuò)層形式。溫度變化時(shí)屋面板的變形對(duì)錯(cuò)層和閣樓層的墻體產(chǎn)生很大的水平推力，若結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在錯(cuò)層和閣樓位置但未采取任何加強(qiáng)措施，也會(huì)導(dǎo)致墻體產(chǎn)生溫度裂縫。

    3.3屋面板采用現(xiàn)澆形式，中間不設(shè)變形縫。樓板越長(zhǎng)，產(chǎn)生的溫度變形累計(jì)值越大，產(chǎn)生溫度應(yīng)力也越大(特別是屋面兩端)。但結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)僅考慮豎向力而溫度應(yīng)力則常常被忽略掉。

    3.4選用磚、砂漿強(qiáng)度僅考慮砌體的豎向承載力和水平地震作用，而溫度應(yīng)力引起的剪應(yīng)力和變形則很少考慮。越到頂層強(qiáng)度等級(jí)越低，與之恰恰相反是砌體結(jié)構(gòu)頂層墻體因受溫差影響而產(chǎn)生的剪應(yīng)力是最大的。

    3.5在磚混結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中構(gòu)造柱應(yīng)如何設(shè)置，抗震等相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范僅對(duì)抗震設(shè)防時(shí)作了明確詳細(xì)的規(guī)定，而對(duì)溫度變化影響時(shí)則沒(méi)有具體的設(shè)計(jì)條款。因此，不少設(shè)計(jì)者常常是僅重視結(jié)構(gòu)的抗震性能而忽略了實(shí)際存在的溫度應(yīng)力。由于房屋外墻轉(zhuǎn)角和窗間墻部位參與抵抗側(cè)向應(yīng)力的墻體截面面積較小，而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上又未采取適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)措施，在溫度應(yīng)力作用下，這些薄弱部位常因構(gòu)件的抗拉或抗剪強(qiáng)度不足而開(kāi)裂。

4、設(shè)計(jì)控制措施

    磚混結(jié)構(gòu)溫度裂縫是普遍存在的現(xiàn)象，由于其潛在的危害性，因此早已引起人們的關(guān)注。根據(jù)多年的工作實(shí)踐，對(duì)目前建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常存在的一些問(wèn)題，提出幾點(diǎn)改進(jìn)意見(jiàn)：

    4.1在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意調(diào)整樓房高度，盡量使屋面的標(biāo)高一致。對(duì)于錯(cuò)層的房屋宜有錯(cuò)層部位所有縱橫墻相交處設(shè)置墻構(gòu)造柱。

    4.2設(shè)置圈梁是抵抗溫度裂縫的有效辦法。圈梁與構(gòu)造柱相連接，形成約束各片墻體的縱向和橫向框格，使墻體保持一個(gè)整體的箱形結(jié)構(gòu)，改善了砌體的受力性能，提高了砌體的抗裂能力。屋面圈梁宜沿每道墻體設(shè)置，避免采用半圈梁引起應(yīng)力集中，其余各層圈梁按規(guī)范要求設(shè)置。

    4.3使用微膨脹混凝土可提高結(jié)構(gòu)抵抗溫度裂縫的能力。混凝土在微膨脹時(shí)受到鋼筋的約束而使鋼筋混凝土中產(chǎn)生了混凝土受壓、鋼筋受拉的預(yù)應(yīng)力狀態(tài)。當(dāng)鋼筋混凝土收縮，結(jié)構(gòu)中混凝土原有的預(yù)壓應(yīng)力及鋼筋的預(yù)拉應(yīng)力就會(huì)釋放一部分，使混凝土的應(yīng)力仍保持原有的壓應(yīng)力為零。由此可見(jiàn)，只要微膨脹混凝土的配合比較合適，施工養(yǎng)護(hù)好，使用微膨脹混凝土可以避免或減輕屋面板溫度裂縫的產(chǎn)生。

    4.4在屋面設(shè)置縱橫向分隔縫將整個(gè)屋面劃分成若干個(gè)長(zhǎng)度較小的獨(dú)立單元，以減小屋面板的總變形值。橫向分隔縫宜每隔三個(gè)開(kāi)間設(shè)一道，橫向進(jìn)深大于 lOm時(shí)宜在屋脊處設(shè)一道縱向分隔縫，分隔縫寬20mm，采用油膏或?yàn)r青麻絲嵌縫。

    4.5在溫度作用下，屋面板的變形從中問(wèn)向兩端逐漸增大，墻體兩端所承受的剪力是最大的。由此可見(jiàn)，房屋頂層兩端是溫度裂縫多發(fā)地帶，因此應(yīng)對(duì)屋面兩端的墻體進(jìn)行重點(diǎn)加強(qiáng)。由于鋼筋混凝土構(gòu)造柱的抗側(cè)剛度約為磚構(gòu)造柱的抗側(cè)剛度的六倍，因此，在第一、第二開(kāi)間所有縱橫墻相交處設(shè)置“L’、“T”型構(gòu)造柱，并在大于3.Om的墻段增設(shè)墻中構(gòu)造柱，使墻體的抗裂能力得到進(jìn)一步的加強(qiáng)，溫度裂縫相應(yīng)地也得到有效的控制。

    4.6砌體的抗拉、抗剪強(qiáng)度與砌體砂漿的強(qiáng)度成正比。因此，提高頂層砌體砂漿強(qiáng)度是提高砌體抵抗溫度應(yīng)力，減少溫度裂縫的經(jīng)濟(jì)、有效的方法。頂層砂漿的強(qiáng)度不宜低于M5.0，磚強(qiáng)度不宜低于MUl0，同時(shí)磚砌體厚度不宜小于240mm。

    4.7減小屋蓋與墻體的溫差是控制溫度裂縫的關(guān)鍵，因此，屋面設(shè)計(jì)必須按規(guī)范要求采取隔熱保溫措施，如設(shè)置架空層等。

5、結(jié)束語(yǔ)

    大量的工程實(shí)例表明，在進(jìn)行磚混結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，只要從建筑平面造型、結(jié)構(gòu)布置、構(gòu)造措施及砌體強(qiáng)度等方面綜合考慮溫度對(duì)房屋的影響，并針對(duì)不同的溫度裂縫對(duì)薄弱部位采取相應(yīng)的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施，同時(shí)嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，磚砌體房屋的溫度裂縫是可以避免或有效控制的。

參考文獻(xiàn)：

[1]王鐵夢(mèng)《建筑物的裂縫控制》

(本文來(lái)源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)  文徑網(wǎng)絡(luò)：文徑 尹維維 編輯  劉真 審核)