砌體結構首層窗臺及頂層窗間墻開裂分析
砌體結構首層窗臺及頂層窗間墻開裂分析
林錦滔 賴建財 楊 帆
（福建九鼎工程質量檢測有限公司，福州 350000）
摘 要：文獻對砌體結構不均勻沉降、溫差作用引起的門窗洞周邊八字形、倒八字形非受力裂縫，墻體在荷載超過抵抗力情況下引起的受壓、局部受壓裂縫關注較多。而對砌體結構出現(xiàn)規(guī)律性的首層窗臺下墻體豎直裂縫以及頂層窗間墻水平裂縫討論較少，本文通過一工程實例，介紹該類裂縫的特點，分析產(chǎn)生原因，從定性的角度推導產(chǎn)生該類裂縫應力的簡略計算公式，減少該類裂縫的方法。
關鍵詞：砌體結構；首層窗臺；窗間墻；裂縫
1 引 言
砌體結構的裂縫分為兩大類，一類為受力裂縫，一類為非受力裂縫。受力裂縫源于作用于砌體結構上的荷載超過砌體的承載力引起，非受力裂縫由于結構不均勻沉降、溫差變化、混凝土收縮等原因引起，兩者的原因又可統(tǒng)一為砌體內產(chǎn)生的應力超過材料強度。砌體結構中裂縫一般集中于門窗洞口周邊，這些位置因為傳力路徑中斷，需要通過樓板、圈梁、過梁等構件托換荷載，應力布置較為復雜，存在應力集中情況，是裂縫多發(fā)地帶。本文將介紹的首層窗臺及頂層窗間墻裂縫分布位置也不例外，也圍繞于洞口周邊。
2 首層窗臺及頂層窗間墻裂縫調查
一棟三層磚混結構民宅，約于1998年建成并投入使用，采用240mm厚粘土實心磚墻承重，因現(xiàn)場未檢測磚與砂漿強度，下文計算時磚強度等級取MU10，砂漿強度等級取M2.5。縱橫墻共同承重，樓、屋面均為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結構，一層層高為3.5m，二層層高為3.1m，三層層高為2.8m，房屋總高度約為9.4m。平面布置詳見圖6。
經(jīng)現(xiàn)場檢測，結構未見明顯傾斜，一至三層部分均出現(xiàn)不同程度裂縫。首層(B)軸位置窗臺下墻體基本都出現(xiàn)豎向裂縫，裂縫特點為：邊緣寬，向內逐漸收窄。同為首層窗臺位置的(C)軸墻體卻未出現(xiàn)此類裂縫，典型裂縫詳見圖1、圖2。
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三層(B)軸門窗間墻位置規(guī)律性出現(xiàn)水平裂縫，裂縫特點為：邊緣寬，向內逐漸收窄。典型裂縫詳見圖3、圖4，將三層裂縫分布情況共同繪制于一立面圖中，詳見圖7。
3 裂縫原因分析
砌體結構雖由磚及砂漿兩種材料構成的非均質材料，計算時可將其簡化為同一材質，首層窗臺位置墻體受力特點類式梁構件，窗臺面未設置鋼筋混凝土過梁，在地基反力作用下，跨中產(chǎn)生較大的拉應力，當拉應力超過砌體的彎拉強度時，便產(chǎn)生豎直的彎曲裂縫。本例中(B)軸位置窗下墻跨度1.5m，高1.3m；(C)軸位置窗下墻跨度1.0m，高1.3m。計算跨中應力值，假設每層樓產(chǎn)生的面荷載設計值為12kN/m2，作用于(B)軸的地基反力12x3x4.2=151.2kN/m。
則(B)軸位置窗下墻在地基反力作用下的彎拉應力為0.21N/mm2，超過砌體彎曲抗力強度；作用于(C)軸的地基反力為12x3x3=108kN/m，窗下墻跨中應力值為
，小于(B)軸位置應力，未超過砌體彎曲抗力強度，墻體未開裂。計算結果與現(xiàn)場檢測的情況相吻合。
三層(B)軸位置門窗洞間墻，產(chǎn)生規(guī)律性水平裂縫，且裂縫集中布置在洞口根部位置，可能是由于屋面層樓板直接受太陽曝曬，溫度高于三層樓板，屋面層樓板與三層樓板之間存在一個溫度差，使得墻肢產(chǎn)生沿縱向變形差，門窗間墻受力特點類式于一豎直的懸臂構件，計算的簡化模型如圖5所示。當變形差產(chǎn)生的水平推力作用于豎直的懸臂墻肢時，墻肢中產(chǎn)生彎拉應力超過墻肢抗彎強度時，墻肢開裂。本例中，樓板沿縱向的一半長度為17.85m，假設樓板縱向變形零點位于結構縱向中部，屋面板與三樓板之間存在5度的溫差，材料的線膨脹系數(shù)為10-5，則兩層樓面之間的變形差最大值
將門窗間墻考慮為懸臂構件，溫差作用下的彎拉應力計算如下：
窗間墻寬度：500mm
砌體彈模：E=1390 f=1390*1.3=1807
懸臂構件的變形值：
根據(jù)計算結果，懸臂墻段中的彎曲正應力值，超過了砌體彎曲抗拉強度，門窗間墻開裂。門洞左上方出現(xiàn)豎向裂縫的原因如下，簡化模型中的BC桿需平衡AB桿的彎矩，BC桿的B、C端產(chǎn)生順時針彎矩，表明C端下表面受拉，故此處墻體開裂，B端上表面受拉，上表面設置圈梁、樓板構件，并配置鋼筋，故未見裂縫。
4 結 語
本文通過將窗下墻及窗間墻簡化為梁構件，手算構件在地基反力、溫度荷載作用下構件所產(chǎn)生的應力，較為方便，計算結果與實際檢測結果較為吻合。對于此類建筑，在設計過程中可關注相應的薄弱環(huán)節(jié)，采取必要措施：窗臺下墻因受到地基反力的作用，沿窗臺面產(chǎn)生豎直裂縫，可在窗臺面設置鋼筋混凝土過梁來托換地基反力，作用類式于門窗頂部過梁；頂層溫差作用下，沿薄弱墻段產(chǎn)生的彎曲正應力，可以通過設置構造柱，圈梁，約束內部砌體墻肢，減小變形，還可以在屋面設置架空隔熱層，降低樓層之間溫差，減少墻肢的變形差。
參考文獻
[1] 中國建筑科學研究院，GB 50010-2010.混凝土結構設計規(guī)范 [S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010
[2] 中國建筑東北設計研究院有限公司，GB 50003-2011.砌體結構設計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011
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