砌体结构裂缝产生的原因及预防措施？
目前，砌体房屋出现各种类型的裂缝是很常见的。裂缝的程度差别很大。轻者会影响房屋的正常使用和美观，严重的会形成结构安全隐患，甚至工程事故。随着住宅商品化的发展，住宅裂缝问题越来越受到人们的关注。
1.裂缝的类型和原因
根据裂缝产生的原因，墙体裂缝可分为受力裂缝和非受力裂缝两大类。在各种直接荷载作用下，墙体出现的裂缝称为应力裂缝。砌体中由于收缩、温度、湿度变化和地基不均匀沉降引起的裂缝，属于非应力裂缝，也称变形裂缝。变形裂缝占砌体建筑裂缝的80%以上[1]，其中温度裂缝较为突出。与应力裂缝相比，变形裂缝的机理和影响因素要复杂得多。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
温度裂缝的主要形式在1.1.1。
最常见的温度裂缝出现在混凝土平顶房屋的顶墙和山墙。如门窗边的斜裂缝、山墙上部的斜裂缝、平屋顶下或屋顶圈梁下砖(块)沿灰缝的水平裂缝、水平转角裂缝(包括女儿墙)。
温度裂缝是造成墙体早期裂缝的主要原因。一般这些裂缝经过一个冬天和一个夏天就逐渐稳定下来，不会继续发展。裂缝的宽度随着温度的变化而略有变化。温度裂缝具有明显的规律性:两端重于中间，顶层重于底层，正面重于反面。
1.1.2温度裂缝机理
对于砖砌体结构，砖砌体的线膨胀系数为5×10-6，是混凝土的一半。外界温度升高时，混凝土屋面变形较大，墙体变形相对较小，导致砖砌体与混凝土屋面之间产生约束应力。屋顶被压缩，墙壁被拉伸和剪切。当约束条件下温度变形引起的温度应力足够大时，墙体会产生温度裂缝。
混凝土砌块墙体的线膨胀系数与混凝土屋面的线膨胀系数相同。在夏天的阳光照射下，两者有一定的温差。屋顶最高温度可达40℃ ~ 50℃，而顶部外墙平均最高温度约为30℃ ~ 35℃。屋顶与顶部外墙存在10℃ ~ 15℃的温差，可能导致墙体开裂。另外，从材料上来说
看，在同样的砂浆强度等级下，混凝土砌块的抗拉和抗剪强度远小于砖砌体，沿齿缝截面的抗弯强度仅为砖砌体的30% ~ 35%，沿通缝的抗弯强度仅为砖砌体的45% ~ 50%，抗剪强度仅为砖砌体的50% ~ 55%。因此，在相同的应力状态下，混凝土砌块抵抗拉力和剪力的能力远小于砖砌体，因此更容易开裂。
温度应力的估算为1.1.3
砌体结构的温度应力可按下式[2]估算:
(1-1)
(1-2)
当屋顶和墙壁的材料不同时，
其中Cx-水平抗力系数，混凝土板和墙Cx=0.3~0.6N/mm3，混凝土板和钢筋混凝土圈梁Cx = 1.0N/mm3；
T-壁厚；
b——一面墙承受的地板宽度；
H-屋顶厚度；
es——混凝土的弹性模量；
α1-墙体线膨胀系数，砖砌体为5×10-6；
α2——屋面线膨胀系数，混凝土10×10-6；
T1-墙体的温度；
T2——屋顶的温度；
L-墙长。
在公式(1-1)中，τmax为弹性剪应力。考虑到快速升温，取应力松弛系数H(t)=0.7~0.8，砌体的徐变剪应力为:
(1-3)
对于顶壁，壁的压应力较小，壁的剪应力近似等于主拉应力。根据公式(1-1)，墙体的剪应力与温差、水平阻力系数Cx和建筑长度有关。
从公式(1-1)可以看出，墙体的剪应力与温差成正比。因此，采取隔热措施减小温差可以达到减小主拉应力的目的；壁的剪应力与成正比。若水平抗力系数Cx降低30%，则剪应力降低16%。因此，可在钢筋混凝土屋面板与墙体圈梁的接触面设置水平滑动层，以减少屋面板与墙体之间的约束，滑动层可由两层油毡夹滑石粉或橡胶板制成[3]；剪应力与建筑物的长度呈非线性关系，剪应力随着长度的增加而增加。
1.1.4处温度变形的估算
粘土和混凝土砌体都具有与温度变化成正比的特性，温度变形可以根据热膨胀系数计算。当构件受到温度变化△T时，长度变化△L可表示为
(1-4)
其中△L-温度变形；
α-热膨胀系数，砖砌体为5×10-6，混凝土砌块为10×10-6；
L-受温度变化影响的部件长度；
△T-温度变化。
1.2砌体房屋的收缩变形
1.2.1收缩裂缝形态
砌块收缩引起的墙体裂缝在混凝土砌块房屋中很常见。它可能出现在内外墙和房子的所有地板上。收缩裂缝的形式一般有:(1)墙体中部的台阶状裂缝；(2)环块周围灰缝出现裂缝；(3)外墙窗下墙体出现竖向均匀裂缝；(4)山墙等大型墙体的纵横裂缝。收缩裂缝一般出现在低层，有的砌块房屋在山墙中间有从底层延伸到三四层的竖向裂缝。
由于砌筑砂浆强度不高，灰缝不饱满，干燥收缩产生的裂缝往往呈丝状散布在灰缝缝隙中，在干砌墙抹灰时不易被发现。干缩引起的裂缝宽度不大，裂缝宽度比较均匀。
1.2.2收缩裂缝的机理
粘土砌体和混凝土砌体对含水量的变化反应不同。粘土块随着含水量的增加而膨胀。当含水量减少时，砖不会收缩。也就是说，这种膨胀不会收缩，因为它在大气温度下干燥[4]。砖中的水分含量取决于原料的种类和烧制温度范围。砖出窑时尺寸最小，随后随着含水率的增加而膨胀。当砖块暴露在潮湿的空气中时，它开始膨胀，最初几周膨胀最大。膨胀会以很低的速率持续几年，砖的长期湿膨胀在0.0002 ~ 0.0009之间[5]。
混凝土砌块是由混凝土拌合物经浇注、振捣、养护而成。在硬化过程中，混凝土会逐渐失水并干涸。砌体的干缩随材料和成型质量的不同而不同，并随时间逐渐减小。在自然条件下，混凝土砌块的收缩在成型28天后趋于稳定。其干燥收缩率为0.03% ~ 0.035%，含水率约为50% ~ 60%。砌体建成后，在正常使用条件下，含水率继续降低，达到10%左右，其收缩率为0.018% ~ 0.07% [6]。对于干燥收缩已经稳定的混凝土试块，如果再次浸泡，就会再次干燥，通常称为二次干燥收缩。混凝土试块饱水后的第二次干缩时间比成型硬化过程的第一次干缩时间短，一般为15天左右。第二次收缩的收缩率约为第一次收缩的80%。当混凝土砌块的收缩受到约束，收缩引起的拉应力超过砌块的抗拉强度或砌块与砂浆之间的抗弯强度时，就会产生收缩裂缝。收缩裂缝不是结构性裂缝，但会破坏墙体的外观。
1.2.3收缩变形的估算
粘土和混凝土砌体对含水量的变化反应不同。失水时，混凝土块会收缩，而粘土块会随着含水量的增加而膨胀。水分变化引起的变形可以根据与热膨胀相同的原理进行估算[6]:
(1-4)
式中，k——粘土砌体采用湿膨胀系数ke，混凝土砌体采用收缩系数km；
L-砌体长度；
-收缩变形。
MasonryStandardsJointCommittee(MSJC)规范[6]规定粘土砌体的湿膨胀系数值ke为0.0003。有湿度控制的混凝土砌块砌筑的砌体为km=0.15sl，无湿度控制的混凝土砌块砌筑的砌体为km=0.5sl，sl为混凝土砌块的母线线性收缩值，其值不超过0.00065。
1.3地基变形
当结构建在软土、填土、冲沟、古河道、涵洞及各种不均匀地基上，或地基相当均匀，但荷载差异过大，结构刚度差异很大时，要特别注意地基不均匀沉降引起的裂缝。
1.3.1基础不均匀沉降裂缝形式
地基不均匀沉降裂缝的形式多种多样，有些裂缝在很长时间内仍随时间变化，裂缝宽度较宽，有时宽达几厘米。裂缝主要分为剪切裂缝和弯曲裂缝。地基不均匀沉降中常见的裂缝有:规则八字形裂缝和斜裂缝。沉降裂缝多出现在房屋中下部，房屋中下部裂缝比上部宽。
1.3.2地基不均匀沉降裂缝的机理
(1)墙体中下部的正八字裂缝。
一般情况下，地基承受上部传来的压力，使地基沉降变形呈凹形，常称为“盆形沉降面”。这是由于中间的压力高于边缘的压力，边缘非荷载区地基对荷载区沉降的抗剪能力相互作用，导致边缘区地基反力较高。这种沉降使建筑形成中间沉降大，末端沉降小的弯曲，产生正的弯曲距离。结构中下部受拉，两端受剪。特别是由于端部地基反力梯度大，端部剪应力大，墙体主拉应力因剪力而断裂，裂缝呈规则图形。
由于墙体中上部受压，形成“拱”效应，墙体裂缝越靠近地基和门窗，裂缝越严重。而且中下部开裂区墙体有自重作用，引起竖向拉应力，可能形成水平裂缝。
⑵墙上的斜裂缝
当基础中间有回填砂石，或中间基础较硬，端部较弱，或由于荷载差异较大，建筑物端部沉降大于中间时，就会形成负弯曲距离。主拉应力将导致墙体出现斜裂缝或倒八字形裂缝。局部不均匀沉降不仅会引起斜裂缝，还会因竖向沉降引起砌体水平裂缝。
1.3.3影响基础沉降裂缝的因素
地基、基础、建筑形成一个整体，共同作用。其内力和变形形式与土的性质、建筑物和地基的刚度、地基和建筑物的尺寸和形状、材料的弹塑性和蠕变有关。
(1)基础与建筑物之间的相对刚度。
为了考虑基础和建筑物的* * *功，基础和建筑物的相对刚度可根据Golbunov方法确定，其中弹性基础的柔度指标为:
(1-5)
其中E0-地基土的变形模量；
μ0——地基土的泊松比；
EJ-地基上梁、板或箱的刚度；
a、b——基础半长半宽。
柔性指数代表建筑物和基础的相对刚度。从公式中可以看出(1)建筑物和基础的抗弯刚度越大，基础的长度和宽度越小，柔度指数越小，结构或基础的相对刚度越大。此时，在外荷载作用下，地基背压越集中在两端，中间的弯矩越大，这就要求结构有足够的强度来满足结构最大弯矩的要求；⑵在好的地基上，地基的变形模量较高，而地基上地基的抗弯刚度较小，结构的几何尺寸较长，因此柔度指数相应增大。此时基础结构靠近柔性板，基础的沉降与荷载的分布有关。地基承受较大荷载的地方，沉降和变形较大，地基承受的弯矩较小。
⑵蠕变
建筑物的沉降、水平位移、温湿度变化，除了绝对量外，变形率是一个重要因素。只要变形缓慢，大部分建筑物都能发生大变形而不损坏。主要原因是建筑材料具有蠕变特性，在变形过程中其内应力会随着变形速度的降低而松弛。
(3)建筑物的形状
平面形状复杂的建筑，如“I”、“T”、“L”、“E”等，竖向和水平单元交叉处基础密集，基础附加应力重叠，增加了基础的沉降。同时，这类建筑整体性差，刚度不对称，地基不均匀沉降时容易使墙体开裂[8]。因此，在基础较差的情况下，在满足使用的条件下，尽量采用平面形状简单的建筑形式。
2裂缝的预防措施
在目前的技术和经济水平下，钢筋混凝土屋面温度变形和砌体收缩变形引起的墙体局部裂缝还不能完全预防和消除。只有通过一些合理的构造措施，才能使砌体墙裂缝的产生和发展达到可以接受的程度[3]。
从上一节的分析可以看出，建筑物的长度，即伸缩缝、沉降缝或控制缝之间的距离，与温度裂缝、收缩裂缝、沉降裂缝的发生有很大的关系。根据英国规范等欧美规范，粘土砖砌体的控制间距为10 ~ 15m，混凝土砌块砌体的控制间距一般不大于6m。美国混凝土协会(ACI)规定无筋砌体的最大控制缝间距为12 ~ 18m，有筋砌体的控制缝间距不大于30m，均远小于中国砌体规范的规定。这也是温度裂缝及相关抗裂构造措施不能按中国砌体规范消除墙体裂缝的重要原因。
2.1温度变化引起的墙体开裂
防止主要由温度变化引起的砌体结构开裂，应采取以下措施:(1)当采用整体式或装配式钢筋混凝土屋面时，宜在屋面上设置保温层或隔热层；⑵在屋面适当部位设置控制缝，控制缝间距不大于30m(3)现浇混凝土挑檐长度大于12m时，应设置分隔缝，分隔缝宽度不小于20mm，并用弹性油膏嵌缝；(4)建筑物的温度伸缩缝间距应符合现行《砌体结构设计规范》的规定，控制缝应设置在建筑物墙体的适当部位，控制缝间距不应大于30m。⑸在非地震区，应在建筑顶层设置钢筋混凝土圈梁。如果采用钢筋混凝土圈梁，圈梁不应外露。如果没有圈梁，可在屋面四周屋檐下的砌体中布置适当的转角钢筋。
2.2墙体材料干缩引起的开裂
防止主要由墙体材料干缩引起的裂缝，可采取以下措施:(1)选择干缩值低的墙体材料。砌筑时控制材料的含水量(砌墙前让材料干透)。使用低强度砂浆和小长度的砖，可以避免砖的断裂，将小裂缝均匀分散成竖向砂浆裂缝，避免变形和应力集中，积累大裂缝。⑵大面积墙体采用在墙体内增加结构梁柱的构造措施。如果墙长超过5m，中间可设置钢筋混凝土构造柱；当墙体高度超过3m(120mm厚墙体)或4m 4m(≥180mm厚墙体)时，需在墙体中部增设钢筋混凝土腰梁或设置伸缩缝。(3)严格控制胶凝材料砌块的龄期，小于28d的不得进入施工现场。对于混凝土制品，如果以90天的干燥收缩值为基准，28天只能完成80%左右的收缩。而且这种砌块28天前含水率大，物理化学变形不稳定，干燥收缩值大，尤其是蒸压加气混凝土，其出厂含水率有时高达60%以上。(4)使用时正确掌握各种砌块的含水率。轻骨料混凝土空心砌块、蒸压灰砂砖和蒸压粉煤灰加气混凝土砌块的含水率应分别控制在5% ~ 8%和65±05%和20%以内。砌体在生产储存、运输和现场堆放过程中应防止被水浸泡，雨季应做好砌块和砌体的覆盖。施工时，一般提前1 ~ 2d洒水微湿。块体含水深度在表层应为8 mm ~ 10 mm。
2.3基础沉降引起的开裂
为防止主要由地基沉降引起的裂缝，可采取以下措施:建筑物的形状应简单；⑵沉降缝的合理设置。沉降缝设置在建筑的平面转折处、建筑高度荷载突变处、不同结构类型处和地基土软硬结合处；(3)减轻结构重量。(4)增强建筑物的刚度和强度。设置封闭圈梁和构造柱，特别是加强上下圈梁，合理布置纵横墙，采用整体性好、刚度高的基础形式；⑸减少或调整基底的附加应力。改变地基的大小，使不同荷载下地基的沉降接近。
3个工程实例
某房地产开发公司住宅楼竣工两个月后，西单元山墙及内外纵墙开裂，最大开口12 mm，经查，夏季屋面板阳光直射，板截面最高平均温度50℃，而砖砌体外墙最高平均温度30℃，现浇屋面板h=8cm， 砖墙厚24 cm，MU5和M2.5混合砂浆，建筑总长度L=50m，求外纵墙顶部砖墙因温差产生的剪应力。
= 0.887兆帕
砌体的蠕变剪应力
MU5和M2.5砌体的抗剪强度= 0.1mpa
4结论
(1)墙体温度应力与温差成正比，随水平阻力系数和建筑长度(或伸缩缝间距)非线性增大。
⑵墙体的收缩变形与墙体材料、砌块含水率、建筑长度有关。粘土和混凝土砌体对含水量的变化反应不同。当失去含水量时，混凝土砌块会收缩，而粘土砌块会随着含水量的增加而膨胀。
⑶基础沉降裂缝的内力和变形形式与土的性质、建筑物和基础的刚度、基础和建筑物的尺寸和形状、材料的弹塑性和蠕变有关。
(4)影响砌体结构裂缝的因素很多，有些裂缝是多种因素引起的混合裂缝。在设计中，可以采取构造措施来预防和减少砌体结构裂缝的危害。
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