对高层建筑混凝土结构剪力墙的裂缝成因研究

闫世良

摘要：对于高层建筑工程剪力墙施工过程中，容易发生墙体开裂现象，依据笔者多年的现场施工工作经验，下文主要从建筑工程剪力墙裂缝的特性出发，就其裂缝的成因及预防办法进行了简要分析。

关键词：高层建筑；剪力墙裂缝；成因分类；预防措施

1、剪力墙裂缝的特征和性质

基于多年工程现场的施工经验，结合现在的剪力墙裂缝成因，建筑钢筋混凝土剪力墙的裂缝主要可以分为表面不规则裂缝、贯穿性裂缝。表面不规则裂缝一般出现在混凝土浇注后不久，分布于墙体表面，此种裂缝既宽又密，但深度一般不大，多因养护不足而产生，对结构构件影响一般不大，易于治理。竖向贯穿性裂缝一般发生在混凝土浇注后若干天后（一般拆模后不久），由下而上，走向与楼面接近垂直，有的通至楼面板底但不穿过楼层，缝宽一般为0.1至0.3mm，个别可达0.4至O.5mm，甚至更深，缝深一般较大，最深者可贯穿墙体，其因养护不好引起的表面不规则裂缝常不至于带来多少影响，且易于处理。

2、裂缝产生的原因分析

一般情况下，工程中构件裂缝产生的主要原因可分为两大类：一是动、静荷载和其他各种外荷载引起的裂缝；二是由混凝土内外温差、收缩或地基不均匀沉降等变形荷载引起的裂缝。此外，设计体型和结构布置也是产生裂缝的一个重要原因。总之裂缝产生的原因很复杂，综合考虑设计、材料、施工及环境等各方面的因素，钢筋混凝土剪力墙裂缝主要由以下原因产生：

2.1混凝土的收缩应力过大

混凝土的收缩应力过大收缩裂缝主要与水泥用量、骨料、构件长度及外加剂等因素有关：（1）水泥用量。目前，随着我国高层建筑的不断发展，各种高强度混凝土也得到了广泛的应用，C50、C60乃至C80混凝土设计标号已屡见不鲜，由此相应的是水泥用量的增大、水灰比的减小，而水灰比是影响混凝土收缩的最主要因素。例如，当水灰比小于0.35时，体内相对湿度很快降至80%以下，自收缩引起的体积减小在8%左右，收缩值相当可观。（2）骨料。预拌混凝土为了满足运输、泵送的要求。增加了细骨料用量，使得骨料的表面积增大，相应包裹在骨料上的水泥等胶凝材料变少，减弱了混凝土之间的连接能力，增大了混凝土的塑性收缩。（3）构件长度。现代建筑的跨度、构件长度均有较大提高，显然对于相同的混凝土收缩率而言，收缩的绝对值增大。如未采取相应措施，则极易产生裂缝。在本节中，针对某实际工程高层剪力墙进行仿真分析。采用大型结构分析软件ANSYS，运用软件中的SOLID70和SOLID45单元对地下室剪力墙的温度场和应力场进行计算。由于实际工程中墙体长度较长，考虑到施工中分段浇筑的施工工艺，将C40与20mm木模进行进行对比，其参数如下表1。在仿真分析时，取环境最高温度为30℃，最低温度为17℃，平均温度为26℃。考虑到混凝土中水泥发热量和外界环境气温的变化等因素。水泥水化反应的放热采用下式计算：354×498×（1-exp（-0.69×（i/24）0.56））。环境气温变化公式：T=（Tmax/2+Tmin /2 ）+（Tmax/2-Tmin/2）×cos（15）。其中，Tmax和Tmin分别为最高和最低气温。墙体浇筑后两天拆模，仿真分析时采用单元的“生死”技术，即2天后在模型中删除模板材料。

2.2混凝土的温度应力过大

温度裂缝主要与水泥品种、养护条件、拆模时间及温差等因素有关：（1）水泥品种。目前预拌混凝土大多使用新法（主要为旋窑）烧制成的水泥，尤其为提高混凝土标号，大量使用硅酸盐水泥使得水泥水化热高且集中。水泥水化过程中放出大量的热量，且大部分水化热都是在浇筑的前三天释放，而混凝土是热的不良导体，产生的热量不易散发，内部温度不断上升。而拆模后，表面散热快，温度较低，内外形成温度梯度。内部混凝土热胀产生压应力，外部混凝土产生拉应力，当此拉应力超过此时混凝土的抗拉强度时，便使混凝土产生裂缝开裂。（2）养护条件。由于剪力墙养护不足，墙体表面积大水分散失快，体积收缩大，而内部湿度变化相对较小，体积收缩较小，表面收缩变形受到内部混凝土的约束而产生拉应力，引起混凝土表面开裂。（3）拆模时间。墙体模板的拆除时间过早，混凝土表面温度急剧变化，产生较大的降温收缩，表面受到内部混凝土的约束，将产生很大的拉应力（内部混凝土温度变化相对较小，受自约束而产生压应力），而混凝土早期抗拉强度和弹性模量较低，因而出现墙体表面较浅范围内的裂缝。另外在室外温差较大的严冬和盛夏，由于混凝土结构不易导热，在结构的顶部和底部常产生温度裂缝。

2.3剪力墙所受的各种约束

出现了上述混凝土材料的温度和收缩应力，如果结构或构件不受约束影响，那么其将自由变形也不会产生裂缝。但实际工程中的剪力墙结构构件受到各种约束的影响，如楼板、剪力墙的暗柱（或明柱）及端墙的约束，地下室侧墙受到地下室顶板和底板的约束，这些约束使得剪力墙结构构件不能自由变形或者跟约束构件的变形不同步或协调而导致裂缝的产生。

3、裂縫的预防和治理措施

针对上述裂缝产生的原因，可相应采取以下预防和治理措施：（1）调整混凝土各组分。如采用高标号水泥，减小水泥用量；尽量使用低水化热的水泥；严格控制外加剂的品种及用量；砂宜采用中砂，保证石子级配良好，并严格控制砂石含泥量。（2）拆模及养护。适当延长剪力墙混凝土的拆模时间，并且拆模时不要马上移走模板，而是先让模板拆开一条缝隙作浇水养护用，从而改善混凝土的养护环境以达到控制墙体裂缝的目的。特别是预拌混凝土早期水化快，水化热发展快，拌合物保水性强，泌水小，为此，施工过程中应特别注意加强养护环节的管理及防护措施。施工中当混凝土密实后，应尽可能早地覆盖养护，及时喷水，适当延长养护时间，这样，既可以减少内外部温差，又可以保证早期湿养护和后期养护的最佳效果。（3）混凝土中掺加膨胀剂。微膨胀剂由于在一定程度上补偿了收缩应力能有效减少混凝土收缩裂缝。（4）剪力墙上增开“结构小洞”。这可能是最有效的方法，通过开洞把长墙变成短墙，减少混凝土收缩变形的约束，使混凝土收缩应力得到释放，从而达到控制墙体裂缝的目的，但必需重新对结构进行计算，确保结构的安全及正常的使用功能。（5）留置后浇带。即先浇注后浇带两侧混凝土，约两个月后当混凝土收缩变形趋于稳定时，再浇筑留缝部位，从而避免因收缩应力而出现裂缝。（6）在剪力墙中部设置暗梁（或设置顶部暗圈梁）。这样贯穿性裂缝只能裂到梁底，而不至裂到楼面板底，可有效减小有害裂缝的长度。

4、结语

裂缝产生的原因比较复杂，不仅与剪力墙尺寸及其所受约束有关，而且与构成墙体的各种材料及其形成环境等多种因素有关。经过实际调查可以发现，只要从设计、材料、施工及环境等方面进行分析，并采取控制裂缝的各种措施，实施综合治理，高层建筑混凝土剪力墙的裂缝是可以抑制的。