砌体结构裂缝成因及预防措施

摘 要：本文分析了砌体结构裂缝的成因，对温度裂缝、收缩裂缝以及沉降裂缝的产生机理进行了分析，提供了温度应力、温度变形和干缩变形的估算方法，讨论了影响砌体结构开裂的因素。针对这些影响因素提出了预防措施

关键词：砌体结构 变形裂缝 产生机理 温度变形 干缩变形 预防措施

目前，砌体结构的房屋出现各种型式的裂缝，非常常见。其裂缝程度轻重不一，差别很大。轻则影响房屋正常使用和美观，严重的将形成结构安全隐患，甚至发生工程事故。随着住宅商品化的发展，房屋裂缝问题越来越引起人们的关注。

1、裂缝的类型及成因

按裂缝的成因，墙体裂缝可分为受力裂缝和非受力裂缝两大类。各种直接荷载作用下，墙体产生的裂缝称为受力裂缝。而砌体因收缩、温度、湿度变化，地基沉陷不均等引起的裂缝是非受力裂缝，又称变形裂缝。砌体房屋的裂缝中变形裂缝占80％以上[1]，其中温度裂缝更为突出。相对于受力裂缝，变形裂缝的产生机理和影响因素复杂得多，本文主要分析砌体结构的变形裂缝。

1.1砌体房屋的温度变形

1.1.1 温度裂缝的主要形态

最常见的温度裂缝出现在混凝土平屋盖房屋的顶层两端墙体和山墙上。如在门窗洞边的正“八”字斜裂缝、山墙上部的斜裂缝、平屋顶下或屋顶圈梁下沿砖(块)灰缝的水平裂缝、以及水平包角裂缝(包括女儿墙)等。

温度裂缝是造成墙体早期裂缝的主要原因。这些裂缝一般经过一个冬夏之后才逐渐稳定,不再继续发展,裂缝的宽度随着温度变化而略有变化。温度裂缝有明显的规律性：两端重中间轻，顶层重往下轻，阳面重阴面轻。

1.1.2 温度裂缝产生机理

对于砖砌体的结构，砖砌体的线膨胀系数5×10－6，是混凝土的一半。当外界温度升高时，混凝土顶盖变形大，墙体变形相对较小，导致砖砌体和混凝土屋盖之间产生约束应力。使屋盖受压，墙体受拉、受剪。当约束条件下温度变形引起的温度应力足够大时,墙体就会产生温度裂缝。

混凝土砌块墙体的线膨胀系数与混凝土屋盖相同。在夏季阳光照射下，两者之间存在一定的温差。屋面温度可达40℃～50℃，而顶层外墙平均温度约为30℃～35℃。屋面和顶层外墙存在10℃～15℃的温差，两者的温差可能引起墙体开裂。另外，从材料上看，相同砂浆强度等级下抗拉、抗剪强度混凝土砌块比砖砌体小了很多，沿齿缝截面弯拉强度仅为砖砌体的30％～35％，沿通缝弯拉强度仅为砖砌体的45％～50％，抗剪强度仅为砖砌体的50％～55％。因此，在相同受力状态下，混凝土砌块抵抗拉力和剪力的能力要比砖砌体小很多，所以更容易开裂。

1.1.3 温度应力的估算

砌体结构的温度应力可通过下式估算[2]：

(1－1)

（1－2）

当顶板与墙体材料不同时，

式中，Cx－水平阻力系数，混凝土板与墙体Cx=0.3~0.6N/mm3，混凝土板和钢筋混凝土圈梁Cx=1.0N/mm3;

t－墙厚；

b－一面墙负担的楼板宽度；

h－顶板厚度；

Es－混凝土的弹性模量；

α1－墙的线膨胀系数，砖砌体5×10－6；

α2－顶板线膨胀系数，混凝土10×10－6；

T1－墙的温度；

T2－顶板的温度；

L－墙长。

式（1－1）中τmax为弹性剪应力。考虑升温较快，取应力松弛系数H（t）=0.7~0.8，则砌体的徐变剪应力为：

（1－3）

对于顶层墙体，墙体的压应力较小，墙体的剪应力近似等于主拉应力。根据式（1－1），墙体的剪应力与温差、水平阻力系数Cx以及建筑物长度有关。

从式（1－1）可知，墙体剪应力与温差成正比。因此，采取隔热措施以减少温差，可达到减小主拉应力的目的；墙体剪应力与成正比。如水平阻力系数Cx降低30％，则剪应力降低16％。因此，可通过在钢筋混凝土屋面板与墙体圈梁的接触面处设置水平滑动层来减少顶板与墙体的约束作用，滑动层可采用两层油毡夹滑石粉或橡胶片等[3]；剪应力和建筑物的长度呈非线性关系，增加长度，剪应力随之增加。

1.1.4 温度变形的估算

粘土和混凝土砌体都有与温度变化成比例的特性，温度变形的大小可以根据热膨胀系数计算。构件受到温度变化为△T的构件，长度变化△L可以表达为

（1－4）

其中，△L－温度变形；

α－热膨胀系数，砖砌体5×10－6，混凝土砌块10×10－6；

L－受到温度变化的构件长度；

△T－温度变化。

1.2 砌体房屋的收缩变形

1.2.1 收缩裂缝的形态

因砌块收缩引起的墙体裂缝，在混凝土砌块房屋中比较普遍。在内外墙、在房屋的各层均可能出现。干缩裂缝形态一般有：⑴在墙体中部出现的阶梯形裂缝；⑵环块体周边灰缝的裂缝；⑶在外墙的窗下墙出现竖向均匀裂缝；⑷山墙等大墙面出现的竖向、水平向裂缝。收缩裂缝一般多出现在下部几层，有的砌块房屋山墙大墙面中间部位出现了由底层一直延伸至3、4层的竖向裂缝。

由于砌筑砂浆强度不高，灰缝不饱满，干缩引起的裂缝往往呈发丝状分散在灰缝缝隙中，清水墙时不易被发现，当有粉刷抹面时就显露出来。干缩引起的裂缝宽度不大，且裂缝宽度较均匀。

1.2.2 收缩裂缝的产生机理

粘土砌体和混凝土砌体对含水率变化的反应不同。粘土砌块随含水率的增加而膨胀。在含水率降低时砖不会收缩。即这种膨胀不会因为在大气温度中变干而收缩[4]。砖中的含水量取决于原材料的种类和烧制温度范围。当砖从窑中取出时尺寸最小，然后随着含水率的增加而膨胀。当砖暴露在潮湿的空气中它开始膨胀，在开始的几个星期内膨胀，膨胀会以很低的速率持续几年，砖的长期湿膨胀在0.0002和0.0009之间[5]。

混凝土砌块是混凝土拌合物经浇注、振捣、养生而成。混凝土在硬化过程中逐渐失水而干缩，砌干缩量因材料和成型质量而异，并随时间增长而逐渐减小。在自然条件下，成型28天后，混凝土砌块收缩趋于稳定。其干缩率为0.03％～0.035％，含水量在50％～60％左右。砌成砌体后，在正常使用条件下，含水量继续下降，可达10％左右，其干缩率为0.018％～0.07％[6]。对于干缩已趋稳定的混凝土砌块，如再次被浸湿后，会再次发生干缩，通常称为第二干缩。混凝土砌块在含水饱和后的第二干缩，稳定时间比成型硬化过程的第一干缩时间要短，一般为15天左右。第二干缩的收缩率约为第一干缩的80％左右。当混凝土砌块的收缩受到约束并且收缩引起的拉应力超过了块材的抗拉强度或块材与砂浆之间的抗弯强度，会出现收缩裂缝。收缩裂缝不是结构裂缝，但它们破坏了墙体外观。

1.2.3 收缩变形的估算

粘土和混凝土砌体对含水率变化的反应不同。当失去水分时，混凝土砌块会收缩，而粘土砌块会随含水率的增大而膨胀。由水分变化引起的变形可以根据与热膨胀相同的原理估计[6]:

（1－4）

式中，k－对粘土砌体采用湿膨胀系数ke，对混凝土砌体采用收缩系数km;

L－砌体长度；

－收缩变形。

《砌体标准联合委员会（Masonry Standards Joint Committee，缩写为MSJC）规范》[6]规定粘土砌体的湿膨胀系数值ke为0.0003。由控湿的混凝土砌块砌筑的砌体km=0.15sl，由非控湿的混凝土砌块砌筑的砌体km=0. 5sl。sl为混凝土砌块的总线性干缩值，其值不超过0.00065。

1.3 地基变形

在软土、填土、冲沟、古河道、暗渠以及各种不均匀地基上建造结构物，或者地基虽然相当均匀，但是荷载差别过大，结构物刚度差别悬殊时，应特别注意由于地基不均匀沉降引起的裂缝。

1.3.1 地基不均匀沉降裂缝的形态

地基不均匀沉降裂缝的形态是多种多样的，有些裂缝尚随时间长期变化，裂缝宽度较宽，有时宽至数厘米。裂缝主要分为剪切裂缝和弯曲裂缝。地基不均匀沉降裂缝常见的有：正八字裂缝和斜向裂缝。沉降裂缝多出现在房屋中下部且发生于房屋中下部的裂缝较上部宽度大。

1.3.2地基不均匀沉降裂缝的产生机理

⑴ 墙体中下部区域的正八字裂缝

一般情况下，地基受到上部传递的压力，引起地基的沉降变形呈凹形，常称为“盆形沉降曲面”。这是由于中部压力相互影响高于边缘处相互影响，以及边缘处非受载区地基对受载区下沉有剪切阻力等共同作用的结果，导致地基反力在边缘区较高。这种沉降使建筑物形成中部沉降大、端部沉降小的弯曲，产生正弯距。结构中下部受拉，端部受剪，特别是由于端部地基反力梯度很大，端部的剪应力很大，墙体由于剪力形成的主拉应力破裂，裂缝呈正八字形。

由于墙体中上部受压并形成“拱”作用，墙体裂缝越靠近地基和门窗孔越严重。且中下部开裂区的墙体有自重下坠作用，造成垂直方向拉应力，可能形成水平裂缝。

⑵ 墙体斜向裂缝

当地基中部有回填砂、石，或中部地基坚硬而端部软弱，或由于荷载相差悬殊，建筑物端部沉降大于中部时，会形成负弯距。主拉应力将引起墙体的斜裂缝或倒八字裂缝。局部的沉降不均不仅可以引起斜裂缝，由于垂直沉降还可能引起砌体的水平裂缝。

1.3.3 影响地基沉降裂缝的因素

地基、基础、建筑物构成一个整体，共同工作。其内力和变形形态与土的性质、建筑物与地基的刚度、基础与建筑物的尺寸形状、材料的弹塑性性质、徐变等有关。

⑴ 地基与建筑物的相对刚度

为考虑地基与建筑物的共同工作，地基与建筑物的相对刚度可根据葛尔布诺夫方法确定，该法中弹性地基的柔性指数：

（1－5）

式中，E0－地基土的变形模量；

μ0—地基土的泊松比；

EJ—地基上梁、板或箱体刚度；

a,b－基础的半长和半宽。

柔性指数表示了建筑物和地基的相对刚度。从式中可以看出，⑴建筑物和基础抗弯刚度越大，基础的长度和宽度越小，则柔性指数就越小，结构物或基础的相对刚度越大。这时在外荷载作用下，地基的反压力越往两端集中，则中部弯矩越大，这就需要结构具有足够的强度，满足结构物弯矩的要求；⑵在较好的地基上，地基的变形模量较高，而地基上基础的抗弯刚度较小，结构物的几何尺寸较长，则柔性指数相应增大。这时基础结构接近于柔性板，此时地基的沉降与荷载的分布有关。地基承受荷载大的地方，该处的沉降和变形较大，基础承受的弯矩较小。

⑵ 徐变

建筑物的下沉、水平位移、温度、湿度变化引起的变形，除了绝对数量外，变形速率是一个重要因素。只要变形是缓慢的，则多数建筑物能经受较大的变形而不破坏。其主要原因就是由于建筑材料都具有徐变特性，在变形过程中，其内应力会随着变形速度的下降而松弛。

⑶ 建筑物的形状

平面形状复杂的建筑物，如“I”、“T”、“L”、“E”字形等，在纵横单元交叉处基础密集，地基附加应力重叠，使地基沉降量增大。同时，此类建筑物整体性差，刚度不对称，在地基产生不均匀沉降时容易发生墙体开裂[8]。因此，遇不良地基时，在满足使用的情况下应尽量采用平面形状简单的建筑形式。