（岩土工程专业论文）框架结构填充墙裂缝产生机理及控制方法研究.pdf

西华大学硕士学位论文 框架结构填充墙裂缝产生机理 及控制方法研究 岩土工程专业 研究生江俊松指导教师王泽云( 教授) 摘要 随着墙体材料改革工作逐步推进，轻骨料混凝土奎i ) 砌块、混凝土加气砌 块、页岩烧结垫心砖等新型墙体材料广泛应用于框架结构填充墙，然而，在推 广应用过程中发现，框架结构填充墙裂缝问题比较严重。出现这样的情况，不 仅有可能影响建筑物的正常使用功能，而且可能导致开发商与业主的纠纷，甚 至影响新型墙体材料的推广使用和墙体改革事业的发展，进而影响国家相关政 策法规的落实和执行。因此，研究框架结构填充墙裂缝产生的机理和控制方法 具有重要的现实意义和应用前景。 本文按照“通过实际调查研究，归纳总结出框架结构填充墙裂缝的主要形 式和普遍分布规律；然后对温度与框架结构填充墙裂缝的关系进行理论研究和 试验分析；最后进步分析框架结构填充墙裂缝产生机理，有针对性地提出防 治措施的技术路线，主要做了以下工作： 首先对西华大学校区内的第一、二教学楼以及校外在建的几座框架结构商 品房进行了墙体裂缝状况的现场调查，结合已有文献资料，归纳总结出填充墙 裂缝的主要形式和分布规律：大部分为垂直裂缝和斜裂缝，少量为水平裂缝； 在墙体与框架梁柱交界处、端开间、门窗洞口四角处以及埋设管线处容易出现 裂缝。 然后，以温度应力理论为基础，从力学角度、结合温度应变试验分析裂缝 产生的原因。分析表明：温度、湿度变化和墙体材料干缩变形是导致框架结构 填充墙开裂的主要原因；同种材料，在相同条件下，填充墙温度应变与温差存 在较明显的线性关系；相同温差、相同构造措施、材料不同条件下，填充墙 温度应变一般不同；相同材料、相同构造措施、温差不同条件下，较大温差对 两华大学硕士学位论文 应的温度应变始终大于较小温差对应的应变；相同材料、相同温差、构造措施 不同条件下，采取了防裂构造措施的墙体的温度应变一般小于没有采取防裂构 造措施的墙体的温度应变，不同构造措施控制裂缝的效果一般不同；单独采用 设置构造柱的措施防治填充墙裂缝，效果不明显( 从温度应力的角度来说) ，应 该多种措施综合应用。 最后，根据相关规范和技术规程以及其它研究文献资料，结合本文的分析 结果，从材料本身性能( 干缩变形) 特点、环境因素( 温、湿度变化) 、设计施工 管理等方面分析框架结构填充墙裂缝产生机理和防治措施。 关键词：框架结构；填充墙；温度：裂缝；措施 西华人学硕士学位论文 r e s e a r c ho nc a u s em e c h a n i s ma n dc o n t r o lo f c r a c k si nf r a m ei n 6 uw a n g r a d u a t es t u d e n t ：j i a n gj u ns o n gt u t o r ：p r o f w a n gz e y u n a b s t r a c t w j t l it h es t e p w i s ep r o m o t i o no fw a l lm a t e r i a l si n n o v a t i o n , l l g h t - w e i g h t a g g r e 班ec o n c r e t eh o l l o wb l o c k , a e r a t e dc o n c r e t eb l o c k s , f i r e dh o l l o wb r i c k sa n d o t h e rn e ww a l lm a t e r i a l sh a v e b e e nw i d e l yu s e di nf a m ei n f i l lw a l l h o w e v e r , d u r i n g t h es p r e a dw ef i n dt h a tc r a c k so fi n f i l lw a l li nr e i n f o 删c o n c r e t ef r a m ea 他s e r i o u s i nt h i sc a s e 9i tw i l ln o to n l ya f f e c tn o r m a lu s a g ef u l l c i i o no ft h eb u i l d i n gb u ta l s o c a u s ed i s p u t e sb c t w e 圮nr e a le s t a t ed e v e l o p e ra n do w n e r , w o l s ef u r t h e r , i tw i l la f f e c t s p r e a du s a g eo fn e ww a l lm a t e r i a l sa n dd e v e l o p m e n to fw a l lr e f o r m , w h i c hw i l la l s o a f f e c t si m p l e m e n t a t i o no fc o n e s p o n d i n gp o l i c i e sa n dr e g u l a t i o mo ft h es t a t e t h e r e f o r e ，i ti so fg r e a ti m p o r t a n c ea n df u t u r e f o rt h er e s e a r c ho na l u s em e c h a n i s mo f c r a c ko f 砌w a l li nr e i n f o r c e dc o n c r e t ef l a m ea n di m p r o v e m e n ta n dc o n t r o lo f m e t h o d so fc l a c k so fi l l 6 1 1w a l l a 戏讲d i n gt os u c ht e c h n i c a lr o u t ea s a h r o u g hp r a c t i c a li n v e s t m e n ts t u d y , s u m u pm a i nt y p e sa n d ( ) o m m o nd i s t n b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f c r a c k so f l i g h t - w e i g h ti n f i i l w a l li nr e i n f o r c e dc o n c r e t ef r a m e , t h e np e r f o r mt h e o r yr e s e a r c ha n dt e s ta n a l v s i so n r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt e m p e r a t u r ea n dc r a c k so ff l a m ei n f i uw a l l , a n a l y z em e c h a n i s m o fc r a c k so ff l a m ei n f i l lw a l la n de s t a b l i s hc o r r e s p o n d i n gp r e v e n t i o na c t i o n s , t h i s p a p e rm a i n l yf o c u so nt h ef o l l o w i n gw o r k ss u c ha s o ns i t ei n v e s t m e n to f w a l lc r a c k s o fn o 1a n dn o 2t e a c h i n gb u i l d i n go fx i h u au n i v e r s i t ya n do u t s i d eb e i n gb u i l t f l a m es t r u c t u r ec o m m o d i t yp r e m i s e s , s u mu pm a i nt y p e sa n dc o m m o nd i s t r i b u t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fc r a c k so fi n f i l lw a l lc o m b i n e dw i t hf o r m e rr e s e a r c ha c h i e v e m e n t ： m o s to ft h e ma l ev e r t i c a lc r a c k sa n di n c l i n e dc r a c k s ，af e wo ft h e ma l eh o r i z o n t a l c r a c k s a n dt h ec r a c k sa r eu s u a l l yf o u n da tt h ei o i n t so fw a l la n df r a m eb e a m ， c o l u m ni o i n t s , e n db a y , c o m e ro ft h ew i n d o w 1 n h e n b a s e do nt e m p e m t u r es t r e s st h c o w , a n a l y z ec a u s eo fc r a c k sc o m b i n e d i i i 西华大学硕士学位论文 w i t hm e c h a n i c sa n dt e m p e r a t u r es t r e s st e s t 耵1 ca n a l y s i ss h o w st h a tt e m p e r a t u r e t e m p e r a t u r ec h a n g ea n ds h r i n k a g ed e f o l m a t i o no f w a l lm a t e r i a la l em a i nr e a s o l l sf o r c r a c k so ff i a n l ei n f i l lw a l l f o rt h es a m em a t e r i a l sa n da tt h es a m et e m p e r a t u r e ， t e m p e r a t u r es t r e s so fi n f i uw a l l h a sa no b v i o u sl i n e a r r e l a t i o n s h i p w i t ht h e t e m p e r a t u r e f o rt h es a m et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ea n dc o n f o r m a t i o nm e t h o d s , b u t d i f f e r e n tm a t e r i a l s , i nm o s tc a s e st h et e m p e r a t u r es t r e s s e so fi n f i l lw a l la l ed i f f e r e n t f o rt h es a m em a t e r i a l sa n dc o n f o r m a t i o nm e t h o d s ，b u ta td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s , t e m p e r a t u r es t r e s so fb i g g e rt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ei sb i g g e rt h a nt h a to f t h es m a l l e r t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e f o rt h es a m em a t e r i a l sa n da tt h es a m et e m p e r a t u r e ，b u t d i f f e r e n tc o n f o r m a t i o nm e t h o d s , t h et e m p e r a t u r es t r e s so ft h ew a l lw h i c ha d o p t s c r a c k - p r e v e n t i o nc o n f o r m a t i o na c t i o n si su s u a l l ys m a l l e rt h a nt h a to ft h ew a l lw h i c h d o e sn o ta d o p tc r a c k - p r e v e n t i o nc o n f o r m a t i o na c t i o n s , u s u a l l y , c r a c k sc o n t r o le f f e c t s o fd i f f e r e n tc o n f o r m a t i o nm e t h o d sa l ed i f f e r e n t o n l yo n et y p eo fc o n f o r m a t i o n m e t h o d sm a y b en o te f f e c t i v ef o rc r a c k sp r e v e n t i o n ，o t h e rk i n d so fc o n f o r m a t i o n m e t h o d ss h a l lb ea p p l i e d f i n a l l y , a c c o r d i n gt oc o r r e s p o n d i n gs p e c i f i c a t i o n sa n dt e c h n i c a lp r o c e d u r e sa n d o t h e rr e s e a r c hd o c u m e n t a t i o n s , o o m b i n e dw i t ht h ea n a l y s i sr e s u l t so ft h i sp a p e r , p r o b ei n t om e c h a n i s ma n dp r e v e n t i o na c t i o n so fc r a c k so ff r a m ei n 皿w a l li nt e r m s o fm a t e r i a lp e r f o r m a n c ea n dc h a r a c t e d s t i c s ( s h r i n k a g ed e f o r m a t i o n ) ，e n v i r o n m e n t f a c t o r s ( t e m p e r a t u r e a n d h u m i d i t yc h a n g i n g ) ，m a n a g e m e n t o f d e s i g n a n d c o n s t r u c t i o na n d , s oo n k e yw o r d s ：f r a m e ；i n f i l l - w a l l ；t e m p e r a t u r e ：c r a c k ：a c t i o n 西华大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师的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以外，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。 作者签名： 导师签名： 6 7 年 )年 幻 月日 月日 西华大学硕十学位论文 西华大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅，西华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书； 2 、不保密口，适用本授权书。 ( 请在以上口内划) 学位论文作者签名： 日期： 指导教师签名： 日期： 西华人学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 近年来，随着城市建设速度的日益加快、城乡一体化战略的稳步推进、人 民群众生活水平的不断提高，人民群众对所居住的房屋、工作的场所的要求已 不再是“徒有四壁”、“风雨不浸”，而是提出了更高的要求。诸如：智能建筑( 即 将结构、系统、服务、运营及其相互联系全面综合，并达到最佳组合，获得高 效率、高功能与高舒适性的建筑物，要求通讯自动化、办公自动化、楼字自动 化) 理念；绿色建筑( 即资源消耗低、能源消耗少、环保、健康舒适的建筑物) 理念等等。当然，城市用地也就只益紧张，人们开始思考向空间发展，小高层 及高层住宅日益增多，住宅中多层的砌体结构和砖混结构等日益减少，在教学 楼、办公楼、商场、宾馆和酒店等建筑中，为了建筑平面布置灵活、获得最大 的使用空间、提高建筑物的整体性和抗震能力，大多数已采用框架结构或框架 一剪力墙结构。同时，为了减轻建筑物的自重，使墙体达到节能、隔热、保温、 高强的目的，响应国家节能减排政策，框架结构和框架一剪力墙结构的填充墙 一般采用自重小、强度高的新型砌鸟皂材料，常见的新型砌块材料主要有轻骨料 混凝土垫d 恸蛙矢、混凝土加气砌块、页岩烧结奎已磺筹。然而，在这些新型墙 体材料的开发、生产和推广使用的过程中，均出现了一些不同程度的工程问题。 近几年，有关建筑物质量问题的投诉逐年增多。尤其是填充墙裂缝就是个比 较突出的问题。这些裂缝，有的虽然不影响建筑物的正常使用功能，但影响着 建筑物的美观；有的却直接影响建筑物的正常使用功能，在裂缝贯通的地方容 易出现渗漏和冷热桥效应，影响防水和保温隔热效果，对墙体的耐久性也不利。 框架结构填充墙的裂缝问题，引起了广泛关注，如何认识裂缝产生机理和控制 方法成为个迫切需要解决的课题。 1 2 课题研究的意义 中华人民共和国节约能源法的颁布和实施之后，国家进一步明确了节 能执法主体，强化了节能法律责任。就房屋建筑而言，国家推行了一系列墙体 改革方案，各地方政府也纷纷进一步开展了墙体改革工作。以“因地制宜、保 西华大学硕士学位论文 护耕地、节能利废、提高质量”为原则；以提高经济效益、社会效益和环境效 益为宗旨；用节能、节土、利废的保温隔热新型墙体材料替代实心粘土砖和落 后的墙体材料；并按照建筑节能际准设计建造房屋，既节约材料生产能源，又 节约房屋使用过程中的能源消耗，同时节约耕地，利用废渣改善环境。框架结 构填充墙中常用的空心砖、混凝土多空砖、加气混凝土砌块、轻骨料混凝土砌 块等都是新型建筑材料的代表。在现阶段任何新型墙体材料应该说既有自己的 优点，也有自身的不足之处，没有任何一种新型墙体材料能占有绝对的优势， 各种新型材料之间也没有多少绝对的可比性，都只是在某方面相对而言的。新 型墙体材料砌筑成的框架结构填充墙所出现的裂缝问题就充分证明了这一点。 随着框架结构和框架一剪力墙结构在各种建筑物中被广泛采用，新型墙体材料 也开始大规模地应用，新的问题也就随之而来，由于对材料生产的监管力度不 足、设计与施工不当等因素，致使墙体建成后出现了许多裂缝渗漏问题，很多 建设单位为了保证工程质量，宁可被罚款也要使用粘土砖，墙体改革工作遇到 了巨大的阻力。因此，从这个角度来说，只有解决好框架结构填充墙的裂缝问 题，才能促进新型墙体材料的推广和应用，才有利于进一步推进墙体材料改革 工作，才有利于国家节能减排相关政策和法规的落实和执行。 其次，解决好框架结构填充墙的裂缝问题有着巨大的经济效益、社会效益 和环境效益。如果把裂缝问题解决好了，人们肯定会更乐意采用新型的墙体材 料。通常情况下，混凝土砌块块体比标准粘土砖大，因而砌筑效率较高。按墙 体施工用工量计，混凝土砌筑砌块墙体的用工量一般为砌筑粘土砖墙体的 6 0 ，按建筑物用工量计，混凝土砌块房屋的单方用工量约为砖混建筑的8 0 。 而且用混凝土砌块砌筑墙体比用粘土砖砌筑墙体更节省砌筑砂浆，国外采用肋 铺砂浆法，混凝土砌块墙比粘土砖墙可节约砌筑砂浆6 7 左右，我国采用满铺 砂浆法，也能节约砌筑砂浆5 0 左右；如果墙面做内外粉刷，由于混凝土砌块 墙面较粘土砖墙面更加平整，因而可节约粉刷砂浆2 0 左右：用混凝土砌块建 房，材料自重轻，运输量少，运输成本节约2 5 左右；这些都是潜在的经济效 益。另一方面，目前，我国是世界上开采与消耗矿物燃料最多的国家，煤炭在 一次性能源中所占的比例高达7 0 以上，粉煤灰及废渣的排放量相当高，燃煤 而产生的粉煤灰与炉渣的年排放量逾2 亿吨。同时，由于综合利用率较低，造 2 西华人学硕十学位论文 成粉煤灰和各类废渣大量堆积。未利用的废弃物不仅占用土地甚至耕地，还对 土壤及水体造成污染。表1 1 是近年我国工业固体废物产生量和综合利用量。 从表1 1 中可以看出我国工业固体废物产生总量很大，利用率也逐年提高，但 与其他利用率很高的国家( 如日本、德国的工业固体废物综合利用率已经接近 l o o ) 相比仍有明显差距，说明我国工业固体废物的综合利用仍然有较大的潜 力。以粉煤狄为例，目前我国粉煤灰主要用于筑路、回填、生产建材等，其中 用于筑路 和回填的粉煤灰约占利用总量的5 1 5 ，用于生产建材的比例为3 0 0 ，主要 用于生产墙体材料、水泥、水泥砂浆、混凝土掺合料等。我国目前生产轻集料 基本上采用粉煤灰、火山渣、浮石、煤渣、自燃煤矸石等工业固体废物作为原 料，既可以大量利用工业固体废物，保护环境，又改善了砌块的热工性能，同 时砌块的生产成本也较低。因此，新型墙体材料的广泛应用必然带来巨大的社 会效益和环境效益。 表1 1 近年我国工业固体废亳勿产生t i l l 综合利附量 1 年份 2 0 0 0 2 0 0 l 2 0 0 b 2 d m嬲 i 工业同僻嬷勃产生量：( 万| 玎移 8 1 6 0 8；8 4 01 0 ( 2 81 么颠13 艄 i 工业同体废物利刚量：( 万哟 3 7 4 5 14 一y 2 9 05 6 0 4 0配7 9 67 6 9 9 3 i 综洲率： 4 5 95 3 2 5 5 85 6 55 7 3 另外，由于框架结构填充墙的裂缝问题，影响建筑物的美观，人们往往会 担心房屋质量出现了问题，对裂缝往往有种破坏前兆的恐惧感，可以说填充 墙的裂缝问题可能会严重干扰甚至破坏人们的正常生活。必然导致建筑工程质 量缺陷投诉的逐年增多，甚至可能导致开发商与施工单位的纠纷、业主与开发 商的纠纷，这些问题如果没有被妥善处理，它们就很可能成为社会的不文明、 不和谐现象，甚至发展成社会的不稳定因素。由此可见，解决好框架结构填充 墙的裂缝问题不仅可以提高广大人民群众的生活质量，还能保障社会文明进 步，维护社会稳定，促进社会和谐发展。 综上所述，解决好框架结构填充墙的裂缝问题，既有利于提高人民群众的 生活质量，推广新型建筑材料，节约能源，改善生态环境，促进生态平衡与可 3 西华人学硕士学位论文 持续发展；又利于国家相关节能减排政策法规的落实和执行：也有利于国家墙 体改革工作的进一步开展；还有利于推动新型墙体材料的产业化，促进社会和 谐发展，促进经济持续健康发展。 1 3 国内外研究概况 2 0 世纪9 0 年代以来，我国建筑行业实现了前所未有的发展，墙体改革工 作的逐步推进，新型建筑材料的不断出现，新型墙体材料在框架结构和框架一。 剪力结构中被广泛应用。同时填充墙的裂缝问题也越来越普遍，在住房制度改 革以后，随着住房的商品化，广大消费者对填充墙的裂缝等工程质量缺陷更加 关注，能否解决好框架结构填充墙的裂缝问题，也间接影响着我国墙体改革工 作的成败和新型建筑材料的推广使用。因此，国内外的许多科研单位、高等院 校、建筑设计院以及建设施工单位均对其做了大量的研究工作。南京工业大学 的孙伟民教授等对框架结构填充墙边界裂缝产生原因以及不同构造措施对框 架结构填充墙裂缝的影响进行了数值分析，分析了框架结构填充墙边界裂缝的 成因，同时建立了不同条件下的有限元模型并进行分析计算，得到了温度作用 在墙体中的分布规律；针对非粘土砖墙体收缩性大的问题，利用有限元方法对 框架结构填充墙进行裂缝机理研究，得到单层单跨不同构造措施填充墙的裂缝 的初始形成位置以及其开展情况，从而比较各种构造措施对框架结构填充墙抗 裂性能的提高情况，最后对裂缝控制措施提出了些建议。王铁梦在建筑物 的裂缝控制一书中通过对实际工程案例的分析和研究，提出了许多具有普遍 应用价值的防治措施。c u n d a l l 于1 9 7 1 年提出了离散单元法，该方法适用于研 究在准静力或动力条件下的节理系统或块体集合的力学问题，最初用来分析岩 石边坡的运动。从2 0 世纪8 0 年代后开始渐渐运用于结构工程方面。浙江大学 的有关科研人员对离散单元法进行了改进并运用于填充墙裂缝的研究工作中， 取得了令人满意的成果。研究表明：8 0 以上的框架结构填充墙裂缝与非荷载 变形有关，是以变形变化为主所引起的裂缝；剩余的2 0 的裂缝以荷载为主要 原因，并包括变形变化和荷载共同作用引起的裂纠7 】。总之，国内外许多科技 工作者对框架结构填充墙的裂缝成因开展了大量的调查、分析和研究工作，取 得了一定的成果，归纳起来，主要有以下三种原因： 4 西华大学硕七学位论文 ( 1 ) 与材料性质有关的原因 主要新型墙体材料有：普通混凝土小型空心砌块、轻集料混凝土小型奎险 砌块、加气混凝土砌块、条板、复合板、灰砂砖等。它们通常体积质量较小， 吸水率、自然含水率比较高，干燥收缩值也较大。这些性质对填充墙的裂缝都 有影响。例如：加气混凝土砌块的饱和含水率和绝对干缩变形比较大，在同一 截面上，各部份含水率分布也不均匀，各处收缩值不同，表层收缩值大，内部 收缩值小，从而形成内外收缩变形梯度，产生收缩应力差，当应力差大于填充 墙体材料的极限抗拉( 或抗裂) 强度时，就会导致填充墙体材料开裂。另一方面， 砌筑砂浆和墙面抹灰砂浆的组成材料、配合比、强度等都是填充墙裂缝的影响 因素。例如：如果砌筑砂浆所用的水泥中含有过量的游离氧化钙、氧化镁，或 者生产水泥时加入了过量石膏，将导致水泥体积安定性不良。体积安定性不良 的水泥凝结硬化以后，游离氧化钙、氧化镁的延迟水化，以及过量石膏与水泥 中c 扒反应延迟生成的钙矾石都会产生膨胀，导致填充墙在灰缝处出现开裂。 当然，如果是抹灰砂浆所用的水泥有e 述质量缺陷的话，就更容易在抹灰层出 现开裂现象。 ( 2 ) 与环境条件有关的原因 框架结构填充墙体所在环境的温度变化就是导致其开裂的个重要原因。 框架结构中，楼板、梁、柱的材料为钢筋混凝土，墙体材料为砌块，两者的线 膨胀系数相差1 倍以上。而夏季，屋面受到太阳辐射或较高气温作用引起的升 温高于墙体，其表面温度可达到5 5 6 5 c ，而室内温度一般在2 5 - - 3 5 c ，使 顶板和墙体之间产生很大的变形差，由于屋面板膨胀受到墙体的约束，将在墙 体中产生拉应力和剪应力，当其超过墙体的极限抗拉强度时，就会导致墙体开 裂。所以，我们经常会在外纵墙、女儿啮、山墙、部分横墙和墙体变截面处发 现裂缝。同时，框架结构填充墙体所在环境的湿度变化也会影响墙体开裂，简 单地说，因为环境的湿度会影响墙体的含水率，也就是说环境湿度的变化也将 影响墙体的含水率的变化，再加上温度的变化，就会导致墙体产生干缩变形， 当干缩变形受到外约束时，墙体中将产生拉应力，当拉应力大于墙体的极限 抗拉强度时，即出现干燥收缩裂缝。 ( 3 ) 与设计和施工有关的原因 5 西华大学硕士学位论文 如果在结构设计中，平面布置、结构构造设计和布置不合理，构件截面尺 寸不足，钢筋用量不足、配置位置不当，未充分考虑次应力作用，对温度应力 和收缩应力估计不足，这些因素都可能导致墙体开裂。另外在砌块运输、存放 以及施工过程中不可避免存在淋雨吸水现象，而且很多工地露天堆放砌块时没 有任何防水措施，这些因素都造成砌块e 墙时含水率过高，墙体砌成以后，失 水干缩，由此产生的收缩应力使填充墙产生裂缝。同时，由于有些工人在砌筑 时不能保证竖向灰缝的饱满度，这就造成了砂浆和砌块之间的粘结强度降低， 墙体容易出现竖向裂缝。水平灰缝的饱满度虽然通常能达到要求，但往往厚度 过大，不仅浪费砂浆而且灰缝的收缩也将加大。由于砂浆早期收缩较大，水平 灰缝厚度过大加剧了填充墙的竖向沉降，会影响砌体与上部梁板的紧密结合， 产生结合部位的水平裂缝。这类裂缝在实际工程中十分常见。 为了预防和控制框架结构填充墙的裂缝，广大的科技工作者通过长期的实 践和研究，总结出了许多有效的技术措施，主要是从设计、施工等方面来采取 一些预防和控制框架结构填充墙裂缝的措施：设计时，充分考虑温度应力和 收缩应力，通过建筑平面设计和布置、结构构造设计和布置，有效避免和分散 可能产生的应力集中，在某些部位适当增加钢筋用量，控制框架的刚度，减小 层间位移，从而起到控制裂缝生成或分散裂缝使之不显化的作用。选择晗当 的墙体材料，选弹性模量小、收缩率小、抗拉强度高的材料，并注意防水；加 强施工管理，严格控制框架结构填充墙的砌筑质量和r 砌筑高度等。采取有 效的构造措施，如在填充墙中按适当的间距设置构造柱和水平过梁，加强填充 墙与框架梁、柱的连结，在抹灰层中铺设钢丝网或石棉网等。 值得注意的是，框架结构填充墙裂缝问题的研究涉及到许多学科领域，影 响因素十分复杂，迄今为止，分析方法和理论依据都主要借鉴于混凝土裂缝有 关的分析方法和理论，然而填充墙的物理组成及力学性能与混凝土有很大差 异。而且，现有的很多研究成果还都是以经验判断和定性分析为主，尚有许多 局限性和不足之处；有些控制裂缝的措施在实际应用中可行性较差，增加了施 工的难度和施工成本。因此，关于框架结构填充墙的裂缝问题还需要我们更加 深入、更加系统地研究，由定性分析和研究向定量分析和研究方向发展。本文 侧重于研究框架结构填充墙非荷载作用引起裂缝中的温度变形裂缝。 6 西华大学硕士学位论文 1 4 本课题研究的主要内容 本文通过现场调查、查阅已有资料，分析总结出框架结构填充墙裂缝的主 要分布规律和表现形式，进而研究框架结构填充墙裂缝机理和影响因素，最后 提出有效的防治措施。本文的具体研究内容如下： ( 1 ) 对西华大学及周边地区具有代表性的框架结构填充墙的裂缝现象进行 调查。结合调查结果和已有的相关理论f 分析框架结构填充墙裂缝的主要分布 规律和表现形式，查明框架结构填充墙裂缝的主要影响因素。 ( 2 ) 根据本文研究需要，分析总结了温度应力理论的若干问题。 ( 3 ) 框架结构填充墙应变试验。主要分析了“相同温差、相同构造措施、 材料不同 ；“相同材料、相同构造措施、温差不同；“相同材料、相同温差、 构造措施不同 条件下的温差一应交关系。 ( 4 ) 框架结构填充墙裂缝机理分析。结合框架结构填充墙裂缝的主要因素 ( 特别是温度、干燥收缩等) ，从框架结构填充墙墙体材料本身、设计施工和使 用环境条件等方面，分析框架结构填充墙裂缝产生机理。 ( 5 ) 框架结构填充墙裂缝防治措施总结和研究。在试验分析的基础上，结 合调查研究结果和已有文献资料，从墙体材料本身性质、环境条件变化、设计 和施工等方面，简要提出框架结构填充墙裂缝的防治措施。 7 西华人学硕十学位论文 第二章框架结构填充墙裂缝状况调查 2 1 框架结构填充墙裂缝的界定 框架结构填充墙是种非均质多相复合体，在组成上，框架结构填充墙通 常包括填充墙砌块、砂浆( 砌筑砂浆和抹灰砂浆) 、其它外加功能材料三部分。 所谓裂缝实际上是结构或构件的同相连续性或不同相之间黏结性的中断或破 坏。这种连续性的中断或破坏，按照尺度可以分为“微观裂缝”和“宏观裂缝”。 “微观裂缝”是肉眼观察不到的微小裂缝，裂缝宽度小于0 0 5 r a m ( 肉眼的最佳 视力为0 0 2m r n ) ；“宏观裂缝”是“微观裂缝 不断发育而显现出的结果，裂 缝宽度大于0 0 5 栅。框架结构填充墙中有三种常见的微观裂缝： ( 1 ) 黏结裂缝是指填充墙砌块与砂浆( 包括砌筑和抹灰砂浆) 的黏结面上 的裂缝，也叫界面裂缝，主要沿灰缝方向出现开裂或导致抹z 砭层翘曲和空鼓。 ( 2 ) 砌块裂缝是指框架结构填充墙砌块材料本身的裂缝，这种情况般 出现得较少。 ( 3 ) 抹灰层裂缝是指抹灰层本身出现的裂缝，这种情况出现的比例一般 较大，它是框架结构填充墙裂缝的最直观表现形式。 由于框架结构填充墙体材料组成、设计、施工以及环境温湿度变化等因素 的影响。“微观裂缝在框架结构填充墙中实际上是不可避免的，具有非贯穿、 不规则、时变性以及可承受拉应力的特点。因此，绝对无裂缝的框架结构填充 墙实际上是不存在的，本文所探讨的框架结构填充墙裂缝主要是指肉眼可以观 察到的“宏观裂缝 ( 尤其是出现在抹灰层表面的) 。但需要再次强调的是，无 论何种原因导致“宏观裂缝”产生，裂缝总是“微观裂缝”扩展演化的结果。 2 2 框架结构填充墙裂缝的特点 2 2 1 框架结构填充墙裂缝状况 正常情况下，框架结构填充墙仅承受墙体自重，不承担结构的其它荷载， 因此填充墙裂缝不属于荷载裂缝。当出现结构材料导致的体积变形、环境温湿 度变化、地基不均匀沉降等非荷载因素时，导致墙体结构发生变形作用，当这 种变形作用超出墙体的强度极限时，墙体将会出现开裂。通过调查发现框架结 8 西华大学硕+ 学位论文 构填充墙裂缝主要有以下一些基本特征： ( 1 ) 虽然各栋建筑框架结构填充墙裂缝的程度不同，但从数量上都或多或 少有些裂缝现象。裂缝几乎成所有框架结构填充墙的通病，本文所调查的所有 建筑都有不同程度的裂缝。有的框架结构填充墙裂缝十分严重，几乎每片墙体 都有裂缝。 ( 2 ) 框架结构填充墙裂缝具有时变特征。研究表明，框架结构填充墙裂缝 的出现与季节交替有关，大多数裂缝出现在墙体砌筑完成以后1 3 年里每年 的春夏交替之际，随后2 - - 3 年里裂缝不断扩展，逐步趋于稳定。但是，也有 极少数填充墙仅在砌筑完成以后1 - 3 月就出现大范围的裂缝，出现严重的工 程质量问题，值得注意。 ( 3 ) 框架结构填充墙裂缝宽度一般较小，很少出现大裂缝。本文调查的具 有代表性的框架结构填充墙体中，大多数裂缝宽度较小，其值还不到0 5n l n l ， 只有很少部分墙体的裂缝最大宽度大于1 0m i l l 。通常情况下，斜裂缝的宽 度相对较大，竖向裂缝和水平裂缝的宽度相对较小。 2 2 2 框架结构填充墙裂缝类型 当裂缝已影响到或可能发展到影响结构性能、使用功能或耐久性时称为有 害裂缝。大多数情况下，框架结构填充墙中出现的可见。裂缝对结构性能、使用 功能或耐久性不会有大的影响，只是影响结构的外观，把这些裂缝称为无害裂 缝。虽然为无害裂缝，但是也反应了在原材料、砂浆配合比和设计或施工过程 中存在某些缺陷，也应予以关注和改良。框架结构填充墙裂缝按照不同的分类 标准主要有以下几种类型： ( 1 ) 按裂缝深度分类，可分为表层裂缝( 深度未超过抹灰层厚度) 、深层裂 缝( 深度超过抹灰层厚度) 和贯穿裂缝( 深度等于墙体的厚度) 。 ( 2 ) 按裂缝在墙体表面的形状分类，可分为网状裂缝、爆裂状裂缝、不规 则短裂缝、枣核形裂缝( 中间宽两端细状) 、八字斜裂缝、鱼鳞式裂缝、纵向裂 缝、横向裂缝、斜裂缝等。 ( 3 ) 按裂缝发展情况分类，可分为稳定的裂缝和不稳定的裂缝、能愈合的 裂缝和不能愈合的裂缝。 ( 4 ) 按裂缝产生的时间分类，可分为早期裂缝( 一般认为是0 - - 2 8 d ) 、中期 9 西华人学硕士学位论文 裂缝( 2 8 1 8 0 a ) 和后期裂缝( 1 8 0 3 6 0 d 、7 2 0 d 最终稳定期限2 0 年) 。 ( 5 ) 按裂缝产生的原因分类，可分为荷载裂缝和非荷载裂缝。荷载裂缝是 指由于受到外荷载作用引起的裂缝。非i 岢载裂缝与非茼载变形有关，是以变形 变化为主所引起的裂缝。研究表明框架结构填充墙裂缝8 0 以上的是非荷载 引起的，剩余的2 0 是由荷载或变形变化和荷载共同作删引起的。因此，大部 分框架结构填充墙裂缝是非荷载裂缝，或是非筒载变形与荷载共同作用的结 果。 2 2 3 框架结构填充墙裂缝形式和分布规律 根据本文调查的情况，框架结构填充墙裂缝的主要形式有竖向裂缝、水平 裂缝、斜裂缝。其它形式的组合裂缝( 如图2 _ 1 所示) ，赞们总可以将它们分解 为以上三种形式。同一条裂缝沿裂缝延伸方向的宽度一般不同，看似杂乱无章 的裂缝，其分布却有规律可循。基本特征总结如下： 唧m 2 - 1 0 哪n d s 尉2 - i 组台裂缝 ( 1 ) 竖向裂缝框架结构填充墙裂缝大部分是水平裂缝和斜裂缝，竖向裂 缝较少，多发生在局部。墙体通常会因为室内外温差在墙体内产生弯曲应力， 高温侧受拉，低温侧受压，从而导致墙体开裂。它通常发生在框架柱与填充墙 的交界处，沿柱延伸；未设置适当构造柱的填充墙体中间和门窗的上下角也常 出现竖向裂缝，如图2 - 2 所示。 西华大学硕士学位论文 f i g u r e2 - 2 ( a ) d m d ( m d 日t h es w i t c h 图m 开关盒下的竖向裂缝 f i g o n ：2 - 2 ( b ) v e l l j c a l c r a c k a t j o l t o f _ c o l m m a n d w a g 国2 吨( 时柱与墙交界处的竖向裂缝 ( 2 ) 水平裂缝框架结构填充墙中，水平裂缝多出现在外纵墙窗口上下 处、框架梁与填充墙的交界处、女儿墙靠近框架粱处，由于屋顶梁板热胀或冷 缩时，会产生较小的位移，使得顶层横墙或纵墙沿墙项支座处错动而形成通长 水平裂缝，同时屋面板受热膨胀也会使山墙和女儿墙产生水平推力，从而导致 山墙或女儿墙产生水平裂缝，如图2 - 3 所示。 囊嚣嚣鬻圈隧l h 2 3 ( a ) h o n z c r a c k a t j o 缸o f b e a ma n d v a i l 捌2 _ ，粱与墙的变界处的水平裂缝 f i g u r e 2 3 ( 曲h o n z o n l a lc i a c k a t i h e c c 口n e r o f v d n d o w 圈2 - 3 伯) 窗角处的水平裂缝 ( 3 ) 斜裂缝它通常出现在粱柱节点与填充墙的交接处、框架梁接点下 西华大学硕士学位论文 方、门窗等洞口处，如图 4 所示。斜裂缝是框架结构填充墙中数量较多的一 种裂缝，它开裂的宽度和长度均相对较大，部分甚至贯穿墙体。粱柱节点与填 充墙交接处以及框架梁节点下方的斜裂缝般长度较大，可能从墙顶一直延伸 至墙底，其宽度最大可达到23r 胁。 f i g t n 2 - 4 ( a ) i n c l i n e d o a d c a t t h e c o r a e t o f c o n t t o ! b o x 图2 - 4 控制盒边角处的割裂缝 2 3 本章小结 脚m “( b ) m 删嗽 a t t h e 如m o f d o o r 图2 - 4 ( b ) 门角处的割裂缝 介绍了框架结构填充墙裂缝的界定原贝i j ，普遍认为裂缝实际上是结构或构 件的同相连续柑藏不同相之间黏结性的中断或破坏的现象，我国建筑行业般 采用o , 0 5 m 为界( 该宽度范围内的裂缝对结构的正常使用及耐久性都是无害 的) ，宽度小于o 0 5 n k m 的裂缝常称为“微观裂缝”，宽度大于o 0 5 删m 的常称 为“宏观裂缝”，框架结构填充墙的裂缝是绝对的，是物理现象，无裂缝是相 对的，科学的要求是将裂缝的有害程度控制在允许范围内。本文所提到的裂缝 都是指“宏观裂缝”。 调查结果表明：框架结构填充堵裂缝是普遍存在的，几乎成了所有框架结 构填充墙的通病；框架结构填充墙裂缝具有时变特征，它会随着时间扩展，微 观裂缝一初裂( 断断续续) 一宏观裂缝一增扩一稳定( 或不稳定) ：裂缝宽度一般 较小，通常都在o 5 m m 范围内。从不同角度考虑，框架结构填充墙裂缝有多 种分类方式，可根据实际研究需要选择恰当的分类方式。框架结构填充墙裂缝 西华大学硕士学位论文 主要有三种基本形式( 竖向裂缝、水平裂缝和斜裂缝) ，其它较复杂的裂缝形式 总可以分解为以上三种基本形式：框架结构填充墙的分布也有一定的规律可 循，它们通常出现在：填充墙墙体与框架梁柱交接处，尤其是墙头的两端部 门窗洞口四角处房屋顶层和次顶层，顶层端开问尤其严重在长度较大墙 体中间部位，不但边界出现水平裂缝，墙体中部亦出现竖向通缝总体上采用 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。 1 3 西华大学硕士学位论文 第三章温度应力理论研究 3 1 引言 框架结构填充墙裂缝中约有8 0 是由于非荷载原因引起的，而非荷载原因 中，温度变化是主要因素，所以温度应力理论是分析框架结构填充墙裂缝问题 的理论依据和重要方法。采用什么样的力学工具来分析建筑结构由于变形作用 引起的应力状态，是非常重要的方法问题，我们通常认为弹性理论是最好的、 最基本的工具，深信弹性理论可解决绝大部分工程结构问题。其它的非线性分 析方法，诸如弹塑性、塑性、粘弹性、流变、断裂、损伤等力学工具，都各有 其特色和优点，但都没有