[分享]从建筑结构设计谈现浇钢筋混凝土楼板的裂缝问题

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从建筑结构设计谈现浇钢筋混凝土楼板的裂缝问题


前言


　　自2001年起,苏州市从预制多孔板体系转化为商品混凝土现浇板体系。现浇钢筋混凝土楼板在结构安全和使用功能方面比预制板优越得多,但是楼板裂缝不断增加。大多数消费者对楼板裂缝缺乏必要常识,统视裂缝为有害,担心楼板裂缝会引起建筑物倒塌,反应极为敏感,近年来成为投诉热点,开发商和承包商为此的花费亦逐年增长。





１楼板裂缝种类


1.1　温差裂缝


　　由于温度变化,混凝土热胀冷缩而形成的裂缝,此类裂缝一般集中在东西单元的房间、屋面层和上部楼层的楼板。


1.2　结构裂缝


　　虽然现浇楼板承载力均能满足设计要求,但由于预制多孔板改为现浇板后,墙体刚度相对增大,楼板刚度相对减弱。因此在一些薄弱部位和截面突变处。往往容易产生一些结构性裂缝。例如:墙角应力集中处的４５°斜裂缝,板端负弯矩较大处的板面裂缝等。


1.3　构造裂缝


　　ＰＶＣ管处混凝土厚度减薄,容易出现裂缝。


1.4　收缩裂缝


　　混凝土在塑性收缩、硬化收缩、碳化收缩、失水收缩过程中易形成各种收缩裂缝。





２　楼板裂缝形式


2.1 ４５°斜裂缝


　　该裂缝常出现在墙角,特别是房屋东西两端房间,呈４５°状。


2.2　纵横向裂缝


   该裂缝一般出现在跨中、负弯距钢筋端部、ＰＶＣ电线暗管敷埋处。


2.3　长裂缝


  一部分房间预埋ＰＶＣ电线管的板面上出现裂缝,裂缝宽度达０．２ｍｍ～０．３ｍｍ左右。这种裂缝仅在楼板表面出现,板底无裂缝。


2.4　不规则裂缝


   裂缝出现部位形状无规则,或散状或龟裂状。一般发生在房屋东西两单元、阁楼顶层部位。





３　从设计方面分析裂缝及控制方法


　　造成现浇钢筋混凝土楼板开裂有设计原因、施工原因、材料原因,本文仅从设计方面进行探讨。随着苏州市经济的快速发展、建设任务增加迅猛,勘察设计队伍亦在迅速扩大,苏州市住宅工程相当一部分是由乙级和丙级设计单位承担。住宅设计单位低资质,或由于设计市场管理的不到位,造成低资格设计人员挂靠设计,而挂靠单位收取一定比例管理费后,就盲目盖章、签字,根本不对图纸的结构安全、合理性、完整性等认真审核。结果是一部分住宅工程勘察设计质量低下,问题较多。另一个原因是,一些住宅开发商任意压价,片面降低勘察设计费,以收费最低为主要条件选择勘察设计单位,同时又不讲合理设计时间,限期开工,逼迫提前出图,造成施工图设计深度不够,问题必然较多。





3.1　建筑设计方面原因


3.1.1　斜屋面、露台、外墙节能保温措施不够


   苏州市一年之内气温变化较大,夏季最高温度可达４０℃以上,冬季温度最低可达-４℃～-７℃,由于夏天室外墙体温度高于室内温度,结构外墙面在高温下发生受热膨胀,如果未采取保温措施,在纵横两外墙面的变形对楼板产生牵拉作用下,东西单元的卧室楼板被外墙向外拉伸就容易引起裂缝。同样,屋面如果未设保温层,顶层楼板会因热胀冷缩而引起开裂。


   目前与温度有关的裂缝计算公式有/p>

   连续式约束条件下楼板、长板、剪力墙、大底板等最大约束应力计算公式/p>

                     σ＊ｘｍａｘ＝－ＥａＴ１－１ｃｈβＬ２Ｈ（ｔ，τ）         （１）


   或按时间增量的计算公式/p>

                     σ＊ｘｍａｘ＝∑ｎｉ＝１Δσｉ＝-ａ１－ｕ∑ｎｉ＝１１－１ｃｈβｉＬ２ΔＴｉεｉ                                                （ｔ）Ｈ（ｔ，τ）                                                                               （２）


   当应力超过混凝土的抗拉强度时,可求出裂缝间距/p>

                    Ｌｍａｘ＝２ＥＨＣｘａｒｃｃｈａＴａＴ－εｐ                 （３）


                    Ｌ＝１．５ＥＨＣｘａｒｃｃｈａＴａＴ－εｐ                    （４）


                    Ｌｍｉｎ＝１２Ｌｍａｘ                                                   （５）


   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都是叠加的,拉应力较大;


        Ｈ（ｔ,τ）-松弛系数。在保温保湿养护条件下(缓慢降温即缓慢收缩),松弛系数取０．３或０．５,当寒潮袭击或激烈干燥时,松弛系数取０．８,应力接近弹性应力,容易开裂;


               Ｔ＝Ｔ１+Ｔ２+Ｔ３（Ｔ１为水化热温差、Ｔ２为气温差、Ｔ３为收缩当量差,取代数和）;


         εｐ-混凝土的极限拉伸。级配不良,养护不佳,取０．５×１０-４～０．８×１０-４;正常级配,一般养护,取１．０×１０-４～１．５×１０-４;级配良好,养护优良,取２×１０-４;配筋合理(细一些,密一些),可提高极限拉伸２０%～４０%。构造配筋宜为０．３%～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εｐ≤｜ａＴ｜,当εｐ≥｜ａＴ｜时取εｐ＝｜ａＴ｜,［Ｌ］→∞。


裂缝开展宽度/p>

                       δｆ＝２ψＥＨＣｘａＴｔｈβＬ２                                   （６）


                       δｆｍａｘ＝２ψＥＨＣｘａＴｔｈβＬｍａｘ２                （７）


                       δｆ＝２ψＥＨＣｘａＴｔｈβＬｍｉｎ２                          （８）


                       β＝ＣｘＥＨ                                                                  （９）


        式中,ψ-裂缝宽度经验系数;


             Ｃｘ-约束系数。


3.1.2　住宅长度超长


   住宅平面超长,由于温差和材料变形,会造成墙体和楼板横向开裂。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要求,结构内力影响很小。


3.1.3　平面形状


   当住宅卧室沿长度、宽度方向尺寸变化,由于楼板刚度不一致,会产生不相同变形,引起薄弱部位开裂。





3.2　结构设计方面原因


3.2.1　近代国际上结构的设计原则是,整个建筑结构的功能必须满足两种状态的要求:①承载力极限状态,以保证结构不产生破坏,不失去平衡,不产生破坏时过大变形,不失去稳定。②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、裂缝及耐久性、振动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于足够重视并严格执行,而对第二种极限状态却经常被忽视。


3.2.2　从钢筋混凝土现浇楼板各种受力体系分析,无论是按单向板设计还是按双向板设计,是单跨还是多跨连续板设计;无论是板端支承在砖墙上还是支承在过梁或剪力墙内,受力状态考虑都是局限于楼板平面的应力变化(按弯矩配置抵抗正、负弯矩的受力钢筋)、板平面的受剪变形。即使是考虑板端嵌固端节点产生弯矩,也只是考虑板平面弯曲或屈曲所产生的应力。在楼板受力体系分析时,对于现浇结构构件之间在三维空间中如何分配内力、协调变形,根本没有考虑。


3.2.3　目前不少设计人员只按单向板计算方法来设计配置楼板钢筋,支座处仅设置分离式负弯矩钢筋。由于计算受力与实际受力情况不符,单向高强钢筋或粗钢筋使混凝土楼面抗拉能力不均,局部较弱处易产生裂缝。部分设计人员对构造配筋,放射筋设置不重视或不合理,薄弱环节无加强筋。


3.2.4　 结构设计对板内布线引起裂缝的构造考虑不够。住宅电器、电信快速发展的今日,现浇楼板内暗敷ＰＶＣ电线管越来越多,甚至有些部位三根交错叠放,两根管交错叠放更为普遍。ＰＶＣ管错叠处板的抗弯高度大大降低,从而减弱了板的抗弯性能。


3.2.5　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。





3.3　建筑设计控制措施


3.3.1　屋面与外墙采取保温措施按照国外建筑设计常规的做法,屋面设保温隔热层,使屋面的传热系数≤１．０Ｗ／ｍ２·Ｋ；外墙外表面或内表面相应设置保温隔热层,同时外墙面宜采用浅色装饰材料,增强热反射,减少对日照热量吸收。根据苏州的具体情况,屋面和外墙的保温设计应通过热工计算,在不同季节均应能达到《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》和《江苏省民用建筑热环境与节能设计标准》要求,彻底解决温度应力对屋面和墙体的破坏。


3.3.2　适当控制建筑物长度根据《混凝土结构设计规范》（ＧＢ５００１０-２００２）和《砌体结构设计规范》(ＧＢ５０００３-２００１),为避免结构由于温度收缩应力引起的开裂,宜采取设置伸缩缝,伸缩缝间距为３０ｍ～５０ｍ。多层住宅建筑控制长度建议不大于５０ｍ,高层应控制在４５ｍ以内。如果超过此长度,应设置伸缩缝。超长量不大时,可采用设置后浇带的方法,以减少混凝土楼板收缩开裂。


3.3.3　住宅平面形状控制住宅平面宜规则,避免平面形状突变。当楼板平面形状不规则时,宜设置梁使之形成较规则平面。当平面有凹口时,凹口周边楼板的配筋宜适当加强。





3.4　结构设计控制措施


3.4.1　工程裂缝产生的主要原因是混凝土的变形。如温度变形、收缩变形、基础不均匀沉降变形