[转贴]：混凝土小型空心砌块建筑的试点应用

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摘要：混凝土小型空心砌块有一系列的优点，但顶层墙体的裂缝问题制约着它的推广。为此，杭州市在国家禁止实心粘土砖的大环境下，与浙江大学结构工程研究所合作，加强了对混凝土小型空心砌块的研究。通过研究，取得了预期的效果。本文对研究成果作了全面的介绍。
关键词：混凝土小型空心砌块、温度裂缝、裂缝控制、温度场、温度应力、构造措施、现场监测

1前言
　　由于实心粘土砖是国家明令禁止的墙体材料，因此寻找合适的替代产品是墙改工作的一项重要内容。混凝土小型空心砌块在杭州的应用也有几年时间了，而且最近杭州市墙改办与浙江大学结构工程研究所、浙江大学建筑设计研究院等单位合作的“混凝土小型空心砌块试点建筑裂缝控制技术及其工程试点”已取得了预期的效果，基本上解决了混凝土小型空心砌块长期困扰人们的“热、裂、渗”问题，真正实现了“技术可行、经济合理”的目标。

2混凝土小型空心砌块建筑的优缺点
　　近年来，随着混凝土小型空心砌块的广泛使用，由于其本身具有强度高、自重轻、造价低、砌筑速度快、劳动强度低等优点，而且在混凝土小型空心砌块的使用过程中具有节约土地、保护资源、减少环境污染、降低工程造价、缩短建设周期、增加房屋使用面积等优点，因此混凝土小型空心砌块既保留了粘土实心砖原有的众多优点，又克服了粘土实心砖的致命缺点，充分显示出混凝土小型空心砌块的巨大发展潜力。当然，混凝土小型空心砌块建筑也存在着不足和薄弱的地方。这主要表现在以下几个方面：
　　（1） 容易产生墙体裂缝，尤其是多层住宅中顶层端开间的纵、横墙部分容易产生裂缝；
　　（2） 存在雨水渗漏问题；
　　（3） 热工性能与粘土砖相比欠佳；
　　（4） 二次装修不便。
　　在上述问题中严重困扰设计、施工和房地产及物业管理等单位的主要问题是裂缝。经过对已建成的混凝土小型空心砌块建筑的调查研究，从混凝土小型空心砌块建筑墙体裂缝产生的部位和特征来看，初步认为产生裂缝的成因主要有以下几种情况：①温度应力引起的裂缝；②墙体受力不均产生的裂缝，例如差异沉降引起的裂缝；③砌体干缩裂缝；④产品不合格和施工不符合要求导致的砌体裂缝。实际上造成裂缝产生并不是某一种因素的单独作用，而是多种因素的综合反映。然而，经过广泛的调查和分析，根据裂缝产生的部位及其形状，国内外专家普遍认为温度应力是导致裂缝的主要原因。
　　顶层墙体及相应构件上温度裂缝的存在不仅降低了墙体的质量如整体性、耐久性和抗震性能等，同时给居住者在感观上和心理上造成不良影响，而且严重影响了混凝土小型空心砌块的推广应用，制约着混凝土小型空心砌块建筑的发展。随着我国墙改和住房商品化的进展，人们对居住环境和建筑质量的要求不断提高，对建筑物墙体裂缝的控制要求更为严格，建筑物的裂缝已成为住户评判建筑物安全的一个非常直观、敏感和首要的质量标准。因此，对混凝土小型空心砌块建筑在施工和使用过程中出现的温度裂缝进行分析与研究，从试验研究、理论分析、专项设计、试点工程实施和跟踪监测整个过程进行研究是非常必要的。确定小型空心砌块建筑温度裂缝控制技术的研究课题具有重要的理论价值和工程应用前景。

3 试点建筑的研究方法
　　本课题采用调查研究、有限元数值分析、理论研究、模型试验和跟踪监测相结合的综合分析手段，运用热力学、计算结构力学、弹性力学、数理方程、建材理论、测试理论等基本理论来研究混凝土小型空心砌块建筑的温度裂缝，本项目的研究框图如图1所示。本项目的主要研究过程以及方法如下：

3.1 调查研究
首先收集查阅大量国内外控制混凝土小型空心砌块裂缝措施，同时到国内已建成有代表性的混凝土小型空心砌块试点建筑去实地调查，调查项目包括试点建筑的结构型式、裂缝出现的时间、裂缝出现的位置、裂缝宽度、当地的气象状况、当地的自然环境条件等等，最后根据文献调查和实地调研分类总结出国内外采取的防范混凝土小型空心砌块建筑温度裂缝的措施。

3.2 温度场分析
根据杭州地区近几年来的气象资料可以统计出日平均温差变化曲线、日最大温差变化曲线、月最大温差变化曲线以及年最大温差变化曲线等，把这些资料和热工试验中测得的热传导系数应用于普通日照下大量不同结构型式的混凝土小型空心砌块建筑的温度场有限元计算中，根据有限元计算结果与实测的温度场分布进行比较、综合，最后得出杭州地区混凝土小型空心砌块建筑中典型的温度场分布，其中包括屋顶温度场以及内外墙体的温度场分布。

3.3 温度应力分析
（1） 建立混凝土小型空心砌块建筑有限元模型，模型中用板单元模拟墙体，用梁单元模拟圈梁、构造柱和芯柱，用弹簧元模拟地基、控制缝和滑移层等。混凝土小型空心砌块建筑采用大量的国内已建成的试点建筑，考虑不同的结构平面型式，如矩形、L型以及工字型等等，同时考虑采用不同的防范裂缝的措施。
（2） 把上面计算所得的典型的温度场加到所建立的有限元模型中进行大量计算，并得到采用各种不同防范措施以及各种不同结构平面型式砌块建筑中的应力分布规律、最大主应力值、最大剪应力值、最大水平位移等，根据这些规律提出相应的改进防裂措施。

3.4 模型试验
　　（1） 了解混凝土小型空心砌块墙体在水平和竖向荷载共同作用下的工作机理，以及在荷载作用下裂缝的出现、开展规律和破坏机制。
　　（2） 对比不同构造措施在同一结构类型墙体抗裂和极限破坏中所起的作用，确定最为有效和性价比最好的抗裂措施，并为设计提供依据。
　　（3） 对比不同结构型式的墙体（如外纵墙、内纵墙、内横墙）在相同荷载作用下的抗裂机理和抗裂效果。
　　（4） 确定不同墙体的初裂荷载、初裂位移和极限荷载、极限位移，明确在不同结构类型墙体中应采取怎么样的构造措施来抵抗水平荷载的作用。

3.5 跟踪监测
　　对采取具体防范措施后的试点建筑进行跟踪监测，以便及时地反映抗裂措施的实际效果，同时为以后的工作打下基础。跟踪监测的项目包括温度场的测试、变形测试、裂缝观测、墙体温度应变的测试等。

4 混凝土小型空心砌块建筑裂缝控制技术
　　主要控制混凝土小型空心砌块建筑温度裂缝的技术有三种：“防”、“放”、“抗”，在使用中应该是三者的综合。三种方法的具体内容是：
　　（1）所谓“防”就是采用适当的屋盖构造处理，减少屋盖与墙体的温度差异，减小屋盖与墙体之间的相对变形的相对约束性，从而达到减少墙体温度应力的目的。对混凝土小型空心砌块屋面，为了减少顶层墙体的开裂，主要采取以下的措施：
　　① 加设屋面保温隔热层
　　② 外表面浅色处理。
　　③ 蓄水屋盖。
　　④ 无土种植屋盖。
　　⑤ 改钢筋混凝土平屋面为坡屋面。
　　（2） 所谓“放”就是采用适当的构造措施，允许屋盖在一定范围能自由伸缩，降低屋盖体系的水平刚度，减少其变形积累，从而降低对墙体的推力。这种放的方法在国外的应用比较普遍。主要采取以下措施：
　　① 设置分格缝，在屋盖上每隔一定的间距设置分格缝，该缝应将整个屋盖分隔，使屋面板的变形在此可以自由伸缩，减少了整体变形，对墙的水平推力也相应减少。
　　② 在屋面板下滑动层或缓冲层。屋面板的变形是通过墙顶的连接来推动墙体的。因此在屋面板和墙顶之间设滑动层（如铺两层油毡或者专用的滑动材料等）将大大削弱这种推力。
　　③ 设置控制缝。在温度应力集中的地方如墙高度变化处、墙厚度变化处、墙面洞口处等设置控制缝以减少墙体的整体变形。
　　（3） 所谓“抗”就是通过构造措施如设置圈梁、构造柱、灌芯插筋等加强墙体的整体性和抗裂性，以达到减少墙体的变形，减少裂缝。这种方法在我国应用比较广泛，基本上各地都有“抗”的措施。其中常用的措施有：
　　① 设置构造柱和添加芯柱。在墙体变形较大的部位以及在墙体交界处设置构造柱对限制墙体的变形有很明显的效果。另外，小型空心砌块墙体中门窗洞边以及每隔一定的间距设置芯柱，也增强了墙体的稳定性和整体性。
　　② 设置圈梁和窗台梁。通过设置圈梁和窗台梁，可以使比较薄弱的门窗洞口形成局部框，增强墙体的整体性，从而限制墙体的变形。
　　③ 在容易产生裂缝的部位采用适当的加强措施。如在容易出现阶梯裂缝的内纵墙和内横墙，通过每隔两皮或三批砌块配置适量的水平钢筋网片来增强墙体的抗剪强度。
　　④ 提高或改良砌筑砂浆的强度。因为砂浆是影响砌体抗剪强度的最为重要的因素。大庆市就通过掺专用外加剂（改性剂I号）的砌筑砂浆，保证砌筑砂浆具有较好的保水性、流动性和早强性等特点。

5 研究的主要成果
　　通过单片墙试验、有限元计算和现场监测，我们得出了以下结论：
　　（1） 砌块墙体在水平和垂直双向荷载作用下出现裂缝的时间比砖砌体要早，对于开门窗洞墙体，裂缝多为门窗洞四角的八字缝和墙体两侧的水平弯曲缝，对于不开门窗洞的墙体，出现裂缝晚，裂缝多为墙体两侧弯曲缝，从试验过程发现，在墙体中采取构造措施后，墙体出现裂缝的时间推迟，同时发现窗台圈梁在控制窗角的八字缝、墙体两侧构造柱对于防止水平弯曲缝的出现能起到很好的效果，通过试验确定在砌块墙体中采取构造柱+芯柱+窗台圈梁的构造措施来控制裂缝是最为经济合理有效的。
　　（2） 同一结构类型的墙体在采取了构造措施以后，开裂荷载和极限荷载都有很大程度的提高，说明在砌块墙体中采取构造措施的必要性，而对于采取同一构造措施的不同结构类型的对比中得到开窗洞墙体的抗侧力性能远远不如不开窗的墙体，说明窗洞对墙体整体性能的削弱作用十分明显。
　　（3） 从对换墙体内应力关键点的测试中看到，试验墙体开裂时的应力远大于其抗剪强度值，说明墙体内的应力并不是引起墙体开裂的唯一原因，从试验中发现各墙体的初裂位移都在2mm左右，说明墙体的水平侧移也是引起墙体开裂的一个重要原因，因此在砌块墙体内增加构造措施提高墙体刚度可以减少墙体的水平侧移，从而控制裂缝的出现，并提出了基于位移控制的砌块墙体裂缝控制标准：4/H<1/2000。
　　（4） 各试验墙体刚度退化趋势大致相同，墙体的初始刚度均较大，随位移增大而退化，墙体开裂后，刚度迅速退化，当墙体裂通以后，刚度退化基本趋向于稳定。根据试验结果还可得到对于开窗洞的墙体，采取构造措施后的墙体刚度要比未采取构造措施的要大很多，说明构造措施在提高开窗洞的墙体抗侧刚度方面的作用，但对地不开窗洞的墙体，采取构造措施后的墙体刚度和未采取构造措施的墙体相比，提高幅度不大，这是因为不开窗洞的墙体本身整体性能良好。
　　（5） 各试验墙体在弹性阶段沿墙体高度的变形基本上是直线型，墙体开裂进入弹塑性阶段以后，沿高度的变形大部分试验墙体呈现弯曲形状，这与试验墙体的初始裂缝多为弯曲水平缝相符合，当墙体进入塑性破坏阶段，沿墙体高度的变形呈现出不同的形式，基本有剪切型和弯曲型两种形式，与试验墙体最终表现的劈拉破坏和剪压破坏的形态是对应的。
　　（6） 根据试验中在水平各级荷载作用下裂缝宽度开展的情况，并依据国外的相关标准，确定了把0.3mm作为砌块建筑墙体裂缝的控制标准。
　　（7） 各试验墙体的荷载一位移曲线都经历了弹性、弹塑性和塑性破坏阶段，但采取了构造措施后，弹塑性阶段增长，墙体的延性也随之增加。同时根据试验可知砌块墙体在开裂后有不错的延性，因此对于砌块墙体的细微裂缝，不应引起安全方面的担心。
　　（8） 根据试验的结果，并结合理论分析，推导了足尺寸砌块墙体在水平和垂直双向荷载作用下初裂荷载和极限荷载的理论计算公式，同时推导了足尺寸砌块墙体的初始刚度计算公式，并与试验数据结合良好。其中初裂荷载的理论计算公式为：

极限荷载的理论计算公式为：


初始刚度计算公式为：


　　（9） 根据有限元计算和现场实测结果得出了混凝土小型空心砌块建筑的温度场分布规律：对砌体结构主要考虑其沿墙体和屋面厚度方向的温度变化；墙体和屋面温度变化的相互影响很小，可以认为是独立变化的；对同一方位的墙体可以认为其同表面（如西墙外表面）为同一温度场；对不同方位的墙体，其表面温度场是不同的。
　　（10） 提出了分工况的温度荷载取值方法，即考虑施工期与正常使用期等情况，并根据这一方法对试点建筑的温度荷载进行了计算。
　　（11） 提出了综合考虑日温差和年温差的组合温差取值方法，即组合温差=日温差+0.85x年温差，并根据这一方法对墙体和屋面温度进行取值，为温度应力有限元计算提供温度参数。
　　（12） 现场的实测资料表明：采用灰色玻纤瓦的试点建筑屋面其外表最高温度＞70℃，对屋面影响较大。
　　（13） 通过对模型的有限元计算表明，外墙沿轴线方向的偏移从中间向两端逐渐增大。沿墙体的高度方向其偏移逐步增大。屋面板有些部位出现扭曲，形成小波状屈曲变形，这主要是内横墙、内纵墙对屋面的影响造成的。
　　（14） 外纵墙两端部的主拉应力较大，而中间部位相对较小，如果墙体上开有门窗洞口，则在其端角处应力较为集中，在实际的构造中就考虑对建筑的两个端部采取加强措施。
　　（15） 外纵墙墙体上部的剪应力分布是在两端较大，而在中间开间较小。与屋面交接的圈梁下面的墙体的水平剪应力相对较大，能很好的解释外纵墙八字裂缝的产生。
　　（16） 内横墙第一开间沿墙体相对墙体长度偏移较大，同时沿垂直于墙体轴线方向的偏移较大，实际上内横墙在温度的反复作用下受到了一个周而复始的受弯作用，同时还发现其靠近外墙一端的主应力和剪应力都比较大。
　　（17） 经过计算分析，在墙片中设置芯柱、构造柱增强了墙片的整体刚度，对于限制墙体的侧移具有很明显的作用，在混凝土小型空心砌块建筑中很好地起到了防止和限制墙体裂缝产生和开展。
　　（18） 在对计算结果的分析中可以发现，芯柱、构造柱的设置实际上形成了一级简易框架，削弱了温度效应对墙片的作用，同时也增强了整体的抗拉能力和抗剪能力。在圈梁、构造柱和芯柱上的主拉应力、水平剪应力相对于墙体上要大很多，成为墙体中受力的主要构件，防止了八字裂缝的产生和开展。
　　（19） 芯柱、构造柱加窗台圈梁的墙片本身具有较大的刚度和强度，能够很好的防止八字缝的产生，但该种体系应该布置在对温度比较敏感的端部开间的外墙，比如外纵墙的端部开间、开门窗洞口的开间等一些常产生裂缝的部位。建议在建筑顶层端部开间处考虑使用，其余采用构造柱、芯柱体系较为合理。
　　（20） 从试点建筑在不同工况的应力分析还可以得到，如果顶层保温隔热措施做得比较好时，不但层间偏移有了很大的减少，还很大程度上减少了墙体的主拉应力和水平剪应力，对防止裂缝的产生起到了很好的作用，建议使用该措施。

6 混凝土小型空心砌块试点建筑经济性分析
　　为了解混凝土小型空心砌块建筑造价，并与砖混结构建筑造价相比较，杭四建根据试点建筑（潮鸣小区A6#住宅楼）的实际工程量，并按2000年3月的价格信息，进行了土建造价计算，同时又对与试点建筑面积、层数、平面布局、结构型式等均基本相同的砖混结构建筑，也按2000年3月的价格价格信息进行了土建造价计算。试点建筑的建筑面积为3622.87m2 ,共七层（局部六层），实际使用面积为2824.32m2，采用混凝土小型空心砌块，工程造价为220.4万元，单方造价为608.34元/m2，采用砖混结构时，建筑面积为3626.88m2，实际使用面积为2752.17m2，工程造价为211.53万元，单方造价为583.23元/m2。经分析对比，采用混凝土小型空心砌块单方造价较砖混结构提高4.31%，但使用面积却增加了72.15m2。增加2%，从对比中说明采用混凝土小型空心砌块是经济合理的。

7 试点建筑防裂、抗裂措施建议
　　主要考虑的因素是设计方面、砌块生产方面和施工运输方面。

7.1 设计方面
　　（1）建筑体形、刚度均匀要求。设计时要注意保持建筑刚度的均匀性，尽量加强墙体的整体刚度。对体形相对较为复杂的，要将建筑分为几个刚度均匀的独立单元为宜，避免由于刚度的差异，引起墙体上的应力集中而产生裂缝。如果不设置变形缝，在刚度差异较大处的墙体要采取加强措施，如纵横墙交接片设置构造柱，墙体中布置芯柱予以加强。
　　（2）“放”的措施，计算中发现当建筑的总长超过35-40m时，墙体受到的温度应力相对较大，建议此时屋面设置温度伸缩缝，以减小屋面在温度作用下的变形对墙体的作用。试点建筑沿口为现浇钢筋混凝土天沟，为防止檐口开裂引起雨水的渗漏，建议在顶层屋盖中部的单元户墙上和天沟处设置温度伸缩缝，这样就极大的减小了温度作用区域的长度。
　　（3）“抗”的措施。纵墙的抗裂措施：根据有限元计算的结果，试点建筑在其顶上两层的端部开间的偏移较大，水平剪应力也大大超过了墙体的抗剪强度，建议在顶层和次顶层的端部开间纵横墙交接处设置构造柱，门窗洞口两边布置芯柱（f12），外纵墙开窗处设置窗台圈梁（190×190，4f12，f6 X200，C20）予以加强。在试点建筑外纵墙与横墙交接的部位设置构造柱，开门窗洞口处两边的砌体插芯灌实，内纵墙与横墙的交接部位和墙长的中部设插筋芯柱。横墙的抗裂措施：横墙上常出现的裂缝是两端呈踏步阶梯裂缝，中间是水平裂缝相连，主要是由于横墙在受弯和水平受剪的综合作用下产生。为了控制初始裂缝的产生，在试点建筑顶上两层的内横墙的中部（距楼面1.6m）处设3f4钢筋网片，同时在横墙的中间部位设置插筋芯柱。山墙的抗裂措施：山墙部分因日照强度大，常因温度作用和砌体的干缩发生竖向裂缝，一般可采取设置水平钢筋网片、增设构造柱或芯柱来防治。试点建筑东、西山墙因开窗在窗侧已设构造柱和插筋芯柱，在顶层墙体的中部设置横向钢筋网片，仅在较长墙体中按每2m增设插筋芯柱。
　　（4）“防”的措施。采用保温、隔热屋盖，降低屋盖承重结构和墙体之间的温差，是防止墙体温度裂缝产生的最为有效的措施。试点建筑为坡屋面，采用倒置式保温、隔热防水屋面，采用了25mm厚挤塑泡沫保温隔热板，屋盖传热热阻较大，有效地减小屋盖承重结构与墙体的温差，显著减小了试点建筑模型的层间偏移的温度应力，防止了墙体上温度裂缝的产生。
　　（5）选择合理的地基形式。试点建筑基础设计时，选择合理的基础形式，应将地基的不均匀沉降进行核算，地基的容许变形值，应按地基规范的规定，避免由于地基不均匀沉降引起墙体的开裂。
　　（6）设计中要注意的几个细部构造。圈梁、构造柱和芯柱等各种构造措施，应严格按照有关规范、规程处理；现浇钢筋混凝土楼板和构件，如檐口、通长雨篷等，应按规范规定设置变形缝；刚性防水屋面的温度伸缩缝，应做成柔性缝，缝中不应填混凝土或水泥砂浆，而应嵌以柔性材料；抵抗墙体因温度而产生的阶梯裂缝，横向钢筋起到了明显的效果，需要按墙体的高度设置至少两道的水平钢筋；注意各细部的构造，对容易产生裂缝的部位可以根据实际情况，采取适当的加强措施；砌筑砂浆适宜采用M10，顶上两层的墙体不宜采用高标号的砌块，并以主规格砌块为主进行排块砌筑。

7.2 砌块生产方面
　　（1） 砌块质量必须符合国家标准，并注明批量和生产的日期，出厂发货时须具产品合格证。
　　（2） 砌块成型后自然养护时间不足一个月，或蒸汽养护、湿法养护出窑后不足20天，不能出厂。
　　（3） 出厂强度：按不同的强度等级的砌块，出厂强度占强度等级指标的百分比不应小于：对强度等级≤MU7·5的砌块——80%，对强度等级≥MU10的砌块——70%。

7.3 施工运输方面
　　（1） 装卸时避免碰撞摔打，运输时不许翻斗倾卸。
　　（2） 砌块砌筑时不能淋水和受潮，在施工现场堆垛应采取遮盖措施。
　　（3） 砌块和砂浆的标号要检验，按设计要求使用。
　　（4） 砌块排块，必须遵照对孔错缝搭接的原则，不准使用有破损的砌块，也不许用粘土砖填砌。
　　（5） 灰缝力求砂浆饱满。水平砂浆层必须铺满所有纵横肋，竖缝采用整个端面铺浆的方法施工。
　　（6）圈梁施工应确保质量，保证其整体性。
　　（7） 雨期施工应有防雨措施。

8 总结
　　通过各方的共同努力，混凝土小型空心砌块试点建筑裂缝控制技术课题取得了预期的效果，实现了控制裂缝的目的，也有效地改善了“热”、“渗”的问题。并在现有的加强措施下达到了与同类砖混结构建筑相比造价<5%的目标。

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国家应该加大节能节地的建筑开发力度