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建筑施工裂縫分析

發布時間：2014-08-09

　　摘要：施工項目質量問題的分析，是正確擬定質量事故處理方案的前提，是明確質量事故責任的依據。為此，要求對質量問題的分析力求全面、準確、客觀;對事故的性質、危害、原因、責任都不能遺漏。要有科學的論證和判斷;言之有理:論之有據，方能達到統一認識的目的。

一、墻體裂縫分析
在混合結構中墻體裂縫是常見的質量問題，引起裂縫的原因有地基不均勻沉降、溫度應力、地震力、膨脹力、凍脹力、荷載和施工質量等。現就地基不均勻沉降和溫度應力引起墻體裂縫特征分析如下：
(一)地基不均勻沉降引起墻體裂縫分析
房屋的全部荷載最終通過基礎傳給地基，而地基在荷載作用下，其應力是隨深度而擴散，深度大，擴散愈大，應力愈小;在同一深處，也總是中間最大，向兩端逐漸減小。也正是由于土壤這種應力的擴散作用，即使地基地層非常均勻，房屋地基應力分布仍然是不均勻的，從而使房屋地基產生不均勻沉降，即房屋中部沉降多，兩端沉降少，形成微向下凹的盆狀曲面的沉降分布。在地質較好、較均勻，且房屋的長高比不大的情況下，房屋地基不均勻沉降的差值是比較小的，一般對房屋的安全使用不會產生多大的影響。但當房屋修建在淤泥土質或軟塑狀態的粘性土上時，由于土的強度低、壓縮性大，房屋的絕對沉降量和相對不均勻沉降量都可能比較大。如果房屋設計的長高比較大，整體剛度差，而對地基又末進行加固處理，那么墻體就可能出現嚴重的裂縫。裂縫對稱的發生在縱墻的兩端，向沉降較大的方向傾斜，沿著門窗洞口約成45。呈正八字形，且房屋的上部裂縫小，下部裂縫大。這種裂縫，必然是地基附加應力作用使地基產生不均勻沉降而形成的。
當房屋地基土層分布不均勻，土質差別較大時，則往往在不同土層的交接處或同一土層厚薄不一處出現較明顯的不均勻沉降，造成墻體開裂，其裂縫上大下小，向土質較軟或土層較厚的方向傾斜。
在房屋高差較大或荷載差異較大的情況下，當未留設沉降縫時，也容易在高低和較重的交接部位產生較大的不均勻沉降裂縫。此時，裂縫位于層數低的荷載輕的部分，并向上朝著層數高的荷載重的部分傾斜。
當房屋兩端土質壓縮性大，中部小時，沉降分布曲線將成凸形，此時，往往除了在縱墻兩端出現向外傾斜裂縫外，也常在縱墻頂部出現豎向裂縫。
在多層房屋中，當底層窗臺過寬時，也往往容易因荷載由窗間墻集中傳遞，使地基不均勻沉降，致使窗臺在地基反力作用下產生反向彎曲，引起窗臺中部的豎向裂縫。
此外，新建房屋的基礎若位于原有房屋基礎下，則要求新、舊基礎底面的高差H與凈距L的比值應小于0.5~1。否則，由于新建房屋的荷載作用使地基沉降而引起原有房屋、墻體裂縫。同理，在施工相鄰的高層和低層房屋時，亦應本著先高、重，后低、輕的原則組織施工;否則，若先施工了低層房屋后再施工高層房屋，則也會造成低層房屋墻體的開裂。
從以上分析可知，裂縫的分布與墻體的長高比有密切關系，長高比大的房屋因剛度差，抵抗變形能力差，故容易出現裂縫;因縱墻的長高比大于橫墻的長高比，所以大部分裂縫發生在縱墻上。裂縫的分布與地基沉降分布曲線密切有關，當沉降分布曲線為凹形時，裂縫較多的發生在房屋下部，裂縫寬度下大上小;當沉降分布曲線為凸形，裂縫較多的發生在房屋的上部，裂縫寬度上大下小。裂縫分布與墻體的受力特點密切有關，在門窗洞口處，平面轉折處、層高變化處，由于應力集中，往往也就容易出現裂縫;又因墻體是受剪切破壞，其主拉應力為45。所以裂縫也成45傾斜。
為了防止地基不均勻沉降引起墻體開裂，首先應處理好軟土地基和不均勻地基，但在擬定地基加固和處理方案時，又應將地基處理和上部結構處理結合起來考慮使其能共同工作;不能單純從地基處理出發，否則，不僅費用大;而效果亦差。在上部結構處理上有:改變建筑物體型;簡化建筑物平面;合理設沉降縫;加強房屋整體剛度 (如增加橫墻、增設圈梁、采用筏式基礎、箱形基礎等);采用輕型結構、柔性結構等。
(二)溫度應力引起墻體裂縫分析
一般材料均有熱脹冷縮性質，房屋結構由于周圍溫度變化引起熱脹冷縮變形，稱為溫度變形。如果結構不受任何約束，在溫度變化時能自由變形，那么結構中就不會產生附加應力。如果結構受到約束而不能自由變形時，則將在結構中產生附加應力或稱溫度應力。由溫度應力引起結構的伸縮值。
由于鋼筋混凝土的線膨脹系數a=1.08X10/C，而普通磚砌體的線膨脹系數為0.5XlO/C，在相同溫差下，鋼筋混凝土結構的伸長值要比磚砌體大一倍左右。所以，在混合結構中，當溫度變化時，鋼筋混凝土屋蓋、樓蓋、圈梁等與磚墻伸縮不一，必然彼此相牽制而產生溫度應力，使房屋結構開裂破壞。
溫度應力引起墻體裂縫一般有以下幾種情況:
1.八字形裂縫
當外界溫度上升時，外墻本身沿長度方向將有所伸長，但屋蓋部分(特別是直接暴露在大氣中的鋼筋混凝土屋蓋)的伸長值大得多。從屋蓋與墻體連接處切開來看，屋蓋伸長對墻體產生附加水平推力，使墻體受到屋蓋的推力而產生剪應力，剪應力和拉應力又引起主拉應力，當主拉應力過大時，將在墻體上產生八字形裂縫。由于剪應力的分布大體是中間為零，兩端最大，因此八字形裂縫多發生在墻體兩端，一般占二、三個開間，且發生在頂層墻面上。
2.水平裂縫和包角裂縫
平屋頂房屋，有時在屋面板底部附近或頂層圈梁附近，出現沿外墻頂部的縱向水平裂縫和包角裂縫，這是由于屋面伸長或縮短引起的向外或向內推拉力而產生的，包角裂縫實際上是水平裂縫的一種形式，是外橫墻和縱墻的水平裂縫連接起來形成的，在這種情況下，下面一般不會再出現八字形裂縫。有時，外縱墻的水平裂縫也會出現在頂層的窗臺水平處。
3，女兒墻根部和豎向裂縫
女兒墻根部由于受到屋面伸長或縮短引起的向外或向內的推、拉力，使女兒墻根部的砌體外西域女兒墻外傾現象，形成水平裂縫。有時，由于鋼筋混凝土屋面的收縮，也可能使女兒墻處于偏心受壓狀態，從而造成女兒墻上部沿豎向開裂。
此外，在樓梯間兩側或有錯層處的墻體將易產生局部的豎向裂縫，這是由于樓面收縮產生較大的拉力所致。
影響房屋伸縮出現裂縫的原因很多而且復雜，以上所述的僅是一些常見的情況。為了減少溫度應力的影響，可采取合理地設伸縮縫;避兔樓面錯層和伸縮縫錯位;加強屋面保溫、隔熱;用油氈夾滑石粉或鐵皮將屋面板和墻體隔離，并在女兒墻根部留一定空隙，使其能自由伸縮且有伸縮余地;采用蓄水屋面域種植屋面;女兒墻設構造柱；加強結構的薄弱環節，提高其抗拉強度等技術措施。
二、懸挑結構坍塌分析
懸挑結構坍塌實例較多，一是整體傾覆坍塌;二是沿懸臂梁、板根部斷塌。其主要原因有:
1.穩定力矩小于傾覆力矩
懸挑結構是靠壓重或外加拉力來保持穩定，要求抗傾覆的安全因素不小于1.5，若穩定力矩小于傾覆力矩時，必然失穩，傾覆坍塌。如雨蓬、挑梁，當梁上壓重(砌磚的高度)不能滿足穩定要求時，就拆除支撐、模板，即會產生坍塌事故。
2.模板支撐方案不當
懸挑結構根部受力最大，當混凝土澆筑后，尚未達到足夠強度時，模板支撐產生沉降，根部混凝土隨即開裂，拆模后將從根部產生斷裂坍塌;若懸挑結構為變截面時，施工時將模板做成等截面外形，而造成根部斷面減小，拆模后也會造成斷塌事故。
3.鋼筋錯位、變形
懸挑結構根部負彎矩最大，主筋應配在梁板的上部。若施工時將鋼筋放在下部，或被踩踏向下變形過大，或錨固長度不夠等原因，拆模后，均會導致根部斷塌。
4.施工超載
懸挑結構的固端彎矩與作用荷載成正比，如施工荷載超過設計荷載，當模板下沉時就在根部出現裂縫;尤其是當由根部向外澆筑混凝土時，隨著荷載增加;模板變形，也極容易在根部產生裂縫，導致拆模后斷裂。
5.拆模過早
不少懸挑結構斷塌事故都是由于拆模過早，混凝土未達到足夠強度所造成。所以，規范規定，跨度小于2m的懸臂梁及板，混凝土拆模強度應大于等于70%;跨度大于2m的懸臂梁及板，混凝土的拆模強度為100%。
三、鋼筋混凝土柱吊裝斷裂事故分析
(一)事故概況
某工程項目C列柱為等截面柱，長l2m;斷面為40Omm*6OOmm;采用對稱配筋，每邊為4業16，構造筋為2業12;混凝土強度等級為C20，吊裝時已達100%強度;柱為平臥預制，一點起吊;吊點距柱頂2m;剛吊離地面時，在柱腳與吊點之間離柱腳4.8m左右產生裂縫，裂縫沿底面向兩側面延伸貫通，最大寬度達1.3mm，使柱產生斷裂現象。
(二)事故原因分析
此事故的主要原因是:柱平臥預制吊裝，吊點受力與使用受力不一致;吊點選擇不合理，吊裝彎矩過大，其抗彎強度和抗裂度不能滿足要求所造成。現予以分析驗算如下:
1.吊點選擇不符合吊裝彎矩MDm，最小的原則
柱子吊裝彎矩的大小與吊點位置密切有大而遭受破壞，其吊點選擇的原則:必須力求吊裝彎距最小。為此，對等截面柱，當一點起吊時，應使|Mmx|=|一MD|，即跨中最大正彎距語吊點處負彎距的絕對值相等。據此求得吊點位置距柱頂為0·293L(L為柱長)處。當L為12米時，吊點距柱頂應為0.293X12=3.5m。原吊點離柱頂為2m，故不符合吊裝彎矩最小的原則，吊裝時必然使跨中最大彎矩的絕對值大于吊點處負彎矩的絕對值，所以裂縫發生在跨中最大正彎矩的截面處。
2.柱子吊裝中抗彎強度不夠
現就按吊裝彎矩最小進行驗算，柱子平臥預制一點起吊，其抗彎強度也不能滿足要求。驗算結果如下:
(1)計算荷載g
取鋼筋混凝土重力密度為25000N/m‘，則自重為0.4X0.6X25000=6000N/m;動載系數為1.3~1.5，取1.5，則計算荷載q=1.5X6000=9000N/m。
(2)計算簡圖
按吊裝彎短最小的原則,吊點離柱頂為3·5m,吊裝時柱腳不離地，柱子剛吊離地面近似于一根懸臂的簡支梁。
3.柱子吊裝中抗裂度不夠
按施工驗收規范規定，鋼筋混凝土構件在吊裝中受拉區裂縫寬度不大于0.2~0.3mm，而裂縫寬度與鋼筋的受拉應力有關，鋼筋受拉應力愈大，則裂縫寬度愈大。所以，在柱子吊裝中常用鋼筋的拉應力來控制裂縫的寬度。只要鋼筋拉應力滿足下式要求，說明裂縫寬度在允許范圍內，能滿足抗裂度要求。說明抗裂度不能滿足要求。
(三)經驗教訓
從上述事故中，應吸取的經驗教訓如下:
(1)由于柱子吊裝受力與使用受力不一，故必須進行吊裝驗算。
(2)當吊裝受力與使用受力不一時，吊點選擇應符合吊裝彎矩最小的原則，以免吊裝彎矩過大而過受破壞。如在本例中，按吊裝彎矩最小的原則，確定吊點距柱頂為3·5m時，其跨中的正彎矩與吊點處的負彎矩的絕對值相等，均為55.125XlO。而按原吊點距柱頂為2m時，其跨中最大彎矩為103.68X1O。N·mm，最大彎矩截面距柱腳為4.8m處。由此可見，原吊點跨中正彎矩要比按吊裝彎矩最小的原則確定吊點跨中正彎矩大1.88倍。該柱在離柱腳4.8m處出現較大裂縫，產生斷裂現象，也證明了該截面處的吊裝彎矩最大。
(3)當吊裝受力與使用受力一致時，吊點的選擇應盡可能符合使用受力的要求，如簡支梁的兩吊點應靠近梁的兩端；懸臂梁的兩吊點應在梁的兩支座處。
(4)若經吊裝驗算，抗彎強度和抗裂度不能滿足時，首先考慮翻身起吊。如本例采用翻超身吊時，則抗彎強度和抗裂度均可滿足，若翻身起吊仍不能滿足時，則可增加吊點，改一點起吊為二點起吊，以減小吊裝彎矩，或采取臨時加圊措施。
此外，為了便于就位、對中，確保吊裝安全，構件綁扎時務使吊鉤中心線對準構件重心;水平構件吊裝兩點綁扎時，應分別用兩根吊繩;且對等截面構件，還要求兩吊點左右對稱，兩根吊繩長短一致;吊繩水平夾角應大于等于60。不得小于45。;嚴禁斜吊和起重機負荷行駛。

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