从荷载设计与施工工艺角度浅析混凝土裂缝成因

　　摘 要：本文主要针对荷载设计和施工工艺两大人为方面探讨混凝土结构裂缝形成的相关问题，以理论设计与实际施工两大角度浅析裂缝成因，反映出荷载设计与施工工艺对控制裂缝的重要性。

　　关键词：混凝土结构;荷载设计;施工工艺;裂缝;成因

　　前言

　　混凝土结构是目前工程建设中应用较为广泛的一种结构形式。但混凝土结构由于内外因素的作用不可避免地存在裂缝。裂缝不仅对建筑物的外观产生不良影响，同时对结构的使用功能和耐久性产生影响，严重时对结构的安全性构成威胁。引起裂缝原因是多方面的，既有设计上的原因，又有施工方面的因素，还有一些外界因素，所以工程中存在很多裂缝往往施工单位也无从着手，设计单位拿到后感到措施贫乏，常常引发施工单位与设计方面争议。因此，从荷载设计和施工工艺两大角度分析混凝土结构裂缝成因具有重要的现实意义。

　　1 关于混凝土结构裂缝问题的概述

　　混凝土最主要的缺点是抗拉能力差、脆性大、容易开裂。结构试验表明，裂缝的出现和开展是结构破坏的先兆。建筑物中裂缝的存在预示着结构承载力可能不足，过大的裂缝会促使钢筋锈蚀而降低结构耐久性，会造成房屋渗漏，影响建筑物美观。所以，习惯上都不允许建筑物产生裂缝。但客观现实，钢筋混凝土结构物的裂缝很难完全避免，就经济及科学观点，一定程度的裂缝是可以接受的。大量的工程实践和理论分析表明，几乎所有的混凝土构件均是带裂缝工作的，只是有些裂缝很细，甚至肉眼看不见(<0.05mm)，一般对结构的使用无大的危害，可允许其存在。我国现行建筑、铁路、公路、水利等部门设计规范均采用限制构件裂缝宽度的办法来保障混凝土结构的正常使用。如：《工业建筑可靠性鉴定标准》(GB50144-2008) 《CECS 293：2011房屋裂缝检测与处理技术规程》等规范中都对混凝土结构的裂缝有限制规定。

　　2 针对混凝土结构荷载设计角度裂缝成因分析

　　混凝土构件在常规静、动荷载及次应力下产生的裂缝称荷载裂缝，归纳起来主要有直接应力裂缝、次应力裂缝两种。直接应力裂缝是指外荷载引起的直接应力产生的裂缝。如结构计算时不计算或部分漏算、计算模型不合理、结构受力假设与实际受力不符、荷载少算或漏算、内力与配筋计算错误、结构安全系数不够、结构设计时不考虑施工的可能性、设计断面不足(宁波跨海大桥)、钢筋设置偏少或布置错误、结构刚度不足、构造处理不当、设计图纸交代不清等都属于此种裂缝成因。而在实际工程中，次应力裂缝才是产生荷载裂缝的最常见原因。

　　次应力裂缝是指由外荷载引起的次生应力产生裂缝。次应力裂缝多属张拉、劈裂、剪切性质。次应力裂缝主要形成如下：

　　1、在设计外荷载作用下，由于结构物的实际工作状态同常规计算有出入或计算不考虑，从而在某些部位引起次应力导致结构开裂。

　　2、工业建筑中经常需要凿槽、开洞、设置牛腿等，在常规计算中难以用准确的图式进行模拟计算，一般根据经验设置受力钢筋。研究表明，受力构件挖孔后，力流将产生绕射现象，在孔洞附近密集，产生巨大的应力集中。

　　在长跨预应力连续梁中，经常在跨内根据截面内力需要截断钢束，设置锚头，而在锚固断面附近经常可以看到裂缝。因此，若处理不当，在这些结构的转角处或构件形状突变处、受力钢筋截断处容易出现裂缝。按常规一般不计算，但随着现代计算手段的不断完善，次应力裂缝也是可以做到合理验算的。例如现在对预应力、徐变等产生的二次应力，不少平面杆系有限元程序均可正确计算，但在40年前却比较困难。

　　根据结构不同受力方式，混凝土结构荷载裂缝形成原因与典型特征，如下：

　　原因裂缝主要特征

　　轴心受拉裂缝贯穿结构全截面，大体等间距(垂直于裂缝方向);用带肋钢筋时，裂缝间出现位于钢筋附近的次裂缝

　　轴心受压沿构件出现短而密的平行于受力方向的裂缝

　　偏心受压弯矩最大截面附近从受拉边缘开始出现横向裂缝，并逐渐向中和轴方向发展。用带肋钢筋时，裂缝间可见短向次裂缝

　　沿构件出现短而密的平行于受力方向的裂缝，但发生在压力较大的一侧，且较集中

　　局部受压在局部受压区出现大体与压力方向平行的多条短裂缝

　　受弯弯矩最大截面附近从受拉边缘开始出现横向裂缝，并逐渐向中和轴方向发展。受压区混凝土压碎

　　受剪沿梁端中下部发生约45°方向相互平行的斜裂缝;沿悬臂剪力墙支撑端受力一侧中下部发生现约45°方向斜裂缝。

　　受扭矩某一面腹部先出现多条约45°方向斜裂缝，并向相邻面以螺旋方向展开。

　　受冲切沿柱头板内四侧发生约45°方向的斜裂缝;沿柱下基础体内柱边四侧发生45°方向斜裂缝

　　在设计上，应注意避免结构突变(或断面突变)，当不能回避时，应做局部处理，如转角处做圆角，突变处做成渐变过渡，同时加强构造配筋，转角处增配斜向钢筋，对于较大孔洞有条件时可在周边设置护边角钢。荷载裂缝特征依荷载不同而异呈现不同的特点。这类裂缝多出现在受拉区、受剪区或振动严重部位。

　　3 针对施工工艺角度裂缝成因分析

　　在混凝土结构浇筑、构件制作、起模、运输、堆放、拼装及吊装过程中，若施工工艺不合理、施工质量低劣，容易产生纵向的、横向的、斜向的、竖向的、水平的、表面的、深进的和贯穿的各种裂缝，特别是细长薄壁结构更容易出现。裂缝出现的部位和走向、裂缝宽度因产生的原因而异，比较典型常见的有：

　　1)混凝土保护层过厚，或乱踩已绑扎的上层钢筋，使承受负弯矩的受力筋保护层加厚，导致构件的有效高度减小，形成与受力钢筋垂直方向的裂缝。

　　2)混凝土振捣不密实、不均匀，出现蜂窝、麻面、空洞，导致钢筋锈蚀或其它荷载裂缝的起源点。

　　3)混凝土浇筑过快，混凝土流动性较低，在硬化前因混凝土沉实不足，硬化后沉实过大，容易在浇筑数小时后发生裂缝，即塑性收缩裂缝。

　　4)混凝土搅拌、运输时间过长，使水分蒸发过多，引起混凝土塌落度过低，使得在混凝土体积上出现不规则的收缩裂缝。

　　5)混凝土初期养护时急剧干燥，使得混凝土与大气接触的表面上出现不规则的收缩裂缝。

　　6)用泵送混凝土施工时，为保证混凝土的流动性，增加水和水泥用量，或因其它原因加大了水灰比，导致混凝土凝结硬化时收缩量增加，使得混凝土体积上出现不规则裂缝。

　　7)混凝土分层或分段浇筑时，接头部位处理不好，易在新旧混凝土和施工缝之间出现裂缝。如混凝土分层浇筑时，后浇混凝土因停电、下雨等原因未能在前浇混凝土初凝前浇筑，引起层面之间的水平裂缝;采用分段现浇时，先浇混凝土接触面凿毛、清洗不好，新旧混凝土之间粘结力小，或后浇混凝土养护不到位，导致混凝土收缩而引起裂缝。

　　8)混凝土早期受冻，使构件表面出现裂纹，或局部剥落，或脱模后出现空鼓现象。

　　9)施工时模板刚度不足，在浇筑混凝土时，由于侧向压力的作用使得模板变形，产生与模板变形一致的裂缝。

　　10)施工时拆模过早，混凝土强度不足，使得构件在自重或施工荷载作用下产生裂缝。

　　11)施工前对支架压实不足或支架刚度不足，浇筑混凝土后支架不均匀下沉，导致混凝土出现裂缝。

　　12)装配式结构，在构件运输、堆放时，支承垫木不在一条垂直线上，或悬臂过长，或运输过程中剧烈颠撞;吊装时吊点位置不当，T梁等侧向刚度较小的构件，侧向无可靠的加固措施等，均可能产生裂缝。

　　13)安装顺序不正确，对产生的后果认识不足，导致产生裂缝。如钢筋混凝土连续梁满堂支架现浇施工时，钢筋混凝土墙式护栏若与主梁同时浇筑，拆架后墙式护栏往往产生裂缝;拆架后再浇筑护栏，则裂缝不易出现。

　　14)施工质量控制差。任意套用混凝土配合比，水、砂石、水泥材料计量不准，结果造成混凝土强度不足和其他性能(和易性、密实度)下降，导致结构开裂。

　　对于施工工艺上如果采取合理施工措施，并注意施工过程中许多细节的处理，很多裂缝是可以克服和控制的。

　　4 防止上述两大方面形成裂缝的重要性

　　混凝土结构裂缝的成因复杂而繁多，甚至多种因素相互影响，但每一条裂缝均有其产生的一种或几种主要原因。有些裂缝在使用荷载或外界物理、化学因素的作用下，不断产生和扩展，引起混凝土碳化、保护层剥落、钢筋腐蚀，使混凝土的强度和刚度受到削弱，耐久性降低，严重时甚至发生垮塌事故，危害结构的正常使用与人身安全，必须引起我们高度重视。

　　结束语

　　荷载设计与施工工艺两个方面都属于人为因素，应该是在人为控制范围内的。只有加强设计人员与施工技术人员的素质，让他们意识到荷载设计与施工工艺对控制裂缝的重要性，从而去依据最新规范标准以及结合工程实际设计、施工，不断的改良施工工艺，加强施工管理，才可以有效的减少该类裂缝的形成。正所谓“千里大堤，溃于蚁穴”，因此我们要对混凝土结构裂缝成因进行认真研究分析、集思广益，对于我们能力可控范围内的，就必须采取各种有效的预防措施将该类裂缝控制在规范要求的安全范围之内，排除安全隐患，这样才能极大地降低工程事故发生的可能性，从而确保工程向有利方向发展。参考文献

　　[1]过镇海,时旭东.钢筋混凝土原理和分析[M].北京:清华大学出版社,2003,5.

　　[2]徐荣年,徐欣磊.工程结构裂缝控制——“王铁梦法”应用事例集[M].北京:中国建筑工业出版社,2005.

　　[3]《CECS 293：2011房屋裂缝检测与处理技术规程》(新版).

　　[4]《工业建筑可靠性鉴定标准》(GB50144-2008).

　　[5]《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010).

　　[6]《建筑结构荷载规范》 (GB50009-2011).

　　[7]混凝土裂缝分析及其防治措施研究(张永存，李青宁;西安建筑科技大学土木工程学院).