談鋼筋混凝土結構裂縫及其控制

郭文強

(臨汾市建筑規劃設計院，山西臨汾 041000)

0 引言

成型后的混凝土的天然特性，其在試驗中的抗拉強度遠遠低于其抗壓強度。混凝土結構物由于天然缺陷和外加荷載作用可能在結構施工和使用過程中出現不同程度的裂縫，隨著時間的變化有的裂縫寬度還可能發生變化。一般混凝土結構構件的破壞是從裂縫逐漸開始的，而且有些裂縫的出現會使人們在日常生活中產生危險的感覺，另外，雖然有些裂縫無害，或者裂縫的發展在可控制的范圍內，但裂縫的存在會影響整個結構和構件的整體性和耐久性，尤其在空氣中的二氧化碳和水分共同作用下，鋼筋容易腐蝕，會降低構件的承載力。

1 混凝土的力學性能

從混凝土材料的本構關系和應力應變曲線的特點，以及混凝土的耐久性試驗結果看，混凝土的收縮、極限拉伸值、彈性模量以及松弛和徐變等性能指標影響最大。

1)混凝土的收縮。

混凝土的收縮主要由外界環境空氣干燥、水分蒸發過快引起的干燥收縮，表層混凝土與空氣中水分或二氧化碳作用產生碳化引起的收縮和溫度差變化較大引起的收縮等組成。干燥收縮中，當水泥水化和水分蒸發會引起“自生變形”，這部分收縮與溫度和外荷載無關。簡化計算中，只考慮體積收縮和溫度收縮，而“自生變形”和碳化引起的收縮則由于其值較小而不予考慮。

2)極限拉伸值。

混凝土的抗裂能力最終取決于混凝土的極限拉伸值，但極限拉伸值離散性很大，且影響因素較多，必須綜合各方面的因素改善混凝土的非勻質性和提高極限拉伸值。合理的配筋和構造可以提高混凝土的抗裂性能。

3)彈性模量。

混凝土成型初期沒有承載能力，彈性模量忽略不計。隨著齡期增長，混凝土的彈性模量值也隨著時間迅速增大，此時溫度應力也隨著由于彈性模量的增大引起的變形變化而顯著增大，因此必須全面考慮彈性模量隨時間的變化規律。

4)混凝土的松弛和徐變。

鋼筋混凝土結構在荷載的長期作用下，還會產生非彈性變形——徐變。徐變會引起混凝土內部應力松弛，荷載作用時間越長松弛也越大。徐變和應力松弛對混凝土抗拉強度的增加是有利的。

2 鋼筋混凝土結構裂縫產生的原因

鋼筋混凝土結構中，由于混凝土和鋼筋有效的結合在一起共同工作，因此裂縫的產生與材料性質、施工過程、使用環境等因素有關。

材料因素:水泥的非正常凝結、水泥的水化熱、骨料的含泥量、骨料的級配、有害物質含量。

施工因素:摻拌合、攪拌、配合比、澆搗、加載、養護、鋼筋擾動、保護層厚度、模板變形、漏水、支撐下沉等。

環境因素:環境溫度變化、構件兩邊的溫濕度差過大、有害物質。

根據結構部位或構件形式，裂縫產生的原因各有特點。以下簡要介紹幾種常見部位混凝土裂縫產生的原因:

1)大體積混凝土。

高層建筑基礎工程中普遍采用體積較大的整體鋼筋混凝土箱基或筏基。由于結構尺寸龐大且一般都是一次性連續澆筑，必須采取相應技術措施妥善處理溫度差值，合理解決溫度應力并控制裂縫開展。水泥水化過程中釋放大量的水化熱，從而引起溫度的變化，由于散熱不均勻、內外溫差、混凝土的收縮和周圍約束的共同作用，當產生的溫度應力超過混凝土的抗拉強度時，混凝土的表面逐漸出現收縮裂縫，嚴重時會貫穿整體。這些裂縫嚴重影響了結構的整體性和耐久性，如圖1所示。

2)地下室混凝土墻板。

鋼筋混凝土地下室墻板由于在施工工藝、體量和散熱條件上與大體積混凝土底板有些不同，地下室墻板在施工過程中可以預留施工縫，待墻板主體混凝土整體施工結束后再將所留置的施工縫澆筑成型。目前高層建筑結構地下室混凝土墻板設計厚度一般在300 mm～600 mm之間，遠小于基礎底板的厚度，墻體表面積較大，而且豎向墻體要蓄熱保溫，養護難度較大，因此降溫速率大，溫度應力引起墻體產生裂縫的可能性很小。但是因受基礎底板的約束而產生約束力，這種約束力在墻體內引起的拉應力大于混凝土的抗拉強度時，很有可能在混凝土墻體內產生貫穿裂縫，如圖2所示。

3)混凝土樓(屋)面板。

高層建筑和多層建筑樓板一般是一次性連續澆筑，對于一些樓面面積較大的混凝土樓(屋)面，可以在設計上采取在施工中預留溫度縫或在施工中根據經驗確定易產生溫度應力集中的地方預留后澆混凝土帶，由于拉應力下降，裂縫數量也相應減少。混凝土樓面板或屋面板中所產生的裂縫大部分是表面裂縫和貫穿裂縫。表面裂縫產生的原因主要是澆筑混凝土時振搗反漿，水泥漿上浮，表面水灰比增大;當后期混凝土表面蒸發加快，表面產生的收縮受到底層混凝土的約束而產生拉應力，收縮應力大于表面抗拉強度時，表面混凝土開裂。此類裂縫屬混凝土在終凝前由于環境干燥、水分蒸發快而導致的干縮裂縫，并非由于構件受力而產生的裂縫，當混凝土硬化完成后裂縫也不會進一步發展。樓(屋)面板的貫穿裂縫大多是施工環境溫度變化較大，或上下層施工不能同步進行，在板中會產生溫度不均變化而引起溫度拉應力，這種裂縫會影響結構的承載力和變形能力。尤其要注意這幾個部位:受地下連續墻約束的地下室樓板、地下室頂板、屋面板和停建工程復建后施工的第一層樓板。

4)鋼筋混凝土深梁。

現代高層建筑由于建筑上的需要，一般要設置結構轉換層將上部剪力墻荷載轉換到下部結構。所以轉換層在混凝土施工過程中要求一次澆筑、一次成型、連續施工。但轉換層大梁截面尺寸大，一般是采用疊合梁原理澆筑，將轉換層大梁分二次或三次澆筑，把下部鋼筋混凝土梁作為支撐和模板底部，起到為后澆筑混凝土提供施工支撐的作用。這樣大梁施工荷載的傳遞也逐漸隨著強度的增加而越來越安全。但深梁因其重要性而安全等級很高，所以在施工中仍應按大體積混凝土的施工規程和工藝采取保障措施。鋼筋混凝土深梁容易產生沉降裂縫、收縮裂縫及溫度裂縫。

3 鋼筋混凝土結構中裂縫的控制方法

多年來，從混凝土構件的長期加載試驗或受荷載后混凝土的微觀研究，混凝土結構或構件都無法避免裂縫的產生，若對裂縫控制過度，則代價過高。對裂縫的控制是一項長期的系統工程。從混凝土的力學性能和產生裂縫的原因分析，裂縫控制要從提高混凝土的抗拉強度和減小由于溫度、收縮和約束的共同作用產生的拉應力兩方面著手。但從實際出發，混凝土強度只能在施工中做好養護予以保證，因此，裂縫控制研究的重點還是應放在產生的拉應力方面。下面就文中常見部位的裂縫，從設計角度提出一些控制方法:

1)大體積混凝土。

a.利用混凝土后期強度。

高層建筑工期較長，從總體上說，荷載的施加是緩慢、均勻、連續的，相應混凝土基礎上的受力也是逐步增加的，若在計算中考慮混凝土的后期強度，那么由水化熱產生溫差而引起的溫度應力就可以不予考慮，同時也降低了由于需要采取保溫措施和特殊養護而產生的施工費用。

b.避免結構突變。

在結構受到荷載作用后，在結構突變的部位會產生應力集中，同樣，由于溫度變化引起的收縮由于約束作用也會在這些部位產生應力集中，拉應力突然增大超過抗拉強度，也會產生裂縫，當設計上無法避免結構突變時，應做成逐漸變化的過渡形式。

c.增配構造鋼筋提高抗裂性能。

大量工程實踐證明適當配筋將約束混凝土的塑性變形，從而分擔混凝土的內應力，提高混凝土極限拉伸。

2)地下室混凝土墻板。

除了利用混凝土后期強度和增配構造鋼筋外，還采取以下措施:

a.設置后澆縫。

結構長度對溫度應力有影響，研究和實踐表明結構長度越小溫度應力的減小越明顯，那么就可以取消伸縮縫來減小溫度應力。在施工期間，采用后澆縫與施工縫相結合，把結構分成許多小段，有效地減少溫度收縮應力，一定時間后再把這些段澆成整體，兩部分的溫差和收縮應力疊加應小于混凝土的設計抗拉強度。

b.設置暗圈梁。

圈梁屬于構造設置，在混凝土墻板中，沿著高度每隔一定間距布置構造鋼筋和箍筋，類似于圈梁一樣，能有效抑制裂縫的產生和限制裂縫的進一步發展。

3)混凝土樓(屋)面板與鋼筋混凝土深梁。這兩種結構形式主要還是依靠施工措施來控制裂縫的產生和發展。

4 結語

鋼筋混凝土結構中，除荷載作用引起的裂縫以外，更多的是混凝土的收縮變形差產生收縮拉應力，水化熱積聚使溫度發生變化，由于溫差產生的變形差導致產生拉應力裂縫，當拉應力大于混凝土抗拉強度時會產生裂縫，有時這類裂縫不易察覺，成因不易鑒別，有時當結構加載后，裂縫會反復閉合、展開。因此，我們還需從設計、施工等方方面面做大量的、長期的研究和工作。

［1］王鐵夢.超長大體積混凝土裂縫控制［J］.混凝土工程新技術，1994(5):108-109.

［2］王鐵夢.工程結構裂縫控制［M］.北京:中國建筑工業出版社，1997:97-99.