连续基础梁开裂问题的结构分析方法

（一）几个工程实例

（1）305工程1＃厂房为现浇整体式三层框架结构，厂房中间部分全长54m，跨度为7+3+7，柱距为6m，两端以伸缩缝隔开。在A轴线③～间，D轴线③～间设有连续现浇混凝土基础梁，其长度分别为54m及48m，基础梁于1966年7月底8月初施工，施工后不久，地基梁即出现了开裂现象（当时上部结构尚未施工），12月中旬再次仔细观察裂缝，原有裂缝随时间而发展，且发现了新的裂缝，其裂缝分布及宽度见图1。

图1

（2）株洲氮肥厂201工程为现浇整体式框架结构。厂房全长120m，在轴线⑧、处设置两道伸缩缝，其间距分别为42m、36m、42m，A轴线通长设有连续现浇混凝土基础梁，F轴线设有连续现浇混凝土工字形板梁。A轴线上的基础梁，①～⑧间于1964年9月18日浇灌，⑧～间于1964年9月28日浇灌，～间于1964年10月16日浇灌，均在同年10月21日前后发现裂缝。F轴线①～⑧间板梁，1964年9月16日浇灌，同年10月21日发现裂缝，裂缝分布及宽度见图2。

图2

（3）武钢某车间为现浇整体式框架结构，厂房全长42m，柱距为6m，设置了现浇混凝土基础梁（梁长42m），1957年7月施工，施工温度为38～40℃，浇灌后两星期拆模，拆模后即发现各柱距间均有4～5条裂纹，裂缝宽度为0.2～0.3mm，跨中处裂缝上大下小，支座处裂缝上小下大，其裂缝分布见图3。

（4）岳阳电厂主厂房为现浇整体式框架结构。基础梁为多跨连续梁。柱距为6m，梁长48m。基础梁于1958～1959年施工，拆模后即出现开裂现象。裂缝为上大下小，数量和缝宽均随时间增加。

1966年12月29日，因敷设地下管道而开挖了一个中间柱距的基础梁，该梁有两条裂缝，宽为0.2～0.3mm，其位置分布见图4。

图3

图4

应当指出，在上述四个工程实例中，整体式框架结构中的混凝土现浇连续基础梁的开裂，都是在施工期间发现的。上部结构均未施工，基础梁本身并没有承受正常使用情况下的荷载。

我们初步分析认为：基础梁的裂缝是砼收缩变形与温度影响的结果。

应当说明，围绕上述基础梁的裂缝问题，我们曾在湖南岳阳、长沙、株洲做了专门的调查。发现这个问题是相当普遍的。我们查阅了国内有关文献，亦发现载有同样问题的论述［1］［2］，因此，这个问题应该引起我们的注意。

（二）整体式钢筋混凝土现浇连续基础梁考虑混凝土收缩与温度变形的计算问题

从上述四个实例中，可以看到温度伸缩缝间距为54m、36m、42m、48m，按规范HNTY-123-55规定为50m的要求，大都在允许值之内。如按我国规范BJG2-66的规定，湖南地区年平均温差Δt＜35℃，温度伸缩间距许可值为60m，都大大小于规范规定。但是基础梁都出现了严重的裂缝现象，近年来国内有人指出［3］：世界各国的温度伸缩缝许可间距规定颇不一致，而且据近代建筑实际经验证明，某些结构长度超过了设计规范规定却没有出现破裂现象，也有某些结构的长度小于规范规定却发生了裂缝。从我们上举四个工程实例中，整体式框架结构的混凝土现浇连续基础梁，就是实际的例子。我们认为，位于一个温度区段内的整体式框架结构中的现浇连续基础梁，其伸缩变形较同一长度的能够自由变形的梁有极大的差异，其原因是框架上部结构的荷重较大，要求柱子断面亦大，配筋也较多，要求柱基的底面积也较大，柱基且需要有一定的埋置深度，这样柱基对基础梁的伸缩变形就具有极大的刚度，见图5，这个刚度可用柱顶具有单位水平位移（即基础梁伸缩一个单位长度）所需的水平推力大小来表示：

［1］ 结构物裂缝问题学术会议论文选集第一册；陈惠玲等.钢筋砼的收缩裂缝与收缩应力计算；陈三民等.掺氯盐的钢筋砼构件产生裂缝探讨.

［2］ 王铁梦.建筑结构几种裂缝分析（关于温度收缩缝研究之二）.土木工程学报，1960年3期.

［3］ 王铁梦.工业及民用建筑温度伸缩缝许可间距的研究.土木工程学报，1960年2期.

图5

式中h值一般不会太大，为1.0～1.5m，K值由于柱子轴力P和填土反力很大，而具有很大的数值。

由于R值很大，这就形成了柱基对水平基础梁极大的嵌固作用，使得基础梁难于在一个温度区内发生整体式的伸缩变形，事实上，由于柱基对基础梁嵌固作用，而使一连续梁分成若干伸缩变形体系。

一般说来，作为框架结构的基础梁，只是用来承受一个楼层的填充墙荷重，因此，配筋量较少，在砼收缩及温度变形的作用下，往往不能抵抗。这就是为什么上述基础梁的裂缝不是集中到某一柱间，而是分布于每一柱间的原因。

由于柱子对框架纵向连系梁的弹性抵抗与该梁到柱基台阶上皮标高的距离h（柱高）的立方成反比，故有关研究［3］指出，位于两层框架以上的构件，因砼收缩和温度而产生的变形可视为自由变形。

上述可以说明，对于整体式框架结构中的钢筋混凝土现浇连续基础梁，即使是建筑物温度伸缩缝的设置符合规范规定，亦难保证在砼收缩和温度作用下不产生裂缝，这就对设计该种基础梁有必要做适当的砼收缩和温度变形计算，提供了依据。

关于单层或多层框架结构在砼的收缩及温度应力作用下的计算，一般可按结构力学的方法，考虑按上述方法计算甚为复杂，而且未必得出精确的结果，因此我国王铁梦提出了一种略算法［4］，现对这一方法进行一些讨论，提出我们的看法。

（1）在框架结构的计算中，首先假定在框架纵向连系梁中存在一个温度变形不动点，该点的位置可由计算决定，在一般工业及民用建筑纵向框架为等高，等柱距、等刚度的条件下，温度变形不动点就是框架纵向连续梁的中点。(www.xing528.com)

我们认为对于能够自由伸缩变形的构件、框架上部具有足够刚度的梁，而且柱子对它的弹性抵抗较小时，温度变形不动点，才能符合上述假定，对于整体式框架中的现浇砼连续基础梁，由于柱基极大的嵌固作用，温度变形不动点则位于各个柱顶，且不是一个温度变形不动点。

（2）在按上述方法验算框架纵向连系梁抗拉能力时，是将温度变形不动点一侧的梁底柱头剪力Qi叠加，而后作用于不动点柱距中，求出拉伸变形。式中EσFσ为砼的弹性模量及横梁面积。

［4］ 王铁梦.框架结构温度应力略算法（关于温度收缩缝研究之三）.土木工程学报，1960年4期.

我们认为，在这里需要讨论两个问题，第一，计算采用∑Qi，实际上是以框架中的纵向连系梁在全长上发生整体伸缩变形前提的，如前所述，对于整体式框架的钢筋砼现浇连续基础梁而言，由于柱基强大的嵌固作用，加之一般的配筋率较小，砼的抗拉极限度很低，尤其对收缩变形而言，不可能全梁发生整体一致性变形。第二，计算中采用EσFσ，这就忽略了钢筋的作用。正如著者本人另一文［2］中所指出的，一般情况下钢筋砼的极限抗拉应变约为0.0004，而砼的极限抗拉应变就有0.0001。这就充分说明钢筋对梁的拉伸变形起着主要作用。

（3）关于钢筋砼构件刚度的取法问题，考虑到某些钢筋砼结构、构件，设计计算上允许有一定限量的裂缝产生，裂缝产生过程中结构构件的刚度大大降低，其刚度可按B.и.мурашеф刚度理论计算，本方法中著者考虑到砼的收缩、温差及其他荷载长期作用，亦建议用上述理论进行计算，对于整体式框架钢筋砼现浇连续基础梁而言，在砼收缩及温度应力作用下，施工期间即产生裂缝，并无其他荷载作用，可近似认为是拉压构件，与该梁整浇的框架柱一般情况下亦少见裂缝。根据苏联规范CHunⅡ-B，1-62第9-3条精神，建议考虑按均质弹性体计算，计算中引入折算断面的概念，其刚度计算公式为：

Bkp=0.85EσJn

（4）根据前举四个工程实例的实际情况，关于整体式钢筋砼现浇连续基础梁在砼收缩及温度变形作用下的计算，提出我们倾向性意见。

假定钢筋与砼间黏结牢固，无滑移，砼收缩及温度变形沿梁的截面及长度均匀分布。见图6。

图6

①当柱基嵌固作用强大时，取一柱距间两端固定的单梁作为计算图形：ΔL=αΔtl，式中Δt为综合平均温度差，砼收缩影响可折算成温差15℃考虑。温差是指构件成型温度与施工和使用期间最不利的温度（平均值）之差。α为线胀系数，对钢筋砼而言α=1.0×10-5，L为两个相邻柱间的净距式中K为安全抗裂系数，［ε］为钢筋砼的极限抗拉变形，可按规定取用，或通过具体计算得出：［ε］=0.5Rp（1+α）×10-5。式中Rp为砼的极限抗拉强度P为含钢量，d为平均钢筋直径。②当柱基嵌固作用不大使基础梁能够发生整体一致的伸缩变形时，可按文献［4］，所建议的略算法计算。但构件的刚度，建议引入折算断面的概念按均匀弹性体计算，其刚度计算公式为：

Bkp=0.85EσJn

在计算εt时，应考虑钢筋的影响。

（三）关于避免上述裂缝的措施问题

影响上述裂缝的各种因素是相当错综复杂的，因而要想避免上述裂缝，必须采取综合措施。

1.施工方面

（1）控制构件成型温度。整体式框架中钢筋砼现浇连续基础梁，由于膨胀原因，而使其裂缝，一般说来其可能性是较少的，因为膨胀使该梁受压力作用。一方面材料抗压性能较好，另一方面，砼收缩对此是个抵消作用。只有在构件受温度作用发生收缩变形时，温度影响与砼的收缩形成一致性的作用，同时砼受拉强度很低，才容易出现裂缝。为此，构件成型温度，不宜过高，最好在5～10℃［2］。

（2）应避免使用砼渣水泥，因为矿渣水泥收缩性质较烈，且早期强度很低，容易在施工期间出现裂缝。

（3）水和水泥用量要严格控制，不能偏高［1］。应尽量使用低标号水泥（一般可≤400＃）。砼中应避免掺氯盐促凝剂［1］。骨料坚硬的为好，石子、沙子，要合理地选择级配。施工要用机械振捣，增加密实度，并注意养护。

2.设计方面

（1）建议进行砼收缩及温度变形验算。在配筋构造上，如：架立钢筋适当大些，并做成通长的。

（2）上述结构对砼收缩及温度变形是不利的［1］，可考虑将现浇连续梁改为预制的简支梁。

3.材料性质研究方面

应当探索提高砼抗拉强度的途径，砼抗拉强度的提高是具有重要意义的。在砼中掺入少量高分子聚合物（如聚醋酸乙烯酯等）可提高砼抗拉能力5～10倍［4］。

应当说明，该文是在四机部第十一设计院工作期间，于1967年在湖南岳阳305工程做工地代表时与荣湘仁同志共同完成的，作为参考资料已为他人成书所采用，虽年代较久远，考虑到它的实践性、完整性，而予以集录。