淺析中外規(guī)范關于砌體房屋裂縫控制措施的對比論文
隨著墻體材料革新的進一步推進，各種非燒結塊材不斷涌現，這種房屋的裂縫問題成為工程實際中棘手的問題，控制好房屋裂縫問題有利于滿足建筑使用功能、提高建筑質量，有利于新型材料的推廣，因此國內外都非常重視裂縫問題，并且各國砌體規(guī)范都涉及變形裂縫的產生原因、計算公式及控制措施.本文將我國規(guī)范與國外規(guī)范對裂縫控制措施等進行對比分析，給我國規(guī)范的修訂提供依據.砌體結構裂縫產生的原因可劃分為兩類：由荷載引起的裂縫與由形變引起的裂縫.對于由荷載變化引起的裂縫，承載力結構設計規(guī)范相對較為完善，此類裂縫大多是由于不合理使用、設計失誤、施工中偷工減料等原因造成，統(tǒng)計資料表明此類裂縫僅占20%左右，本文主要討論由形變所引起的裂縫.形變，即砌體材料的體積變形，包括溫度變化、濕度變化、碳化、徐變以及其他因素產生的變形.變形受到約束，便在墻體中引起應力，當應力超過材料強度，便產生裂縫.
1 體積形變的產生原因
1.1 溫度形變
所有墻體材料在溫度改變時都會產生膨脹或收縮.一片墻體在無約束條件時，這種溫度變形理論上是可逆的.溫度變形與材料線膨脹系數、溫度變化值有關.
理論上，溫度變形是可逆的，其自由變形量等于溫差乘以線膨脹系數以及墻長.但是施工完畢后的墻體的變形量取決于溫差和砌塊鋪砌時的初始溫度，其大小與施工的季節(jié)、施工期間具體環(huán)境條件和磚從出窯或出蒸養(yǎng)設備到上墻的時間有關.因此，為了確定墻體可能的自由變形量，需要估計初始溫度以及可能的溫差。
1.1.1 砌體線膨脹系數
我國規(guī)范GB/T 50003-2011、歐盟規(guī)范CENENV1996-1-1：1995、英國規(guī)范BS5628-3：2005以及MSJ C 2005中給出的不同砌體(英國除外)的線膨脹系數取值.
表1中除英國外其他國家是給出砌體的線膨脹系數，英國規(guī)范則只給出塊體的線膨脹系數，但是，英國規(guī)范還給出了砂漿的線膨脹系數為(11～13)×10-6 mm/mm/℃，雖大于塊體的線膨脹系數，但是由于砂漿在砌體中占的比例很小，其體積變形可以近似地用塊體變形來表示.各國規(guī)范中相同材料的線膨脹系數取值差距很小，我國規(guī)范取值處于各國標準的中間值.所不同的是，英國規(guī)范中塊體的線膨脹系數給出了一個范圍，具體取值建議與塊體生產商溝通，這種取值方法更為合理，因為塊體的原材料和生產工藝有所不同.澳大利亞規(guī)范沒有給出明確的線脹系數，新西蘭規(guī)范則建議參考砌體生產商的推薦值，加拿大計算粘土磚砌體線脹系數的取值分為水平線脹系數(5～6)×10-6 mm/mm/℃和垂直線脹系數(7～9)×10-6 mm/mm/℃，區(qū)分砌體豎向灰縫和水平灰縫間距的差別.
1.1.2 砌體的溫度變化
磚墻表面的溫度很有可能比其周圍環(huán)境溫度更高，影響這個溫度的因素主要是墻體的朝向、顏色、磚墻的類別、是否采取保溫措施以及磚墻的位置，比如有這種情況：周圍環(huán)境的溫度低于38℃，黑色朝南的墻體卻達到60℃的高溫.
溫度變化值可取墻片正中間的平均溫度值.對于實心墻體，取墻厚的中間處溫度為計算值;對有空氣或隔熱保溫材料將兩頁墻分開的雙頁墻片，則以各頁墻片厚的中間溫度計算.美國在實際工程設計時建議取磚墻的溫差為38℃.
1.2 濕度變形
濕度變化會導致砌體膨脹和收縮，濕度變形分成可逆和不可逆兩部分.不同塊體由于內部結構不同，其濕度變形的特征不一樣.
1.2.1 燒結塊體的濕度變形
磚塊在出窯冷卻時的體積最小，露置在水中或濕空氣中會隨時間緩慢膨脹.美國MSJC規(guī)范中描述：這種濕膨脹初始增長率高，隨后減少，在開始的6個星期內總的膨脹大約為50%，絕大部分的膨脹在15年內完成.
濕膨脹量大小主要取決于原材料性質，也與燒制溫度有關.較低溫度下燒制而成的磚塊比之于較高溫度下燒制的磚塊會產生更大的膨脹量.澳大利亞AS3700規(guī)定，濕膨脹系數取0.6～1.8mm/m，其具體取值以生產廠商實測值為準.
一般認為，燒結磚的干燥收縮很小，各國規(guī)范對燒結砌體濕膨脹和干燥收縮率取值見表2.
1.2.2 非燒結塊體的濕度變形
非燒結塊體往往會失水收縮和吸水膨脹.由于塊體上墻時內含有水分，非燒結砌體的最終變形是收縮，其收縮值大小與水泥含量、骨料集配、養(yǎng)護的方法、濕度變化、溫度變化以及干濕循環(huán)等相關.砌體墻的干燥收縮不僅與塊體干燥收縮性能有關，還與塊體上墻含水率及平衡含水率(環(huán)境相對濕度)有關.
國內外砌體規(guī)范對砌體的干縮系數取值.需要指出的是，美國規(guī)范中混凝土砌體的干燥收縮系數取值為ASTM C426試驗得到的塊體線干燥系數的一半.歐盟規(guī)范對于粘土磚砌體的干燥收縮系數取值是從負到正的一個范圍，這說明一些粘土磚后期膨脹的特性，其取值取決于材料類型. 各國規(guī)范普遍認為非燒結砌體表現為干燥收縮變形，輕骨料混凝土砌體干燥收縮系數大于普通骨料混凝土砌體，加氣混凝土砌體及硅酸鹽砌體與普通混凝土砌體取值相同，且各國規(guī)范取值大體相當.所不同的是，對燒結磚砌體，歐美規(guī)范均考慮燒結磚砌體濕膨脹占主導，而我國規(guī)范不考慮燒結磚砌體的濕膨脹作用，其主要原因是歐美燒結磚砌體一般用于裝飾外墻，不允許澆水砌筑(磚澆水后砌筑時，易導致磚表面產生鹽析，影響美觀)，而我國燒結磚砌體在砌筑前1～2d需要澆水，從而大大減小了砌體的濕膨脹.我國燒結磚砌體規(guī)定砌體干燥收縮變形為-0.1mm/m，這是因為砌體內存在砂漿，砂漿的干燥收縮導致體積變形.
1.3 徐變
材料在荷載和應力作用下會產生徐變.砌體的徐變變形量取決于應力大小、材料齡期、加載時間、材料質量以及環(huán)境因素.通常用徐變系數(最終徐變變形與彈性變形的比值)來表示材料徐變變形大小，各國規(guī)范取值.
從各國規(guī)范看，取值大小略有差異.一般認為，燒結塊體的徐變變形很小，可以忽略，燒結砌體的徐變主要由砂漿產生，燒結砌體的徐變變形遠小于非燒結砌體.蒸壓加氣混凝土由于其彈性模量很低，砌體最終徐變變形很大，是普通混凝土砌體的2倍.砌體徐變變形方面，我國尚未研究.
1.4 碳化
碳化是水化硅酸鹽水泥與空氣中二氧化碳發(fā)生的化學反應.英國規(guī)范則指出：碳化的程度與碳化產生的變形取決于混凝土的滲透性以及周圍環(huán)境的相對濕度，密集料砌塊和蒸壓砌塊的碳化變形相對較小甚至可以忽略，砌塊和砂漿在無保護情況下，碳化收縮變形量為初始干燥收縮的20%到30%.美國磚協(xié)會(BIA)建議混凝土砌塊墻體的碳化收縮值為2.5×10-4 mm/mm，美國混凝土砌塊協(xié)會(NCMA)建議混凝土砌塊(磚)的碳化收縮取值與國際混凝土砌塊協(xié)會一致，并指出此值相當于30.38m長的墻體產生約7.6mm的干燥收縮量.
1.5 其他因素
導致砌體結構變形的其他因素在一定條件下才可能發(fā)生，如鋼筋銹蝕等，鋼筋銹蝕后體積增大，從而在其周邊的砌塊產生應力使其變形并產生裂縫，過度的銹蝕甚至導致砌塊的剝離.
2 墻體的總體積變形
每種塊體的原材料和生產工藝不同，相同類型的塊體的變形特性不同，不同類型材料之間的變形特性差距更大.若能預計各種材料的變形，通過設置變形縫或適當配筋，便可以釋放應力的產生或約束墻體產生開裂.
一般來說，不需要通過計算來確定裂縫控制縫或配筋，只需要滿足規(guī)范給出的經驗值就行了.但在約束很小的燒結磚外頁墻以及較大太陽輻射的墻體，可以采用通過計算總體積變形大小的方式，減小水平控制縫的間距和控制縫寬度.
英國規(guī)范針對內外墻的特點做了更進一步的規(guī)定：內墻的環(huán)境溫度相對比較穩(wěn)定，變形主要為磚墻不斷吸潮而產生濕膨脹，除非在長度小于1m的轉角處，一般這種膨脹變形不會導致受拉裂縫.外墻則受到溫度變形和濕膨脹的疊加作用.
2.1 非燒結磚砌體
墻體總變形由干燥收縮、碳化收縮以及溫度收縮3部分構成.英國規(guī)范指出：雖然提到了眾多影響因素，但還沒找到切實可行的非燒結砌體的總有效自由變形量計算方法，只提出了變形縫設置應滿足墻體的應力不大于墻體容許應力基本原則.歐盟規(guī)范則概要性地規(guī)定，多種變形可能同時發(fā)生，應同時考慮砌體施工期溫度和濕度來估計最大膨脹和收縮量.A.Hendry結合歐盟規(guī)范和英國規(guī)范，更詳細地論述了墻體豎向變形和水平變形的計算方法，為框架填充墻和復合墻體的變形縫設置提供了參考依據.
3 設置變形縫控制裂縫
在墻體中設置變形縫，可有效減小墻體因體積變形產生開裂，綜合各國規(guī)范，一般有2種設置方法：一是當房屋長度過長時在適當部位設置伸縮縫，可有效減小房屋內構件的體積變形產生的應力;二是當墻片尺寸太大時，在墻體內設置控制縫，以減小該墻片由于體積變形產生的應力.2種方法都是為了減小體積變形產生的應力，但前者是從房屋整體上考慮，后者是從墻片局部來考慮.
3.1 房屋伸縮縫
在超長房屋中設置伸縮縫一直是我國建筑工程中常用的減少房屋裂縫的措施之一.在砌體結構房屋中往往采用設置雙墻的方法來實現.這種方法能有效減少體積變形引起的應力和開裂，但是影響造價和房屋的使用面積，影響房屋里面的美觀，尤其是在地震作用下，若縫寬不夠易發(fā)生碰撞而破壞.歐美各國砌體結構標準均不采用伸縮縫，我國規(guī)范引用前蘇聯(lián)標準，一直沿用至今.GB 50003中砌體房屋最大伸縮縫間距主要與樓屋蓋類別、屋面保溫、墻體材料類別等因素有關.屋面剛度越大、屋面與墻體連接也好，屋面與墻面之間約束越大，溫度應力越大，伸縮縫間距要求越小;屋面保溫越好，屋面與墻體的溫差越小，溫度應力越小，伸縮縫間距越大.非燒結塊體的干燥收縮比較大，規(guī)范修訂時將非燒結塊體房屋的伸縮縫控制得更嚴格了，為燒結磚砌體房屋的0.8.
3.2 墻體控制縫
砌體墻受到周圍結構構件的約束，砌體體積變形將在該墻體內產生應力和裂縫.為了控制這種房屋局部裂縫，在墻體豎向或水平方向設置控制縫，可以有效減少墻體應力，從而控制墻體裂縫.歐美規(guī)范一般采用這種裂縫控制方法，我國2001版本規(guī)范就開始引用該方法，由于建筑習慣和規(guī)范本身的不夠詳細，實際工程中很少見到.
控制縫有豎向控制縫和水平控制縫.豎向控制縫主要用來減少受約束的墻體體積變形在水平方向產生的拉應力.水平控制縫主要用來協(xié)調墻體豎向變形差，如：在復合墻體中采用水平控制縫協(xié)調外頁墻和內頁墻由于材料特性和受力不同帶來的變形不一致.框架填充墻也采用水平控制縫來協(xié)調燒結磚砌體膨脹和混凝土框架結構的'豎向壓縮變形.
控制縫應在砌筑時預留，所有的變形縫要貫穿墻體(復合墻的一頁墻)的整個厚度，縫內填充足夠柔性的材料以滿足變形要求.控制縫應設置成滑移面，應容許被控制縫分開的墻體之間相互滑動，減少相鄰構件的拉應力和剪應力.建筑外墻的控制縫要求具有抗?jié)B透能力.
3.2.1 控制縫的位置
理論上，控制縫應該設置在體積變形產生應力較大或者集中的地方.
1)豎向控制縫的位置
美國砌塊協(xié)會發(fā)布的技術指南控制縫設置的部位主要有：墻高變化處;墻厚變化處，如壁柱和管道開槽處;基礎和樓板變形縫處;擱置在墻體上的樓(屋)面板變形縫處;門窗洞口的一側或兩側(當洞口寬度小于1.83m 時，一側設置;當洞口寬度大于1.83m 時，兩側設置;當洞口上、下和兩側配有足夠的抗拉鋼筋時，該處可不設置控制縫);墻角或交叉墻處.
英國規(guī)范則規(guī)定變形縫的位置要考慮到建筑物的特點，設置位置包括：墻體、樓板交界處;門窗洞口處;墻高或厚度改變處;墻上開槽處;貫穿整個建筑的變形縫或樓板變形縫.
歐盟規(guī)范雖沒有規(guī)定墻體變形縫的具體位置，但指出設置變形縫要考慮的情況包括：砌塊材料的類型;結構的設計要考慮洞口以及板的面積;約束的條件;砌塊對于長期荷載作用、熱作用以及環(huán)境條件的反應;防火、保溫隔熱要求;是否配筋.新西蘭規(guī)范要求控制縫的設置要考慮建筑的類型、墻體形狀、墻體的配筋率以及外部環(huán)境.我國規(guī)范也規(guī)定“當房屋剛度較大時，可在窗臺下或窗臺墻角處墻體內、在墻體高度或厚度突然變化處設置豎向控制縫”.
2)水平控制縫的位置
水平控制縫的位置與垂直縫無關，并且水平控制縫一般設置在每層樓的窗上部分，也可以設置在設有過梁的窗上部分.
需要指出的是，無配筋磚墻或無配筋非承重外墻的水平控制縫設計和布置需謹慎考慮，在確�？刂谱冃蔚耐瑫r不能削弱墻體穩(wěn)定性以及任何功能.
3.2.2 控制縫間距
1)豎向控制縫的間距
對燒結磚砌體，BIA基于文獻，考慮墻體濕脹、熱脹和凍脹等因素，變形總量用墻長乘以000 9來估算。對非燒結磚砌體，NCMA提出2種控制縫間距設置方法：經驗法和工程法.經驗法主要基于多年在不同環(huán)境下的成功經驗，是一種常用的方法，當建筑處于環(huán)境溫差較大且為深色墻體時才采用工程法.歐盟規(guī)范和英國規(guī)范也認為，大部分情況可采用經驗法確定豎向控制縫間距.
對于無洞口或應力集中的墻體，控制縫將墻體分割成一系列“孤立”的墻板.各國規(guī)范采用經驗法確定豎向控制縫間距.
2)水平控制縫的間距
無配筋砌體外頁墻或者框架填充墻中設置水平控制縫調節(jié)垂直變形時，水平變形縫的間距為層高，且要考慮到墻體支撐體系，確保墻體穩(wěn)定性.
3.2.3 控制縫寬度與密封
控制縫應該具有足夠的寬度，以保證在體積變形時砌體墻不產生破壞.BIA規(guī)定控制縫的寬度一般與灰縫相同，即10～13mm;澳大利亞規(guī)定縫隙寬度始終不小于5mm;英國規(guī)范變形縫寬度不超過10mm;我國規(guī)范則要求控制縫寬度不宜小于25mm.由此可見，各國對控制縫寬度的要求相差較大，這主要是由填縫材料的壓縮性和控制縫間距決定的.
各國規(guī)范對密封劑壓縮性都有要求，英國規(guī)范求填縫劑壓縮性達到50%，BIA則要求75%以上，我國規(guī)范、澳大利亞規(guī)范及歐盟規(guī)范并未給出定量的要求.
4 采用配筋砌體裂縫控制
4.1 采用水平灰縫鋼筋控制裂縫
新西蘭、美國西部等高烈度區(qū)域的多層砌體房屋以及各地區(qū)高層砌體結構房屋因抗震和抗風需要而配有數量可觀的水平受力鋼筋.研究表明：若有足夠的配筋量，就能有效地限制混凝土砌體裂縫的產生.采用尺寸規(guī)格符合標準的鋼筋作為水平配筋時，若水平配筋間距≤1 219mm，就能有效控制裂縫產生，且無需設置控制縫.同時也表明：水平配筋能在砌體內產生某種約束作用，把收縮產生的拉應力從砌體傳遞到鋼筋上，這樣雖然會造成砌體上頻繁出現開裂處，但裂縫非常小.當提高水平配筋級別時，裂縫分布均勻、裂縫寬度減小.
一旦砌體開裂，砌體內的拉應力就獲得釋放.在墻體開裂縫的同時，砌體中的拉應力傳遞至鋼筋上.因此，若按間距要求配置鋼筋，施加在鋼筋上的拉應力應不超出其抗拉屈服強度，砌體開裂后，鋼筋的變形仍處于彈性變形狀態(tài)，這樣可使砌體裂縫寬度最小化.
4.2 采用水平灰縫鋼筋與控制縫共同控制裂縫水平灰縫鋼筋在墻體內對砌體產生約束.鋼筋隨溫度變化在長度方向也會產生變化，但是卻不隨濕度變化和碳化而產生體積變化，因此當墻體收縮時，鋼筋產生壓縮應力，于是其鄰近砌體的拉力與這個壓縮應力相抵消，當砌體裂開并擴張時，鋼筋應力轉變?yōu)槔Π阉o于是限制了裂縫的擴張，根據這一性質我們在裂縫控制中可以利用鋼筋的約束作用來提出“抗”的措施.
各國砌體結構設計規(guī)范都規(guī)定了配筋砌體的最小配筋率為0.07%，當墻體的水平灰縫配筋率在0.07%～0.19%之間時，墻體裂縫不滿足最大裂縫寬度0.51mm的要求，因需要采用控制縫來釋放一部分體積變形.美國規(guī)范采用工程法來確定控制縫間距，如表4.歐盟規(guī)范、澳大利亞規(guī)范和英國規(guī)范只提出控制縫可以適當加大的條款，我國規(guī)范沒有這方面的規(guī)定.
4.3 采用豎向鋼筋時，控制縫位置調整無筋砌體墻上常常留有門、窗洞口，減小了砌體的橫截面積，洞口處是比較薄弱的位置，容易發(fā)生墻體開裂，因此一般在洞口處設置控制縫.控制縫穿過過梁端部，并在過梁下面設置滑動層.若在洞口相鄰砌塊孔內灌混凝土并設豎向配筋，洞口已經被加固，控制縫可設置在洞口外面.
4.4 其他配筋措施
與其他國家規(guī)范不同的是，我國規(guī)范對墻體各部位提出了具體的控制裂縫措施：
1)頂層墻體：設置現澆鋼筋混凝土圈梁，并沿內外墻拉通;在過梁水平灰縫下設置2～3道焊接鋼筋網片或2根直徑6mm鋼筋.
2)底層墻體：窗臺下墻體灰縫設置3道焊接鋼筋網片或2根直徑6mm 鋼筋;增大基礎圈梁的剛度.
3)各層墻體：在每層門、窗過梁上方的水平灰縫內及窗臺下第一和第二道水平灰縫內，宜設置焊接鋼筋網片或2根直徑6mm 鋼筋，焊接鋼筋網片或鋼筋應伸入兩邊窗間墻內不小于600mm.當墻長大于5m時，宜在每層墻高度中部設置2～3道焊接鋼筋網片或3根直徑6mm 的通長水平鋼筋，豎向間距為500mm.
4)房屋兩端和底層第一、第二開間門窗洞處：
① 在門窗洞口兩邊墻體的水平灰縫中，設置長度不小于900mm、豎向間距為400mm的2根直徑4mm的焊接鋼筋網片.
�、� 在頂層和底層設置通長鋼筋混凝土窗臺梁，窗臺梁高宜為塊材高度的模數，梁內縱筋不少于4根，直徑不小于10mm，箍筋直徑不小于6mm，間距不大于200mm，混凝土強度等級不低于C20.
�、� 在混凝土砌塊房屋門窗洞口兩側不少于一個孔洞中設置直徑不小于12mm的豎向鋼筋，豎向鋼筋應在樓層圈梁或基礎內錨固，孔洞用不低于Cb20混凝土灌實.
5 結論與建議
通過對美國、歐盟、英國、澳大利亞、新西蘭和中國砌體結構設計規(guī)范關于變形裂縫的產生原因、取值及裂縫控制措施進行對比分析，得到如下結論：
1)引起砌體墻開裂的主要原因有砌體的干濕變形和溫度變形，砌體的碳化收縮、凍脹、徐變等也對體積變形有影響;
2)采用控制縫的方法，只要控制縫間距、寬度、設置部位和填縫劑設計合理，可有效減小因體積變形產生的墻體裂縫;
3)當水平灰縫配筋率大于0.19%時，無需設置控制縫;
4)當水平灰縫配筋率在0.07%～0.19%之間時，可采用控制縫與水平配筋相結合的方式控制墻體裂縫.
通過對比國外規(guī)范，對我國規(guī)范提出幾點建議：
1)對控制縫的間距、部位的規(guī)定不夠明確，控制縫寬度太寬，不利于用戶接受;
2)夾心墻的內、外頁墻的變形差異未給出處理辦法和具體規(guī)定，需進一步研究;
3)配筋率較低的配筋砌體結構未涉及控制縫問題，值得研究.
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