簡介: 該文通過對磚混住宅現(xiàn)澆樓板由于不均勻干縮和約束外墻熱膨脹而產(chǎn)生的板內(nèi)應(yīng)力的計算,分析了標(biāo)準(zhǔn)層角部切角裂縫產(chǎn)生的原因,提出了避免此種裂縫的方法和措施。
關(guān)鍵字:磚混住宅 現(xiàn)澆樓板 角部裂縫
1 引言
目前,磚混結(jié)構(gòu)住宅越來越多地采用現(xiàn)澆樓板。在工程實踐中,經(jīng)常發(fā)現(xiàn)在住宅標(biāo)準(zhǔn)層端部四角的樓板出現(xiàn)切角裂縫,裂縫位置一般距角部400~1000mm以內(nèi),且在板的上下表面均出現(xiàn),為貫穿裂縫。由于標(biāo)準(zhǔn)層樓板溫度變化小,此種裂縫的成因顯然不同于屋面板的裂縫,如房屋沉降正常,此裂縫也不可能是沉降裂縫,而且也不符合荷載裂縫的形式。本文擬對這種切角裂縫進(jìn)行分析,從而找出成因與解決辦法。
2 不均勻干縮引起的板內(nèi)應(yīng)力
混凝土在硬化過程中,多余水分蒸發(fā)引起體積縮小,稱為干縮。由于梁和板的水力半徑倒數(shù)不同,板的干縮受到約束。同時梁板混凝土的收縮還受到縱橫墻體的雙向約束,這些約束作用在板上產(chǎn)生相應(yīng)的正拉應(yīng)力和剪應(yīng)力。公式:
τx=σx=-Eε(t)(1-chβx/chβL/2)H(t)-Cxεr(t)shβx.H(t)/βchβL/2 (0≤x≤3L/8)
τx=-Cxεr(t)/βchβL/2[shβx-shβL/2/1-el/8.(1-e(x-3L/8))]H(t) (3L/8≤x≤L/2)
由上式可見,約束應(yīng)力中水平方向拉應(yīng)力在板中間最大,剪應(yīng)力在距板邊L/8處最大,當(dāng)在該區(qū)域的水平拉應(yīng)力和剪應(yīng)力的合力大于鋼筋混凝土的抗拉強(qiáng)度時,就會產(chǎn)生切角貫穿斜裂縫。
下面對一個房間的樓板計算其收縮應(yīng)力,取L1=3960mm,L2 =3360mm,樓板厚100mm,采用C20混凝土。由于磚混結(jié)構(gòu)的圈梁與墻體同步施工,梁與大氣接觸的邊長小,所以梁的水力半徑倒數(shù)小,引起的梁板不均勻干縮要比框架結(jié)構(gòu)大。它們的水力半徑倒數(shù):
γ梁=0.07cm-1
γ板=0.2cm-1
對低配筋率的鋼筋混凝土,計算收縮值:
ε(t)=εoM1M2......M10(1-e-0.01t)
式中ε(t)---任意時間的收縮;t---由澆搗混凝土開始的天數(shù),由于裂縫一般出現(xiàn)在施工后期,取200d;εo---標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的收縮量,取3.24×10-4;M1M2......M10---非標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的修正系數(shù),考慮一般的施工得:M1(水泥品種)取1.1,M2(水泥細(xì)度)取1.35,M3(骨料)取1.0,M4(水泥比)取1.42,M5(水泥漿量)取1.75,M6(自然養(yǎng)護(hù)天數(shù)短)取1.11,M7(環(huán)境相對濕度)取1.0,M8(水利半徑倒數(shù))梁取0.176、板取1,M9(機(jī)械振搗)取1.0,M10(配筋率,包括不同模量比)梁取0.85、板取0.94。
板的收縮:ε板(200)=3.24×10-4×(1-e-0.01×200)×1.1×1.35×1×1.42×1.75×1.11×1×1×0.94=10.79×10-4
梁的收縮:ε梁(200)=3.24×10-4×(1-e-0.01×200)×1.1×1.35×1×1.42×1.75×1.11×1×0.176×1×0.85=6.98×10-4
梁板混凝土的相對收縮差ε差=ε板-ε梁(=3.81×10-4
考慮混凝土徐變的x=3/8L處的應(yīng)力公式為:
τ=Cxεshβ3/8LH(t)/βchβL/2
σ=Eε(1-chβ.3L/8/chβ.L/2)H(t)
式中H(t)為考慮徐變引起的內(nèi)力松弛系數(shù),平均取0.5;
Cx為水平阻力系數(shù),梁板混凝土之間的約束取1.5N/mm3,墻與混凝土約束取0.8N/mm3;L為板長;β=√Cx/HE,在板混凝土-梁混凝土縱向取β1=2.73×10-4,在板混凝土-梁混凝土橫向取β2=2.96×10-4,磚-混凝土縱向取β3=1.99×10-4,在磚-混凝土橫向取β4=2.16×10-4,而其中H為混凝土換算寬度,取0.2L;E為混凝土彈性模量,取2.55×104N/mm2;
(1)梁板混凝土不均勻收縮而產(chǎn)生的剪應(yīng)力和正拉應(yīng)力
縱向:τy1=Cxε差(shβ13/8L1/β1chβ1L1/2)H(t)=0.379MPa
σy1=Eε差(1-chβ13/8L1/chβ1L1/2)H(t)=0.281MPa
橫向:τx1=Cxε差(shβ23/8L2/β2chβ2L2/2)H(t)=0.327MPa
σx1=Eε差(1-chβ23/8L2/chβ2L2/2)H(t)=0.239MPa
(2)墻體約束對混凝土梁板的剪應(yīng)力和正拉應(yīng)力
縱向:τy2=Cxε梁(shβ33/8L1/β3chβ3L1/2)H(t)=0.39MPa
σy2=Eε梁(1-chβ33/8L1/chβ3L1/2)H(t)=0.285MPa
橫向:τx2=Cxε梁(shβ43/8L2/β4chβ4L2/2)H(t)=0.339MPa
σx2=Eε梁(1-chβ43/8L2/chβ4L2/2)H(t)=0.246MPa
(3)樓板剪應(yīng)力和正拉應(yīng)力的合力
縱向:σ=√(σy1+σy2)2+(τy1+τy2)2=0.955MPa
橫向:σ=√(σx1+σx2)2+(τx1+τx2)2=0.824MPa
由此可見,正常施工條件下磚混住宅標(biāo)準(zhǔn)層端部樓板的干縮應(yīng)力并不足以引起切角裂縫,這也符合其它部位的樓板不出現(xiàn)裂縫的事實。
3 考慮外墻受熱膨脹后的板內(nèi)應(yīng)力
房屋四角樓板與其他樓板不同之處在于,外墻無保溫設(shè)施,因夏季氣溫升高而膨脹,而室內(nèi)樓板并不同步升溫,故約束其膨脹,從而受到拉應(yīng)力,拉應(yīng)力在墻體端部最大。公式:
σT=τ=Cxαctcshβ.xH(t)/βchβ2/L
式中Cx為樓板與外墻間混凝土的阻力系數(shù),取1.5N/mm3;αc為混凝土線膨脹系數(shù)1×10-5/℃;tc為溫差,杭州夏季室內(nèi)外溫差較大,取10℃;H(t)為考慮徐變的應(yīng)力松馳系數(shù),由于升溫較快,取0.7;β=√Cxt/bhE,此處b為墻高取2800mm,h為墻厚240mm,E為混凝土彈性模量,t為板厚100mm,故β=0.936×10-4。
在距角部L板/8處(x≈11/24L墻,L墻為墻體總長,取10m),則:
σT=Cxαctcshβ.11/24LH(t)βchβ2/L=0.519MPa
在混凝土不均勻干縮和外墻膨脹的共同作用下:
縱向:σ=√(σy1+σy2+σT)2+(τy1+τy2)2=1.33MPa>f1=1.1N/mm2
橫向:σ=√(σx1+σx2+σT)2+(τx1+τx2)2=1.11MPa>f1=1.1N/mm2
4 結(jié)論和建議
由以上計算分析可看出,由于混凝土的不均勻干縮和外墻相對于樓板的膨脹變形,在磚混住宅標(biāo)準(zhǔn)層的端部四角樓板中產(chǎn)生了正拉應(yīng)力和剪應(yīng)力,當(dāng)二者的合力(即斜拉應(yīng)力)超過了混凝土的抗拉強(qiáng)度,就容易產(chǎn)生切角貫穿裂縫。要減少這種裂縫的發(fā)生,可采取以下措施:
(1)提高施工質(zhì)量。減小干縮應(yīng)力是減少切角裂縫的主要手段。混凝土中的砂石配比不當(dāng),砂多石少,水灰比控制不嚴(yán),水泥漿量過大(尤其當(dāng)采用商品混凝土?xí)r),保濕養(yǎng)護(hù)期過短,均會增大混凝土的收縮應(yīng)力。在混凝土的配合比設(shè)計中,在保持良好的工作性條件下,應(yīng)盡量減小混凝土的用水量,以減小混凝土的收縮應(yīng)力。在混凝土中適量地?fù)郊铀芑瘎、減水劑可減少收縮,但過量摻加反而會增加混凝土的收縮。良好的養(yǎng)護(hù)可顯著地減少混凝土的收縮應(yīng)力。
(2)減少外墻和室內(nèi)樓板的溫差一般很難做到,因此可從減小外墻的連續(xù)長度來減小溫差應(yīng)力,比如設(shè)置大的落地門窗和八角窗可有效地減小端部溫差應(yīng)力,避免切角裂縫的產(chǎn)生。
(3)設(shè)計中可提高房屋四角的板配筋率,從而增大混凝土的極限拉伸值。角部負(fù)筋應(yīng)有足夠的長度以越過裂縫易發(fā)生的區(qū)域(宜雙層雙向配筋),也可在四角設(shè)置放射筋以抵抗裂縫。
在杭州維也納春天住宅小區(qū)的設(shè)計中綜合采取以上措施,未再發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)層角部切角貫穿裂縫,取得了較好的效果。