从建筑结构设计谈现浇钢筋混凝土楼板的裂缝问题

　　摘要： 针对现浇钢筋混凝土楼板易出现裂缝的问题，从建筑结构设计方面对产生裂缝的各种因素进行了探讨，并提出了在设计过程中进行裂缝控制的建议和方法。
　　关键词： 现浇钢筋混凝土楼板 裂缝 建筑设计 结构设计
　　前言
　　自2001年起，苏州市从预制多孔板体系转化为商品混凝土现浇板体系。现浇钢筋混凝土楼板在结构安全和使用功能方面比预制板优越得多，但是楼板裂缝不断增加。大多数消费者对楼板裂缝缺乏必要常识，统视裂缝为有害，担心楼板裂缝会引起建筑物倒塌，反应极为敏感，近年来成为投诉热点，开发商和承包商为此的花费亦逐年增长。
　　1楼板裂缝种类
　　1.1　温差裂缝
　　由于温度变化，混凝土热胀冷缩而形成的裂缝，此类裂缝一般集中在东西单元的房间、屋面层和上部楼层的楼板。
　　1.2　结构裂缝
　　虽然现浇楼板承载力均能满足设计要求，但由于预制多孔板改为现浇板后，墙体刚度相对增大，楼板刚度相对减弱。因此在一些薄弱部位和截面突变处。往往容易产生一些结构性裂缝。例如：墙角应力集中处的45°斜裂缝，板端负弯矩较大处的板面裂缝等。
　　1.3　构造裂缝
　　PVC管处混凝土厚度减薄，容易出现裂缝。
　　1.4　收缩裂缝
　　混凝土在塑性收缩、硬化收缩、碳化收缩、失水收缩过程中易形成各种收缩裂缝。
　　2　楼板裂缝形式
　　2.1   45°斜裂缝
　　该裂缝常出现在墙角，特别是房屋东西两端房间，呈45°状。
　　2.2   纵横向裂缝
　　该裂缝一般出现在跨中、负弯距钢筋端部、PVC电线暗管敷埋处。
　　2.3　长裂缝
　　一部分房间预埋PVC电线管的板面上出现裂缝，裂缝宽度达0.2mm～0.3mm左右。这种裂缝仅在楼板表面出现，板底无裂缝。
　　2.4　不规则裂缝
　　裂缝出现部位形状无规则，或散状或龟裂状。一般发生在房屋东西两单元、阁楼顶层部位。
　　3　从设计方面分析裂缝及控制方法
　　造成现浇钢筋混凝土楼板开裂有设计原因、施工原因、材料原因，本文仅从设计方面进行探讨。随着苏州市经济的快速发展、建设任务增加迅猛，勘察设计队伍亦在迅速扩大，苏州市住宅工程相当一部分是由乙级和丙级设计单位承担。住宅设计单位低资质，或由于设计市场管理的不到位，造成低资格设计人员挂靠设计，而挂靠单位收取一定比例管理费后，就盲目盖章、签字，根本不对图纸的结构安全、合理性、完整性等认真审核。结果是一部分住宅工程勘察设计质量低下，问题较多。另一个原因是，一些住宅开发商任意压价，片面降低勘察设计费，以收费最低为主要条件选择勘察设计单位，同时又不讲合理设计时间，限期开工，逼迫提前出图，造成施工图设计深度不够，问题必然较多。
　　3.1　建筑设计方面原因
　　3.1.1　斜屋面、露台、外墙节能保温措施不够
　　苏州市一年之内气温变化较大，夏季最高温度可达40℃以上，冬季温度最低可达-4℃～-7℃，由于夏天室外墙体温度高于室内温度，结构外墙面在高温下发生受热膨胀，如果未采取保温措施，在纵横两外墙面的变形对楼板产生牵拉作用下，东西单元的卧室楼板被外墙向外拉伸就容易引起裂缝。同样，屋面如果未设保温层，顶层楼板会因热胀冷缩而引起开裂。
　　目前与温度有关的裂缝计算公式有：
　　连续式约束条件下楼板、长板、剪力墙、大底板等最大约束应力计算公式：
　　σ＊xmax＝－EaT1－1chβL2H（t，τ） （1）
　　或按时间增量的计算公式：
　　σ＊xmax＝∑ni＝1Δσi＝-a1－u∑ni＝11－1chβiL2ΔTiεi （t）H（t，τ） （2）
　　当应力超过混凝土的抗拉强度时，可求出裂缝间距：
　　Lmax＝2EHCxarcchaTaT－εp （3）
　　L＝1.5EHCxarcchaTaT－εp （4）
　　Lmin＝12Lmax （5）
　　式中，T-包含水化热、气温差及收缩当量温差。同号叠加，异号取差，由此可见，夏天炎热季节浇筑混凝土到秋冬冷缩都是叠加的，拉应力较大；
　　H（t，τ）-松弛系数。在保温保湿养护条件下（缓慢降温即缓慢收缩），松弛系数取0.3或0.5，当寒潮袭击或激烈干燥时，松弛系数取0.8，应力接近弹性应力，容易开裂；
　　T＝T1+T2+T3（T1为水化热温差、T2为气温差、T3为收缩当量差，取代数和）；
　　εp-混凝土的极限拉伸。级配不良，养护不佳，取0.5×10-4～0.8×10-4；正常级配，一般养护，取1.0×10-4～1.5×10-4；级配良好，养护优良，取2×10-4；配筋合理（细一些，密一些），可提高极限拉伸20%～40%.构造配筋宜为0.3%～0.5%；
　　H-均拉层厚度（强约束区）；
　　E-混凝土弹性模量；
　　Cx-水平约束系数；
　　ch、arcch-双曲余弦及双曲余弦反函数；
　　a-线膨胀系数，一般情况εp≤｜aT｜，当εp≥｜aT｜时取εp＝｜aT｜，［L］→∞。
　　裂缝开展宽度：
　　δf＝2ψEHCxaTthβL2 （6）
　　δfmax＝2ψEHCxaTthβLmax2 （7）
　　δf＝2ψEHCxaTthβLmin2 （8）
　　β＝CxEH （9）
　　式中，ψ-裂缝宽度经验系数；
　　Cx-约束系数。
　　3.1.2　住宅长度超长
　　住宅平面超长，由于温差和材料变形，会造成墙体和楼板横向开裂。仅就长度而言，结构长度与应力呈非线性关系，如结构长度小于规范要求，结构内力影响很小。
　　3.1.3　平面形状
　　当住宅卧室沿长度、宽度方向尺寸变化，由于楼板刚度不一致，会产生不相同变形，引起薄弱部位开裂。
　　3.2　结构设计方面原因
　　3.2.1　近代国际上结构的设计原则是，整个建筑结构的功能必须满足两种状态的要求：①承载力极限状态，以保证结构不产生破坏，不失去平衡，不产生破坏时过大变形，不失去稳定。②正常使用极限状态，以确保结构不产生超过正常使用状态的变形、裂缝及耐久性、振动及其它影响使用的极限状态。目前人们对第一极限状态已给于足够重视并严格执行，而对第二种极限状态却经常被忽视。
　　3.2.2　从钢筋混凝土现浇楼板各种受力体系分析，无论是按单向板设计还是按双向板设计，是单跨还是多跨连续板设计；无论是板端支承在砖墙上还是支承在过梁或剪力墙内，受力状态考虑都是局限于楼板平面的应力变化（按弯矩配置抵抗正、负弯矩的受力钢筋）、板平面的受剪变形。即使是考虑板端嵌固端节点产生弯矩，也只是考虑板平面弯曲或屈曲所产生的应力。在楼板受力体系分析时，对于现浇结构构件之间在三维空间中如何分配内力、协调变形，根本没有考虑。
　　3.2.3　目前不少设计人员只按单向板计算方法来设计配置楼板钢筋，支座处仅设置分离式负弯矩钢筋。由于计算受力与实际受力情况不符，单向高强钢筋或粗钢筋使混凝土楼面抗拉能力不均，局部较弱处易产生裂缝。部分设计人员对构造配筋，放射筋设置不重视或不合理，薄弱环节无加强筋。
　　3.2.4　 结构设计对板内布线引起裂缝的构造考虑不够。住宅电器、电信快速发展的今日，现浇楼板内暗敷PVC电线管越来越多，甚至有些部位三根交错叠放，两根管交错叠放更为普遍。PVC管错叠处板的抗弯高度大大降低，从而减弱了板的抗弯性能。
　　3.2.5　对开口楼板，特别是开洞口比较大的双向板，设计时往往只考虑楼板在竖向荷载作用下的洞口四周加强配筋。由于纵向的受力钢筋被切断，而忽视了板与墙体或板与梁的变形协调问题。这时如墙或梁的刚度较大，板的孔边凹角处未必出现应力集中现象，开洞板易发生翘曲。
　　3.3　建筑设计控制措施
　　3.3.1　屋面与外墙采取保温措施按照国外建筑设计常规的做法，屋面设保温隔热层，使屋面的传热系数≤1.0W／m2·K；外墙外表面或内表面相应设置保温隔热层，同时外墙面宜采用浅色装饰材料，增强热反射，减少对日照热量吸收。根据苏州的具体情况，屋面和外墙的保温设计应通过热工计算，在不同季节均应能达到《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》和《江苏省民用建筑热环境与节能设计标准》要求，彻底解决温度应力对屋面和墙体的破坏。
　　3.3.2　适当控制建筑物长度根据《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）和《砌体结构设计规范》（GB50003-2001），为避免结构由于温度收缩应力引起的开裂，宜采取设置伸缩缝，伸缩缝间距为30m～50m.多层住宅建筑控制长度建议不大于50m，高层应控制在45m以内。如果超过此长度，应设置伸缩缝。超长量不大时，可采用设置后浇带的方法，以减少混凝土楼板收缩开裂。
　　3.3.3　住宅平面形状控制住宅平面宜规则，避免平面形状突变。当楼板平面形状不规则时，宜设置梁使之形成较规则平面。当平面有凹口时，凹口周边楼板的配筋宜适当加强。
　　3.4　结构设计控制措施
　　3.4.1　工程裂缝产生的主要原因是混凝土的变形。如温度变形、收缩变形、基础不均匀沉降变形等，此类因变形引起的裂缝几乎占到全部裂缝的80%以上。在变形作用下，结构抗力取决于混凝土的抗拉性能，当抗拉应力超过设计强度时，应验算裂缝间距，再根据裂缝间距验算裂缝宽度。
　　3.4.2　现浇板板厚宜控制在跨度的1／30，最小板厚不宜小于110mm（厨房、浴厕、阳台板最小厚度不小于90mm）。有交叉管线时板厚不宜小于120mm.
　　3.4.3　楼板宜采用热轧带肋钢筋以增加其握裹力，不宜采用光圆钢筋。分布钢筋与构造钢筋宜采用变形钢筋来增加与现浇混凝土的握裹力，对控制楼板裂缝的效果较好。
　　3.4.4　设计时注意构造钢筋的布置十分重要，它对构造抗裂影响很大。对连续板不宜采用分离式配筋，应采用上、下两层连续式配筋；洞口处配加强筋；对混凝土梁的腰部增配构造筋，其直径为8mm～14mm，间距约200mm.
　　3.4.5　屋面层阳角处、东西单元房间和跨度≥3.9m时，应设置双层双向钢筋，阳角处钢筋间距不宜大于100mm，跨度≥3.9m的楼板钢筋间距不宜大于150mm.跨度＜3.9m的现浇楼板上面负弯矩钢筋应一隔一拉通。外墙转角处应设置放射钢筋，配筋范围应大于板跨的1／3，且长度不小于2.0m，每一转角处放射钢筋数量不少于7根，钢筋间距不宜大于100mm.
　　3.4.6　现浇楼板的混凝土强度等级不宜大于C30，特殊情况须采用高强度等级混凝土或高强度等级水泥时，要考虑采用低水化热的水泥和加强浇水养护，便于混凝土凝固时的水化热释放。
　　3.4.7　在预埋PVC电线管时，必须有一定的措施，PVC管要有支架固定，严禁两根管线交叉叠放，确须交叉时应采用专门设计的塑料接线盒，以防止塑料管在管线交叉对混凝土厚度削弱过多。在预埋电线管上部应配置钢筋网片，（4＠100mm宽度600mm）。若用铁管作为预埋管时，宜采用内壁涂塑黑铁管，一方面既能保证黑铁管（不镀锌钢管）与混凝土的粘结力，同时也有利于穿线和不影响混凝土的计算高度。
　　3.4.8　后浇带处理
　　（1）后浇带应设置在对结构受力影响较小部位，一般应从梁、板的1／3跨部位通过或从纵横相交部位或门洞口的连梁处通过。后浇带间距不宜超过30m.
　　（2）后浇带宽度为700mm～1000mm，板和墙钢筋搭接长度应不低于45d，且同一截面受力筋搭接不超过50%.梁、板主筋不宜断开，使其保持一定联系性。
　　（3）后浇带浇筑时间不宜过早，以能将混凝土总降温及收缩变形完成一半以上时间为佳。从目前混凝土的收缩量来看，估计3～6月方能取得明显效果，最短不少于45天。在苏州这样软土地区，后浇带浇筑时间应在主体封顶以后，方可有效地释放沉降的应力。
　　（4）后浇带中垃圾应清理干净，接缝应密实，新老混凝土界面用1：1水泥砂浆接浆。后浇带混凝土强度等级比原混凝土强度等级提高一级，且采用微膨胀混凝土，以防止新老混凝土界面产生裂缝。
　　（5）后浇带混凝土接缝宜设置企口缝，混凝土浇筑温度尽量与原老混凝土浇筑时温度一致。
　　4结语
　　现浇钢筋混凝土楼板裂缝是工程常见的质量通病，只有在设计过程中针对各影响因素考虑全面、细致，严格遵守设计规范，才能大大减少现浇钢筋混凝土楼板产生裂缝的可能。