英國砌體規(guī)范變形裂縫控制簡介

張超，張京街，高連玉

（1 重慶市建筑科學研究院有限公司，重慶 400020；2 中國建筑東北設(shè)計研究院有限公司，遼寧沈陽 110111）

1 砌體結(jié)構(gòu)變形

房屋建成后，在荷載、地面運動（不均勻沉降）、碳化以及溫度、濕度等環(huán)境作用下會產(chǎn)生尺寸變化。砌體因為存在約束不能自由伸縮，會產(chǎn)生壓力或拉力，進而導致彎曲或開裂。如墻板不是沿其整個厚度方向設(shè)置支承時，壓力偏心會在墻體內(nèi)產(chǎn)生附加彎矩；而在洞口、墻體截面（高度、厚度）變化、轉(zhuǎn)角等部位或使用超過相應(yīng)規(guī)定的高強砂漿時，會存在應(yīng)力集中，進而可能導致結(jié)構(gòu)開裂。工程結(jié)構(gòu)中常見裂縫多是由于溫度、干縮等因素引起形變產(chǎn)生的，荷載引起的裂縫只占20%左右[1]。BS 5628-3[2]附錄B 對溫度、濕度和碳化變形的基本原理和考慮作了較為詳細的闡述，介紹如下。

1.1 溫度變形

理論上講，結(jié)構(gòu)溫度變形等于材料線性熱膨脹系數(shù)與溫度變化及構(gòu)件長度的乘積，而且是可逆的，見圖1。因為原材料、制作工藝不同，不同材料砌塊（黏土、硅酸鈣、混凝土、石等）的變形性能有很大不同，見表1。但砌體墻的實際變形不僅與環(huán)境溫度變化有關(guān)，還與砌筑時砌塊初始溫度有關(guān)，同時受墻體約束的影響。初始溫度又與砌筑季節(jié)、砌筑時的環(huán)境條件以及砌塊生產(chǎn)后多久在現(xiàn)場砌筑等因素有關(guān)。因此，在確定墻體因為溫度變化引起的自由變形量時，需要估算砌體初始溫度及其溫度變化范圍，同時水平方向和豎向變形要分別計算：（1）水平方向砌體線性熱膨脹系數(shù)取塊材的線性熱膨脹系數(shù)；（2）豎向變形取塊材和砂漿豎向溫度變形之和。

表1 常見砌體材料線性熱膨脹系數(shù)（摘自BS 5628-3，與實際材料類型、組分等有關(guān)）

圖1 溫度變形（摘自BS 5628-3）

1.2 濕度變形

黏土類塊材與硅酸鈣、混凝土砌塊濕度變形的性質(zhì)和變形量均有所不同，BS 5628 對其分別予以考慮。

黏土塊材會由于含水率變化產(chǎn)生細微的尺寸變化，墻體實際干縮變形取決于初始、最小和最大含水率。這類變形通常小于0.02%，在整體變形中可以忽略不計。黏土磚出窯后會吸收空氣中的水分發(fā)生不可逆的（細微）膨脹，膨脹率在砌塊剛冷卻的時候最大，隨后減小。內(nèi)外墻都會有，外墻中膨脹速度略快。墻體實際變形取決于約束大小和砂漿已發(fā)生的徐變。

硅酸鈣和混凝土砌塊因含水率變化引起的自由變形與圖1所示溫度變形特點類似，控制因素同樣是初始（砌筑時）、最小和最大含水率。但與黏土類砌塊不同，硅酸鈣或混凝土砌塊失水會收縮，因此砌筑前和砌筑過程中盡量保持干燥有利于減小使用過程中的變形。因為相對濕度不同，內(nèi)墻變形會比外墻小。干縮變形受約束影響，容易在端部產(chǎn)生拉應(yīng)力。

砂漿干縮變形與集料混凝土砌塊類似，但因為砂漿含水率砌筑后才會變化，其自由變形量應(yīng)該更大，但其對砌體縱向變形可以忽略。表2 給出了砂漿收縮參考值，實際收縮變形與砂漿組分、配比和相對濕度等有關(guān)，但為方便使用，外墻砂漿可取表中較低值，內(nèi)墻砂漿可取表中較高值。砂漿水平方向收縮受到周圍砌塊的約束，在黏土類砌體中，會與砌塊的細微膨脹相抵消。砂漿豎向收縮通常無約束，在砌體變形中需要考慮，將其變形與砌塊變形疊加。因為室內(nèi)環(huán)境一旦干燥后再嚴重潮濕的機會不大，其在內(nèi)墻引起的變形通?？梢院雎圆挥?。

表2 含水率變化引起的砂漿收縮（非約束條件，摘自BS 5628-3）

1.3 碳化變形

混凝土砌塊和砂漿會因為其所含水泥與空氣中的二氧化碳作用而碳化收縮。滲透性碳化及變形程度與混凝土透水性和環(huán)境相對濕度有關(guān)。在密實混凝土砌塊和蒸壓砌塊中，碳化引起的變形非常小，可以忽略不計。但在未采取任何防護措施的紋理砌塊和砂漿中，碳化引起的變形可以達到初始自由含水率引起變形的20%～30%。

1.4 砌體墻總自由變形

墻體變形計算要綜合考慮上述溫度、濕度和碳化等因素引起的變形，確切的變形計算十分困難，但絕不是簡單的疊加。

對于環(huán)境溫度整體較為穩(wěn)定的內(nèi)墻，前述黏土類砌塊長期（膨脹）變形占主導，除了在長度小于1 m 的轉(zhuǎn)角等部位以外，通常不會受拉開裂。外墻則需要考慮這種長期（膨脹）變形與溫度變形的組合效應(yīng)。對于硅酸鈣與混凝土類砌體，BS 5628 沒有給出整體自由變形計算系數(shù)，但認為只要按要求設(shè)置變形縫，將認為實際變形會很小，不需要進行計算。

另外，砌體結(jié)構(gòu)通常不需要考慮因為設(shè)置保溫隔熱層產(chǎn)生溫度、濕度或水分蒸發(fā)率變化引起的變形，但對于某些特定的黏土類塊材用于太陽輻射產(chǎn)生溫度高、結(jié)構(gòu)約束小的情況，適當減小變形縫間距有利于防裂，具體要征求生產(chǎn)廠家或設(shè)計單位的意見。

2 砌體變形裂縫控制

在實際應(yīng)用中，不同材料砌塊之間的連接不應(yīng)因為其變形特性不同而產(chǎn)生過度應(yīng)力，如在飾面墻中不能將黏土磚直接粘貼在混凝土砌體表面。如果不同材料之間的變形存在數(shù)量級的差別或在性質(zhì)（伸縮）上有差別，相應(yīng)的砌體結(jié)構(gòu)之間應(yīng)該通過設(shè)置（豎向或水平）變形縫、滑移面等方式有效隔開，或者進行適當配筋。

砌體結(jié)構(gòu)洞口上下部位會因為豎向砌體墻截面突然變化而產(chǎn)生裂縫，硅酸鈣或混凝土類砌體這些部位應(yīng)該通過配筋來減少開裂，配筋應(yīng)該從洞口部位向外延伸足夠長來適應(yīng)截面變化引起的應(yīng)力影響，但要注意有足夠的保護層來防止鋼筋銹蝕?；泼嬖试S不同部位的砌體相對滑移以減小相鄰材料之間的剪應(yīng)力。但需要注意的是，變形縫和滑移面的設(shè)計和布置除需考慮變形控制之外，還要求不能對墻體穩(wěn)定或其他功能帶來不利影響。變形縫是BS 5628 著重提出的變形控制方式，現(xiàn)將相應(yīng)規(guī)定重點介紹如下。

2.1 變形縫設(shè)置的一般要求

砌體住宅內(nèi)墻或空心墻內(nèi)葉墻長度較小時，一般不需要設(shè)置變形縫。距離墻體轉(zhuǎn)角最近的一道變形縫距轉(zhuǎn)角的距離不應(yīng)大于正常變形縫間距的1/2；對于交接處連續(xù)的墻體，考慮墻板端部約束影響，最好小于正常變形縫間距的1/2。

目前沒有簡便的數(shù)學計算式來確定砌體結(jié)構(gòu)中變形縫的位置，但BS 5628 標準給出了變形縫設(shè)置的基本原則：（1）變形縫間距應(yīng)使墻體中產(chǎn)生的縱向應(yīng)變不超過墻體的應(yīng)變承載力；（2）砌體中的最大變形不應(yīng)超過變形縫密封材料的最大允許變形，并基于實際經(jīng)驗給出了變形縫的間距建議。

砌體結(jié)構(gòu)中的變形縫設(shè)置應(yīng)考慮以下建筑特征：（1）墻、墻垛、樓板等交叉部位；（2）門窗洞口；（3）墻體厚度或高度變化部位；（4）墻體開鑿部位；（5）房屋變形縫整體設(shè)置或在樓板設(shè)置。

2.2 變形縫間距與寬度——黏土類砌體

對于類似女兒墻或使用薄膜防潮層的不承重窗間墻等無約束或約束很小的墻體，其在房屋使用壽命期內(nèi)因為溫度和濕度變化引起的膨脹變形約為1 mm/m，這類墻體中變形縫的間距與寬度主要取決于填充材料的壓縮性和密封材料性能。作為通用指南，變形縫寬度（mm）應(yīng)取變形縫間距（m）的130%，如變形縫間距為12 m，變形縫寬度應(yīng)為約16 mm。無約束墻體的豎向變形與水平方向變形大致在一個數(shù)量級。

對于常規(guī)層高墻體，其在房屋使用壽命期內(nèi)因為溫度和濕度變化引起的膨脹變形要小于1 mm/m，而且隨著約束增強而變小。但為預防因溫度收縮引起的開裂，BS 5628—3 規(guī)定：（1）在無筋砌體墻中，變形縫間距任何情況下應(yīng)不小于15 m，對于約束不強的墻體（如女兒墻）變形縫間距尚應(yīng)適當減??；（2）有水平灰縫配筋時，變形縫間距可大于15 m，但需要進行專業(yè)設(shè)計。

在墻體拐角部位，拐角部位墻體長度不小于675 mm 時，可認為具有足夠的剛度來適應(yīng)墻體反向作用力引起的應(yīng)力。拐角部位墻體長度小于675 mm且任一側(cè)墻體長度大于6 m 時，砌體應(yīng)在拐角處斷開，通過設(shè)置豎向壓縮縫或滑移構(gòu)造來防止產(chǎn)生力偶和開裂（圖2）。

圖2 黏土類砌體短拐角部位構(gòu)造（摘自BS 5628-3）

2.3 變形縫間距與寬度——碳酸鈣類砌體

硅酸鈣類砌體應(yīng)盡量設(shè)計成由變形縫分隔成的多個墻板以防止收縮，每塊墻板的長高比通常不大于3:1，且（適應(yīng)墻體水平方向變形）豎向變形縫間距應(yīng)在7.5～9 m 之間。變形縫寬度通常不需要超過10 mm，需要的時候進行密封。外墻洞口部位變形縫間距應(yīng)適當減小，洞口上下可能需要配筋。

硅酸鈣類砌體外墻應(yīng)該設(shè)置壓縮性變形縫來適應(yīng)溫度膨脹變形，變形縫間距不應(yīng)超過30 m。

2.4 變形縫間距與寬度——混凝土類砌體

混凝土類砌體應(yīng)盡量設(shè)計成由變形縫分隔成的多個墻板以防止收縮，每塊墻板的長高比通常不大于3:1，且豎向縫間距應(yīng)在6～9 m 之間。

混凝土類砌體外墻應(yīng)該設(shè)置用以協(xié)調(diào)溫度膨脹的壓縮性變形縫，變形縫間距不超過30 m。

2.5 變形縫填充與密封

BS 5628 要求密封材料應(yīng)能夠輕松地壓縮至其本身厚度的50%，聚氨基甲酸酯泡沫塑料、泡沫聚乙烯、泡沫橡膠都是適宜的材料。大麻、纖維板、軟木及類似材料可以用于硅酸鈣和混凝土砌體的收縮縫，但不能用于黏土磚砌體的膨脹縫。

需要防水部位的變形縫應(yīng)進行密封。變形縫的寬度應(yīng)能適應(yīng)可逆與不可逆變形疊加而不破壞密封，因此變形縫的寬度與變形縫間距和所選用的密封材料有關(guān)。密封材料選型有專門的標準（BS 6213）。為保證密封材料與砌體可靠連接，密封深度不應(yīng)小于10 mm。對接部位的密封，使用彈塑性密封材料時，寬度與深度比在2:1～1:1 之間時性能最優(yōu)；如使用塑彈性密封材料，寬度與深度比在1:2～1:1 之間時性能最優(yōu)。

相較于其寬度，變形縫的深度通常較大，填充時應(yīng)預留密封要求的深度。但如果需要連接破壞膜，應(yīng)該在填充和密封之間設(shè)置，交叉連接的閉孔聚乙烯泡沫可以兼作填充和連接破壞膜。其截面應(yīng)該比變形縫寬約25%，以保證在變形縫兩側(cè)擠壓塞緊，為密封材料提供足夠的支撐。填充材料不應(yīng)與密封材料粘結(jié)或發(fā)生化學反應(yīng)。

3 相連結(jié)構(gòu)構(gòu)件變形考慮

3.1 結(jié)構(gòu)構(gòu)件變形影響

當墻支承于樓板或梁上但設(shè)計不考慮組合作用時，可能需要考慮支承構(gòu)件變形的影響，如在墻體底部設(shè)置隔離縫和/或在墻體下部灰縫配筋。

隔墻設(shè)計未考慮承擔上部結(jié)構(gòu)傳遞豎向荷載時，應(yīng)考慮上部構(gòu)件變形，在隔墻與結(jié)構(gòu)之間應(yīng)預留空隙或用彈性材料填充，但需要考慮墻體是否設(shè)置橫向支承和保證防火整體性的問題。

3.2 框架結(jié)構(gòu)砌體圍護墻

框架結(jié)構(gòu)砌體圍護墻設(shè)計應(yīng)防止因砌體和框架不均勻變形引起的開裂，同時圍護墻要有足夠的橫向邊緣支承，以保證墻體穩(wěn)定性。

混凝土結(jié)構(gòu)因為干縮和徐變等作用會產(chǎn)生豎向變形，這種豎向變形與砌體圍護墻溫度膨脹變形方向相反。如果砌體圍護墻與水平梁或樓板相連緊固，尤其砌體墻支承存在豎向偏心的情況下，這種反向變形會在砌體中產(chǎn)生過度應(yīng)力。要防止這種過度應(yīng)力，應(yīng)設(shè)置水平向可壓縮連接來協(xié)調(diào)這種不均勻變形。水平向可壓縮連接會影響砂漿連接或簡單支承件的穩(wěn)定效應(yīng)，通常又需要提供限制水平作用力的約束。

鋼框架結(jié)構(gòu)沒有混凝土結(jié)構(gòu)收縮變形的問題，與砌體墻之間的不均勻變形主要來自于砌體墻本身的溫度和濕度變形。因此，對于內(nèi)墻來說，如果可以避免偏心和短轉(zhuǎn)角，多層鋼結(jié)構(gòu)房屋的黏土類砌體墻板可以與鋼框架剛性連接。硅酸鈣或混凝土類砌體不能與鋼框架剛性連接，但應(yīng)該設(shè)置足夠的橫向支承。

框架結(jié)構(gòu)房屋在風荷載作用下的搖擺不可忽略時，砌體圍護墻設(shè)計應(yīng)考慮這種搖擺產(chǎn)生的變形。一種方式是將砌體墻與框架結(jié)構(gòu)連接，兩者同步變形，砌體墻可沿底部防潮層部位適當轉(zhuǎn)動。另一種方式是砌體墻按自承重墻設(shè)計，其與框架結(jié)構(gòu)的連接應(yīng)不能限制其可預見的變形。砌體墻作為框架結(jié)構(gòu)抗風支撐時，應(yīng)與周邊框架牢固連接。砌體墻不僅要抵抗荷載引起的應(yīng)力，還要抵抗砌體與框架不均勻變形引起的應(yīng)力。

4 結(jié)語

裂縫控制一直是結(jié)構(gòu)工程師不可回避的重要課題?，F(xiàn)行國家規(guī)范《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB 50003—2011[3]第6.5 節(jié)規(guī)定了防止或減輕墻體開裂的構(gòu)造措施，《墻體材料應(yīng)用統(tǒng)一技術(shù)規(guī)范》GB 50574、《建筑工程裂縫防治技術(shù)規(guī)程》JGJ/T 317 及不同材料應(yīng)用標準也有針對砌體裂縫控制的技術(shù)要求。但如徐建等[4]指出，GB 50003—2011 在裂縫控制方面存在一些不足，如砌體房屋的伸縮縫間距一直沿用GBJ 3-73 的要求，只是對干燥收縮較大的非燒結(jié)砌體房屋籠統(tǒng)地提出了0.8 的修正系數(shù)；不同氣候條件和不同圍護結(jié)構(gòu)保溫形式對屋蓋與墻體的溫差作用影響很大[5]，若按現(xiàn)行規(guī)范的方式給出統(tǒng)一的伸縮縫間距是不合理的。近年來，國內(nèi)學者從不同角度對砌體裂縫控制問題進行了很多深入研究。高連玉[6]對加氣混凝土墻體干縮裂縫進行了試驗研究。梁建國[7]對異型平面砌體結(jié)構(gòu)房屋伸縮縫間距進行了專門研究。曾小婧[8]對中外規(guī)范關(guān)于砌體房屋裂縫控制措施進行了對比分析。BS 5628 對砌體結(jié)構(gòu)變形的基本原理有較為詳細的闡述，對變形裂縫控制尤其對變形縫設(shè)置作了較為系統(tǒng)和具體的規(guī)定，同時對考慮相連結(jié)構(gòu)構(gòu)件變形影響作了原則性的規(guī)定，希望對我國砌體結(jié)構(gòu)裂縫理論發(fā)展和相關(guān)標準規(guī)范完善能夠有所參考和借鑒。