（岩土工程专业论文）框架结构填充墙裂缝成因研究.pdf

西华大学硕士学位论文 框架结构填充墙裂缝成因研究 岩土工程 - 研究生王泽指导教师王泽云教授 在提倡“开发并使用性能优良、节省能耗的新型建筑材料 的大背景下， 框架填充墙裂缝问题成为迫切需要解决的问题。框架结构在我国建筑工程中应 用非常广泛，但当中遇到的裂缝问题也相应较多，解决了填充墙裂缝问题对建 筑工程设计与施工具有重要的现实意义，更具有很大的社会意义和经济价值。 本文在轻质填充墙裂缝控制研究课题基础上进行了框架填充墙温度变形的模拟 及测试分析工作，结合调查情况和试验结果对填充墙裂缝成因进行系统的分析。 首先介绍了框架填充墙裂缝的调查情况，总结出填充墙产生裂缝的主要形 式及分布规律：大部分为垂直裂缝和斜裂缝，少量为水平裂缝和不规则裂缝； 大多数情况下，在纵墙的两端部靠近平屋顶处的外墙及山墙上最容易出现，归 纳出填充墙产生裂缝的影响因素有墙体材料、温差、地基不均匀沉降等。 其次，本文结合调查结果进行了框架填充墙温度荷载模拟试验。介绍了试 验建筑概况及测试内容，分析结果得出：墙体在与梁、柱的交界处最容易出现 竖向和水平方向的裂缝；温度变化和材料性能是导致填充墙裂缝的重要原因； 增加构造柱能有效避免填充墙裂缝出现。 结合调查结果和试验建筑测试结果，本文对填充墙裂缝成因进行理论分析， 阐述了墙体开裂的机理及裂缝的主要成因。介绍了砌体的物理力学性能，并针 对本次试验采用的墙体块体( 加气混凝土砌块和页岩空心砖) 的物理力学性能 与墙体裂缝的关系进行讨论。理论分析结果为：裂缝的主要成因在于存在温差 与材料收缩，控制裂缝措施可在这两方面加强。 最后建立框架填充墙有限元模型，并对其进行了不同温度、不同材料条件 下的变形模拟分析。对砌体做匀质、各向同性处理，采用a n s y s 中常用的 d r u c k e r - p r a g e r ( d p ) 屈服准则为本构模型，用a n s y s 中的混凝土单元s o l i d 6 5 模 西华大学硕士学位论文 拟本次试验采用的砌块砌体和砖砌体，对这两种不同材料的填充墙分别施加4 级不等的温度荷载，进行非线性有限元模拟分析，模拟墙体的应力集中部位和 试验测试情况基本吻合。 本文对框架填充墙在不同材料、不同温度条件下的变形进行了模拟试验和 非线性有限元分析，希望本文在这方面的探索与实践能对框架填充墙裂缝问题 的解决有所帮助。 关键词：框架填充墙；温度裂缝；干缩裂缝；裂缝成因；a n s y s ； i i 西华大学硕士学位论文 f i n i t ee l e m e n ts t u d yo ff r a m e - i n f i l l - - w a l la n d s i m u l a t i o no fc r a c k s g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g m dc a n d i d a t e ：w a n gz e t u t o r ：w a n gz e - y u n u n d e rt h eb a c k g r o u n do fp r o m o t i n g t h ed e v e l o p m e n ta n du s eo fh i g h - p e r f o r m a n c e ，an e we n e r g y - s a v i n gb u i l d i n gm a t e r i a l s ”，t h ei s s u eo fc r a c k si ni n f i l l w a l lo ff r a m eh a sb e c o m eu r g e n tt os o l v e f r a m es y s t e mi sw i d e l yu s e di nc h i n a c o n s t r u c t i o n ，b u tw h i c hi sa l s of a c e dt h ep r o b l e mo fw a l lc r a c k s i tn o to n l yh a sg r e a t p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et os o l v et h ep r o b l e mo fc r a c k si ni n f i l lw a l lo ff r a m e ，b u ta l s o h a sg r e a ts o c i a ls i g n i f i c a n c ea n de c o n o m i cv a l u e o nt h eb a s i so f l i g h t - q u a l i t y - i n f i l l - w a l l - c o n t r o l l i n g t e c h n i q u er e s e a r c ht a s k ，t h i sp a p e rd e a l sw i t h s i m u l a t i o na n da n a l y z i n go ni n f i l lw a l lo ff r a m e st e m p e r a t u r ec r a c k s w i t ht h e i n v e s t i g a t i o nr e s u l ta n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t , a n a l y z eo r i g i n a l i t yo ft h e f r a m e i n f i l l w a l l i n t r o d u c et h ei n v e s t i g a t i o no fi n f i l lw a l lo ff r a m ea tf i r s t ，s u m m a r i z et h em a i n f o r m sa n dd i s t r i b u t e dr u l eo fc r a c k s ：t h em a j o r i t yi st h ev e r t i c a la n do b l i q u ec r a c k s ， f e wi st h eh o r i z o n t a la n di r r e g u l a rc r a c k ；m o s tc a s e s ，t h ec r a c k sa p p e a ra tb o t he n d s o ft h er o o fa n da r o u n d - t h e w a l lf a c a d e s u mu pt h ei m p a c tf a c t o r so fi n f i l lw a l l ：t h e w a l lm a t e r i a lt e m p e r a t u r eu n e v e nf o u n d a t i o ns e t t l e m e n t ，a n ds oo n s e c o n d l y , m a k eat e m p e r a t u r el o a ds i m u l a t i o nt e s tb a s e do nt h ei n v e s t i g a t i o n r e s u l t i n t r o d u c et h ee x p e r i m e n t a lc o n s t r u c t i o na n dt e s t i n g ，a n a l y s i sr e s u l t so b t a i n ： t h ej u n c t i o no ft h ew a l la n db e a m so rw a l la n dc o l u n m sa p p e a r sv e r t i c a la n d h o r i z o n t a lc r a c k se a s i l y ；t e m p e r a t u r ec h a n g e sa n dm a t e r i a lp r o p e r t i e sa r ei m p o r t a n t r e a s o n sc a u s i n gi n f i l lw a l lc r a c k s t h es t r u c t u r a lc o l u m nc a ne f f e c t i v e l ya v o i dc r a c k s o f t h ei n f i l 】w a l 】 i i i 西华大学硕士学位论文 w i t ht h ei n v e s t i g a t i o nr e s u l ta n dt h ee x p e r i m e n t a lc o n s t r u c t i o nt e s tr e s u l t ，t h e r e a s o nc a u s i n gi n f i l lw a l lc r a c k sh a sb e e ns y n t h e t i c a l l ya n a l y z e di nt h i sp a p e r i n t r o d u c et h ep h y s i c a lm e c h a n i c sp e r f o r m a n c eo fi n f i l lw a l l ，d i s c u s st h er e l a t i o n s h i p o fp h y s i c a lm e c h a n i c sp e r f o r m a n c eo ft h et e s t i n gw a l lb l o c kb o d y ( a e r a t e dc o n c r e t e b l o c ka n ds h a l eh o l l o wb r i c k ) a n dt h ew a l lc r a c k t h et h e o r e t i c a la n a l y s i sr e s u l ti s ： t h em a i no r i g i no ft h ec r a c kl i e si nt h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ea n dt h em a t e r i a l c o n t r a c t i o n t h ec o n t r o lc r a c km e a s u r em a yb es t r e n g t h e n e di nt h e s et w oa s p e c t s f i n a l l y , s i m p l i f i e de x p e r i m e n t a lm o d e li sb u i l ta n da n a l y z e du n d e rt h e c o n d i t i o n so fd i f f e r e n tt e m p e r a t u r ea n dd i f f e r e n tm a t e r i a l b l o c ki ss u p p o s e da sa u n i f o r mm a t e r i a la n dh a v i n gs a n l ep r o p e r t i e sa n di t sr e l a t i o no fs t r e s s s t r a i na d o p t s t h em o d e lo f a n s y sd r u c k e r - p r a g e r ( d p ) ，s i m u l a t e st h ea r t i f i c i a lb l o c ka n db r i c k b o d y , w i t ha n s y s i nc o n c r e t eu n i ts o l i d 6 5 t h et w ow a l l so f h a v i n gd i f f e r e n t m a t e r i a l sa r ei m p o s e do nf o u rl e v e l so ft e m p e r a t u r el o a d s ，c a r r yo nt h en o n - l i n e a r f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o na n a l y s i s s i m u l a t e dw a l lc r a c k sa p p e a rt h es a l l es i t ea st h e t e s tr e s u l tb a s i c a l l y t h i sp a p e rc a r r i e so ns i m u l a t i o nt e s ta n dn o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sf o r t h ei n f i l lw a l lo ff r a m e u n d e rt h ec o n d i t i o no fd i f f e r e n tm a t e d a l sa n dd i f f e r e n t t e m p e r a t u r e s ih o p et h i sp a p e rc a n m a k es o m eh e l pf o rs o l v i n gt h ei n f i l lw a l lc r a c k s k e yw o r d s ：i n f i l lw a l lo ff r a m e ；t e m p e r a t u r ec r a c k ；s h r i n k a g ec r a c k ；c r a c k c a u s e ；a n s y s i v 西华大学硕士学位论文 西华大学硕士学位原创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归西华大学所有，特此声明。 黧磊嬲 刷噬轹莎湘呕呦 7 5 确移 西华大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 墙体材料的发展 长期以来，实心黏土砖一直是我国墙体材料中的主导材料。但实心黏土砖的生 产消耗了大量的土地资源和煤炭资源，造成严重的环境破坏和污染，据资料介 绍，每生产1 亿块标准黏土空心砖在毁田1 0 0 1 5 0 亩，耗标准煤约1 万吨，按 2 0 0 0 年黏土砖产量8 0 0 0 亿块计算，一年要毁田1 0 0 万亩，耗煤8 0 0 0 万吨。针 对生产与使用黏土实心砖存在毁田取土，高能耗与严重环境污染等问题，我国 对传统实心黏土砖的限制淘汰力度逐步加大，在国务院国办发 1 9 9 9 1 7 2 号文建 设部建住房 1 9 9 9 1 2 9 5 号文以及国家墙体材料革新办公室墙办发 2 0 0 0 0 6 号文中 己明确提出相关城市限时禁止使用黏土实心砖的目标。大力开发与推广使用节 土、节能、利废、多功能、有利于环保、符合可持续发展的新型墙体材料，特 别是轻质、高效、保温、隔热、外观整齐、带有自装饰、施工方便快捷的新型 墙体材料是各级政府和广大建筑科技人员的一项重要使命。 近几年来，新型墙体材料的产量品种得到快速的发展，新型墙体材料的产 量由1 9 9 5 年的1 2 1 9 亿块( 折合成标准砖) 增长到2 0 0 0 年的2 1 0 0 亿块，占墙 体材料总量的比例由1 9 9 5 年的1 6 提高到2 0 0 0 年的2 8 。有些中心城市限制 生产使用黏土砖，推广使用新型墙体材料的步伐更快，如上海市新型墙体材料 生产总量的比例从1 9 9 1 年的6 9 上升到1 9 9 9 年的8 0 。我国新型墙体材料的 产量快速增加，产品质量和产品结构得到明显的改善，技术装备水平也较快提 高。 新型墙体材料的概念是相对于传统的墙体材料实心黏土砖而言。在这 类墙体材料中有不少在发达国家已有四五十年或更长的生产和使用经验，如纸 面石膏板、混凝土空心砌块等，但结合我国墙体材料的现状，对我国绝大多数 人们来说仍是较为陌生的，为此称此类墙体材料为新型墙体材料。 在工业发达国家，上世纪5 0 年代已完成了从实心黏土砖向种轻质、高效能、 多功能的墙体材料的转变，形成了以新型墙体材料为主，常规墙体料为辅的产 西华大学硕士学位论文 品结构，实心黏土砖在发达国家所占墙体材料的比重一般不超过5 。美国和日 本建筑砌块已成为墙体材料的主要产品，分别占墙体材料总量比例的3 4 和 3 3 。欧洲国家中，混凝土砌块的用量占墙体材料的比例约在1 0 3 0 之间。 美国是纸面石膏板最大的生产国，目前的年产量已超过2 0 亿平方米。日本白2 0 世纪6 0 年代以后形成大规模生产，目前的年产量为6 亿平方米。国外的灰砂砖 目前朝着空心化和大型化方向发展，德国是灰砂砖应用比较好和使用量较大的 国家，年产量5 5 亿块左右，灰砂砖占砌筑墙体材料总量的比例仅次于黏土砖 ( 4 1 ) ，达3 2 。加气混凝土的性能进一步向轻质、高强、多项能方向发展。 在原料方面，加大了对粉煤灰、炉渣、工业废石膏、废石英砂和高效发泡剂的 利用。国外轻板的生产从原料处理、生产过程到成品包装基本或全部实现了机 械化、自动化生产，并向规模大型化发展，因此，其成本低、劳动生产率高， 如纸面石膏板生产线规模己发展的5 0 0 0 万m 2 a ，甚至8 0 0 0 万m 2 a ，线速度高 达1 2 0 m m i n ，国内研制的2 0 0 0 万m 2 a 石膏板生产线，线速度仅为4 3 m m i n 左 右。国内g r c 平板生产线，年产量一般为2 0 万1 n 2 a ，最高的也仅5 0 万m 2 a 。 而德国的w e l l c r e t e 法与t o p c r e t e 法制g r c 板生产线的年产量则可达3 0 0 - 3 5 0 万m 2 a ，相当于国产线的6 1 7 倍【1 2 】。 1 2 新型墙体材料的优势及轻质填充墙存在的问题 新型建材及制品是建立在技术、保护环境和资源综合利用基础上的新兴产 业。新型建材产品在生产过程中，能源和物质投入、废物和污染物的排放与传 统建筑材料相比都应该减少到最低程度，制造过程中副产物能重新利用，产品 不污染环境，并可回收利用。可以说新型建筑材料是可持续发展的建筑材料产 业，其发展对节约能源、保护耕地、减轻环境污染和缓解交通压力应具有十分 积极的作用。发展新型建材具有很多优势： ( 1 ) 节约耕地，有利于农业的发展。 ( 2 ) 节约能源，促进国民经济的发展。 ( 3 ) 降低建材运输量，减轻运输的压力。 ( 4 ) 综合利用工业废渣，有利于环境保护。 西华大学硕士学位论文 ( 5 ) 促进建筑技术进步，推动建筑业现代化。 ( 6 ) 改善工作、学习、生活环境，适应人们生活水平的不断提高。 当前建筑中框架结构和框架剪力墙结构的广泛应用，许多建筑必然要使用 各种类型的轻质砌块砌筑框架填充墙或隔墙，这极大的促进了各类砌块的应用。 轻质填充墙墙体材料不再使用传统的粘土砖，而是使用轻质高强和多功能的建 筑材料，即属于新型建筑材料。但与此同时，随着新型建筑材料的广泛应用， 随之而来的一系列问题也出现了，尤其是墙体的裂缝问题。有关填充墙裂缝这 类建筑质量缺陷的投诉也越来越多，人们对轻质砌块这种新型墙体材料产生了 怀疑。由于对轻质砌块缺乏了解，再加上许多粘土砖填充墙使用多年也很少出 现裂缝，许多人认为是砌块本身存在严重的质量问题，对砌块的态度由欢迎变 成了抵制，有些工程甚至又开始使用粘土砖。其实，砌块填充墙出现裂缝在世 界上很多国家都普遍出现过，一些发达国家解决裂缝的主要方法是从生产质量 方面入手，经过严格的砌块生产控制和有效的施工措施，这些国家已基本解决 墙体裂缝问题。但在我国，填充墙体的裂缝问题仍然大面积出现，这个问题给 消费者和设计施工单位带来很多负面的影响，亟待彻底解决。 轻质填充墙墙体裂缝出现的形式及具体部位如下： 正八字形裂缝，在纵墙的两端部靠近平屋顶的外墙及山墙上最容易出现。 其规律是下部裂缝宽，上部逐渐缩小。 倒八字形裂缝，在房屋两端特别是窗洞角处最容易出现裂缝。 水平裂缝，这种裂缝多见于顶层横墙、纵墙、女儿墙及山墙。 垂直裂缝，如窗台墙、过梁端部、错层处等。 x 形裂缝，多沿灰缝展开。 1 3 国内外研究现状 为了解决框架结构建筑的裂缝问题，国内外的有关科研机构、高等院校及 设计施工单位对其进行了很多研究。2 0 世纪8 0 年代，大连理工大学曾经采用矩 形杂交应力薄壳单元进行整体变温有限元应力分析17 1 ，之后合肥工业大学用弹 性有限元法对温度作用下的砌体结构进行了分析，得到了结构内部温度应力的 西华大学硕士学位论文 分布规律、结构位移情况以及不同尺寸结构的温度应力和位移变化趋势 1 引。同 济大学也采用有限元法对“混用体系中的中型砌块墙体墙片进行深入的研究 【1 9 1 。9 0 年代初，广西建筑科学研究设计院对插筋芯柱的开孔砌块砌体作为非匀 质在弹性工作范围内用有限元进行了分析 2 0 1 。9 9 年浙江大学对试点建筑模型进 行温度应力的分析，采用了弹性阶段的有限元分析 2 1 1 。哈尔滨工业大学通过散 斑图像相关技术对砌体结构房屋进行非接触性接触，建立了复杂温度场作用下 结构变为的检测方法【2 2 1 。9 8 年天津市房产住宅研究所等多家单位对砌体结构温 度应力裂缝进行了勘测、分析和理论计算【2 3 1 。东北大学提出了砌体结构开裂过 程的细观损伤数值模型，提出了块体结构过程的数值分析方法，从细观力学层 次上模拟了砌体结构试件的局部荷载下从损伤到开裂破坏的全过程，数值模拟 结构与试验结构较为吻创1 2 】。总的来讲，国内对框架填充墙裂缝的研究深度还 有限，而有限元分析也只是在把材料设为均质、连续的弹性体材料的条件下进 行的，未考虑材料的塑性特性。 研究内容体现在以下2 个方面：填充墙墙体裂缝的成因研究、墙体裂缝控 制措施研究。对于框架填充墙墙体裂缝的成因，国内外都做过深入的研究和分 析，但由于墙体裂缝的影响因素较多，成因非常复杂，目前的研究基本上仍然 仅限于定性分析。1 9 6 3 年全国裂缝会议上对这类裂缝的形成机理曾进行过定性 分析，有两种意见辩论得十分激烈：一种意见认为八字缝由温度收缩应力引起； 另一种意见认为由地基不均匀下沉引起。较多数的意见认为两种因素都有可能 引起八字裂缝。几十年来，国内外的许多科研与设计单位在现场调查与理论研 究方面进行了大量的工作，工程结构裂缝控制大师王铁梦先生在这方面独有建 树，他认为墙体顶部的正八字或倒八字裂缝是由温度收缩应力引起的。在国外， 如日本，曾探讨过正、倒八字形裂缝原因，但也只是做了定性的分析，认为这 种裂缝是由温度收缩引起，分析的结构是砌体填充的框架结构，只是裂缝形式 为八字形。我国的一些设计单位采用弹性力学方法、有限差分法，对这一问题 进行过分析。最有效的方法是有限单元法，但目前有限元也只是将砌体材料设 为均质、连续的弹性体材料，没有考虑塑性区域的材料特性【2 4 1 。 目前，大部分研究结果认为填充墙产生裂缝的成因主要有以下4 方面： 1 、温度变化产生裂缝。如框架结构顶层屋面板和填充墙的接触面紧密结合 4 西华大学硕士学位论文 时，在太阳光的辐射下，建筑物内部会因此产生相应的温度应力。顶层的梁比 墙体温度偏高，且钢混的线膨胀系数常大于砖砌体，二者的相对温差导致屋面 板受压应力，墙体受拉应力，接触面上产生剪应力。当屋面板和墙体的自由变 形差异较大时，通过摩擦阻力使墙体内主拉应力达到一定数量( 抗拉强度) 之 后，便引起斜裂缝或剪应力水平裂缝。 2 、墙体自身收缩产生的裂缝。对于框架结构填充墙，可以把每一面墙所包 含的梁柱门窗洞口和填充墙、抹灰层、外墙装饰层视为有机结合的一个整体墙。 在这个整体墙当中，由于许多内在的因素的影响，从而产生了形式多样的内应 力，砌块干缩是其中主要因素。当砌块砌筑时，材料一般较湿，其后由于气候 或使用条件而逐渐干燥，墙体水分排出而随之收缩。当砌块砌城墙后，体积的 变化使其受到砂浆和其他构件的约束，形成内应力。这些内应力从墙体砌筑完 成便己开始形成并一直在墙体中发生变化。当变化过程中形成较大的内应力并 集中在墙体的某一部位，而该处的抗拉强度不足以抗衡的情况下，则会产生裂 缝并将这部分的集中应力逐步释放。 3 、砌体材料的干、湿不稳定性产生裂缝。由于墙体材料大多是由粉煤灰、 煤矸石之类的材料压制而成的砌块，其内部空隙多，吸水率高，收缩变形大， 其制品收缩率是传统烧结粘土砖的3 倍以上。如加气混凝土砌块在自然堆积状 态下，其含水率逐步降低的同时，砌块收缩变形，当含水率达到5 时，干缩变 形才趋于稳定。干缩后的材料受潮后仍会膨胀，无水后还会干缩变形，只是干 缩率有所降低。 4 、地基不均匀沉降引起裂缝。一般情况下，当混凝土结构主体和基础刚度 较大时，其抵抗地基沉陷的能力还是比较强的。但是地基处理不满足规范要求 时，特别是在严重湿陷性黄土、冻胀土、膨胀土、盐渍土、软弱土等不良场地， 仍时常产生地基沉陷( 膨胀) 裂缝。 框架填充墙墙体裂缝的控制措施方面的研究情况如下： 控制措施主要从墙材、施工方面入手。 墙体材料方面，目前应用较多的有蒸压加气混凝土砌块、轻集料混凝土小 型空心砌块、烧结空心砖、蒸压灰砂砖等。蒸压加气混凝土砌块是以水泥、石 灰、矿渣、砂、粉煤灰、铝粉等为原料经磨细、计量配料、搅拌浇注、发气膨 5 西华大学硕士学位论文 胀、静停切割、蒸压养护、成品加工、包装等工序制造的多孔混凝土。它具有 质轻、保温、防火、可锯、可刨加工等特点，可制成建筑内外墙体。主要可用 作框架结构、现浇混凝土结构的外墙填充、内墙隔断。但是，蒸压加气混凝土 砌块受潮后变形较大，不得用于建筑物标高0 0 0 0 以下的部位或长期浸水或经 常受干湿交替的部位，不得用于受酸碱化学物质侵蚀的部位和制品表面温度高 于8 0 的部位【l2 1 。烧结空心砖通常以粘土、页岩、煤矸石、粉煤灰为主要原料 焙烧而成，主要用于建筑物非承重部位。可用于框架填充墙墙体的材料通常具 有节能、质轻、易切割、干缩变形大、质量不稳定等特点，选择墙体材料时要 选择质量稳定的，并严格按照材料要求进行施工方可避免裂缝出现。 施工方面，主体结构封顶后，应尽早进行屋面保温层和防水层的施工，在 安排施工进度时，如有可能，尽量避开在严寒和酷暑期施工，以降低温差和减 少温度应力；在进行框架填充墙施工时，应严格按照设计规定，设置墙柱拉结 筋，并确保与柱交界处的砂浆饱满、密实；填充墙框架梁底的空隙，应预停一 段时间，待填充墙沉缩基本完成后( 一般7 d 左右) ，再用斜砖( 或块) 填实顶紧 并确保砂浆饱满密实。填充墙抹灰时，如填充墙厚度小于梁、柱厚度时，应先 抹墙再抹梁面和柱面灰，以使钢筋混凝土梁、柱与填充墙交界面可能出现的裂 缝，隐藏在梁、柱抹灰层的内部；当填充墙与梁、柱同厚度时( 如异型框架梁、 柱) ，则可以在填充墙与梁、柱交界处，用专用工具抹出凹槽，并嵌填柔性好的 密封膏，使可能出现的裂缝控制在凹槽内，或在上述部位设置钢丝网，防止交 界处抹灰层开裂【6 l 。 总的来讲，框架填充墙裂缝的影响因素多，内容也较为复杂，目前对它的 研究仍然处于一种初步阶段，定性分析多，定量分析少。因此，关于填充墙裂 缝成因的分析还有很多地方需要去深入研究。 1 4 课题研究意义 建筑材料与人居环境的质量，与土木建筑活动和社会的可持续发展密切相 关。开发并使用性能优良、节省能耗的新型建筑材料，是人类合理地解决生存 发展、实现“与自然协调，与环境共生”的一个重要方面。我国党和政府一直 6 西华大学硕士学位论文 大力提倡发展新型建筑材料。中共十四届五中全会关于制定国民经济和社会 发展“九五”计划和2 0 1 0 年远景目标的建议中指出：要“大力开发新型建材 及制品 。2 0 0 0 年1 0 月1 1 日国家经贸委、国家计委发布的关于发展新型建材 的若干意见指出：“发展新型建材，大力开发和推广应用新技术、新品种，带 动行业整体素质的提高，是从根本上调整建材行业结构、推动产业升级，改善 和提高人民居住条件和生活质量，实施可持续发展战略，促进建材和建筑业现 代化的重要措施。当前建筑中框架结构和框架剪力墙结构的广泛应用，许多 建筑必然要使用各种类型新型建筑材料来砌筑框架填充墙或隔墙，解决了填充 墙裂缝问题就能更好地促进新型建筑材料应用与推广。 其次，解决了填充墙墙体裂缝问题还具有很大的社会意义和经济价值。框 架结构在我国建筑工程中应用非常广泛，但当中遇到的裂缝问题也相应较多。 随着住房制度改革、房地产权多元化、房地产事业的发展以及房屋建筑的商品 化，裂缝问题日益成为建筑工程管理、设计、施工、监理与质检等工程技术人 员的人们话题。一旦房屋建筑投入使用之后出现明显的裂缝，有关方面责任人、 用户和业主迫切希望找出产生裂缝的真正原因。了解其危害程度及安全经济的 处理方案，以妥善解决由裂缝问题引起的各种纠纷。同时，对于待建的房屋建 筑有关方面的责任人也迫切希望从设计、施工和使用上提供有效的防裂措施， 以满足房屋建筑的正常使用的要求。因此，这方面的科学研究工作，对建筑工 程设计与施工具有重要的现实意义和技术经济价值。 另外，解决好框架填充墙裂缝问题还能促进社会的稳定与和谐。框架填充 墙在工业与民用建筑中应用非常广泛，填充墙的安全与美观问题直接影响着千 家万户，这是一个关系着民生的重要课题。裂缝通常是建筑物破坏的一种前兆， 虽然有些裂缝不会危及到住户的生命安全，但当墙体开裂时，人们往往会担心 房屋质量出现了问题，产生一种莫名的恐惧感，可以说墙体的开裂会严重干扰 和破坏人们的正常生活。同时，人们对裂缝的恐惧心理也是导致各种建筑裂缝 纠纷的主要原因。可见，解决好框架填充墙裂缝问题不仅能提高住房者的生活 质量，还能保障人们的正常生活秩序，维持社会的稳定与和谐。 西华大学硕士学位论文 1 5 本文的主要工作 针对框架结构填充墙墙体尤其是顶层墙体的裂缝问题，通过模拟试验和建 模，采用有限元计算分析，将实测结果与计算分析结果进行综合，分析裂缝形 成原因，并根据裂缝成因提出相应控制措施。本文主要进行了以下几方面工作： 1 5 1 调查框架填充墙裂缝的开展情况 对框架填充墙裂缝开展情况进行广泛调查，综合调查结果总结墙体裂缝的 主要开展部位及表现形式，并结合文献资料分析框架填充墙墙体裂缝的影响因 素。 1 5 2 介绍试验建筑及其监测内容 针对框架填充墙墙体裂缝的主要影响因素进行试验，着重分析温度与材料 干缩这两方面对填充墙裂缝的影响。监测试验建筑填充墙墙体在“相同温差、 相同构造但材料不同 的条件下墙体裂缝产生和发展的情况，以及“相同材料、 相同构造但温差不同的条件下墙体裂缝产生和发展的情况。 1 5 3 分析填充墙裂缝成因 分析墙体的温度应力和墙体开裂机理，结合框架结构填充墙裂缝工程实例 归纳出引起各种裂缝的具体原因。 与框架填充墙体裂缝有关的墙体材料即砌体的物理力学性能主要有砌体强 度( 抗拉强度、抗剪强度、抗压强度) 和砌体变形( 弹性模量、线膨胀系数和收缩 率) 等【3 】。本次试验采用的墙体块体是最为常用的加气混凝土砌块和页岩空心 砖，就这两种材料的性能与墙体裂缝的关系进行讨论。 西华大学硕士学位论文 1 5 4 框架填充墙体有限元分析 利用a n s y s 有限元软件建立试验建筑整体有限元模型，对填充墙裂缝进 行真实模拟和分析，总结模拟裂缝分布规律。 9 西华大学硕士学位论文 第二章裂缝基本理论及框架填充墙裂缝的调查 2 1 裂缝基本理论 裂缝是固体材料中某种不连续的现象。在墙体中，由于诸多内在因素的影 响，墙体内产生形式多样的内应力，这种内应力从墙体砌筑完成便己开始形成 并一直会在墙体中发生变化。当变化过程中形成较大的内应力集中在墙体的某 一部位，且该处的强度不足以抗衡时，该处则会产生裂缝并将这部分的集中应 力逐步释放。 当裂缝这种现象出现在混凝土和砌体结构上时，由于结构的破坏和倒塌几 乎都是始于裂缝的出现和开展的，因而人们对裂缝往往有一种破坏前兆的恐惧 感。同时，混凝土和砌体结构裂缝可能引起渗漏，削弱结构的整体性。对于混 凝土结构，裂缝还将加速混凝土碳化、钢筋锈蚀。但是，绝大多数房屋建筑用 户，甚至某些工程现场不允许混凝土结构出现裂缝，这也是不现实、不科学和 不经济的，近代科学对混凝土材料的微观研究以及大量混凝土结构工程实践所 提供的经验都说明，钢筋混凝土结构出现某些裂缝是不可避免的，这种结构是 可以带裂缝工作的。某些裂缝是一种人们可以接受的材料特征。如对混凝土结 构裂缝要求过严，必将付出巨大的经济代价。科学的要求是将裂缝的有害程度 控制在允许范围内，这是- f - j 科学，也是- 1 7 正确对待和处理裂缝的艺术。裂 缝的分类有多种： 1 、按客观原因分类 混凝土和砌体结构裂缝原因从客观上有两类：一类是由结构上的荷载作用 引起的；另一类是由使结构发生变形作用引起的。由前者引起的称为荷载裂缝 ( 或受力裂缝) ，由后者引起的称为变形裂缝( 或非受力裂缝) ，这是两种性质 截然不同的裂缝。 使结构发生变形的因素也可分三类：第一类是结构材料在硬化过程中发生 的体积变形，这种变形因素对现浇混凝土结构以及用龄期短的混凝土砌筑的结 构影响较为明显。第二类是结构所处环境气候( 温度、湿度) 的变化，这种变 1 0 西华大学硕士学位论文 化使结构发生均匀或不均匀的体积变形( 热胀冷缩、湿胀干缩) ，这种变形因素 特别是后者对地处气候经常突变或暴晒暴雨频繁地区的结构以及火灾中的结构 影响较为明显。第三类是建筑地基的沉降、湿陷和膨胀变形，这种变形对于基 础设计欠妥、软弱地基、湿陷性和膨胀土地基以及场地基不均匀的结构影响较 为明显。此外，钢筋在混凝土中生锈，锈蚀物的膨胀变形，虽然不会导致结构 发生变形，但会使钢筋的混凝土保护层胀裂甚至脱落。因此，变形裂缝根据变 形性质的不同，有温度( 热胀、冷缩、冻胀) 裂缝、收缩( 干缩) 裂缝、沉降 ( 沉陷) 裂缝、钢筋锈蚀裂缝等。由于温度( 冷缩) 与收缩( 干缩) 几乎都是 同时存在的，故习惯统称为温度收缩裂缝。此外，根据变形约束的性质不同， 变形裂缝还可分为结构体系约束裂缝和结构局部约束裂缝。 2 、按裂缝状态分类 按裂缝随时间发展变化的状态分，有稳定裂缝和不稳定裂缝两大类。 ( 1 ) 稳定裂缝 稳定裂缝是指裂缝随时间的延续不会无限制地开展，将稳定在某一状态。 例如，由周期性气温变化引起的变形裂缝，其稳定的裂缝状态是随时间的延续 缝宽度发生周期性的扩张与缩小：对于冷缩裂缝缈一t 关系曲线如图2 1 曲线1 所示，冬季扩张，夏季缩i x ；对于热胀裂缝c o f 关系曲线如图2 1 曲线2 所示， 夏季扩张，冬季缩小。由地基沉降变形引起的稳定的裂缝状态是随时间延续， 裂缝宽度逐渐趋于稳定，如图2 1 2 所示。由荷载引起的受力裂缝，其稳定状态 是，荷载增加一裂缝开展( 运动) 一荷载稳定一裂缝稳定。 f i g u r e2 1 - 1s t a b l es t r a i nc r a c kr e l a t i o nc u r v ec a u s e db yt h ep e r i o d i ct e m p e r a t u r ec h a n g e 1 - - c o o l i n gf i s s u r er e l a t i o n a lc u r v e c o f r e l a t i o nc u r v e ： 西华大学硕士学位论文 2 - - t h e r m a le x p a n s i o nc r a c l 【s t o t r e l a t i o nc u r v e 图2 1 1 周期性气温变化引起的稳定的变形裂缝国一，关系曲线 1 一冷缩裂缝一t 关系曲线；2 _ 热胀裂缝一f 关系曲线 f i g u r e2 1 2 s t a b l es t r a i nc r a c kr e l a t i o nc u r v ec a u s e db ys e t t l e m e n td e f o r m a t i o n 图2 1 2 地基沉降变形引起的稳定的变形裂缝国一f 关系曲线 ( 2 ) 不稳定裂缝 不稳定裂缝是指裂缝随时间延续不断开展，不会稳定在某一状态。例如， 由不稳定的沉降引起的变形裂缝，将随时间的延续而开展。参照国家标准民 用建筑可靠性鉴定标准( g b5 0 2 9 2 - - 1 9 9 9 ) 的规定，当连续两个月内的沉降观 测，月平均沉降量大于2 m m 时，可认为属于不稳定沉降，在这种沉降变形作用 下，相应的裂缝( 包括宽度和长度) 也会不断地发展。由荷载引起裂缝，当钢 筋应力婶s ，1 y k j 时，荷载( 钢筋应力) 虽不增加，但裂缝却会迅速开展。 3 、按裂缝形式分类 按裂缝在结构的不同组成构件上出现的具体形式，可分为垂直裂缝、水平 裂缝、斜裂缝以及由斜裂缝形成的螺旋状裂缝等。例如对于框架梁或楼面梁有 与其轴线方向正交的垂直裂缝、平行的水平裂缝、非正交的斜裂缝以及由梁四 周斜裂缝组成的螺旋状裂缝；对于框架或独立柱有与其轴线方向正交的水平裂 缝、平行的垂直裂缝、非正交的斜裂缝以及由柱四周斜裂缝组成的螺旋状裂缝； 对于楼板有在板顶支座边或板底跨中与支承梁或墙平行的直裂缝、板底与对角 线方向平行的斜裂缝、板顶与对角线方向垂直的斜裂缝等；对于墙有与地面正 交的垂直裂缝、平行的水平裂缝、非正交的斜裂缝以及柱两侧或墙两端由斜裂 西华大学硕士学位论文 缝组成的正八字或倒八字裂缝等。 此外，裂缝按进入构件的深度，可分为表面裂缝( 深度未超过混凝土保护 厚度) 、深层裂缝( 深度超过混凝土保护层厚度) 以及贯穿裂缝( 深度等于构件 截面的宽度或厚度) 。 2 2 框架填充墙裂缝的特点 1 、框架填充墙裂缝属于变形裂缝 框架结构填充墙只承受墙体自重，不承担上部荷载，因此填充墙裂缝 不属于受力裂缝。当出现结构材料硬化导致的体积变形、环境温湿度变化、 地基沉降等非荷载因素影响时，墙体结构发生变形作用，当这种变形超出 墙体的自身强度极限时，框架填充墙开裂。因此，框架填充墙裂缝属于变 形裂缝。 2 、框架填充墙裂缝出现的部位 ( 1 ) 填充墙墙体与框架交接处裂缝出现的最多，尤其是墙头的两端部。据 分析，墙体的温差应力在房屋两端部形成最大值。因此，在墙体的两端部最容 易导致主拉应力破坏。 ( 2 ) 门窗洞口四角处也容易开裂( 如图2 2 2 1 和图2 2 2 2 所示) 。 ( 3 ) 墙体裂缝项层和次顶层相对较多，端开间尤其严重。由于屋顶梁板热 胀或冷缩时，会产生较小的运动，使得项层横墙或纵墙沿墙项支座处错动而形 成通长水平裂缝。同时，顶板受热膨胀也会对山墙及女儿墙产生水平推力，从 面产生水平裂缝( 如图2 2 2 3 和图2 2 2 - 4 所示) 。 ( 4 ) 在长墙体中间部位，不但边界出现裂缝，墙体中部亦出现竖向通缝。 ( 5 ) 总体上采用烧结砖( 如粘土多孔砖、页岩烧结砖) 的墙体裂缝比非烧 结墙体裂缝少【”】。 西华大学硕士学位论文 f i g u r e2 2 1o b l i q u ec r a c k i n ga b o v et h ed o o ro faf r a m e d s t r u c t u r e - f a c t o r y 图2 2 1某框架厂房门洞上方斜向裂缝 f i g u r e2 2 2 aw a r e h o u s e sw i n d o wa n g l eo b l i q u e l yc r a c k i n g 图2 2 2 某仓库窗角斜向裂缝 1 4 西华大学硕士学位论文 f i g u r e2 2 3 a f a c t o r y sf r a m e dw a l lh o r i z o n t a l l yc r a c k i n g 图2 2 3厂房框架间隔墙水平开裂 f i g u r e 2 2 - 4af a c t o r y sp a r a p e tw a l lh o r i z o n t a l l yc r a c k i n g 如图2 2 4 某厂房撕立面女儿墙水平开裂 1 5 西华大学硕士学位论文 3 、填充墙产生裂缝的影响因素 ( 1 ) 墙体材料的影响。对于框架结构填充墙，可以把每一面墙所包含的梁 柱门窗洞口和填充墙、抹灰层、外墙装饰层视为有机结合的一个整体墙。在这 个整体墙当中，由于许多内在因素的影响，从而产生了形式多样的内应力，砌 块干缩是其中主要因素。当砌块砌筑时，材料一般较湿，其后由于气候或使用 条件而逐渐干燥，墙体水分排出而随之收缩。当砌块砌城墙后，体积的变化使 其受到砂浆和其他构件的约束，形成内应力。这些内应力从墙体砌筑完成便已 开始形成并一直在墙体中发生变化。当变化过程中形成较大的内应力并集中在 墙体的某一部位，而该处的抗拉强度不足以抗衡的情况下，则会产生裂缝并将 这部分的集中应力逐步释放。砌体材料的干、湿不稳定性也会产生裂缝。由于 墙体材料大多是由粉煤灰、煤矸石之类的材料压制而成的砌块，其内部空隙多， 吸水率高，收缩变形大，其制品收缩率是传统烧结粘土砖的3 倍以上。如加气 混凝土砌块在自