國內(nèi)外標準中基于耐久性的混凝土裂縫限值分析

何 華，吳海軍，高 宇，陸 萍

（1.廣西吉泰投資有限公司，廣西 南寧 530001;2.重慶交通大學土木建筑學院，重慶 400074）

國內(nèi)外標準中基于耐久性的混凝土裂縫限值分析

何 華1，吳海軍2，高 宇2，陸 萍2

（1.廣西吉泰投資有限公司，廣西 南寧 530001;2.重慶交通大學土木建筑學院，重慶 400074）

分析比較了國內(nèi)外標準中關(guān)于混凝土構(gòu)件裂縫寬度限值的規(guī)定，指出了各個標準限值的特點及其內(nèi)涵，提出橋梁混凝土構(gòu)件耐久性指標裂縫寬度限值的確定應(yīng)考慮環(huán)境作用、結(jié)構(gòu)受力特點、構(gòu)件種類、受力狀態(tài)、構(gòu)造特點等因素的影響;歸納出干濕交替、無干濕交替及腐蝕3種環(huán)境下，鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的裂縫寬度限值的一般范圍和相互關(guān)系，為確定公路橋梁混凝土構(gòu)件基于耐久性的裂縫限值提供參考。

混凝土橋梁;耐久性;裂縫寬度限值;環(huán)境作用

混凝土開裂是混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的一個普遍問題。裂縫根據(jù)其產(chǎn)生的原因分受力因素和非受力裂縫。盡管開裂原因及發(fā)展程度不同，但是，裂縫的開展會引起混凝土橋梁構(gòu)件耐久性能、正常使用性能、甚至承載力等諸多性能的變化;而裂縫的開展又與鋼筋銹蝕和混凝土構(gòu)件表面損傷等諸多影響構(gòu)件耐久性能的因素存在著重要的相互作用［1］。從耐久性評定的角度看，裂縫開展情況（主要指寬度）具備便于檢測及可重復(fù)驗證的特點;因此，裂縫寬度對于衡量和評價混凝土橋梁構(gòu)件的耐久性能是十分重要的，它是評價構(gòu)件耐久性能的一個關(guān)鍵指標［1］。

我國現(xiàn)有公路橋梁有關(guān)規(guī)范缺乏關(guān)于混凝土橋梁構(gòu)件耐久性的評價指標，這給在役橋梁的科學管養(yǎng)及耐久性評估帶來了不少困難。鑒于此，交通部西部交通建設(shè)科技項目“混凝土橋梁耐久性指標體系、檢測方法與評價標準的研究”以在役混凝土橋梁構(gòu)件耐久性評價指標與限值作為其重要的研究目標。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，部分國內(nèi)外標準、規(guī)范基于耐久性要求提出了混凝土構(gòu)件的裂縫寬度限值，但由于混凝土所處環(huán)境不同、混凝土品質(zhì)不同、施工質(zhì)量不同等因素，各規(guī)范中提出的裂縫限值各異。因此，通過分析相關(guān)規(guī)范中裂縫限值的內(nèi)涵及其量值，得出裂縫限值的一般規(guī)律、范圍及其影響要素，對于合理確定基于耐久性的公路橋梁裂縫指標限值具有重要意義。

1 國內(nèi)有關(guān)標準中裂縫限值及分析

隨著混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題的日益凸顯及耐久性研究成果的不斷豐富，包括混凝土結(jié)構(gòu)國家標準及鐵路、建筑等部分行業(yè)標準在內(nèi)的一些標準、規(guī)范中逐漸提出了考慮耐久性要求的裂縫限值。

1）GB/T 50476—2008《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》中要求在荷載作用下配筋混凝土構(gòu)件表面裂縫寬度計算值不應(yīng)超過表1中限值［2］。

表1 表面裂縫計算寬度限值Table 1 Allowance value of surface crack calculating width/mm

該規(guī)范裂縫計算寬度的具體限值與環(huán)境作用等級及構(gòu)件受力特點有關(guān)，環(huán)境作用等級分6類。構(gòu)件分為預(yù)應(yīng)力和非預(yù)應(yīng)力兩類，其裂縫寬度主要指橫向的受力裂縫寬度。同時，該規(guī)范偏保守的忽略了保護層厚度增大對于裂縫寬度容許值的貢獻。

2）JTG/TB 07-01—2006《公路工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》中指出混凝土表面裂縫的計算寬度，不宜超過表2中所示的允許值［3］。

表2 表面裂縫計算寬度限值Table 2 Allowance value of surface crack calculating width/mm

該規(guī)范裂縫計算寬度的具體限值與環(huán)境作用等級、環(huán)境的類別及構(gòu)件受力特點有關(guān)，這些因素及考慮與表1有關(guān)規(guī)定相似，但具體裂縫限值較前者嚴格，這與公路結(jié)構(gòu)活荷載較大、使用環(huán)境較復(fù)雜的情況相符。

3）《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計暫行規(guī)定》（鐵建設(shè)［2005］157號）中指出在混凝土橋涵結(jié)構(gòu)中恒載裂縫的計算寬度不應(yīng)超過表3中的最大裂縫限值［4］。

該規(guī)范裂縫計算寬度的具體限值指明了是恒載作用下的裂縫寬度，這是其他規(guī)范所沒有的，它考慮了列車活載可能引起裂縫寬度增大這一問題，使得寬度限制值的受力狀態(tài)明確化。該裂縫限值考慮了構(gòu)件類別、裂縫部位對耐久性的容忍程度，構(gòu)件類別分為4類，裂縫部位根據(jù)部位不同而裂縫限制不同，其裂縫寬度主要指橫向的受力裂縫寬度。同時，該規(guī)范有關(guān)說明考慮了保護層厚度增大對于裂縫寬度容許值的貢獻。

4）CCES 01—2004《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計與施工指南》指出混凝土在荷載作用下的表面橫向裂縫寬度計算值應(yīng)不超過表4中的限值［5］。

表4 表面裂縫計算寬度限值Table 4 Allowance value of surface crack calculating width/mm

該規(guī)范裂縫計算寬度的具體限值與環(huán)境的類別及構(gòu)件受力特點有關(guān)，受力特點分為預(yù)應(yīng)力和非預(yù)應(yīng)力兩類，環(huán)境的類別分為4類，其裂縫寬度主要指橫向的受力裂縫寬度。同時，該規(guī)范考慮了保護層厚度增大對于裂縫寬度容許值的貢獻。

5）我國現(xiàn)行GB 50010—2002《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)類別和其規(guī)定的環(huán)境類別，按表5的規(guī)定選用不同的裂縫控制等級及最大裂縫寬度限值 ωlim［6］。

表5 構(gòu)件的裂縫控制等級及最大裂縫寬度限值Table 5 Allowance and control grade of component crack

該規(guī)范最大裂縫寬度的具體限值與環(huán)境的類別及結(jié)構(gòu)受力特點有關(guān)，此外考慮了裂縫控制等級對裂縫寬度限值的影響，其裂縫寬度主要指橫向的受力裂縫寬度。

2 國外有關(guān)標準中裂縫限值及分析

在混凝土結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，美國、歐洲、日本及新西蘭等國的相關(guān)研究與標準規(guī)范通常處于領(lǐng)先地位，下面對其相關(guān)規(guī)范中的裂縫寬度限制值進行總結(jié)和分析。

1）美國混凝土協(xié)會1998年的標準ACI 224.1R-93，從耐久性方面考慮，對鋼筋混凝土構(gòu)件，提出的允許最大裂縫寬度如表6［7］。

表6 由耐久性決定允許的最大裂縫寬度Table 6 Allowance width of crack determined by durability

2）歐洲混凝土委員會在CEB-FIP規(guī)范中，根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性要求、結(jié)構(gòu)所處條件及荷載作用情況，對允許最大裂縫做出了規(guī)定，如表7［7］。

表7 裂縫最大允許寬度Table 7 Maximum allowance width of crack /mm

歐洲混凝土委員會對于由耐久性決定的最大裂縫寬度的規(guī)定指明了構(gòu)件所處的受力狀態(tài)，這點與國內(nèi)《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計暫行規(guī)定》（鐵建設(shè)［2005］157號）對于恒載狀態(tài)的要求類似，但裂縫限制值要求偏高;該規(guī)范同時明確了考慮活載影響的裂縫寬度控制值，它比恒載狀態(tài)下大0.1 mm，其裂縫寬度主要指橫向的受力裂縫寬度。該規(guī)范關(guān)于受力狀態(tài)和裂縫寬度限制值的對應(yīng)關(guān)系解決了部分規(guī)范在這一問題上模糊不清的態(tài)度，對混凝土構(gòu)件的耐久性評定有清晰的指導(dǎo)性，值得借鑒。

3）日本土木學會與建筑學會允許的裂縫寬度見表 8［7］。

表8 允許裂縫寬度Table 8 Allowance width of crack /mm

日本土木學會標準中把允許裂縫寬度與保護層厚度直接聯(lián)系起來，提出的允許裂縫寬度與保護層厚度呈線性關(guān)系。此外，規(guī)范中還把容許裂縫寬度與鋼筋種類相關(guān)起來，反映了同樣受力條件下，表面形狀不同的鋼筋對于裂縫約束能力的不同。這兩種處理方式是其他規(guī)范所沒有的，如果按照保護層厚度為30 mm計算，其一般環(huán)境下采用Ⅱ級鋼筋的允許裂縫寬度為0.15 mm。

4）新西蘭標準NZS 3101:1995中對允許裂縫寬度的規(guī)定，見表 9［7］。

表9 允許裂縫寬度Table 9 Allowance width of crack /mm

新西蘭標準中提及的環(huán)境條件較簡單，只分為3種，允許裂縫寬度也只與構(gòu)件受力特點有關(guān)，與其他國內(nèi)外規(guī)范不同的是，該標準對于預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件開裂的容忍程度明顯較高，同樣環(huán)境情況下，該規(guī)范提出的預(yù)應(yīng)力構(gòu)件允許寬度只比普通鋼筋混凝土構(gòu)件的允許裂縫寬度小0.1 mm。

3 國內(nèi)外標準、規(guī)范裂縫限值的比較

3.1 影響因素分析

通過以上分析，對國內(nèi)外標準中裂縫寬度限值提出所考慮的因素進行對比總結(jié)如表10。

表10 裂縫寬度限值影響因素分析Table 10 Analysis on influence factors of allowance width of crack

由表10可知:

1）各標準、規(guī)范確定裂縫寬度限值時基本上都考慮了環(huán)境作用等級和構(gòu)件受力特點的影響。不同標準、規(guī)范對環(huán)境類別劃分較接近，但不同規(guī)范會因其使用的范圍不同而有所差異。

2）各標準、規(guī)范關(guān)于構(gòu)件種類、裂縫部位、受力狀態(tài)、構(gòu)造特點對裂縫限值的影響研究較少，考慮不足。

3）以上規(guī)范中只有《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計暫行規(guī)定》（鐵建設(shè)［2005］157號）較全面考慮了構(gòu)件類別、裂縫部位等對裂縫寬度限值的影響。

3.2 裂縫限值分析

對國內(nèi)外各規(guī)范、標準中各種混凝土構(gòu)件（恒載狀態(tài)下）在不同環(huán)境下裂縫寬度的耐久性極限值進行對比如圖1～圖5。

圖1 一般大氣環(huán)境（無干濕交替）鋼筋混凝土構(gòu)件裂縫寬度限值對比Fig.1 Comparison of allowance width of reinforced concrete crack in normal atmospheric environment with no alternate drying-wetting

從圖1中可見，國內(nèi)外規(guī)范關(guān)于一般大氣環(huán)境下（無干濕交替）鋼筋混凝土構(gòu)件橫向受力裂縫寬度限值在0.2～0.4mm之間，平均值約為0.35mm。

圖2 一般大氣環(huán)境下（無干濕交替）預(yù)應(yīng)力構(gòu)件裂縫寬度限值對比Fig.2 Comparison of allowance width of pre-stressed component crack in normal atmospheric environment with no alternate drying-wetting

從圖2中可見，國內(nèi)外規(guī)范關(guān)于一般大氣環(huán)境下（無干濕交替）預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件橫向受力裂縫寬度限值在0.2～0.3 mm之間，大多數(shù)取值為0.2 mm，其限制值比同環(huán)境下的鋼筋混凝土構(gòu)件小0.1 mm。

圖3 一般大氣環(huán)境下（干濕交替）鋼筋混凝土構(gòu)件裂縫寬度限值對比Fig.3 Comparison of allowance width of reinforced concrete crack in normal atmospheric environment with alternate drying-wetting

從圖3中可見，國內(nèi)外規(guī)范關(guān)于一般大氣環(huán)境下（干濕交替）鋼筋混凝土構(gòu)件橫向受力裂縫寬度限值在0.15～0.30 mm 之間，平均值約為0.20 mm，其限制值總體上較非干濕交替條件下的鋼筋混凝土構(gòu)件小0.05 ～0.10 mm。

圖4 一般大氣環(huán)境下（干濕交替）預(yù)應(yīng)力構(gòu)件裂縫寬度限值對比Fig.4 Comparison of allowance width of pre-stressed component crack in normal atmospheric environment with alternate drying-wetting

從圖4中可見，國內(nèi)外規(guī)范關(guān)于一般大氣環(huán)境下（干濕交替）預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件橫向受力裂縫寬度限值在0.10～0.20 mm之間，大多數(shù)取值為0.10 mm，其限制值總體上較非干濕交替條件下的預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件小0.10 mm，也較一般大氣環(huán)境下（干濕交替）鋼筋混凝土構(gòu)件橫向受力裂縫耐久性極限值小0.1 mm。

從圖5中可見，國內(nèi)外標準、規(guī)范關(guān)于腐蝕環(huán)境下鋼筋混凝土構(gòu)件橫向受力裂縫寬度限值在0.1～0.2 mm之間，大多數(shù)取值為0.1 mm，平均值約為0.15 mm。

圖5 腐蝕環(huán)境下鋼筋混凝土構(gòu)件裂縫寬度限值對比Fig.5 Comparison of allowance width of reinforced concrete crack in corrosion environment

另外，對于腐蝕環(huán)境下預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件橫向受力裂縫耐久性極限值，我國 GB/T 50476—2008《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》、JTG/TB 07-01—2006《公路工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》、CCES 01—2004《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計與施工指南》中均按一級裂縫控制，即不允許開裂，而新西蘭規(guī)范則規(guī)定腐蝕環(huán)境下預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件橫向受力裂縫允許值為 0.1 mm。

4 結(jié)論

以上分析和比較為確定公路橋梁混凝土構(gòu)件基于耐久性的裂縫限值提供了有益的借鑒和參考，并獲得以下結(jié)論或認識:

1）當前國內(nèi)外標準規(guī)范基本上是從環(huán)境作用及構(gòu)件受力特點兩個方面來考慮混凝土結(jié)構(gòu)裂縫寬度限值，考慮到橋梁活載效應(yīng)大、使用環(huán)境復(fù)雜的現(xiàn)實，在橋梁混凝土構(gòu)件耐久性裂縫寬度限值確定時，應(yīng)在考慮環(huán)境作用和構(gòu)件受力特點的基礎(chǔ)上進一步考慮受力狀態(tài)、構(gòu)造特點等因素的影響。

2）一般大氣環(huán)境（無干濕交替）下普通鋼筋混凝土構(gòu)件橫向受力裂縫寬度耐久性極限值，國內(nèi)外規(guī)范差別不大，其取值范圍為0.2～0.4 mm;預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件橫向受力裂縫寬度耐久性極限值，國內(nèi)外規(guī)范基本上是取0.2 mm。

3）一般大氣環(huán)境（干濕交替）下鋼筋混凝土構(gòu)件橫向受力裂縫寬度耐久性極限值，國內(nèi)外規(guī)范差別不大，其取值范圍為0.15～0.3 mm;預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件橫向受力裂縫寬度耐久性極限值，國內(nèi)外規(guī)范基本上是取0.1 mm。

4）腐蝕環(huán)境下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)橫向受力裂縫寬度耐久性極限值，國內(nèi)外規(guī)范差別不大，其取值范圍為0.1～0.2 mm。

5）國內(nèi)外標準規(guī)范中提出的裂縫寬度限值都明指或暗指受力引起的裂縫，而收縮裂縫、鋼筋銹蝕裂縫等對構(gòu)件耐久性也是有明顯影響的，如何在確定裂縫限值時考慮這些因素是需要研究的重要問題。

（References）:

［1］ 吳海軍.混凝土橋梁構(gòu)件耐久性指標、檢測與評定方法研究［R］.重慶:重慶交通大學，2011.

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［3］ JTG/TB 07-01—2006公路工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2006.

［4］ 鐵建設(shè)［2005］157號 鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計暫行規(guī)定［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

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［8］ 鄭升寶，曹正洲，譚科.預(yù)應(yīng)力混凝土T梁裂縫的分析［J］.重慶交通大學學報:自然科學版，2009，28（4）:658-659.

ZHENG Sheng-bao，CAO Zheng-zou，TAN Ke.Crack causes of prestressed concrete T beam ［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science，2009，28（4）:658-659.

Allowance of Concrete Crack Width Based on Durability of Domestic and Overseas Code

HE Hua1，WU Hai-jun2，GAO Yu2，LU Ping2
（1.Guangxi Jitai Investment Co.Ltd.，Nanning 530203，Guangxi，China;
2.School of Civil Engineering ＆ Architecture，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China）

Crack limit values home and abroad are analyzed and compared，and then the connotation and characteristics of the allowance width of crack are pointed out respectively.It is proposed that durability crack limit should take environment，steel，stress characteristic，component styles，crack position and construction feature into consideration.The crack limit range and relationships of concrete component and pre-stressed concrete component are concluded in alternate drying-wetting，no alternate drying-wetting and corrosion environment，which provides useful reference for allowance width of crack in concrete bridge constructor based on durability.

concrete bridge;durability;allowance width of crack;environmental effect

U 442.5+1

A

1674-0696（2011）06-1282-05

10.3969/j.issn.1674-0696.2011.06.05

2011-06-27;

2011-08-18

交通運輸部西部交通建設(shè)科技項目（2006 318 223 02 06）

何 華（1972-），男，廣西桂平人，高級工程師，主要從事公路橋梁建設(shè)與維護技術(shù)工作。E-mail:hehua0283@sina.com。