砌体结构首层窗台及顶层窗间墙开裂分析

林锦滔 赖建财 杨 帆
　　（福建九鼎工程质量检测有限公司，福州 350000）
　　摘 要：文献对砌体结构不均匀沉降、温差作用引起的门窗洞周边八字形、倒八字形非受力裂缝，墙体在荷载超过抵抗力情况下引起的受压、局部受压裂缝关注较多。而对砌体结构出现规律性的首层窗台下墙体竖直裂缝以及顶层窗间墙水平裂缝讨论较少，本文通过一工程实例，介绍该类裂缝的特点，分析产生原因，从定性的角度推导产生该类裂缝应力的简略计算公式，减少该类裂缝的方法。
　　关键词：砌体结构；首层窗台；窗间墙；裂缝

　　1 引 言
　　砌体结构的裂缝分为两大类，一类为受力裂缝，一类为非受力裂缝。受力裂缝源于作用于砌体结构上的荷载超过砌体的承载力引起，非受力裂缝由于结构不均匀沉降、温差变化、混凝土收缩等原因引起，两者的原因又可统一为砌体内产生的应力超过材料强度。砌体结构中裂缝一般集中于门窗洞口周边，这些位置因为传力路径中断，需要通过楼板、圈梁、过梁等构件托换荷载，应力布置较为复杂，存在应力集中情况，是裂缝多发地带。本文将介绍的首层窗台及顶层窗间墙裂缝分布位置也不例外，也围绕于洞口周边。
　　2 首层窗台及顶层窗间墙裂缝调查
　　一栋三层砖混结构民宅，约于1998年建成并投入使用，采用240mm厚粘土实心砖墙承重，因现场未检测砖与砂浆强度，下文计算时砖强度等级取MU10，砂浆强度等级取M2.5。纵横墙共同承重，楼、屋面均为现浇钢筋混凝土结构，一层层高为3.5m，二层层高为3.1m，三层层高为2.8m，房屋总高度约为9.4m。平面布置详见图6。
　　经现场检测，结构未见明显倾斜，一至三层部分均出现不同程度裂缝。首层(B)轴位置窗台下墙体基本都出现竖向裂缝，裂缝特点为：边缘宽，向内逐渐收窄。同为首层窗台位置的(C)轴墙体却未出现此类裂缝，典型裂缝详见图1、图2。

　　三层(B)轴门窗间墙位置规律性出现水平裂缝，裂缝特点为：边缘宽，向内逐渐收窄。典型裂缝详见图3、图4，将三层裂缝分布情况共同绘制于一立面图中，详见图7。
　　3 裂缝原因分析
　　砌体结构虽由砖及砂浆两种材料构成的非均质材料，计算时可将其简化为同一材质，首层窗台位置墙体受力特点类式梁构件，窗台面未设置钢筋混凝土过梁，在地基反力作用下，跨中产生较大的拉应力，当拉应力超过砌体的弯拉强度时，便产生竖直的弯曲裂缝。本例中(B)轴位置窗下墙跨度1.5m，高1.3m；(C)轴位置窗下墙跨度1.0m，高1.3m。计算跨中应力值，假设每层楼产生的面荷载设计值为12kN/m2，作用于(B)轴的地基反力12x3x4.2=151.2kN/m。

　　则(B)轴位置窗下墙在地基反力作用下的弯拉应力为0.21N/mm2，超过砌体弯曲抗力强度；作用于(C)轴的地基反力为12x3x3=108kN/m，窗下墙跨中应力值为，小于(B)轴位置应力，未超过砌体弯曲抗力强度，墙体未开裂。计算结果与现场检测的情况相吻合。
　　三层(B)轴位置门窗洞间墙，产生规律性水平裂缝，且裂缝集中布置在洞口根部位置，可能是由于屋面层楼板直接受太阳曝晒，温度高于三层楼板，屋面层楼板与三层楼板之间存在一个温度差，使得墙肢产生沿纵向变形差，门窗间墙受力特点类式于一竖直的悬臂构件，计算的简化模型如图5所示。当变形差产生的水平推力作用于竖直的悬臂墙肢时，墙肢中产生弯拉应力超过墙肢抗弯强度时，墙肢开裂。本例中，楼板沿纵向的一半长度为17.85m，假设楼板纵向变形零点位于结构纵向中部，屋面板与三楼板之间存在5度的温差，材料的线膨胀系数为10-5，则两层楼面之间的变形差最大值

　　将门窗间墙考虑为悬臂构件，温差作用下的弯拉应力计算如下：
　　窗间墙宽度：500mm
　　砌体弹模：E=1390 f=1390*1.3=1807
　　悬臂构件的变形值：

　　根据计算结果，悬臂墙段中的弯曲正应力值，超过了砌体弯曲抗拉强度，门窗间墙开裂。门洞左上方出现竖向裂缝的原因如下，简化模型中的BC杆需平衡AB杆的弯矩，BC杆的B、C端产生顺时针弯矩，表明C端下表面受拉，故此处墙体开裂，B端上表面受拉，上表面设置圈梁、楼板构件，并配置钢筋，故未见裂缝。
　　4 结 语
　　本文通过将窗下墙及窗间墙简化为梁构件，手算构件在地基反力、温度荷载作用下构件所产生的应力，较为方便，计算结果与实际检测结果较为吻合。对于此类建筑，在设计过程中可关注相应的薄弱环节，采取必要措施：窗台下墙因受到地基反力的作用，沿窗台面产生竖直裂缝，可在窗台面设置钢筋混凝土过梁来托换地基反力，作用类式于门窗顶部过梁；顶层温差作用下，沿薄弱墙段产生的弯曲正应力，可以通过设置构造柱，圈梁，约束内部砌体墙肢，减小变形，还可以在屋面设置架空隔热层，降低楼层之间温差，减少墙肢的变形差。

　　参考文献
　　[1] 中国建筑科学研究院，GB 50010-2010.混凝土结构设计规范 [S].北京：中国建筑工业出版社，2010
　　[2] 中国建筑东北设计研究院有限公司，GB 50003-2011.砌体结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2011
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