砌体结构温度裂缝的研究.doc
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1、目 录摘要1绪论第一章裂缝的类型及成因 11产生裂缝的原因5 12裂缝原因的定性分析6 13温度裂缝产生特征7 14温度裂缝的主要形态715温度裂缝产生机理 716温度、干缩及其它裂缝8 17砌体裂缝的控制9第二章地基变形11 21地基不均匀沉降裂缝的形态11 22影响地基沉降裂缝的因素12 2. 3温度应力的估算14 2. 4温度变形的估算142. 5收缩裂缝的形态 14第三章裂缝的预防措施14第四章防止墙体开裂的具体构造措施建议 15第五章控制方法 16第六章防止混凝土屋盖的温度变化与砌体的干缩变形引起的墙体开裂,宜采取下列措施: 167 第八章构造控制 17第九章砌体裂缝的加固处理18第
2、十章结论19砌体结构温度裂缝的研究摘要:由砖砌体、石砌体或砌块砌体建造的结构,称为砌体结构。目前,砌体结构的房屋出现了各种形式的裂缝,非常常见,裂缝出现的时间因不同的建筑物而异,有的出现早,有的出现晚,但多发生在新建房屋的13年内,缝宽不等,裂缝程度轻重不一,差别很大。砌体结构温度裂缝问题已经是一个普遍性的问题,它不仅影响了建筑物的正常使用,降低了建筑功能,缩短了使用年限,而且对抗震也是极为不利的,甚至会发生工程事故。尤其是在住宅商品化的今天,这个问题已日益引起开发商和居民的普遍关注。温度的变化会引起材料的热胀、冷缩,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。最常见的裂
3、缝是在砼平屋盖房屋顶层两端的墙体上,如在门窗洞边的正八字斜裂缝,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)。导致平屋顶温度裂缝的原因,是顶板的温度比其下的墙体高得多,而砼顶板的线胀系数又比砖砌体大得多,故顶板和墙体间的变形差,在墙体中产生很大的拉力和剪力。剪应力在墙体内的分布为两端附近较大,中间渐小,顶层大,下部小。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。因此,砌体结构温度裂缝的研究问题是摆在工程技术人员面前的新课题。关键字:砌体结构、变形裂缝、产生机理、温度变形、干缩变形、
4、预防措施第一章 裂缝的类型及成因:1裂缝成因及类型产生裂缝的原因是多方面的,归纳起来主要有两方面:一是由外荷载(包括静、动荷载)变化引起的裂缝,二是由变形引起的裂缝(主要有温度变化,不均匀沉陷或膨胀等变形产生应力而引起的裂缝)。相对于受力裂缝,变形裂缝的产生机理和影响因素要复杂得多,本文主要分析砌体结构的温度裂缝。2温度裂缝产生的原因及特征:温度裂缝多发生在大体积混凝土表面或温差变化较大的混凝土工程。混凝土浇筑硬化过程中,水泥水化产生大量的水化热,导致内部温度急剧上升,而混凝土表面散热较快,形成内外较大温差,使混凝土表面产生一定的拉应力,超过混凝土的抗拉强度极限时,混凝土表面就会产生裂缝。温度
5、裂缝的走向无一定规律,大面积结构裂缝通常纵横交错;梁板类长度尺寸较大的结构,裂缝多平行于短边。裂缝宽度大小不一,受温度变化影响较为明显,冬季较宽,夏季较窄。混凝土内部的温度与混凝土厚度及水泥品种、用量有关。混凝土越厚,水泥用量越大,水化热越高的水泥,其内部温度越高,形成温度应力越大,产生裂缝的可能性越大。大体积混凝土形成的温度应力与其结构尺寸有关,混凝土结构尺寸越大,温度应力也越大,引起裂缝的危险性也越大。防止大体积混凝土出现裂缝的根本措施是控制混凝土内部和表面的温度差。3裂缝原因的定性分析从定性分析温度裂缝,在本地区夏天阳光照射下屋顶表面温度通常高达40-60之间,钢筋砼屋盖受到阳光辐射面积
6、比砖砌体要大得多,接受阳光照射的时间比其他任何部位都长,而钢筋砼屋盖的阻热能力比砖砌体阻热能力差得多。实验表明钢筋砼线性膨胀系数是砖砌体线性膨胀系数的2.4倍,因而钢筋砼盖温度引起的变性差值比砖砌体大的多,导致组合砌体之间产生相对位移,钢筋砼屋盖位受砖砌体约束,对砖砼体产生抗剪应力,砖砌体抗拉抗剪强度比钢筋砼抗拉抗剪强度低得多,设计时对房屋顶层砖砌体强度要求低,这样构件中产生抗应力超过砖砌体的抗拉强,导致砖砌体裂缝产生。 4温度裂缝产生特征:温度裂缝是从顶部开始,越往下层裂缝越轻。房屋长高比越大,裂缝越重;条式房屋的中间单元裂缝轻,两端部单元裂缝较重。整体上看,房屋内部墙体比外部墙体裂缝重,而
7、内横墙裂缝较轻,内纵墙裂缝较重。从施工角度看,夏天施工时的裂缝轻,冬天施工裂缝重。 5 温度裂缝的主要形态:在砌体结构的民用建筑中,砌体裂缝绝大部分是由于变形引起的,温度变化是引起墙体开裂的主要因素,由于砖砌体的线膨胀系数,而钢筋混凝土线膨胀系数是因此当温度发生变化时,二者产生变形差异,此外,由于建筑物中的构件大多属于超静定杆件,具有多个约束力,对由于温度变化所引起的变形将予以限制,从而会在构件内产生温度应力。对墙体与混凝土之间的变形差异势必在砌体中产生很大的拉力和剪力,这些力超过一定限度时,砌体就会产生错位裂缝,温度裂缝是造成墙体早期开裂的主要原因。这些裂缝一般经过一个冬夏之后才能逐渐稳定,
8、不再继续发展,裂缝的宽度随着温度变化而略有变化。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。6 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,两者之间存在着一定的温差,屋面最高温度可达40-5,而顶层外墙平均最高温度约为30-35。屋面和顶层外墙存在10 -15的温差,两者的温度可能引起墙体开裂。另外,从材料
9、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求要比砖砌体小很多,所以更容易开裂。温度裂缝有明显的规律性:两端重中间轻,顶层重下层轻,阳面重阴面轻。由于温度应力和变形而产生裂缝具有这些特点与规律,裂缝的类型及其产生的原因可具体分为如下:7八字形裂缝主要出现在横墙与纵墙两端部,此种裂缝属正八字形的热胀裂缝,随温度升降而变化,其原因是由于设计与施工中的缺陷,使屋面保温层的热阻减少甚至失败,致使屋面板温度变形大于砌
10、体温度变形,当产生一定的温度应力的时候,屋面板的推力就传给墙体,并因墙体温度附加应力在房屋两端较大,当砌筑砂浆强度较低时,则易产生剪力产生的主拉应力,当超过砌体抗拉极限时,墙体即出现八字形开裂。72倒八字形裂缝属冷缩裂缝,主要出现在纵横墙两端的窗洞口处,尤以顶层两端窗洞口处最为严重。由于墙体冷缩附加应力在墙体两端较大,当房屋收缩变形大于墙体时,在门窗洞口出产生应力相对集中而导致形成倒八字形裂缝,使墙体开裂。73 水平裂缝多见于顶层横墙、纵墙、“女儿墙”及山墙处。当屋面保温隔热较差,屋面板受热膨胀对墙体产生水平推力,由于墙体在端部收缩要大于中部且砌体抗剪能力较低,使纵横墙与屋盖的接触面上产生水平
11、裂缝。74 垂直裂缝主要出现在窗台墙处、过梁端部及楼层错层外。此种裂缝主要由于温度变化,墙体受到楼板的拉力作用,在门窗洞口处产生应力集中效应而拉裂,或因冷缩变形,在与墙漆之间变形差异最大的钢筋混凝土上梁端和楼板错层外,引起墙体重直开裂。75 X形裂缝多数沿砌体灰缝开裂,主要受房屋热胀冷缩的反复作用形成,而底层墙体产生的X形裂缝则是由于基础不平整或不均匀沉降引起。8 温度、干缩及其它裂缝 对于烧结类块材的砌体最常见的为温度裂缝,面对非烧结类块体,如砌块、灰砂砖、粉煤 灰砖等砌体,也同时存在温度和干缩共同作用下的裂缝,其在建筑物墙体上的分布一般可为这两种裂缝的组合,或因具体条件不同而呈现出不同的裂
12、缝现象,而其裂缝的后果往往较单一因素更严重。另外设计上的疏忽、无针对性防裂措施、材料质量不合格、施工质量差、违反设计施工规程、砌体强度达不到设计要求,以及缺乏经验也是造成墙体裂缝的重要原因之一。如对砼砌块、灰砂砖等新型墙体材料,没有针对材料的特殊性,采用适合的砌筑砂浆、注芯材料和相应的构造措施,仍沿用粘土砖使用的砂浆和相应的抗裂措施,必然造成墙体出现较严重的裂缝。 9砌体裂缝的控制91裂缝的危害和防裂的迫切性 砌体属于脆性材料,裂缝的存在降低了墙体的质量,如整体性、耐久性和抗震性能,同时墙体的裂缝给居住者在感观上和心理上造成不良影响。特别是随着我国墙改、住房商品化的进展,人们对居住环境和建筑质
13、量的要求不断提高,对建筑物墙体裂缝的控制的要求更为严格。由于建筑物的质量低劣,如墙体裂缝、渗漏等涉及的纠纷或官司也越来越多,建筑物的裂缝已成为住户评判建筑物安全的一个非常直观、敏感和首要的质量标准。因此加强砌体结构,特别是新材料砌体结构的抗裂措施,已成为工程量、国家行政主管部门,以及房屋开发商共同关注的课题。因为这涉及到新型墙体材料的顺利推广问题。92裂缝宽度的标准问题 实际上建筑物的裂缝是不可避免的。此处提到的墙体裂缝宽度的标准(限值),是一个宏观的标准,即肉眼明显可见的裂缝,砌体结构尚无这种标准。但对钢筋砼结构其最大裂缝宽度限值主要是考虑结构的耐久性,如裂缝宽度对钢筋腐蚀,以及外部构件在湿
14、度和抗冻融方面的耐久性影响。我国到现在为止对外部构件(墙体)最危险的裂缝宽度尚未作过调查和评定。但根据德国资料,当裂缝宽度0.2mm时,对外部构件(墙体)的耐久性是不危险的。 对砌体结构来说,墙体的裂缝宽度多大是无害呢?这是个比较复杂的问题。因为它还涉及到可接受的美学方面的问题。它直接取决于观察人的目的和观察的距离。对钢筋砼结构,裂缝宽度0.3mm,通常在美学上是不能接受的,这个概念也可用于配筋砌体。而对无筋砌体似乎应比配筋砌体的裂缝宽度标准放宽些。但是对于客户来讲二者是完全一样的。这实际上是直观判别裂缝宽度的安全标准。10 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不同。粘土砌块随
15、含水率的增加而膨胀。在含水率降低时砖不会收缩。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。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。第二章 地基变形1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 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
16、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。12 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。 121 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。只是变形是缓慢的,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。 3 温度应力的估算 当
17、顶板与墙体材料不同时, Cx水平阻力系数,混凝土板与墙体Cx=0.30.6N/mm 3,混凝土板和钢筋混凝土圈梁Cx=1.0N/mm 3; max为弹性剪应力。考虑升温较快,取应力松弛系数H(t)=0.70.8,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,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。 从式中可知,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
18、油毡夹滑石粉或橡胶片等;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。 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, 5 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:51 在墙体中部出现的阶梯形裂缝;52 环块体周边灰缝的裂缝;53 在外墙的窗下墙出现竖向均匀裂缝;54 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
19、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。 6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。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最大,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。 混凝土砌块是混凝土拌合物经浇注、振捣、
20、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0.030.035,含水量在5060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0.0180.07。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,
21、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。 7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:砌体标准联合委员会(Masonry Standards Joint Committee,缩写为MSJC)规范规定粘土砌体的湿膨胀系数值k e为0.0003。由控湿的混凝土砌块砌筑的砌体k m=0.15s l,由非控湿的混凝土砌块砌筑的砌体k m=0. 5s l。s l为混凝土砌块的总线性干缩值,其值不超过0.00065。8地基变形 在软土、填土、冲沟、古河道、
22、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。9 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。 10 地基不均匀沉降裂缝的产生机理 101 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
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