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浅析中外规范关于砌体房屋裂缝控制措施的对比

作者:2015-05-13 11:35阅读:文章来源:未知

  随着墙体材料革新的进一步推进,各种非烧结块材不断涌现,这种房屋的裂缝问题成为工程实际中棘手的问题,控制好房屋裂缝问题有利于满足建筑使用功能、提高建筑质量,有利于新型材料的推广,因此国内外都非常重视裂缝问题,并且各国砌体规范都涉及变形裂缝的产生原因、计算公式及控制措施.本文将我国规范与国外规范对裂缝控制措施等进行对比分析,给我国规范的修订提供依据.砌体结构裂缝产生的原因可划分为两类:由荷载引起的裂缝与由形变引起的裂缝.对于由荷载变化引起的裂缝,承载力结构设计规范相对较为完善,此类裂缝大多是由于不合理使用、设计失误、施工中偷工减料等原因造成,统计资料表明此类裂缝仅占20%左右,本文主要讨论由形变所引起的裂缝.形变,即砌体材料的体积变形,包括温度变化、湿度变化、碳化、徐变以及其他因素产生的变形.变形受到约束,便在墙体中引起应力,当应力超过材料强度,便产生裂缝.

  1 体积形变的产生原因

  1.1 温度形变

  所有墙体材料在温度改变时都会产生膨胀或收缩.一片墙体在无约束条件时,这种温度变形理论上是可逆的.温度变形与材料线膨胀系数、温度变化值有关.

  理论上,温度变形是可逆的,其自由变形量等于温差乘以线膨胀系数以及墙长.但是施工完毕后的墙体的变形量取决于温差和砌块铺砌时的初始温度,其大小与施工的季节、施工期间具体环境条件和砖从出窑或出蒸养设备到上墙的时间有关.因此,为了确定墙体可能的自由变形量,需要估计初始温度以及可能的温差。

  1.1.1 砌体线膨胀系数

  我国规范GB/T 50003-2011、欧盟规范CENENV1996-1-1:1995、英国规范BS5628-3:2005以及MSJ C 2005中给出的不同砌体(英国除外)的线膨胀系数取值.

  表1中除英国外其他国家是给出砌体的线膨胀系数,英国规范则只给出块体的线膨胀系数,但是,英国规范还给出了砂浆的线膨胀系数为(11~13)×10-6 mm/mm/℃,虽大于块体的线膨胀系数,但是由于砂浆在砌体中占的比例很小,其体积变形可以近似地用块体变形来表示.各国规范中相同材料的线膨胀系数取值差距很小,我国规范取值处于各国标准的中间值.所不同的是,英国规范中块体的线膨胀系数给出了一个范围,具体取值建议与块体生产商沟通,这种取值方法更为合理,因为块体的原材料和生产工艺有所不同.澳大利亚规范没有给出明确的线胀系数,新西兰规范则建议参考砌体生产商的推荐值,加拿大计算粘土砖砌体线胀系数的取值分为水平线胀系数(5~6)×10-6 mm/mm/℃和垂直线胀系数(7~9)×10-6 mm/mm/℃,区分砌体竖向灰缝和水平灰缝间距的差别.

  1.1.2 砌体的温度变化

  砖墙表面的温度很有可能比其周围环境温度更高,影响这个温度的因素主要是墙体的朝向、颜色、砖墙的类别、是否采取保温措施以及砖墙的位置,比如有这种情况:周围环境的温度低于38℃,黑色朝南的墙体却达到60℃的高温.

  温度变化值可取墙片正中间的平均温度值.对于实心墙体,取墙厚的中间处温度为计算值;对有空气或隔热保温材料将两页墙分开的双页墙片,则以各页墙片厚的中间温度计算.美国在实际工程设计时建议取砖墙的温差为38℃.

  1.2 湿度变形

  湿度变化会导致砌体膨胀和收缩,湿度变形分成可逆和不可逆两部分.不同块体由于内部结构不同,其湿度变形的特征不一样.

  1.2.1 烧结块体的湿度变形

  砖块在出窑冷却时的体积最小,露置在水中或湿空气中会随时间缓慢膨胀.美国MSJC规范中描述:这种湿膨胀初始增长率高,随后减少,在开始的6个星期内总的膨胀大约为50%,绝大部分的膨胀在15年内完成.

  湿膨胀量大小主要取决于原材料性质,也与烧制温度有关.较低温度下烧制而成的砖块比之于较高温度下烧制的砖块会产生更大的膨胀量.澳大利亚AS3700规定,湿膨胀系数取0.6~1.8mm/m,其具体取值以生产厂商实测值为准.

  一般认为,烧结砖的干燥收缩很小,各国规范对烧结砌体湿膨胀和干燥收缩率取值见表2.

  1.2.2 非烧结块体的湿度变形

  非烧结块体往往会失水收缩和吸水膨胀.由于块体上墙时内含有水分,非烧结砌体的最终变形是收缩,其收缩值大小与水泥含量、骨料集配、养护的方法、湿度变化、温度变化以及干湿循环等相关.砌体墙的干燥收缩不仅与块体干燥收缩性能有关,还与块体上墙含水率及平衡含水率(环境相对湿度)有关.

  国内外砌体规范对砌体的干缩系数取值.需要指出的是,美国规范中混凝土砌体的干燥收缩系数取值为ASTM C426试验得到的块体线干燥系数的一半.欧盟规范对于粘土砖砌体的干燥收缩系数取值是从负到正的一个范围,这说明一些粘土砖后期膨胀的特性,其取值取决于材料类型. 各国规范普遍认为非烧结砌体表现为干燥收缩变形,轻骨料混凝土砌体干燥收缩系数大于普通骨料混凝土砌体,加气混凝土砌体及硅酸盐砌体与普通混凝土砌体取值相同,且各国规范取值大体相当.所不同的是,对烧结砖砌体,欧美规范均考虑烧结砖砌体湿膨胀占主导,而我国规范不考虑烧结砖砌体的湿膨胀作用,其主要原因是欧美烧结砖砌体一般用于装饰外墙,不允许浇水砌筑(砖浇水后砌筑时,易导致砖表面产生盐析,影响美观),而我国烧结砖砌体在砌筑前1~2d需要浇水,从而大大减小了砌体的湿膨胀.我国烧结砖砌体规定砌体干燥收缩变形为-0.1mm/m,这是因为砌体内存在砂浆,砂浆的干燥收缩导致体积变形.

  1.3 徐变

  材料在荷载和应力作用下会产生徐变.砌体的徐变变形量取决于应力大小、材料龄期、加载时间、材料质量以及环境因素.通常用徐变系数(最终徐变变形与弹性变形的比值)来表示材料徐变变形大小,各国规范取值.

  从各国规范看,取值大小略有差异.一般认为,烧结块体的徐变变形很小,可以忽略,烧结砌体的徐变主要由砂浆产生,烧结砌体的徐变变形远小于非烧结砌体.蒸压加气混凝土由于其弹性模量很低,砌体最终徐变变形很大,是普通混凝土砌体的2倍.砌体徐变变形方面,我国尚未研究.

  1.4 碳化

  碳化是水化硅酸盐水泥与空气中二氧化碳发生的化学反应.英国规范则指出:碳化的程度与碳化产生的变形取决于混凝土的渗透性以及周围环境的相对湿度,密集料砌块和蒸压砌块的碳化变形相对较小甚至可以忽略,砌块和砂浆在无保护情况下,碳化收缩变形量为初始干燥收缩的20%到30%.美国砖协会(BIA)建议混凝土砌块墙体的碳化收缩值为2.5×10-4 mm/mm,美国混凝土砌块协会(NCMA)建议混凝土砌块(砖)的碳化收缩取值与国际混凝土砌块协会一致,并指出此值相当于30.38m长的墙体产生约7.6mm的干燥收缩量.

  1.5 其他因素

  导致砌体结构变形的其他因素在一定条件下才可能发生,如钢筋锈蚀等,钢筋锈蚀后体积增大,从而在其周边的砌块产生应力使其变形并产生裂缝,过度的锈蚀甚至导致砌块的剥离.

  2 墙体的总体积变形

  每种块体的原材料和生产工艺不同,相同类型的块体的变形特性不同,不同类型材料之间的变形特性差距更大.若能预计各种材料的变形,通过设置变形缝或适当配筋,便可以释放应力的产生或约束墙体产生开裂.

  一般来说,不需要通过计算来确定裂缝控制缝或配筋,只需要满足规范给出的经验值就行了.但在约束很小的烧结砖外页墙以及较大太阳辐射的墙体,可以采用通过计算总体积变形大小的方式,减小水平控制缝的间距和控制缝宽度.

  英国规范针对内外墙的特点做了更进一步的规定:内墙的环境温度相对比较稳定,变形主要为砖墙不断吸潮而产生湿膨胀,除非在长度小于1m的转角处,一般这种膨胀变形不会导致受拉裂缝.外墙则受到温度变形和湿膨胀的叠加作用.

  2.1 非烧结砖砌体

  墙体总变形由干燥收缩、碳化收缩以及温度收缩3部分构成.英国规范指出:虽然提到了众多影响因素,但还没找到切实可行的非烧结砌体的总有效自由变形量计算方法,只提出了变形缝设置应满足墙体的应力不大于墙体容许应力基本原则.欧盟规范则概要性地规定,多种变形可能同时发生,应同时考虑砌体施工期温度和湿度来估计最大膨胀和收缩量.A.Hendry结合欧盟规范和英国规范,更详细地论述了墙体竖向变形和水平变形的计算方法,为框架填充墙和复合墙体的变形缝设置提供了参考依据.

  3 设置变形缝控制裂缝

  在墙体中设置变形缝,可有效减小墙体因体积变形产生开裂,综合各国规范,一般有2种设置方法:一是当房屋长度过长时在适当部位设置伸缩缝,可有效减小房屋内构件的体积变形产生的应力;二是当墙片尺寸太大时,在墙体内设置控制缝,以减小该墙片由于体积变形产生的应力.2种方法都是为了减小体积变形产生的应力,但前者是从房屋整体上考虑,后者是从墙片局部来考虑.

  3.1 房屋伸缩缝

  在超长房屋中设置伸缩缝一直是我国建筑工程中常用的减少房屋裂缝的措施之一.在砌体结构房屋中往往采用设置双墙的方法来实现.这种方法能有效减少体积变形引起的应力和开裂,但是影响造价和房屋的使用面积,影响房屋里面的美观,尤其是在地震作用下,若缝宽不够易发生碰撞而破坏.欧美各国砌体结构标准均不采用伸缩缝,我国规范引用前苏联标准,一直沿用至今.GB 50003中砌体房屋最大伸缩缝间距主要与楼屋盖类别、屋面保温、墙体材料类别等因素有关.屋面刚度越大、屋面与墙体连接也好,屋面与墙面之间约束越大,温度应力越大,伸缩缝间距要求越小;屋面保温越好,屋面与墙体的温差越小,温度应力越小,伸缩缝间距越大.非烧结块体的干燥收缩比较大,规范修订时将非烧结块体房屋的伸缩缝控制得更严格了,为烧结砖砌体房屋的0.8.

  3.2 墙体控制缝

  砌体墙受到周围结构构件的约束,砌体体积变形将在该墙体内产生应力和裂缝.为了控制这种房屋局部裂缝,在墙体竖向或水平方向设置控制缝,可以有效减少墙体应力,从而控制墙体裂缝.欧美规范一般采用这种裂缝控制方法,我国2001版本规范就开始引用该方法,由于建筑习惯和规范本身的不够详细,实际工程中很少见到.

  控制缝有竖向控制缝和水平控制缝.竖向控制缝主要用来减少受约束的墙体体积变形在水平方向产生的拉应力.水平控制缝主要用来协调墙体竖向变形差,如:在复合墙体中采用水平控制缝协调外页墙和内页墙由于材料特性和受力不同带来的变形不一致.框架填充墙也采用水平控制缝来协调烧结砖砌体膨胀和混凝土框架结构的竖向压缩变形.

  控制缝应在砌筑时预留,所有的变形缝要贯穿墙体(复合墙的一页墙)的整个厚度,缝内填充足够柔性的材料以满足变形要求.控制缝应设置成滑移面,应容许被控制缝分开的墙体之间相互滑动,减少相邻构件的拉应力和剪应力.建筑外墙的控制缝要求具有抗渗透能力.

  3.2.1 控制缝的位置

  理论上,控制缝应该设置在体积变形产生应力较大或者集中的地方.

  1)竖向控制缝的位置

  美国砌块协会发布的技术指南控制缝设置的部位主要有:墙高变化处;墙厚变化处,如壁柱和管道开槽处;基础和楼板变形缝处;搁置在墙体上的楼(屋)面板变形缝处;门窗洞口的一侧或两侧(当洞口宽度小于1.83m 时,一侧设置;当洞口宽度大于1.83m 时,两侧设置;当洞口上、下和两侧配有足够的抗拉钢筋时,该处可不设置控制缝);墙角或交叉墙处.

  英国规范则规定变形缝的位置要考虑到建筑物的特点,设置位置包括:墙体、楼板交界处;门窗洞口处;墙高或厚度改变处;墙上开槽处;贯穿整个建筑的变形缝或楼板变形缝.

  欧盟规范虽没有规定墙体变形缝的具体位置,但指出设置变形缝要考虑的情况包括:砌块材料的类型;结构的设计要考虑洞口以及板的面积;约束的条件;砌块对于长期荷载作用、热作用以及环境条件的反应;防火、保温隔热要求;是否配筋.新西兰规范要求控制缝的设置要考虑建筑的类型、墙体形状、墙体的配筋率以及外部环境.我国规范也规定“当房屋刚度较大时,可在窗台下或窗台墙角处墙体内、在墙体高度或厚度突然变化处设置竖向控制缝”.

  2)水平控制缝的位置

  水平控制缝的位置与垂直缝无关,并且水平控制缝一般设置在每层楼的窗上部分,也可以设置在设有过梁的窗上部分.

  需要指出的是,无配筋砖墙或无配筋非承重外墙的水平控制缝设计和布置需谨慎考虑,在确保控制变形的同时不能削弱墙体稳定性以及任何功能.

  3.2.2 控制缝间距

  1)竖向控制缝的间距

  对烧结砖砌体,BIA基于文献,考虑墙体湿胀、热胀和冻胀等因素,变形总量用墙长乘以000 9来估算。对非烧结砖砌体,NCMA提出2种控制缝间距设置方法:经验法和工程法.经验法主要基于多年在不同环境下的成功经验,是一种常用的方法,当建筑处于环境温差较大且为深色墙体时才采用工程法.欧盟规范和英国规范也认为,大部分情况可采用经验法确定竖向控制缝间距.

  对于无洞口或应力集中的墙体,控制缝将墙体分割成一系列“孤立”的墙板.各国规范采用经验法确定竖向控制缝间距.

  2)水平控制缝的间距

  无配筋砌体外页墙或者框架填充墙中设置水平控制缝调节垂直变形时,水平变形缝的间距为层高,且要考虑到墙体支撑体系,确保墙体稳定性.

  3.2.3 控制缝宽度与密封

  控制缝应该具有足够的宽度,以保证在体积变形时砌体墙不产生破坏.BIA规定控制缝的宽度一般与灰缝相同,即10~13mm;澳大利亚规定缝隙宽度始终不小于5mm;英国规范变形缝宽度不超过10mm;我国规范则要求控制缝宽度不宜小于25mm.由此可见,各国对控制缝宽度的要求相差较大,这主要是由填缝材料的压缩性和控制缝间距决定的.

  各国规范对密封剂压缩性都有要求,英国规范求填缝剂压缩性达到50%,BIA则要求75%以上,我国规范、澳大利亚规范及欧盟规范并未给出定量的要求.

  4 采用配筋砌体裂缝控制

  4.1 采用水平灰缝钢筋控制裂缝

  新西兰、美国西部等高烈度区域的多层砌体房屋以及各地区高层砌体结构房屋因抗震和抗风需要而配有数量可观的水平受力钢筋.研究表明:若有足够的配筋量,就能有效地限制混凝土砌体裂缝的产生.采用尺寸规格符合标准的钢筋作为水平配筋时,若水平配筋间距≤1 219mm,就能有效控制裂缝产生,且无需设置控制缝.同时也表明:水平配筋能在砌体内产生某种约束作用,把收缩产生的拉应力从砌体传递到钢筋上,这样虽然会造成砌体上频繁出现开裂处,但裂缝非常小.当提高水平配筋级别时,裂缝分布均匀、裂缝宽度减小.

  一旦砌体开裂,砌体内的拉应力就获得释放.在墙体开裂缝的同时,砌体中的拉应力传递至钢筋上.因此,若按间距要求配置钢筋,施加在钢筋上的拉应力应不超出其抗拉屈服强度,砌体开裂后,钢筋的变形仍处于弹性变形状态,这样可使砌体裂缝宽度最小化.

  4.2 采用水平灰缝钢筋与控制缝共同控制裂缝水平灰缝钢筋在墙体内对砌体产生约束.钢筋随温度变化在长度方向也会产生变化,但是却不随湿度变化和碳化而产生体积变化,因此当墙体收缩时,钢筋产生压缩应力,于是其邻近砌体的拉力与这个压缩应力相抵消,当砌体裂开并扩张时,钢筋应力转变为拉力把它拉紧于是限制了裂缝的扩张,根据这一性质我们在裂缝控制中可以利用钢筋的约束作用来提出“抗”的措施.

  各国砌体结构设计规范都规定了配筋砌体的最小配筋率为0.07%,当墙体的水平灰缝配筋率在0.07%~0.19%之间时,墙体裂缝不满足最大裂缝宽度0.51mm的要求,因需要采用控制缝来释放一部分体积变形.美国规范采用工程法来确定控制缝间距,如表4.欧盟规范、澳大利亚规范和英国规范只提出控制缝可以适当加大的条款,我国规范没有这方面的规定.

  4.3 采用竖向钢筋时,控制缝位置调整无筋砌体墙上常常留有门、窗洞口,减小了砌体的横截面积,洞口处是比较薄弱的位置,容易发生墙体开裂,因此一般在洞口处设置控制缝.控制缝穿过过梁端部,并在过梁下面设置滑动层.若在洞口相邻砌块孔内灌混凝土并设竖向配筋,洞口已经被加固,控制缝可设置在洞口外面.

  4.4 其他配筋措施

  与其他国家规范不同的是,我国规范对墙体各部位提出了具体的控制裂缝措施:

  1)顶层墙体:设置现浇钢筋混凝土圈梁,并沿内外墙拉通;在过梁水平灰缝下设置2~3道焊接钢筋网片或2根直径6mm钢筋.

  2)底层墙体:窗台下墙体灰缝设置3道焊接钢筋网片或2根直径6mm 钢筋;增大基础圈梁的刚度.

  3)各层墙体:在每层门、窗过梁上方的水平灰缝内及窗台下第一和第二道水平灰缝内,宜设置焊接钢筋网片或2根直径6mm 钢筋,焊接钢筋网片或钢筋应伸入两边窗间墙内不小于600mm.当墙长大于5m时,宜在每层墙高度中部设置2~3道焊接钢筋网片或3根直径6mm 的通长水平钢筋,竖向间距为500mm.

  4)房屋两端和底层第一、第二开间门窗洞处:

  ① 在门窗洞口两边墙体的水平灰缝中,设置长度不小于900mm、竖向间距为400mm的2根直径4mm的焊接钢筋网片.

  ② 在顶层和底层设置通长钢筋混凝土窗台梁,窗台梁高宜为块材高度的模数,梁内纵筋不少于4根,直径不小于10mm,箍筋直径不小于6mm,间距不大于200mm,混凝土强度等级不低于C20.

  ③ 在混凝土砌块房屋门窗洞口两侧不少于一个孔洞中设置直径不小于12mm的竖向钢筋,竖向钢筋应在楼层圈梁或基础内锚固,孔洞用不低于Cb20混凝土灌实.

  5 结论与建议

  通过对美国、欧盟、英国、澳大利亚、新西兰和中国砌体结构设计规范关于变形裂缝的产生原因、取值及裂缝控制措施进行对比分析,得到如下结论:

  1)引起砌体墙开裂的主要原因有砌体的干湿变形和温度变形,砌体的碳化收缩、冻胀、徐变等也对体积变形有影响;

  2)采用控制缝的方法,只要控制缝间距、宽度、设置部位和填缝剂设计合理,可有效减小因体积变形产生的墙体裂缝;

  3)当水平灰缝配筋率大于0.19%时,无需设置控制缝;

  4)当水平灰缝配筋率在0.07%~0.19%之间时,可采用控制缝与水平配筋相结合的方式控制墙体裂缝.

  通过对比国外规范,对我国规范提出几点建议:

  1)对控制缝的间距、部位的规定不够明确,控制缝宽度太宽,不利于用户接受;

  2)夹心墙的内、外页墙的变形差异未给出处理办法和具体规定,需进一步研究;

  3)配筋率较低的配筋砌体结构未涉及控制缝问题,值得研究.

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