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砌体结构现浇混凝土楼板温度应力研究 研究生：张珂峰导师：曹双寅教授 东南大学土木工程学院 摘要 砌体结构是目前我国住宅建筑的主要结构形式之一，现浇混凝七楼板温度裂缝问题是其 常见而义亟待解决的问题。国内外专家、学者对砌体结构的温度裂缝问题进行了大量的科学 研究，提出了不同观点，但基本上仅局限丁砌体结构温度裂缝的定性分析，还缺乏深入系统 的研究，主要体现在以下几个方面：( 1 ) 对砌体结构的温度作j h j 缺乏必要的、足够的现场实测 资料；( 2 ) 温度府力的计算理论还不完善，剪虑力法、放松法等温度应力的简化计算方法均存在 一定的局限性；( 3 ) 国内至今仍没有一套关于砌体结构温度裂缝计算及其构造的规范化要求， 砌体结构设计规范( g b 5 0 0 0 3 2 0 0 1 ) 关丁砌体结构的抗裂措施也存在一定的局限性。 基于此，本文对砌体结构温度场进行了仿真分析、探讨了砌体结构温度应力计算方法， 并在此基础上论述砌体结构现浇混凝十楼板温度裂缝的产生原因，对影响砌体结构温度分布 因素进行了理论分析研究。并得出基于温度效应的砌体结构抗裂设计方法，对现浇混凝十楼 板温度裂缝的成冈进行深入的理论分析，并提出设计、施工预防措施，具有比较大的社会效 益和经济效益。 本文分析了砌体结构房屋温度效应在夏季和冬季的特点。计算儿组模型在温差作用下的 楼板应力，探讨了外墙厚度、住宅平面形状和楼板厚度等因素对楼板应力的影响。通过有限 元计算分析，在以上分析研究的基础上，提出一些治理砌体结构现浇板裂缝的有效措施。 关键词：砌体结构现浇楼板裂缝温度效应 a bs t r a c t m a s o n r ys t r u c t u r e i so n eo ft h em o s t i m p o r t a n t f o r m so fr e s i d e n t i a l b u i l d i n g si nc h i n a t h ec o m m o na n du r g e n tt ob es o l v e dp r o b l e mf o r t h i sk i n do f s t r u c t u r e si s t e m p e r a t u r e c r a c k si nc a s t - i n p l a c er e i n f o r c e dc o n c r e t ef l o o r s al o t o f s t u d i e sh a v e b e e nd o n eo nc r a c k so fm a s o n r ys t r u c t u r eb o t h i na n do u t s i d e c h i n a t h e r ei sn o s y s t e m a t i cr e s e a r c h i n t h i sf i e l d u p t od a t e d i f e r e n t o p i n i o n sh a v e b e e np r o p o s e df o c u s i n go nq u a l i t a t i v ea n a l y s i so ft e m p e r a t u r ec r a c k s t h e p r e s e n ts i t u a t i o ni nt h i sa r e ac a nb es u m m a r i z e da sf o l l o w s ：( 1 ) t h e r e a r en o t e n o u g h o b s e r v a t i o nd a t ao nt e m p e r a t u r ef i e l d ( 2 ) t e m p e r a t u r es t r e s sc a l c u l a t i o nt h e o r i e sa l ep e r m a t u r e ( 3 ) f u r t h e r m o r e ，m e t h o d s o fc o n t r o l l i n gt h e t e m p e r a t u r e c ra c k s i nm a s o n r ys t r u c t u r e a r ei n c o m p r e h e n s i v e ，i n c l u d i n gt h o s ep r o p o s a l si n m a s o n r ys t r u c t u r ed e s i g nc r i t e r i o n ( g b 5 0 0 0 1 - 2 0 0 1 ) t h e o b j e c t i v e o ft h i s p a p e r i st od ot h eo b s e r v a t i o na n ds i m u l a t i o no ft h e t e m p e r a t u r e f i e l da n dt os t u d y , t h ec a l c u l a t i o nm e t h o do ft h e t e m p e r a t u r e s t r e s s o fm a s o n r ys t r u c t u r e f u r t h e r m o r e ，t h ec o n c e p t u a l i z e da n t i c r a c kd e s i g nm e t h o do fm a s o n r y s t r u c t u r eb a s e do n t e m p e r a t u r e e f f e c ti sd i s c u s s e c r a c ki nc a s t i n p l a c er e i n f o r c e d c o n c r e t ef l o o r si sac o m m o n p r o b l e mo fb u i l d i n gq u a l i t y i nt h ep a p e r , c a u s e so f t e m p e r a t u r ec r a c k si nc a s t - i n p l a c er e i n f o r c e dc o n c r e t ef l o o r sa r et h e o r e t i c a l l ya n a l y z e d ，a n d d e s i g na n dp r e v e n t i v em e a s u r e sa r ep r o p o s e d ，w h i c hh a v es i g n i f i c a n ts o c i a la n de c o n o m i c b e n e f i t s c h a r a c t e r i s t i c so fm a s o n r ys t r u c t u r eb u i l d i n g st e m p e r a t u r ee f f e c ta l e a n a l y z e d i n t h ew i n t e ro rt h es u m m e r s o m ef a c t o r ss u c ha st h es h a p eo ft h es l a b ，w h i c ha f e c tt h es t r e s s o ft h es l a bu n d e rt e m p e r a t u r ea n dt h es h r i n ka g eo fc o n c r e t es l a b sa r ed i s c u s s e dt h r o u g h c a l c u l a t i n gs o m em o d e l s a tl a s t ，t h ee f f e c t i v et e c t o n i cm e a s u r e sa r ec o m eu pw i t ht op r e v e n t t h et e m p e r a t u r ec r a c k 。o nt h eb a s i so fa b o v ec o n t r o lc r a c ka n a l y s i s ，s o m ee f e c t i v e m e a s u r e sa l e p u t f o r w a r dt oc e n t r e lc r a c k k e y w o r d s ：m a s o n r ys t r u c t u r e ，c a s b i n - p l a c er e i n f o r c e dc o n c r e tf l o o r ,c r a c k ， t e m p e r a t u r e e f f e c t 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，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，也不包含为获得东南大学或其 它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了谢意。 研究生签孝：立冬亟乒卜 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交 学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论 文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内 容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 一虢娣地 期： 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 改革开放以来，我国建筑业取得了辉煌的成就，形式越来越多样、新方法越来越多， 其中混凝士结构、预应力洮凝士结构的设计和施1 二技术突乜猛进，日新月异，取得大批 先进、成熟的科技成果，混凝土结构设计理论与设计规范水平己跻身世界先进行列。在 建筑材料方面开发出一人批新型高强和高性能材料，如高强混凝士、超高强混凝七、高 性能混凝十、超高性能混凝士、轻质混凝十、钢纤维、塑料纤维、玻璃纤维混凝土、碳 纤维混凝土、约束混凝十等，大批新品种的外加剂和掺合料已出现在建筑市场。在砌体 结构方面，我国的空心砖及砌块建筑也获得迅速发展，并且在中国人量多层住宅中使用。 在建筑领域，泵送混凝十的发展实现了混凝十商品化供应方式，从而改变了以预制 化作为混凝士结构的设计方向，转向现浇整体结构；在施工方面，由干硬性混凝土转向 流动性混凝十。随着人们生活水平的不断提高，以及住宅的商品化，人们对住宅质量的 要求也越米越高，给建筑业也提山了更高的要求。传统的预制多孔板的缺陷也逐渐暴露 出来，例如沿预制板长度方向的板缝；楼面的整体性、抗震性较低，水电安装管的敷设 受到一定的限制，防渗功能差，加之其经济性不太显著，许多开发商、设计人员把眼光 投向了现浇混凝十楼板结构。1 9 9 9 年以后，在全国各地现浇混凝土楼板大量代替预制构 件。目前大部分地区住宅都采用了现浇钢筋混凝土楼板。 我 j 、j 应当看到在大规模建设取褥上述巨人成就的同时还存在着质量问题。目前，在 工程结构领域中一个相当普遍的问题是建筑物的裂缝问题，特别是最为主要的结构形式 砌体结构裂缝问题，并且近年来日趋增多，它已经影响到生活和生产，困扰着人批工程 技术人员和管理人员，是迫切需要解决的技术难题。 尽管结构设计是建立在强度的极限承载力的基础上的，但大多数一i _ i 程的使用标准却 是由裂缝控制的。另一方面，由于结构在外荷载作用下的破坏和倒塌也都是从裂缝的扩 展开始的，如强烈地震后震区的建筑物上布满了各种各样的裂缝，砌体结构墙体和楼板 上出现大量的裂缝等等。所以人们对裂缝往往产生一种破坏前兆的恐俱感。同时，随着 建设规模的不断扩大以及住宅商品化改革的进一步推进，人们对建筑1 ：程质量要求越来 越高。特别是近几年，由于住宅裂缝问题而引起的投诉也日益增多，使得对裂缝问题的 研究尤显重要。住户在使用混凝土结构和砌体结构的同时，由于对混凝士的性能了解不 深。虽然从近代科学关于混凝土工作和砌体结构工作的研究及大最的工程实践证咧卜7 。， 混凝土结构和砌体结构裂缝是不可避免的。裂缝是人们可以接受的一种材料特性，只要 使有害程度控制在某一有效范围之内，不致对建筑物的使用造成危害即可。因为工程中 使用的混凝土是多种材料组成的一种混合体，且又是一种脆性材料，在受到温度和受力 等因素的作用下，都有出现裂缝的可能性。如对建筑物抗裂要求过严，必将付出巨大的 经济代价；科学的要求应是将其有害程度控制在容许范围内。如何根据现有的国情国力， 对建筑物的裂缝进行控制研究将具有重要的现实意义和技术经济意义。 东南人学硕十学位论文 1 2 研究问题的提出 目前，砖( 砌体) 墙和现浇钢筋混凝土楼板相结合的混合结构在我国是比较常见的一种结 构形式，尤其在多层住宅中更为普遍。全国基建中采用砌体作墙体材料约占8 0 左右，在办 公、住宅等民用建筑中人量采用砖墒承重。5 0 年代这类房犀一般为3 层，现在已为5 - 6 层， 不少城市一般建剑7 8 层。目前每年兴建的城市住宅建筑面积多达2 亿平方以上。其中7 0 是 砌体结构。 这种结构形式以其经济性、实用性而得到普遍使用，但使用中也存在着一些问题。其中 最普遍的问题是混合结构房屋易出现裂缝，这些裂缝产生的部位除了顶层墙体和犀面板之外， 楼面板也经常出现裂缝，特别是板角4 5 度斜裂缝出现概率极高。现在，住宅现浇楼板的裂缝 是一种常见的建筑质量垢病，也是住户投诉较多的热点问题。虽然许多裂缝并不影响结构的 承载力。但是它直接影响用户对住房的美观和使用功能的要求，更由于开裂造成渗漏、钢筋 锈蚀，降低了建筑的使用寿命。因此，防治现浇楼板开裂己成为住宅建设中一个十分重要和 迫切的问题。 对现浇混凝土楼板裂缝的成冈进行深入的理论分析，并提出设计、施一i ：预防措施，具有 巨人的社会效益和经济效益。根据凋查发现许多砌体结构现浇混凝十楼板受温度应力影响产 生裂缝很多，尤其板角4 5 度斜裂缝跟温度应力有很大关系。如何采用抗放相结合的方法去解 决砌体结构现浇混凝土楼板由于温度应力产生的裂缝的产生，是我们亟待解决的问题。 导致砌体结构开裂的因素较多，如温度应力、地基的不均匀沉降、强度不满足要求、砌 体的干缩变形与施工质量不佳等，其中砌体结构温度裂缝是个相当普遍的问题，大量统计 资料表明8 0 以上墙体开裂的主要原冈是因温度变化利材料收缩引起的，它已成为影响房屋 使用、美观和耐久性的主要冈素之一。 关于砌体结构温度裂缝的工程实例枚不胜举。如在安徽阜阳1 9 9 6 年对六层砌体结构住宅 楼进行调查，发现建筑物顶层两单元外墙窗口，内墙外墙、楼板均出现不同程度的裂缝， 经分析，主要是由温度应力是裂缝产生的主要原冈。1 9 9 4 2 0 0 0 年深圳出现人量的由于砌体 结构住宅温度裂缝的法律纠纷。对于砌体结构温度裂缝的研究，全国各地的专家学者对于砌 体结构裂缝的调查已经出现了一些成果资料。例如：1 9 9 3 年广西柳州曾经调查的某小区的1 2 幢砌体结构楼房中，其中有8 幢因温度裂缝导致外墙出现渗漏现象，严重影响了其使用功能 口1 ；1 9 9 6 年艾兵等【3 j 曾对连云港和西安地区的百余幢砌体结构建筑物的裂缝形状、调查，通 过对砌体结构顶层墙体温度的实测分析，发现温度应力是造成砌体结构开裂的主要原冈之一； 1 9 9 9 年河北曾对7 3 幢新建砌体结构进行了裂缝调查【4 l 因温度应力致墙体开裂的有5 9 幢， 达8 6 6 ；1 9 9 7 年，天津市房管部门对某住宅小区3 0 幢住宅墙体裂缝进行了普查【5 l 发现 其中9 0 的楼房均存在不同程度的温度裂缝；在湖南调查显示，6 层底层框架结构二层以上为 砌体结构的商住楼、4 - 5 层砌体结构商住楼，均在顶层墙体发现倾斜裂缝1 6 l ；2 0 0 4 年广西大 学对楼板非荷载砌体结构现浇楼板裂缝进行了调查发现砌体结构现浇混凝士楼板裂缝出现非 常普遍。从以上研究文献可以发现，无论是寒冷的北方，或是炎热的南方，砌体结构包括现 2 第一章绪论 浇混凝土楼板温度裂缝是一个相当普遍性的问题。 随着房商品化的发展，人们对居住环境利建筑质量的要求不断提高，对建筑物墙体和楼 板的裂缝控制的要求更为严格1 7 驯。建筑物的裂缝己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。因此加强研究砌体结构抗裂措施，就有很大的迫切性。由于目 前很多专家对砌体结构墙体的温度裂缝研究文献【1 2 j 较多，但主要研究的是砌体结构的墙体， 而砌体结构混凝十现浇楼板的温度应力裂缝研究较少。为进一步研究砌体结构现浇混凝土楼 板温度裂缝的产生原因，制定现浇板的温度裂缝控制措施是一个非常重要和迫切的课题，对 国民经济、社会影响均具有深远的经济和社会效益。 1 3 砌体结构裂缝产生的主要原因 砌体结构的裂缝是砌体结构中的固体材料的某种不连续的现象，是由材料内部的初始缺 陷、微裂扩展引起的，引起裂缝的原因很多，目前经过国内外的专家研究后总结得出，可归 纳成两大类以下几种1 1 3 - 1 4 1 ： 第一类，由外荷载引起的裂缝，也称为结构性裂缝、受力裂缝，其裂缝与荷载相应，预 示结构承载力可能不足或存在严重问题。这些外荷载主要是直接作用的力，它直接以利的不 同集结形式作用于结构，它包括结构的自重、行人及车辆、各种物品及设备、风压力、雪压 力、积水、积灰等荷载在砌体结构构件上作用，使这些构件其影响产生裂缝。 第二类，可以成为间接作用引起的裂缝，它不是以力的某种集结形式出现引起的裂缝， 而是由变形引起的裂缝，也称非结构性裂缝。如温度变化、混凝土收缩、基础不均匀沉降等 因素引起的变形，根据国内外的调查资料，工程结构物的裂缝原因，属于变形变化引起的裂 缝几乎占全部可见裂缝的8 0 左右。变形引起的裂缝起因，是由于结构首先要求变形，当变 形得不到满足才引起应力，而且应力尚与结构的刚度人小有关，只有当应力超过一定数值才 引起裂缝出现后变形得到满足或部分满足，同时刚度下降，应力就发生松弛。 两类裂缝有明显的区别，危害效果也不相同，有时两类裂缝融在一起。根据调查资料表 明：两类裂缝中，变形引起的裂缝占主导，约 结构物总裂缝的8 0 ，其中包括变形与荷载共 同作用，但以变形为主所引起的裂缝：属于荷载引起的裂缝约占2 0 ，其中包括变形与荷载 共同作用，但以荷载为主所引起的裂缝。为了确保t 程质量，应从各方面采取有效措施控制 裂缝，尽量减少裂缝的数量和宽度，尤其避免有害的裂缝出现。 砌体结构产生裂缝的原冈是多种的，其裂缝的形式也是多样的，裂缝原因分析是为裂缝 危害性评定、裂缝的修补和加固提供依据，若对裂缝不经分析研究就盲目进行处理，不仅达 不到预想的效果，还可能潜藏着突发性事故的危险。 对于砌体结构现浇混凝土楼板，由变形为主引起的裂缝所占的比例更大，在哈尔滨市的 一次砌体结构的的一调研过程中发现：几乎所有的现浇混凝土楼板裂缝都是由变形为主引起 的，所以本文所重点关注的是由第二类荷载( 温度等) 引起的裂缝，现在砌体结构的墙体温度 裂缝研究较多，而对砌体结构现浇混凝土楼板研究较少。所以现浇混凝土楼板成为我研究主 3 东南大学硕j j 学位论文 要内容。 1 4 国内外研究现状 砌体结构建筑物在我国历史悠久。历史上有举世闻名的万里长城，它是建造的世界上最 伟大的砌体工程之一；有春秋战国时期李冰父子负责修建，如今仍然发挥灌溉作用的都江堰 水利工程；有1 4 0 0 年前用料石修建、现仍保存完好的河北赵县安济桥。到了1 9 7 6 年唐山大 地震后，唐山大板建筑群、南京人桥旅馆等砌体结构建筑物，更显示了我国在新结构、新材 料和新技术方面的研究上了一个台阶【l5 1 。另外，逐步完善了具有我国特色的砌体结构设计计 算理论，修订了砌体结构设计规范，因此砌体结构住我国建筑领域中得到了更人的发展。 在国外，砌体结构和钢结构、钢筋混凝十结构得到了同样的发展。从材料、计算原理、 设计方法到上程应用都取得了很大的进展。粘土砖的强度等级高达1 0 0 m p a ，砂浆的强度等 级用到2 0 m p a 。为了得到高抗压强度的砖砌体，还可以在砂浆中掺入有机化合物形成高戮和 砂浆，砂浆的抗压强度可达3 5 m p a 以上。用砖石结构承重修建十几层或更高的高层建筑楼房 己经不很困难，实际上在一些国家已经建成投入使用。 国内外专家把很大的精力用于研究裂缝。近代科学关丁混凝土、砌体强度的细观研究以 及人量上程实践所提供的经验都说明，结构物的裂缝是不可避免的，关于裂缝的预测、预防 和处理工作统称为建筑物的裂缝控制，这方面的科学研究工作具有重要的现实意义和技术经 济意义。 为了解决砌体结构温度应力裂缝的问题，国内外的有关科研机构、高等院校以及设计施 工单位，对其进行了很多研究，做了大量工作。有关混合结构温度应力裂缝，在1 9 6 0 年热带 国家混凝士和钢筋混凝土国际会议上以色列的罗森豪普特( s r o s e n h a u p t ) 、科夫曼( a k o f m a n ) ，罗森哈尔( l r o s e n h a l ) 提出了一篇定量分析及试验的研究报告【1 6 1 。该文对混合结构的 温度应力的研究颇有参考价值，只是在计算模型中忽略了地基对墙的约束并假定墙体与顶板 具有相同的膨胀系列】。在日本也曾对墙体上的正、倒八字形裂缝成冈进行研究，认为这种 裂缝是由于温度和收缩引起的。国外也有针对砌体开裂的有限元分析。1 9 7 9 年h e g e m i e r 采 用了弹性有限元法分析砌体双剪试件，并按照砌块、砂浆实际应力分布推得砌体抗剪强度公 式，同时h a m i d 也采用了弹性有限元法分析得到砌体水平灰缝受剪面上的抗剪强度( 1 8 l 。但对 在复杂的温度应力的作用下的砌体和整体模型的计算分析还需作深入的研究。8 0 年代我国近 百个设计院、科研院校以及生产、施工单位开展了相关的科研工作。在较短的时间内取得了 丰硕的成果。当时的研究主要几种在对砌体强度的研究，对砌体建筑的裂缝问题的研究还相 对较少。 1 9 6 3 年全国裂缝会议上对这类裂缝的形成记录进行了定性的分析，简单的说来有两种意 见认为八字形裂缝是由温度收缩应力引起的【1 9 l ；另一种意见认为由地基的不均匀沉降引起 的。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 力分析并得到了一些初步的结论【2 0 l 。随后，合肥工业大学用弹性有限元法对温度作用下的砌 4 第一章绪论 体结构进行了分析，得到了结构内部温度应力的分布规律、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 2 。9 0 年代初，广两建筑科学研究设计院对插筋芯柱的开孔砌块 砌体作为非匀质弹性t 作范围内用有限元法进行了分析【2 2 】。 1 9 9 9 年浙江人学结合杭州混凝土小型空心砌块多层住宅试点j ：程的设计，通过测试和计 算分析得到试点建筑的温度分布，然后用所得温度场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砌块建筑温度效应问题进行了有限元数值分析团l 。1 9 9 8 年天津 市房产住宅研究所、天津市房屋鉴定勘测设计院、天津人学建筑设计研究院和天津市城市建 设学院对砌体结构温度应力裂缝进行了勘测、分析和理论计算1 2 4 1 。哈尔滨工业人学唐岱新教 授1 2 孓2 6 】，于2 0 0 1 年进行了砌块房屋温度裂缝的墙体开裂试验研究，提供了便于结构在温度荷 载作用下的性能试验方法，同时用有限元程序对砌体墙片的收缩应力进行了弹性范围内的计 算，得出墙体温度裂缝的出现既存在墙体抗渗、保温、外观等使刚功能上的影响，同时也对 承载力和抗震性能不利。在裂缝研究中，王铁梦教授较为详细、系统地论证了大体积混凝士 及各种结构形式一包括排架结构、特殊构筑物、民州建筑、低温结构产生裂缝的原冈及特征。 结合工程实际，提出了： 程实川计算理论。该计算理论分析了混凝土干燥收缩及温度变化两 个因素，得出温度应力与结构物长度尺寸的非线性关系，对伸缩缝的间距设置起剑了指导性 作用。还推导出边界约束对结构的影响，定量地给出了用约束系数表达的公式。该文献义提 出了治理裂缝的两人措施：“防”与“抗”，具有很强的辩证思维。最后给出了裂缝控制的技 术方法和裂缝的修补方法【l7 1 。朱伯芳【z 7 j 在温度场及温度应力的计算过程中给出了各种边界 条件下稳态温度场的解析解，对温度应力的理论计算具有指导意义。文献中还考虑了涉及温 度、收缩、徐变、钢筋等各种相关因素的计算一方法，提出了控制温度预防裂缝的技术措施。 对温度应力计算研究比较详细的是刘兴法所著的混凝土结构的温度应力分析【2 8 】在多年工 程实践基础上，从理论上介绍了混凝土结构温度应力计算方法，其研究的对象主要是桥梁结 构，对民用建筑温度应力计算未涉及。但其研究方法值得借鉴。许雪峰1 2 9 l 通过分析荷载作用 下各种结构参数的变化，对楼板应力产生的影响，得出一般楼板结构在荷载作用下会产生板 角应力区域的结论，并总结出其分布规律。该文献主要针对框架结构，由于砌体结构与框架 结构的荷载传递路线不同，因此该理论对混合结构现浇板裂缝产生原因不能很好的解释。但 其在分析混凝土收缩造成的楼板应力，单独考虑板角区域的两边产生剪应力，忽略了在板角 区域数值较小的两个正应力，简化了计算，得出板角区域的士拉应力在数值上与板角区域两 边剪应力相等，方向沿楼板中心连线，与工程实际中产生的4 5 。斜裂缝相吻合。东南大学曹 双寅教授和潘建伍砌体结构现浇钢筋混凝士楼板温度应力分析【3 0 j 对现浇楼板的温度应 力进行了有限元分析，研究了设伸缩缝对温度应力的影响及设缝方法的探讨，提出在板上设 缝的方法，这种设缝方法有着一定得创新性。因此采用此文献的方法预防温度裂缝可能会导 致结构抗震性能降低。天津大学吴文涛所研究论文砌体结构温度裂缝的研究1 3 1 】首次全面 的分析了整体建筑的温度裂缝分布规律、墙体裂缝形成机理，同时针对“放、抗”的方法提 出了防止墙体开裂的各种构造措施。分析比较了各国温度裂缝控制措施和我国砌体规范关于 墙体的抗裂措旋，但文章主要分析砌体的开裂对现浇楼板的开裂没有进行研究。2 0 0 5 年河海 大学朱国忠砌体结构温度裂缝机理与抗裂概念设计1 3 2 j 一文对砌体结构墙体与屋面板的温 5 东南火学硕一i ：学位论文 度场的仿真分析结果与实测数据的对比分析表明，文中根据热传导理论计算得到的砌体结构 墙体、屋面板温度与实测的墙体、屋面板温度变化规律一致。此文的仿真分析方法能得到结 构在任意点或任意时刻的温度分布，可为温度应力的计算提供可靠依据。温度裂缝的出现位 置可根据结构温度应力的分布图来判断。砌体结构的温度应力不仅与温度有关，还与结构的 约束程度、结构的型式尺寸等因素有关。房屋设置温度伸缩缝的主要作用是防止结构出现竖 向通长裂缝，但是此文的研究对象还主要集中在墙体和屋面板，对楼板虽有提及，却研究其 少很少。国内对现浇楼板裂缝的研究还不多，处于探讨阶段。由其对于砌体结构现浇混凝土 楼板温度应力的研究比较少，还有很多方面需要研究。 1 5 本文研究内容 本文对砌体结构现浇混凝士楼板裂缝进行了些现场调查，本文采川有限元分析法对砌 体结构进行了仿真分析，研究了砌体结构温度应力的有限元计算方法，从关于砌体结构温度 应力的工程实例出发，对目前砌体结构温度应力与温度裂缝的研究方法进行总结并分析砌体 结构现浇混凝+ 楼板裂缝其产生的原因，运用a n s y s 软件分析了该结构的温度应力分布规 律。在文章中提出了砌体结构现浇混凝土楼板温度应力研究分夏季温差人地区砌体结构、冬 季温差大地区两种二l 况，对两种：况下的砌体结构受温度应力进行研究。分别提出不同情况 下的抗裂设计。 本文所研究的土要内容可归结为以下几点： 1 ) 进一步探讨了砌体结构现浇混凝土楼板温度裂缝的产生原冈进行分析，对影响砌体 结构温度分布因素进行了理论分析，总结归纳了常见的砌体结构现浇混凝土楼极温度裂缝 类型。 2 ) 对南通地区砌体结构混凝土现浇楼板裂缝进行调查，结合其他地区的调查文献得出 一定的规律。 3 ) 基于有限元法的基本原理、运用a n s y s 软件对砌体结构温度场进行仿真分析，研 究了砌体结构现浇温度场的分布规律，并将部分仿真分析结果与裂缝调查数据进行了对比 分析。分夏季人温差、冬季大温差两种工况下现浇混凝土楼板温度应力的分布情况，并研 究两种工况下建筑和结构设计对砌体现浇混凝十楼板温度应力的影响。 4 ) 在以上分析研究的基础上，提出分夏季温差大地区和冬季温差大地区对砌体现浇混 凝土楼板温度裂缝应区别对待，提出相对应的一些治理混合结构现浇楼板裂缝的有效措施。 6 第二章砌体结构现浇板裂缝调查分析及研究方法 第二章砌体结构现浇板裂缝调查分析及研究方法 2 1 砌体结构现浇板裂缝的种类 2 1 1 砌体结构现浇楼板4 5 。角裂缝 从南通市的调查中发现大多数发生在房屋二端山墙的转角处，房屋四角及内外墙交接角 部，且大多数裂缝穿透楼板，裂缝形态一般呈中段宽，两端窄裂缝呈4 5 。走向，裂缝宽度肉 眼可以明显观察剑( 一般肉眼可见裂缝宽度约0 0 3 - 0 0 5m m ) ，且上下贯通。在房屋的其它部 位也有出现，但数鼙极少。 在调查中发现砌体结构多层住宅楼的角裂缝，随楼房长度越长裂缝发生儿率越人，但裂 缝发生部位人体上相同。在调查中还发现即使设了伸缩缝依然会出现极角裂缝，并且角裂缝 发生机率最高。 发生原因分析：l 、收缩特性和温差双重作用所引起的；2 、板角负弯距筋配置不当；3 、 上层钢筋朱得到有效保护，踩踏严重或板面的找平层过厚。 2 1 2 横向裂缝和纵向裂缝 横向向裂缝是指平行于楼板的短边，垂直于楼板长边的裂缝。纵向裂缝是平行于长边， 垂直于短边的裂缝。由于现在房屋大部分是双向板在我们调查过程中发现在楼板中部会出现 及墙边会出现横向和竖向裂缝。在调查中发现横向裂缝和纵向裂缝发生贯穿裂缝较多。 发生原因分析：l 、水泥随意添加，用量过大，水灰比控制失当。混凝土养护不当，失水 过多。2 、室内外温差过大。 2 1 3 放射型裂缝 放射型缝是指多条裂缝汇交于一点的情况。从工程资料可以发现这些裂缝通常出现在天 花板上的吊灯周嗣，是由于吊灯的安装不当造成的。 发生原因分析：1 、p v c 管设置不合理，穿管过密，使用过多；2 、楼板厚度为够，保护 层不符合要求。 2 1 4 其他裂缝 除了上述三种裂缝之外，现浇板裂缝还有其他形态的裂缝。这些裂缝可看作斜裂缝、横 向裂缝和纵向裂缝的组合。 7 东南人学硕1 j 学位论文 在调查中发现的裂缝分布的现象分析： 很多裂缝一般在房屋尚未投入使用就出现了裂缝，即楼板除受自重外未受到可变荷载时 就会产生许多裂缝。裂缝在地基条件很好的情况下也会发生，现场也未观测到不均匀沉降现 象。角裂缝也并非是对称的分布的，在整个房屋的分布上也不是对称的，房屋南面一侧普遍 比北面- t 贝j j 裂缝出现机率高。每一层裂缝出现的机率并不相同，底层和屋顶裂缝较多，并非 有些人认为的楼层越高裂缝越多的判断。 从这些现象可以认为板裂缝很多并非是由于荷载造成的，很多是由于房屋的变形造成的， 在调查中发现同一层中裂缝的分布不对称，又没有地基不均匀沉降。所以从中分析可以认为 室内外的温度差产生的温度应力造成的裂缝，是砌体结构现浇楼板裂缝产生的重要原冈。 2 2 砌体结构现浇板裂缝调查分析 2 2 1 砌体结构现浇板裂缝调查 2 0 0 6 年南通市建筑质量检测中心对南通天虹花苑的砌体结构住宅现浇混凝士板裂缝进 行了一些调查，对该小区的调查对象为9 栋砌体楼共三种楼型，每种楼型3 幢。 调查砌体结构材料为：砖为粘土多孔砖( m u l 0 ) ，砂浆为混合砂浆( m 1 0 ) ，墙体厚度为 2 4 0 m m ，混凝土强度等级为c 2 0 的构造柱断面尺寸为2 4 0 2 4 0 m m ，每层设混凝土强度等级为 c 2 5 置罔梁，断面为2 4 0 x 4 0 0 m m 钢筋混凝土现浇板厚为1 2 0 m m ，在变形缝处上部结构完全分 开，基础仍连成一体。基础形式为钢筋混凝士条形基础。在图2 1 、图2 2 、图2 - 3 可以显示。 在图中由于放射性裂缝并不是经常出现，没有规律大多与施工工艺质量有关，并没有固定发 生的区域。所以在图示中没有绘制。 厂一 - 一 一j卜 j c 广_ - 卜1，o h o 一 十jf 弋圳 1 0 r 6 ，砖砌体的线胀系数为qs = 5 x1 0 由，当两者以相同的温差升降时，由 于线胀系数不同，在接触面上将产生相对位移，由此产生的温度变形位移被结构的内、外约 东南人学硕l ：学位论义 束阻碍时，会产生相当人的温差应力。而在约束条什一卜这种位移受到限制而产生剪应力，若 两者以不同的温度变化，则这种剪麻力更大，剪应力与相对位移u 成止比，即t = c x u 。这 种温差应力一旦超过混凝- 十的抗拉强度或者砖砌体的弯曲抗拉强度，就会产生裂缝。 在本次调夯中发现扳角4 5 。裂缝出现非常多，并且砌体结构中楼板与圈梁整体浇注，墙 体及网梁对现浇楼板支承边界具有较强的约束作用，由丁混凝土的收缩应力，加上反复温差 应力的辅助作用，在楼板中产生双向拉应力，混凝十的抗拉强度比抗压强度低的多，当楼板 某一处最人主拉应力达到混凝土的抗裂强度时混凝十沿与最人士拉麻力垂直的方向受拉劈 裂，在实际中混凝十的抗裂强度的取值离散性较大，随着叔向应力比的不同，楼板裂缝出现 的形式也不同，即有房间角部山现4 5 。斜裂缝出现。并且在板角裂缝出现的分布规律上可以 发现，发现房屋向刚处裂缝远多于非向阳处的裂缝，在房屋的两端山现概率相对较高。并且 在所调查的房屋裂缝出现有一定的规律，这跟楼房所受外界温度不均匀很有关系。 对丁楼板开裂( 特别是4 5 。角裂缝) 而言，最有可能是由丁温度荷载引起的。特别是日晒 及外界环境温度引起，日晒引起的温度变化对于处于建筑外立面四周的砖墙、构造柱而言， 其分布是1 均匀的，是指数函数曲线分布。文献1 3 1 i 曾对于截面宽为2 5 0 m m 的砖墙，在夏季 中午时刻，监测温度内外可能产生高达2 0 3 0 温差( - i n 室内空调状态下) 。根据混凝- 十的导 温系数测算，温度在砌体结构的构件中传播具有严重滞后的特性。所以温度应力对砌体结构 裂缝产生影响非常大。所以研究温度应力对现浇混凝十楼板的影响很重要，发现温度裂缝分 布规律，防治温度裂缝有很大的意义。温度应力对砌体结构现浇混凝土楼板的影响是本文的 研究重点。 2 、混凝土收缩的影响分析 3 5 - 3 8 l 由于混凝土是由多种材料组成的1 f 均质材料，在施 ：和使用的过程中出现不同程度、不 同形式的裂缝，是相当普遍的现象。混凝土裂缝并非都是事故。混凝土中所含水分的改变、 化学反应、温度变化都会引起混凝土的体积变化。混凝十体积变化大致可分为两个阶段：第一 阶段为混凝十凝结硬化前的塑性收缩及因水泥水化热和混凝十浇筑温度高引起的混凝土塑性 膨胀。第二阶段为凝结硬化后混凝土湿度梯度和内部温度的降低引起的体积收缩。 混凝七的体积变化可能使混凝土承受拉应力而存在开裂趋势：凝结硬化前塑性收缩引起 混凝土开裂，凝结硬化后温度应力引起混凝土表面受拉而开裂，以及降温引起混凝土内部受 拉和湿度梯度引起干缩而造成的开裂。由于混凝土所能承受的抗拉能力远低于它所能承受的 抗压能力，混凝土处于受拉状态时更易开裂，即当混凝土体积变化使混凝土受拉时，混凝土 有开裂趋势混凝土在硬化的过程中会发生收缩。 在标准条件下，收缩变形可达到v o = 3 2 4 xl o - 4 ，水泥的品种、水灰比、水泥浆量、养 护条件、混凝土所处的大气环境等因素都影响混凝土的收缩。由于商品混凝土水灰比较大， 增大了收缩变形。混凝土楼板在收缩时，受到了墙支座的约束，使得板不能自由收缩而在内 部产生拉应力。截面的相对薄弱部位，即已经发生微裂缝的截面处，在拉应力的作用下使微 裂缝的宽度和深度进一步发展，一直贯通板厚。根据王铁梦教授的研究，混凝土收缩按标准 状态下收缩变形8 硼产3 2 4 x1 0 - 4 , 由于楼板混凝土连续浇筑，形成整体连续板。该板东西方向 1 2 第二帝砌体结构现浇板裂缝调查分析及研究方法 绝对变形量可达1 2 1 s m m ( 楼房尔两长3 6 4 5 m ) 。由丁砌体结构楼房楼板与圈梁整体浇筑，楼 板变形受到圈梁约束而在板内产生拉应力。文献【 1 提供了公式2 1 和公式2 2 进行估算该工 程混凝士的干缩值以及在板内产生的拉应力。 s r ( ，) = 占j ，。m 1 m 2 m 3 ”m l 。( 1 _ e - o o i t ) ( 2 1 ) 式中：ey ( t ) 3 t j 任意时间的收缩( m m m m ) ； t 为由浇灌时至计算的时候，以天为单位的时间值。 y o = “) 最终收缩变形值( m n d m m ) ； m i ，m 2 ，m 3 ，m 1 0 考虑各种非标准条件的修正系数： m 1 水泥品种m 2 ，水泥细度 m 3 ，骨料材质m 4 ，水灰比 m 5 ，水泥浆量m 6 ，自然养护时间 m 7 ，季节影响系数m 8 ，水力半径倒数 m 9 ，机械振捣，取1 0 ： m 1 0 ，配筋率( 包括不同模量比) 例如：圈梁、板分别取值。 因其垂直裂缝的主应力最大值在板的中部，文献推荐的公式为： 1 1 仃m “= 一e 占y ( 1 一：万丽) 日( ，) ( 2 2 ) h ( t ) - 考虑徐变引起的内力松弛系数，平均取0 5 ， c ，水平阻力系数，混凝+ 板与混凝土圈梁，c 。= 1 0 n r a m 3 l 一板长 e 一混凝土弹性模量 h 。一混凝士换算宽度 按照此理论计算如果假设楼板长度3 5 - 4 5 米，采用普通4 2 5 号硅酸盐水泥，骨料采用花 岗岩，水灰比采用0 6 0 ，水泥浆量为0 3 2 ，养护时间为三天，机械振捣，按楼板测试强度c 2 0 计算，取e = 2 5 5 1 0 1 m p a ，考虑两侧对称约束等条件。计算发现现浇楼板中部。啪，往往大 于c 2 0 混凝十的抗拉强度标准值f k = 1 5 4 m p a ，可见，在实际施工条件下楼板中部( 南北向裂 缝、东西向裂缝) 产生裂缝可能是由于混凝土收缩变形过大引起的，当然如果有很大的温差应 力影响下产生的横向纵向裂缝的儿率更大。收缩裂缝在材料方面的研究较多，大多对材料和 施工工艺上进行防治。 3 、施工原因影响分析 在调查中发现楼板实际厚度不符合设计厚度要求。例如：施工时找平层过厚，钢筋应力 得不到发挥而使楼板产生裂缝，并且找平层素混凝士抗裂性差，在温度和收缩变形作用下极 易产生楼板表面裂缝。当楼板过薄时，使得楼板刚度减弱或过小受力钢筋和混凝土应力过 大而产生裂缝。 1 3 东南大学硕f ：学位论文 施上中会发生如下情况： 1 ) 在施j 二过程中由于施工人员的管理上有问题，施工人员踩踏楼板负弯矩筋导致钢筋往下 移，由于保护层过厚导致楼板止负受力钢筋之间有效高度不足使得楼板支座边在楼板顶 部产生裂缝。 2 ) 由于很多施丁单位采用自拌混凝土，由于施工单位的原冈白拌混凝十达不到设计要求强 度，致使楼板混凝土实际强度等级低于设计强度从而导致混凝十受压不足开裂。 3 1 在工程中赶进度是经常的事，但部分施工单位为了赶进度，人为加快模板周转，楼板拆 模过早，或在板上过早、过重地堆放材料，这些情况下混凝十的硬化强度还没达到，因 而会导致在施工阶段楼板就已经开裂。 4 ) 在目前现浇楼板中大多采用p v c 管作为预埋穿线管，材料表面光滑，跟混凝十材质性质 相差较大( 例如：弹性模量、线膨胀系数等) 。特别是当p v c 管直径较大时，它又与混 凝十结合差。施t 单位在混凝土浇捣时，容易引起p v c 管上移或下沉，使得楼板上表面 或下表面保护层不够，从而使楼板出现沿穿线管走向的裂缝，在工程调查时发现的放射 性裂缝很多都发生在电灯预留孔四周，很显然跟p v c 管的施= 有直接关系。 5 ) 在混凝土浇捣施工过程中过程中，在施t 荷载作用下，由于模板的支撑变形较大，使得 楼板在混凝土硬化前，产生初始塑性裂缝。特别是采j l j 泵送混凝土时，泵送混凝_ 十具有 较大的粘聚性和流动性，致使现浇楼板的塑性裂缝问题较过去普通混凝土出现频率多了 很多。模板松动位移或者混凝土浇捣不密实、不均匀，漏振、过振塑性沉降裂缝等都会 造成楼板裂缝出现。 4 、设计原因的影响分析 由于设计师的疏忽，未考虑到一些施工荷载和使用荷载的影响。造成楼板结构设计板件 偏薄，配筋偏少，会产生大量的裂缝。该原因产生的板缝会影响到结构安全。这种原因造成 的裂缝随着设计人员的素质提高和结构设计软件的应用，及结构注册师制度的推行深化，由 于设计师原因造成出现的几率越来越小，在本次调查未发现有设计原因造成的裂缝出现，所 以设计原因造成的裂缝几率比较低。 2 3 砌体结构温度应力分析方法归纳 关于砌体结构温度应力和温度裂缝的计算方法，国内外学者做了比较深入系统的研究工 作，在国外出现了以色列的r k r 法和美国的r e c 法等。在国内王铁梦教授推导出了剪 力法、谢征勋教授推导的放松法等。这些计算方法为进一步的研究工作打下了良好的基础， 但它们均存在一定的局限性。但是从上世纪末到本世纪初，随着计算技术的发展和计算机的 普及，有限元方法成为求解砌体结构温度应力行之有效的方法，它可分析整体结构的位移变 化趋势与应力分布规律，进而可采取控制砌体结构温度裂缝的有效措施。 1 4 第一二章砌体结构现浇板裂缝涮台分析及研究方法 2 3 1 剪应力法 为了寻求温度应力的近似计算方法，以解决在建筑物中普遍存在的温度裂缝问题，从三 十年代起国内外的水上科技界，如美国的垦务局、苏联的水上研究院马斯洛夫及我国的水电 科技界