浅谈结构设计中的裂缝控制问题

摘要：结合以往设计经验，针对裂缝新的认识，本文对结构设计中出现裂缝作了深入分析和较全面总结。

关键词：结构设计；裂缝；控制

Abstract: combining the traditional design experience, according to crack new understanding, in this paper, the structural design of crack deeply analyzed and summarized comprehensively.

Keywords: structure design; Crack; control

中图分类号： TU318 文献标识码：A文章编号：

在工程设计中, 大部分工程设计人员对待裂缝的态度是:一方面设计规范对裂缝有明确规定,即用裂缝计算公式计算出裂缝, 只要满足允许宽度限值即可; 另一方面对于变形引起的裂缝没有计算规定, 所以只要规范每隔一定距离留一条伸缩缝, 不管荷载差别大小,只要留出变形缝 (伸缩缝或沉降缝 )就认为问题不复存在了,即留缝就不裂的设计原则。大量的工程实践证明,计算满足或者按规范设缝并不是决定结构变形开裂与否的条件,计算虽然满足但并不一定在工程实践中完全满足, 是否开裂还与许多设计因素有关。

一、对裂缝新的认识

虽然现代仪器如实体显微镜、 超声仪器、 渗流观察仪对裂缝的观察有所进步, 但对其真实的受力机理仍未搞清, 学术上用各种模型模拟裂缝,但对于混凝土这种多性材料没有一种方法是足够精确的, 国家规范中理论和试验结合并用概率统计的方法, 得出其出现的概率,具有一定的近似性,结构设计人员需要正确认识裂缝的存在性,控制其有害程度。

裂缝形成是不规则的,正常使用中的裂缝是非贯通的微裂缝, 只有在受力较大的薄弱环节, 微裂的拉力作用就会贯穿全截面而断裂。肉眼可见的裂缝范围一般以 0 . 05mm 为界。大于等于 0 . 05mm 的裂缝就是宏观裂缝。《混凝土结构设计规范》( GB50010- 2002)中最严格的裂缝是 0 . 2mm。可以认为混凝土有裂缝是绝对的,无裂缝是相对的, 研究认为:裂缝的扩展程度就是材料破损程度的标志, 同时,裂缝的存在也是材料本身固有的一种物理性质。

如果严格要求构件不出现裂缝,那就需要采用预应力,使构件预压力压至全部荷载作用下不出现拉应力,须付出较大的代价才能获得, 这样又给构件带来了一个缺陷, 从形成裂缝初期到构件破环的荷载增加余地不大,破坏前兆小,形成了脆性破坏。

在防水要求情况下,并非不允许出现裂缝, 因为裂缝具有一定的自愈能力,比如在地下室外墙的裂缝处经常附有白色的沉淀物, 当裂缝形成时,有水渗流时,会和混凝土中的石灰矿物质发生反应, 形成碳酸钙的覆盖层。但这种自愈的能力对裂缝的宽度有要求, 裂缝如果超过 0 . 2mm, 水头就会冲刷裂缝, 使得裂缝变宽, 所以防渗要求的裂缝需要更加严格的规定。

二、裂缝控制措施

1、影响混凝土结构收缩开裂的主要因素

（1）混凝土收缩

A、硬化收缩：通常普通水泥混凝土硬化过程会产生收缩变形，即硬化收缩 。也有例外情况，例如矿渣水泥混凝土及掺粉煤灰的混凝土硬化变形是稳定的膨胀变形，这对混凝土抗裂非常有益。

B、塑性收缩：混凝土初凝过程中失水收缩及骨料与胶合料之间发生不均匀沉缩变形，由于这一阶段混凝土处在塑性阶段，所以称塑性收缩。水灰比过大、 水泥用量大、 粗骨料少、 振捣不足、 凝固过快、 养护不良、 环境气温过高、 表面失水过多等都会导致塑性收缩 、表面开裂、 大底板的塑性收缩裂缝可以采用二次压光和二次浇灌加以平整。

C、碳化收缩及干缩：干湿交替，湿度适中的环境会发生碳化收缩 。在干燥的环境下会发生干缩变形。二者共同作用会引起表面开裂和面层碳化。

（2）外加剂影响：外加剂本身一般会有增加收缩的作用，尤其是过量掺加时。 适量掺加外加剂会减小水灰比及水泥用量，对减小收缩有利。 掺加粉煤灰可以减小水泥用量，降低水化热，但不利于早期抗裂膨胀剂可以减小收缩甚至补偿收缩，减小收缩应力。

（3）混凝土的极限拉伸：具有较大极限拉伸，可以适应温度收缩变形的需要，不易开裂 。适当配筋率(0.15%~0.3%) 及细而密的构造筋或混凝土中掺加钢纤维、 玻璃纤维能提高混凝土的极限拉伸，利于控制温度收缩裂缝。

2、 裂缝控制措施

针对上述影响混凝土结构收缩裂缝的因素，设计中可根据工程特点采用以下裂缝控制措施。

（1）混凝土强度等级不宜过高。 在满足承载力及防水要求的条件下，宜采用C25~C35 混凝土。

（2）选用低水化热 、收缩小的水泥品种，如矿渣硅酸盐水泥等。 掺加适量外加剂，减少水泥用量，降低水灰比，严格控制砂石骨料含泥量，控制因水化热内部升温过高，控制外部降温速度，及时保水、 保温养护。

（3）采用粉煤灰（掺量为水泥用量的 15%~30%），改善混凝土和易性，减少水泥用量。

（4）设置伸缩缝（考虑满足沉降缝 、防震缝要求），间距不可过长。

（5）在合适部位设置后浇带，带宽 0.8m~1.0m，间距30m~40m，减少硬化收缩。 后浇带混凝土宜 2个月后采用较高标号（提高 5MPa~10MPa）微膨胀混凝土浇灌。

（6）基础、 筏板、 底板等大体积混凝土采取分层浇筑、 阶梯推进施工，但要注意避免冷缝。

（7）对于大体积混凝土、 超长结构，混凝土中宜掺加膨胀剂，采用补偿收缩混凝土。

（8）较长墙体，尤其是有防水要求的较长地下室外墙，应适当提高水平构造钢筋的配筋率 (0.4%~0.6%)，采用细而密的配筋原则，间距 150mm 墙顶及中部设水平暗梁；墙与柱交接处设水平附加筋（配筋率为通长配筋的 10%~15%），伸入墙内 1.5m~2.0m，以减小应力集中。

（9）露天的地下一层外墙及屋面等应加强保温隔热，减小温差；适当提高构造配筋率。 外露边梁应加强腰筋配置，梁侧宜设保温隔热面层。

（10）地下室顶板及屋面可采用部分预应力，使混凝土预压应力达到 0.2MPa~0.7MPa。

（11）外露挑檐、 阳台、女儿墙等每隔 12m 设伸缩缝，水平分布筋适当加大。

（12）超长混凝土结构可采用无缝设计：由于温度应力只是在一定长度范围内是逐渐增大的，超过一定长度后温度应力趋于不变定值 根据这一规律，超长混凝土结构可以实现无缝设计。 具体做法如下：

在应力集中处设膨胀加强带，间距 40m~60m，宽度 2m，两侧铺设密孔钢丝网或快易收口网，并用立筋 8mm@100mm 加固，防止混凝土流入加强带加强带外侧混凝土采用小膨胀混凝土（水中养护 14d的限制膨胀率0.02%~0.03%），加强带采用大膨胀混凝土（水中养护 14d 的限制膨胀率 0.04%~0.06%） ,强度等级比两侧高5MPa~10MPa。 可以连续浇筑，也可以采用间歇式无缝施工法，在加强带一侧留台阶式施工缝 。无防水要求时，楼板加强带两侧可采用无收缩混凝土（水中养护 14d 的限制膨胀率为 0.01%~0.02%）。 墙体宜采用后浇加强带，先分段浇筑小膨胀混凝土，养护 14d 后再用大膨胀混凝土浇筑加强带。这样可以更有效地释放收缩应力，避免出现裂缝。采用的掺加膨胀剂的补偿收缩混凝土应在设计图纸中注明强度等级、抗渗等级及水中养护 14d 的限制膨胀率(一般 >0.015%或更高)。 膨胀剂的质量、 掺量及膨胀混凝土限制膨胀率应通过试验确定。

（13）对于重点工程，当不宜设缝时，可以通过计算得出混凝土结构的最大温度应力，验算会否开裂及裂缝宽度，根据情况采取相应的裂缝控制措施。

参考文献：

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