从建筑结构设计浅谈混凝土结构的裂缝问题
关键词：结构设计,混凝土结构,裂缝问题，
引言
混凝土结构作为当今的主要结构形式，在其正常的使用年限内，不可避免的要出现裂缝，笔者相信无论是从事建筑行业的专业人士，还是仅仅居住在混凝土建筑中的非专业人士，都对混凝土结构所出现的裂缝有些认识。结构的裂缝问题，是一个相当普遍的质量问题，严重的已影响到工程的正常使用和安全，是一个需要探讨和解决的技术难题。其实，裂缝的出现有很多的原因，比如外界温度的变化、基础的不均匀沉降、施工控制不合理、材料质量等等都会使混凝土建筑出现裂缝，而这些原因有些是可以在设计阶段提前预控的。本文就从结构设计方面来具体谈一下混凝土结构的裂缝问题，以供工程技术人员借鉴参考，达到防范于未然的作用。对于文章的不足和欠妥之处望大家看后能够给予批评与指正，从而共同进步。
1. 混凝土结构的裂缝分类
1.1结构裂缝
虽然一些现浇楼板的承载力均可以满足基本的设计要求，但是当预制多孔板改成现浇板以后，就会造成整个墙体的刚度逐渐增大，使楼板的刚度也相对减弱。因此，在一些截面突变处或者薄弱的部位就很容易出现裂缝。例如在墙角应力集中地方的45度角斜裂缝和板端负弯矩较大处都存在板面裂缝。
1.2应力裂缝
应力裂缝是因为各种收缩所引起的裂缝，主要包括塑性收缩、干燥收缩、碳化收缩和自身收缩等。我们知道，在混凝土的硬化过程中，常常会因为水分蒸发、使得体积逐渐缩小，从而产生收缩，这就造成板的四周受到支座的约束，不能够自由的伸展。然而当混凝土收缩拉应力超出了混凝土的抗裂能力时，就必然会使得现浇板出现开裂，这样的裂缝主要分布在应力相对集中的地方。另外，在施工过程中混凝土没有按照相关设计规定施工，在混凝土达到相应的设计强度之前，出现过早拆模，或者是在混凝土还没有完全终凝的时候，就加上了荷载。这都会造成整个混凝土的楼板出现严重的变形，而混凝土的早期抗拉强度较低甚至没有抗拉强度，当其承受压、弯和拉的等组合应力时，混凝土表面就会出现裂缝。
1.3塑性收缩变形使混凝土产生裂缝
塑性收缩裂缝一般都产生在混凝土硬化之前，并且处于塑性状态的时候，这主要是因为上部混凝土的均匀沉降受到一定程度的限制。当出现大的骨料、钢筋，或者出现平面面积较大的混凝土，这就造成其水平方向的收缩比垂直方向的收缩困难，从而出现较为不规则的深层裂缝。而塑性收缩裂缝在通常情况下，基本都是相互平行的，其间距在0.2~1.0m左右，并存在相应的深度。
1.4温度应力裂缝
温度应力的裂缝所产生的主要原因是混凝土在浇筑之后，所聚积在内部的水泥水化热不容易散发，这就造成整个混凝土所产生的内部温度较高，然而由于混凝土表面的温度散热的比较快，这就会造成内外的温差较大，使得混凝土内部产生压应力，而混凝土的表面出现拉应力。因此，如果在混凝土的表面附近存在较大程度的温度梯度，就会出现较大的表面拉应力。而这个时候混凝土的龄期较短，该阶段相应的抗拉强度较低，这种由温差所产生的表面拉应力一但超过了混凝土的抗裂能力，就必然导致混凝土的表面出现裂缝。
2.混凝土结构设计阶段的裂缝控制
在结构设计中，荷载是引起混凝土建筑产生裂缝的主要原因之一，在荷载效应弯矩、剪力、扭矩、拉力及其组合的作用下，各类受力构件都会产生或多或少的开裂。但是往往在结构设计过程中，由于遗漏某些荷载的作用或实际使用过程中与设计的荷载有所出入，都会使混凝土结构在正常使用阶段产生裂缝，从而对结构造成一定程度上的破坏。对于基础的不均匀沉降，结构设计时一般都不会进行考虑，但实际正常使用过程中，基础的不均匀沉降对混凝土结构所带来的危害是很大的。由于基础的不均匀沉降，混凝土结构内部会产生很大的附加应力，而且一边受拉，这样就很容易导致混凝土结构上产生裂缝。
2.1建筑设计方面
建筑平面布置力求简单、规则，不宜有太多凹凸，设计中应尽量避免结构断面突变带来的应力集中。当无法回避时，应做局部处理，如转角处做圆角，突变处做成渐变过渡，以防应力集中导致构件开裂。房屋的长高比应控制在允许范围以内。建筑物长度要符合温度伸缩最大间距要求，以保证房屋的整体性，防止墙体由屋面变形集中产生裂缝。纵墙端部尽量少设门窗，且门窗洞不宜过大，以增加砖墙的抗剪面积，提高其自身抗剪能力，同时应减少门窗洞口处的应力集中。温度裂缝主要是由屋面板、圈梁、砖墙本身的温差变化而引起的拉应力产生的。屋面保温(隔热)层的效果好坏直接影响顶层砖墙的裂缝程度。所以，屋面保温(隔热)层一定要符合热工要求。对于保温屋面，保温材料的性能及施工方法要符合规范要求，且保温层厚度要适当加大，满足保温效果。
2.2结构方面
应尽量提高顶层墙体砂浆砌筑强度(顶层砂浆不宜低于M5)，用来提高混凝土墙自身的抗剪能力。所有横墙、纵墙顶层都应该设置圈梁，以加强其整体性。但顶层圈梁，特别是纵向圈梁的梁高要做得尽量小一些，以减少圈梁与混凝土墙之向的相互约束，继而减小屋面板变形对混凝土墙的水平推力。加强顶层构造柱，顶层混凝土墙除为了满足抗震的要求而需设构造柱外，在两端墙体中还应该增设抗裂构造柱，保证房屋纵向端部第一、二开间范围内，而横墙与纵墙交叉处则应该设构造柱，以增强顶层墙体刚度、整体性及其延性，以达到大大地提高混凝土墙的抗剪能力的目的，根据试验，同样尺度的一片墙两端设构造柱后，其抗剪能力可以提高一倍左右。
在结构设计中，应重视对于构造钢筋的配置，特别是对于现浇箱梁、楼面、墙板等薄壁构件更应注意构造钢筋的直径和数量的选择。同时还应该尽可能提高基础的抗裂性，在那些容易产生应力集中的薄弱部位适当加强构造钢筋的布置。基础底面应该尽可能设计成水平，对于本身长度较长的基础的设计，应该按照规范的要求留有伸缩缝，尽可能避免设备基础开裂。一些对裂缝控制要求比较严格的设备基础，宜在基础与地基的接触面上做油毡沥青滑动层，用来释放应力以减少裂缝的出现。
2.3具体控制裂缝的措施
( 1 ) 施工时采用的混凝土强度等级不宜过高。在满足承载力以及防水要求的条件下，宜采用 C25～ C35等级的混凝土。
( 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%)进行施工 ，用来改善混凝土的和易性，并且可以减少水泥的使用量。
( 4 ) 在结构设计和施工时，可以考虑设置伸缩缝(考虑满足沉降缝、防震缝要求)，且缝与缝之间的距离不可过长。
( 5 ) 在合适部位设置后浇带，带宽 0.8 ～ 1.0 m，间距30～40m，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 5- 1O 兆帕 )微膨胀混凝土浇灌。
( 6 ) 对于基础、筏板、底板等体积比较大的混凝土，就适宜采取分层浇筑、阶梯推进的施工方法，但在施工时要特别注意避免冷缝的出现。
( 7 ) 对于大体积和一些超长的混凝土结构，可考虑采用60天龄期强度值作为设计值，以减少混凝土单方用灰量，在混凝土中可以掺加一定量的膨胀剂，用于补偿收缩混凝土。
( 8 ) 对于较长的墙体，尤其是那些有防水要求的较长地下室的外墙结构，应当适当提高其水平构造钢筋的配筋率 ( 0.4 ～0.6 %) ，尽量采用细而密的配筋原则，间距小于等于150mm。墙顶及中部设置水平暗梁;墙与柱交接处设置水平附加筋( 配筋率为通长配筋的10～15 %) ，伸入墙内大约 1.5–2.0 m，以减小应力集中现象。
( 9 ) 露天的地下一层外墙及屋面等设施需要加强其保温隔热的功能，用来减小室内外的温差，可以适当提高构造配筋率。外露边梁则应该加强腰筋配置，梁侧宜设置保温隔热面层。
(10 ) 地下室顶板以及屋面可以尝试采用部分预应力结构，使混凝土的预压应力达到0.2 ～0.7 兆帕为最好。
( 11) 外露挑檐、阳台、女儿墙等宜每隔12m设置伸缩缝，水平分布筋宜适当的加大。
( 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。
结束语
从上述文章中可以知道，裂缝产生的原因有很多，而设计阶段的裂缝预控对正常使用阶段的裂缝控制起到非常重要的作用，所以在设计初期就应树立减少裂缝产生的思想，在设计中时刻铭记对这一问题的控制，这样才能在施工过程中以及今后的使用中使建筑物不出现或者少出现裂缝。钢筋混凝土结构裂缝的控制是一个综合性的课题，需要设计、监理、施工及使用方等各方的重视和多方面的努力。混凝土结构的裂缝虽不能完全消失，但随着当今对混凝土耐久性研究的不断深入，材料科学的不断发展和建筑工程技术水平的不断提高，相信钢筋混凝土结构裂缝问题将会逐渐得到解决，裂缝所带来的困扰和烦恼也将随之消失，我们的生活居所将变得更加安全。
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