鋼筋混凝土屋面井字梁裂縫的分析
發布時間：2010-01-14 共1頁
1 工程概況
某幼兒園1995年8月開工，于1996年12月竣工交付使用，建筑面積1643m２，為一幢3層框架及部分磚混結構建筑。鋼筋混凝土梁式樁基，三層局部樓面及屋面為井字梁結構。于1999 年3月發現①～⑤軸、A～D軸間井字梁兩側屋面板底以下部位出現多道肉眼可見的垂直裂縫。在清除表面粉刷層后發現裂縫沿構件截面高度呈上寬下窄狀，寬度約0.5～1mm ，多為表面裂縫，基本未貫穿梁底，且都分布在跨中區域，在LB梁上的分布多于LA1及LA2梁，同時井字梁的周邊梁與其下砌體結構產生了明顯的錯位.
2 裂縫原因分析
(1)該樓共設8個沉降觀測點。根據基礎沉降觀測結果，由于為樁基礎，沉降量均較小，最 沉降量10.4mm，最小沉降量9.3mm，最差異沉降僅1.1mm，故可排除基礎沉降量過引起梁體裂縫的可能。
(2)對梁體進行回彈測得混凝土強度等級達到C20，符合原設計要求，故可排除梁身混凝土強 度等級不足引起梁體開裂的可能。
(3)該井字梁結構系夏季施工，原定屋面做法為剛性防水層上用1∶10水泥珍珠巖找坡，再做 架空層隔熱，而后考慮鋁白色SBS具有反光、防漏的雙重作用，而改用鋁白色塑膜面SBS防水卷材 替代架空層。通過實地檢查發現，該防水材料已老化變質，其上鋁白色也已退盡。寧波地區冬季最低室外溫度在-5℃左右，室內溫度可達到10℃，夏季室外溫度可達到38℃左右，在陽光直射處則可達到45℃以上，室內溫度為30℃左右。該井字梁層面上雖做有珍珠巖找坡層， 但厚度較薄，且其上SBS已失去原有的反光作用，故該層面保溫性較差，梁體的室內外溫差無論冬夏季至少在10℃以上。
3 設計計算的復核
現以LB梁為例進行裂縫寬度復核。該構件的裂縫控制等級應為三級，最裂縫允許寬度為0 .3mm。復核工作分兩部分進行。
(1)按受彎構件驗算梁體裂縫寬度，其最不利情況應是荷載效應與溫度效應產生的彎矩疊加 。 因該梁是夏季施工的，冬季則產生收縮變形，梁頂與梁底的溫差使梁頂收縮于梁底，因此 ，冬季溫度效應產生的跨中彎矩與荷載效應產生的跨中彎矩是同號的，即冬季二者的影響是疊加的。
經計算得屋面綜合荷載q＝7.58kN/m２，區格的長a和寬b分別為3.4m和3m，則荷載效應產生的彎矩
Ml＝0.34qa２b＝0.34×7.58 ×3.4２×3＝4kN·m
而由構件上下表面溫差產生的溫度彎矩Mt：
Mt＝ＥＩαΔt/h＝Ｅbh２αΔt/1 2＝2.55×１０４×２５０×７００×７００×１０^－５×１０／１２＝２６００００００Ｎ·mm＝２６kN·m
其中E為C20混凝土彈性模量取2.55×10４N/mm２；α為C20混凝土線膨脹系數，取1×1 0^－５，I為構件截面慣性矩，矩形時為bh^３／１２，(b為構件寬250mm，h為構件高度700mm)；Δt為構件上、下表面溫差，取為10℃。
因而M＝Ml＋Mt＝８９.4＋２６＝１１５.4k N·m
按《混凝土設計規范(GBJ 10-89)》受彎構件公式算得最裂縫寬度Ｗmax＝0.215mm＜0.3mm。
(2)按受拉構件驗算梁體裂縫寬度。由于該梁為夏季施工，冬季則產生收縮變形，但受支座的約束，在混凝土內產生拉應力。如夏季施工時的溫度為35℃，冬季按0℃計算，則冬夏溫 差將達35℃左右。如近似按軸心受拉構件驗算，則可算得最裂縫寬度Ｗmax＝0.82mm＞0.3mm。
由計算過程中得知，溫度變形產生的伸縮應力很(本例為781kN)，雖然計算中已考慮了鋼筋 混凝土構件同磚混結構的協同變形因素，但由于兩者的線膨脹系數不同，磚混部分還是對構件產生了較的約束。
(3)很明顯，本工程屋面井字梁側面出現裂縫的主要原因是由于冬夏季溫差引起的混凝土收縮變形以及冬季室內外溫差所產生內力效應的影響疊加于荷載效應的綜合作用結果。因該梁是在夏季施工的，而且保溫隔熱措施較差，在冬季的低溫下，沿梁長方向產生收縮。當收縮變形受到支座的約束時，在梁體內產生了拉應力。由于混凝土的抗拉強度較低，當拉應力超過抗拉強度時，便產生裂縫。此外，設計中沒有按構件由于溫度收縮變形引起的拉應力進行抗拉強度驗算，抗拉筋明顯不足，也是導致井字梁構件裂縫的主要原因之一。由于LA1、L A2梁配筋于LB梁，故裂縫在LB梁上分布較廣。
4 處理措施
該工程從竣工到發現裂縫已經過兩年多時間，此后又經過近三個月的現場裂縫發展的觀測， 證實裂縫的開展已處于穩定狀態。引起構件裂縫的主要因素——混凝土收縮變形由于各種井字梁及 其支承系統的協調變形已趨穩定，同時按溫度效應與荷載效應組合驗算構件抗彎強度證明梁截面承載力能夠滿足使用要求，故工程上僅按溫度裂縫的因素對構件作了如下處理。
(1)改善屋面保溫性能。考慮到原有屋面防水材料SBS已老化變質，為防止屋面滲漏，揭去重 做。同時重新在屋面上鋪設了架空層，以降低梁體的冬夏季溫差與室內外溫差。
(2)鑒于構件裂縫寬度較小，故采用表面處理法施工。具體方法為：鑿去裂縫兩側各寬5cm范圍內的粉刷層，對裂縫處用水沖洗，然后刷摻有107膠的水泥漿，最后用1∶2水泥砂漿抹平鑿出的凹槽。對井字梁邊梁與支承墻體間的錯位處，先貼上寬300mm的鉛絲網，再用水泥砂漿進行重新粉刷。同時在構件修補后經過一年左右的跟蹤觀測，沒有發現新裂縫產生，因此可以認定以上分析結果以及裂縫處理方法是正確的。
5 結束語
對于象井字梁構件這類體量較，相互之間約束又較多的混凝土構件，為防止產生溫度裂縫 可采取如下一些措施：
(1)選擇適宜的季節澆注混凝土。因為混凝土的抗拉強度較低，為防止其收縮變形使梁體內 產 生拉應力，應盡量選擇溫度低的季節澆注。必須在熱天澆筑時，可采用冰水或深井水拌制， 或設置簡易的遮陽裝置，并對骨料進行噴水預冷卻，以降低混凝土的攪拌和澆筑溫度。
(2)選用水化熱小和收縮小的水泥(如礦渣水泥、粉煤灰水泥)，選用級配良好的骨料，并嚴格控制砂、石子的含熱量，盡量降低水灰比，合理使用減水劑，加強振搗，以減少水化熱， 提高混凝土的密實性和抗拉強度。
(3)做好保溫隔熱工作，盡量減少構件的冬夏季溫差和室內外溫差。
(4)加強設計驗算工作，對構件因冬夏季溫差引起的伸縮變形和室內外溫差引起的彎曲變形 進行裂縫寬度驗算，配足抗拉鋼筋。
(5)盡量采用獨立的結構形式，使構件能夠進行自由的伸縮變形。
（巖土）
某幼兒園1995年8月開工，于1996年12月竣工交付使用，建筑面積1643m２，為一幢3層框架及部分磚混結構建筑。鋼筋混凝土梁式樁基，三層局部樓面及屋面為井字梁結構。于1999 年3月發現①～⑤軸、A～D軸間井字梁兩側屋面板底以下部位出現多道肉眼可見的垂直裂縫。在清除表面粉刷層后發現裂縫沿構件截面高度呈上寬下窄狀，寬度約0.5～1mm ，多為表面裂縫，基本未貫穿梁底，且都分布在跨中區域，在LB梁上的分布多于LA1及LA2梁，同時井字梁的周邊梁與其下砌體結構產生了明顯的錯位.
2 裂縫原因分析
(1)該樓共設8個沉降觀測點。根據基礎沉降觀測結果，由于為樁基礎，沉降量均較小，最 沉降量10.4mm，最小沉降量9.3mm，最差異沉降僅1.1mm，故可排除基礎沉降量過引起梁體裂縫的可能。
(2)對梁體進行回彈測得混凝土強度等級達到C20，符合原設計要求，故可排除梁身混凝土強 度等級不足引起梁體開裂的可能。
(3)該井字梁結構系夏季施工，原定屋面做法為剛性防水層上用1∶10水泥珍珠巖找坡，再做 架空層隔熱，而后考慮鋁白色SBS具有反光、防漏的雙重作用，而改用鋁白色塑膜面SBS防水卷材 替代架空層。通過實地檢查發現，該防水材料已老化變質，其上鋁白色也已退盡。寧波地區冬季最低室外溫度在-5℃左右，室內溫度可達到10℃，夏季室外溫度可達到38℃左右，在陽光直射處則可達到45℃以上，室內溫度為30℃左右。該井字梁層面上雖做有珍珠巖找坡層， 但厚度較薄，且其上SBS已失去原有的反光作用，故該層面保溫性較差，梁體的室內外溫差無論冬夏季至少在10℃以上。
3 設計計算的復核
現以LB梁為例進行裂縫寬度復核。該構件的裂縫控制等級應為三級，最裂縫允許寬度為0 .3mm。復核工作分兩部分進行。
(1)按受彎構件驗算梁體裂縫寬度，其最不利情況應是荷載效應與溫度效應產生的彎矩疊加 。 因該梁是夏季施工的，冬季則產生收縮變形，梁頂與梁底的溫差使梁頂收縮于梁底，因此 ，冬季溫度效應產生的跨中彎矩與荷載效應產生的跨中彎矩是同號的，即冬季二者的影響是疊加的。
經計算得屋面綜合荷載q＝7.58kN/m２，區格的長a和寬b分別為3.4m和3m，則荷載效應產生的彎矩
Ml＝0.34qa２b＝0.34×7.58 ×3.4２×3＝4kN·m
而由構件上下表面溫差產生的溫度彎矩Mt：
Mt＝ＥＩαΔt/h＝Ｅbh２αΔt/1 2＝2.55×１０４×２５０×７００×７００×１０^－５×１０／１２＝２６００００００Ｎ·mm＝２６kN·m
其中E為C20混凝土彈性模量取2.55×10４N/mm２；α為C20混凝土線膨脹系數，取1×1 0^－５，I為構件截面慣性矩，矩形時為bh^３／１２，(b為構件寬250mm，h為構件高度700mm)；Δt為構件上、下表面溫差，取為10℃。
因而M＝Ml＋Mt＝８９.4＋２６＝１１５.4k N·m
按《混凝土設計規范(GBJ 10-89)》受彎構件公式算得最裂縫寬度Ｗmax＝0.215mm＜0.3mm。
(2)按受拉構件驗算梁體裂縫寬度。由于該梁為夏季施工，冬季則產生收縮變形，但受支座的約束，在混凝土內產生拉應力。如夏季施工時的溫度為35℃，冬季按0℃計算，則冬夏溫 差將達35℃左右。如近似按軸心受拉構件驗算，則可算得最裂縫寬度Ｗmax＝0.82mm＞0.3mm。
由計算過程中得知，溫度變形產生的伸縮應力很(本例為781kN)，雖然計算中已考慮了鋼筋 混凝土構件同磚混結構的協同變形因素，但由于兩者的線膨脹系數不同，磚混部分還是對構件產生了較的約束。
(3)很明顯，本工程屋面井字梁側面出現裂縫的主要原因是由于冬夏季溫差引起的混凝土收縮變形以及冬季室內外溫差所產生內力效應的影響疊加于荷載效應的綜合作用結果。因該梁是在夏季施工的，而且保溫隔熱措施較差，在冬季的低溫下，沿梁長方向產生收縮。當收縮變形受到支座的約束時，在梁體內產生了拉應力。由于混凝土的抗拉強度較低，當拉應力超過抗拉強度時，便產生裂縫。此外，設計中沒有按構件由于溫度收縮變形引起的拉應力進行抗拉強度驗算，抗拉筋明顯不足，也是導致井字梁構件裂縫的主要原因之一。由于LA1、L A2梁配筋于LB梁，故裂縫在LB梁上分布較廣。
4 處理措施
該工程從竣工到發現裂縫已經過兩年多時間，此后又經過近三個月的現場裂縫發展的觀測， 證實裂縫的開展已處于穩定狀態。引起構件裂縫的主要因素——混凝土收縮變形由于各種井字梁及 其支承系統的協調變形已趨穩定，同時按溫度效應與荷載效應組合驗算構件抗彎強度證明梁截面承載力能夠滿足使用要求，故工程上僅按溫度裂縫的因素對構件作了如下處理。
(1)改善屋面保溫性能。考慮到原有屋面防水材料SBS已老化變質，為防止屋面滲漏，揭去重 做。同時重新在屋面上鋪設了架空層，以降低梁體的冬夏季溫差與室內外溫差。
(2)鑒于構件裂縫寬度較小，故采用表面處理法施工。具體方法為：鑿去裂縫兩側各寬5cm范圍內的粉刷層，對裂縫處用水沖洗，然后刷摻有107膠的水泥漿，最后用1∶2水泥砂漿抹平鑿出的凹槽。對井字梁邊梁與支承墻體間的錯位處，先貼上寬300mm的鉛絲網，再用水泥砂漿進行重新粉刷。同時在構件修補后經過一年左右的跟蹤觀測，沒有發現新裂縫產生，因此可以認定以上分析結果以及裂縫處理方法是正確的。
5 結束語
對于象井字梁構件這類體量較，相互之間約束又較多的混凝土構件，為防止產生溫度裂縫 可采取如下一些措施：
(1)選擇適宜的季節澆注混凝土。因為混凝土的抗拉強度較低，為防止其收縮變形使梁體內 產 生拉應力，應盡量選擇溫度低的季節澆注。必須在熱天澆筑時，可采用冰水或深井水拌制， 或設置簡易的遮陽裝置，并對骨料進行噴水預冷卻，以降低混凝土的攪拌和澆筑溫度。
(2)選用水化熱小和收縮小的水泥(如礦渣水泥、粉煤灰水泥)，選用級配良好的骨料，并嚴格控制砂、石子的含熱量，盡量降低水灰比，合理使用減水劑，加強振搗，以減少水化熱， 提高混凝土的密實性和抗拉強度。
(3)做好保溫隔熱工作，盡量減少構件的冬夏季溫差和室內外溫差。
(4)加強設計驗算工作，對構件因冬夏季溫差引起的伸縮變形和室內外溫差引起的彎曲變形 進行裂縫寬度驗算，配足抗拉鋼筋。
(5)盡量采用獨立的結構形式，使構件能夠進行自由的伸縮變形。
（巖土）
