关于如何防止混凝土梁板构件开裂的结构设计方法

关键词：混凝土裂缝；结构设计
引言在土建工程实践中，现浇钢筋混凝土梁板的裂缝问题，是常见而且棘手的问题。产生混凝土裂缝的原因主要有材料、设计、施工、养护和管理等方面的一个或几个因素的组合。本文着重分析造成混凝土梁板构件开裂的部分结构设计原因并提出相应的设计对策，供结构设计者参考。
一、结构布置不合理
1、平面形状不规则
由于场地限制、使用要求或者是建筑造型方面的要求，建筑物平面形状往往是不规则的，楼板的截面会产生突变，俗称“细腰”部位。在楼板截面突然变小的区格板中往往容易产生收缩裂缝，这实际上跟楼板约束的刚度有关。它的约束刚度比其他区格的约束刚度加大了很多，它的收缩拉应力也随之增加，原来视为铰接的支座，随着约束刚度的增加而过渡为固定端支座；原来承受收缩拉应力随着截面突然减小而突然增大，此外，这种突变也会在楼板内引发其他次应力，在突变截面处产生互为约束，对收缩拉应力产生影响，因而在突变区格更容易产生收缩裂缝。如果合理设置变形缝把楼板分成比较规则的几个块，或者，在凹口处外侧适当增加混凝土构件(例如:扁梁或厚板)使“细腰”不“细”，就可有效避免在上述部位出现裂缝。另外，结构平面直线长度太长，也可导致混凝土构件开裂。《混凝土结构设计规范》GB50010-2002(本文简称“:新规范”)虽然未对《混凝土结构设计规范》GBJ 10-89(本文简称“:旧规范”)的基本要求作太大变化，但新规范第9.1.1条的表注4增加了“现浇挑檐、雨罩等外露构件的伸缩缝间距不宜大于12m”的要求。
2、次梁布置不合理
形成典型的单向板布置次梁时，设计者往往简单地沿同一方向布置次梁，从而形成大量单向板。我们知道，钢筋混凝土的收缩率(ε)与配筋率(μ)有关，公式为ε=η·ε0，η=100/(100+n·μ)。式中:η为配筋率影响系数，n为混凝土与钢筋弹性模量的比值，μ为配筋率(%)，ε0为普通混凝土构件凝结时的收缩率。由上式可知，配筋率越大，收缩率越小。混凝土收缩时，由于边框梁的配筋率比楼板的大，所以梁的收缩率比楼板的小，边框梁就会阻碍楼板的收缩，使具有收缩趋势的楼板产生张拉应力。长向梁由于跨度较大，弯矩大，配筋率也大，而长向板筋多为构造配筋，配筋率小，所以，长向梁与板的收缩率相差较大。加上长向梁间距小，其对楼板的约束也大。所以，单向板往往出现垂直于长向的裂缝，工作温差较大的楼梯间顶的单向板更容易出现此类裂缝。旧规范第7.1.5条规定单向板分布筋不应小于另一方向受力钢筋的10%，其间距不应大于300m m。新规范第10.1.8条“考虑到现浇板中存在温度、收缩应力，根据工程经验”对单向板分布钢筋的配筋率提出了较高的要求，规定单向板的分布筋配筋率不宜小于另一方向受力钢筋的15%，且不宜小于0.15%；分布筋直径不小于6m m，间距不大于200m m；例如:对于厚度100m m的单向板，根据旧规范，分布筋只需配φ6@300(直径还可再减小)即可，但根据新规范，则至少必须配φ6@180。设计者往往不能理解新规范的精神，施工图中经常出现分布筋配置不足的情况，这应该引起结构设计人员的重视。同时在布置次梁时，应尽量避免形成大量单向板。
3、次梁布置不合理，形成的横向抗震结构体系
在横向抗震结构体系中，由于纵向框架梁没有支承次梁，加上与其平行的次梁间距小，所以，该框架梁不但没有承担任何集中荷载，而且其所承担的楼板荷载也较小。此外，房屋的平面纵向长度较长，该方向抵抗水平荷载的能力较强，所以，纵向框架梁受力很小，配筋少，配筋率也就小。这样，其抵抗混凝土凝结收缩和温度变化的能力就差，加上旧版规范对梁腹腰筋的配置要求较低。此类梁往往在梁侧腹部出现许多垂直裂缝，裂缝还具有上下小，中间大的特点。旧规范第7.2.14条规定“；当梁的截面高度大于700m m时，在梁的两侧面沿高度每隔300-400m m，应设置直径不小于10m m的纵向构造钢筋。”而新规范第10.2.16条为防止“当梁的截面尺寸较大时，有可能在梁侧面产生垂直于梁轴线的收缩裂缝”，对梁腹设置腰筋的间距和配筋率都提出了较高的要求，只要腹板高度不小于450m m就必须在梁的两个侧面沿高度每隔200m m配置纵向构造钢筋，且对其最小配筋率作出了要求。同时新规范第10.2.15条还对梁架立钢筋的直径作了提高一级的变动。在结构布置时，应尽量优先考虑双向布置次梁以形成双向抗震体系，使纵横向梁都能够较均匀地承担荷载，梁的配筋也基本相当，以提高各方向梁的抗收缩能力。同时根据新规范要求，配置足够的腰筋、角筋等纵向构造钢筋。
二、荷载计算取值不当
1、对今后可能的楼板装修荷载估计不足
为了减少结构造价，经常以水泥砂浆楼面的装修情况计算楼板的自重。几年以后，甚至工程未完工，如果又争取到更多的工程款，建设单位就要求提高装修标准，比如把水泥砂浆楼面改为石板材楼面，这就加大了楼板自重，导致楼板、梁的计算配筋都不足，裂缝的出现就在所难免。为此，希望设计者不要为了节省一点点结构造价，限制建筑未来提高装修标准的可能性。另外，还建议适当考虑装修或维修期间，楼板上可能堆放较多装修材料或废弃材料的荷载。
2、对楼板今后可能承担的使用荷载估计不足
这里，主要地是针对厂房，一旦厂房的生产流程、生产性质发生变化，大量堆放原材料和安放重型设备的位置就可能改变。当然，办公楼也可能出现把办公室改作档案室的情况。这就要求在图纸上明确注明建筑物各部位的楼面允许使用荷载及允许增设墙体的位置，以免使用时盲目超载。
三、计算输入方法不当
1、对主次梁在同一条直线上相连的情况，设计者如果把次梁部分留在软件的下一步才输入，这样就会导致计算软件把这两部分梁分开计算，忽略了两部分梁之间的相互约束，该支座处的计算弯矩值偏小，计算配筋也偏小，梁支座处的上部就难免会出现裂缝。对于这种情况，应该把次梁部分与主梁部分在同一个步骤输入，作为一根连续梁计算。
2、本来直线上错开的两根梁，由于其错开距离不大，为了减少输入节点，计算输入时，往往当作一根梁输入，软件自然地按一整根连续梁计算，这样就错误地加大了相互之间的支座约束，减小的相邻跨的跨中下部弯矩和配筋，裂缝就可能出现。如果把两根梁在错开处的支座设定为铰接就可避免这类不足。关于其他方面，新规范第10.1.9条规定“在温度、收缩应力较大的现浇板区域内，钢筋间距宜取为150～200m m，并应在板的未配筋表面布置温度收缩钢筋。板的上、下表面沿纵、横两个方向的配筋率均不宜小于0.1%”，这对防止屋面板出现裂缝很有意义。有些地方的施工图仍未在屋面板配置上述温度收缩钢筋。另外，第10.1.11条还要求在混凝土厚板中沿厚度方向以一定间隔配置平行于板面的钢筋网片，以减少大体积混凝土温度收缩的影响。
四、结语
钢筋混凝土结构上产生的裂缝，常见于非预应力受弯、受拉等构件中，以及预应力构件的某些部位。对于各类裂缝，必须先查明其性质和产生的原因，进而确定具体的修缮方法。钢筋混凝土结构裂缝根据其产生的原因不同可分为荷载裂缝、温度裂缝、干缩裂缝、腐蚀裂缝、沉降裂缝等。总之，为防止混凝土结构出现裂缝，设计人员必须在遵守有关的现行规范、规定的前提下，从建筑物体型、结构体系、构件布置、构造、荷载取值、计算模型等方面入手，合理设计、精心设计。
参考文献
[1]罗君东，关于硷收缩裂缝问题的探讨，东南大学学报(自然科学版)[J]，2002年9月，第72-76页
[2]混凝土结构设计规范G B50010-2002，2002年4月1日实施
[3]苏世灼，楼板裂缝问题浅析，华侨大学学报(自然科学版)[J]，2000年第2期