建筑结构设计对裂缝的控制做法
【摘 要】 建筑结构设计主要考虑承载力极限状态的控制，在正常使用状态下的变形，如裂缝，挠度及移位尤其是裂缝起控制作用。当设计大体积及超长混凝土结构，要采取预防措施控制裂缝宽度，不能使有害裂缝的产生。对有害裂缝在构造中的控制方面进行分析探讨。
【关键词】 结构设计；极限状态控制；裂缝产生原因；规范的规定；裂缝控制方法
【中图分类号】 TU377.1 【文献标识码】 B 【文章编号】 1727-5123（2012）06-052-02
在建筑工程中对于结构设计主要考虑承载力极限状态的控制，但是在正常使用状态下的变形，如裂缝，挠度及移位现象，尤其是裂缝起控制作用。由于现在结构用量最多的钢筋混凝土因其自身特性决定了裂缝的产生是难以避免的，而大量建筑混凝土是带裂缝工作的，这是在缝宽允许条件下的存在。但是当裂缝的宽度和数量超过允许范围，产生渗漏，保护层脱落，混凝土碳化，钢筋锈蚀影响到结构耐久性及安全使用和观感。所以，当设计大体积及超长混凝土结构，要求采取预防措施控制裂缝宽度，不能使有害裂缝的产生。对有害裂缝在构造中的控制是一个重要的技术问题。
所谓的超长混凝土结构也就是体量长度超过规范值，需要设缝或者后浇带。设缝是控制裂缝的一个方面，并不能解决大量的问题。只有全面系统的了解裂缝的产生原因，影响因素及发展特点，采取行之有效的应对措施，才能够在设计构造中采取技术措施加以正确控制。
1 裂缝产生的原因分析
裂缝的产生从现象来看一般是分为两类，即自然变形及荷载作用。荷载包括恒载和活载，也就是这些重量大于材料强度时引起的裂缝，称为荷载的结构性裂缝；而变形裂缝主要是温度，收缩和不均匀沉降等引起的裂缝，属于非结构性裂缝，常见裂缝中80%以上是这类裂缝。这类裂缝作用下结构自身首先要进行变形。但却受到一定约束，变形受到约束则产生较大应力。其特点是结构刚度越大则应力也越大。当应力达到一定值时，即超过材料自身强度时裂缝就出现了。随着裂缝产生，发展，变形得到满足时，结构件刚度降低，应力松弛。剩余的部分应力仍然不停地传递，如此反复循环，直到变形得到完全满足，应力不超过抗拉强度时为止。如果材料的抗拉强度很高，韧性好可以大幅提高抗裂性能力。
2 现行设计规范对裂缝的规定
现行的（混凝土结构设计规范）GB50010-2002中规定，构件正截面裂缝控制等级为一二级的构件，要求不得出现裂缝，控制等级为三级的构件允许出现裂缝，但是最大裂缝宽度不应超过最大裂缝宽度限定值。环境类别为二三类的构件裂缝限定值为0.2mm，一类环境下裂缝限定值为0.3mm；年均相对湿度<60%时的受弯构件裂缝限定值为0.4mm。限制裂缝宽度是因为缝太宽会引起渗漏尽而造成钢筋锈蚀，降低结构整体刚度而耐久性受到影响，不能正常使用且影响外观感。当混凝土结构裂缝宽度<0.05mm时人眼是看不到的，这属于微观裂缝可认为是无裂缝，难以避免的。当裂缝宽度>0.05mm时则变为宏观裂缝，这就需要处理，我们通常说的对裂缝控制是针对裂缝宽度>0.05mm的缝。
裂缝宽度限值大小是根据混凝土结构件裂缝的自身特点和发展规律来确定，裂缝的特征可分为不稳定，稳定，运动，闭合和自行愈合几个特点。如果裂缝是在不稳定状态下扩展，则必须进行加固处理。裂缝在周期性的温差应力或荷载作用下，周期性的扩展，闭合，即裂缝的运动，这种运动应当是稳定的。地下建筑物平时正常，低温时出现渗漏就是此类。裂缝在后期荷载作用下不能闭合，一直存在也是属于稳定裂缝。在地下防水工程混凝土产生0.1～0.2mm裂缝不会造成钢筋锈蚀，一方面有防水材料的保护，即使防水层失败，而且渗漏处会不断生成Ca（OH）2胶凝物质粘结裂缝，碳化后形成白色物质CaCO3结晶封闭裂缝，阻止渗漏也称作自愈现象。这是防水结构允许出现的<0.2mm裂缝的原因。
3 对裂缝的预控措施
3.1 影响结构收缩开裂的原因。
3.1.1 混凝土的收缩，首先收缩的原因是多方面的，硬化收缩。通常是普通硅酸盐水泥混凝土硬化过程中的共性，都会产生收缩变形即硬化收缩，但是也有例外，如矿渣水泥和掺粉煤灰的混凝土硬化变形计比较稳定且有微膨胀性，对抗裂是有利的。塑性收缩：在混凝土初凝过程中失水收缩及骨料与胶合料之间发生不均匀沉降变形，由于此时混凝土处在塑性阶段，通常称为塑性收缩。如果水灰比过大，水泥用量也高，粗骨料偏少，振捣不及时且环境气候高凝结过快，养护水补充不足表面失水过快等都会造成塑性收缩表面不规则开裂。大面积混凝土的塑性收缩裂缝是可以处理的，则采取在终凝前二次振捣及二次抹压来消除裂缝，实践表明效果相当不错。碳化及干缩：干湿交替部位，湿度适宜的环境也会产生碳化收缩问题。在干燥的环境中也会发生干缩变形，当两者共同作用时会引起表面开裂和面层碳化。
3.1.2 混凝土的极限拉伸。混凝土具有极好的极限拉伸性，可以适应温度收缩变形的要求，不会很容易开裂。要求配筋率在0.15～0.30%及细而密的构造筋，也有在混凝土中掺入钢丝纤维或玻璃丝纤维都可以提高混凝土的极限拉伸，有效控制温度裂缝的产生。
3.1.3 外加剂及外掺合料的影响。外加剂基本是化学产品，本身都会有增加收缩的作用，当掺量过大时更明显。按要求掺入会减小水灰比及水泥用量，对减少收缩有好处。如膨胀剂可以减小收缩甚至补偿收缩，减小收缩应力。减水剂对拌和料减水十分明显，而且和易性更好。常用的外掺合料如粉煤灰可以大幅降低水泥用量，降低水化热，但对早期抗裂不利。
3.2 对裂缝的控制方法。针对混凝土裂缝的原因及影响因素，设计中可根据工程特点采取相应的预防控制措施。
3.2.1 对结构混凝土强度等级不宜设计过高，在满足承载力及安全使用耐久性要求下，宜选择使用C25～35的混凝土。水泥使用水化热低，干缩量小的水泥品种，掺入适量外加剂及掺合料，掺合料如粉煤灰的用量为水泥用量的15～25%为宜，减少单位水泥用量和降低水灰比。严格控制骨料自然级配及含泥量，控制混凝土内部水化热升温过高及表面降温速度，及早覆盖保温及补充养护用水等。 3.2.2 在合适位置留置沉降缝，它的作用不但是沉降，还可以起到伸缩及抗震缝的作用。当沉降缝仍满足不了要求时，必须留置后浇带。后浇带的宽度为0.8～1.0m，间距在40m左右，在后浇带施工后的42d以后可以补浇该部位。其混凝土强度宜提高一个等级，即5～10MPa，用微膨胀混凝土浇灌，浇灌前必须清理干净，并按要求补绑好加强钢筋。
3.2.3 基础部分的筏板及底板等大体积混凝土应采取分层浇筑振捣，阶梯形推进施工但必须防止出现冷缝。对于大体积混凝土，超长混凝土结构，在混凝土中应掺入微膨胀剂，应起补偿收缩作用。
3.2.4 对于露天的地下一层外墙及屋面要加强保温隔热，减少温差应力，其措施是提高配筋率。外露边梁要提高腰筋配置量，梁侧面也要保温处理。对外露挑檐及阳台，女儿墙处每隔10m左右设伸缩缝一道，水平分布筋要适当加大一些。
3.2.5 设计中考虑地下室顶板及屋面采用部分预应力，使混凝土预压应力达到0.5MPa以上。对于超长混凝土结构可采取无缝设计，由于温度应力只是在一定长度范围内逐渐影响的，超过一定长度后温度应力趋于不变定值。根据这一特性超长混凝土结构是可以实现无缝设计的，其具体做法是：
在应力集中部位设膨胀加强带，间距在40～60m之间，宽度为2m，在两侧铺设密孔钢丝网，并用立筋8mm@100mm加固，防止浇筑时混凝土流入加强带。加强带外侧用微膨胀混凝土浇灌，而加强带内则用较大膨胀混凝土浇筑，强度带内比带外高出5～10MPa。混凝土浇灌可以连续进行，也可以采取间歇式无缝施工法，在加强带一侧留台阶式临时施工缝。采用的掺膨胀剂的补偿收缩混凝土在施工图上要提出具体要求，并明确相应强度等级，抗渗等级及养护时间的要求。对膨胀剂的品牌，用量及膨胀率的限制要通过试验室经过配比确定。
如果是特殊需要的建筑物，当不宜设置留缝时，可以通过计算得到混凝土结构的最大温度变形量，计算是否可以开裂及裂缝的宽度，根据建筑物特点采取相应的裂缝控制措施预防。
4 对裂缝的处理
按照地下建筑工程渗漏程度可以分为无渗水，即无任何渗水及潮湿痕迹：润水，即有潮湿痕迹，但无渗水现象；渗水即有滴水现象存在；漏水即以连续缓慢流水及喷水，即带压力形式向外涌水。在水头压力不大<15m时，宽度0.1～0.2mm的裂缝可以自行愈合，一般不需要进行处理。当裂缝宽度超过0.2mm以上时，压力水会对裂缝侧壁不停冲刷，Ca（OH）2和CaCO3不断流失而无法稳定沉淀，漏水现象加重，必须采取化学灌浆方法堵漏，才能保证使用安全。对裂缝的处理一般做法是：
4.1 对表面宽度<0.3mm非结构性裂缝的处理。表面处理包括涂刷法，环氧树脂及表面抹灰几种。表面涂刷方法：表面裂缝很细小且数量也较少时，可采取在开裂表面涂刷水泥素浆，油漆沥青，环氧树脂浆液等，阻塞微小裂缝，减少渗漏防止长期对钢筋造成腐蚀。环氧树脂浆液粘贴玻璃纤维布：对于象屋面板有防水要求高的结构件，采用环氧树脂浆液或环氧煤焦油胶料粘贴两层玻璃丝布做法；表面抹灰法：对于表面裂缝较多且也有蜂窝麻面现象存在时，用钢丝刷和压力水冲洗表面基层，保持无明水时再用1：2水泥砂浆抹压密实并覆盖养护。
对于蓄水或污水池产生的裂缝，用填充密封法处理。当池壁或底部有肉眼可见裂缝时，将裂缝处凿成V型槽，上口30～50mm宽，深度至主筋表面或更深，冲洗干净无松散颗粒，浇湿润再用环氧水泥浆或环氧砂浆塞填紧密，表面抹平或略高表面，覆盖养护不少于3d。
4.2 钢筋混凝土梁板柱裂缝处理。混凝土墙板，梁的竖向或斜向裂缝处理，当裂缝宽度<0.3mm时，混凝土表面用钢丝刷清理干净，采用环氧水泥浆进行表面封闭，沿着裂缝骑在缝上抹30mm宽，3mm左右厚度的全长封闭带。当裂缝宽度>0.3mm或者0.2mm以上的贯穿裂缝时，必须采取压力灌浆方法补缝，材料还是用环氧树脂浆液粘合补强处理。
4.3 钢筋锈蚀产生的沿筋走向裂缝。对这种裂缝应剔除混凝土并凿出锈蚀钢筋，如果是混凝土中氯盐引起的氯离子锈蚀，将钢筋周围混凝土剔干净，换掉钢筋周围混凝土目的，然后用喷压沙，钢丝刷或机械除锈，再用喷压，细石混凝土或环氧砂浆修补平整，养护不可忽视十分重要。
综上浅要分析可知，混凝土作为一种应用最多的结构材料，由于其自身的特殊性决定裂缝是难以避免的。但使用者必须根据混凝土结构收缩开裂的原因，尤其是现代混凝土体积更大，结构体更长的实际，在设计中根据不同工程特点，在各方面采取切实有效的具体措施，从源头即设计开始，在材料选择，施工控制，质量监督及使用各环节进行预防控制。并对已经出现的裂缝科学分析，采取行之有效的方法进行处理，使混凝土结构耐久性更好，达到安全使用年限。
参考文献
1 补偿收缩混凝土应用技术规程 [S].JGJ/T178-2009
2 王宗昌.建筑施工细部操作质量控制[J].北京：中国建筑工业出版社，2007.7