設計角度出發的超長鋼筋混凝土結構裂縫控制措施探究

馮宏東

（寧夏人防設計院，寧夏 銀川750001）

0 引言

有很多裂縫只是“表面性”的，對結構的承載能力或使用功能無任何影響，但可能有礙觀瞻，或引起對工程質量的疑慮；有的裂縫則具有“結構性”的意義，表明結構受到某種損害，甚至預示著破壞事故將要發生；還有的裂縫會導致工程結構滲水、溶蝕或鋼筋銹蝕，從而損害結構的使用性能或工程的耐久性。混凝土裂縫形態多種多樣，工程意義也各有不同。從裂縫的起因來看，主要可以概括為以下四類：

1）混凝土結構受力裂縫——混凝土結構在荷載作用下所引起的裂縫；

2）混凝土化學反應脹裂——混凝土內部某種化學反應物的膨脹力所引起的裂縫，如鋼筋銹脹裂縫和堿骨料反應裂縫；

3）混凝土的塑態裂縫——混凝土在澆筑后呈塑性狀態時因收縮或沉降等所引起的裂縫；

4）混凝土變形約束裂縫——混凝土收縮、溫度變化及不均勻沉降受到約束作用所引起的拉伸開裂。

實際裂縫可能是上述各類裂縫的組合效應。第一類裂縫不可避免，一般鋼筋混凝土結構構件是依靠配筋來控制裂縫寬度。第二類裂縫有其特定起因，數量不多。第三類裂縫一般可以通過合理的施工措施得到妥善處理。根據國內外的調查資料，以第四類為主的裂縫約占裂縫總數的80%，所以研究各類裂縫產生機理及解決辦法有著重要的現實意義和巨大的經濟意義。

1 將溫度作用作為荷載參與組合的設計方法

1.1 溫度作用效應表達式

關于溫度及混凝土的收縮作用，在前面第一章己經給出了具體的計算方法。溫差與混凝土收縮作用，都是長期作用，在分析中必須考慮混凝土徐變對其影響，在分析中將可以時間分段，利用疊加原理，將每段考慮徐變后的計算值進行疊加，這樣求出溫度收縮作用的總的效應。因此荷載效應組合表達式可以表示為：

式中：γs、γi

T為荷載效應系數，這里代表結構在混凝土單位收縮應變和單位溫度變化作用下并考慮徐變作用得到的相應的應力。εs為結構計算所采用的混凝土的最終收縮量。εiT為溫度分段計算中第I段溫差引起的混凝土的自由應變，正數代表升溫，負數代表降溫，單位為℃。

混凝土溫度收縮應變的計算應該從混凝土澆注開始，計算時還應該考慮施工過程的影響，這樣處理會比較復雜，可根據實際情況選取計算開始的時間，由于混凝土溫度收縮隨時間不斷變化，而且還要受徐變的影響，一般到10-15年基本穩定。可以根據工程經驗選擇計算時間的終點。很多其文獻中，為了簡化計算，將混凝土的收縮應變等效為溫差，與結構的季節溫差相加后得到結構的計算溫差，再對結構在計算溫差下的效應進行分析。混凝土的收縮變形有多種，其中干縮（失水收縮或稱濕度梯度）是超長結構收縮變形所需考慮的主要因素，目前國內關于這方面研究較少，因而可以參考國外的有關規范（如日本的規范），將干縮變形折算為10-15℃溫降。混凝土收縮當量為溫差荷載的計算公式如下：

式中：T′為收縮作用當量溫差，℃；α為混凝土線膨脹系數。

在上面的荷載效應計算表達式中存在以下問題:

（1）在上面的表達式中沒有考慮太陽輻射以及內外溫差的影響，對于結構的一般構件，影響不大，但對于結構的某些部位如屋面，受太陽暴曬，以及結構的保溫隔熱措施很差，結構的構件厚度過大處，在溫度作用效應計算時，要根據實際情況考慮太陽輻射及內外溫差的影響。

（2）在表達式中，沒有考慮混凝土澆注時水化熱的影響，同時，由于結構的施工不是一蹴而就的，而是一個復雜的過程，在計算時應該考慮混凝土水化熱和施工過程對溫度收縮作用效應的影響，對于這種情況，設計者可以根據相應的實際情況，并參考過去的工程經驗，進行簡化計算和處理。

1.2 溫度收縮作用效應與其它荷載效應的組合

在進行超長結構正常使用極限狀態設計時，需要將溫度收縮作用效應與恒載、活載等荷載效應組合后進行設計。荷載效應基本組合中溫度作用的組合系值數取值現在尚無定論，有些文獻推薦將溫度作用當作活荷載參與組合，參考我國建筑結構荷載規范以及水工建筑物荷載設計規范，將溫度收縮作用作為可變荷載進行組合，組合值系數可以取為0.7，準永久值系數取0.5。關于結構承載能力計算時，是否考慮溫度收縮的作用，目前存在較大的分歧，有些文獻認為，在結構將要進入承載能力極限狀態時，結構已經出現了大量的裂縫，裂縫的出現會將溫度收縮應力釋放，因而，溫度作用不必參與承載能力極限狀態的組合。

1.3 裂縫控制

對于混凝土構件正截面抗裂驗算中，嚴格要求不出現裂縫的構件（裂縫控制等級為一級）在荷載效應的標準組合下應符合下列規定：

一般要求不出現裂縫的構件（裂縫控制等級為二級）荷載效應的標準組合下應符合下列規定：在荷載效應的準永久組合下宜符合下列規定：

式中：σck、σcq為荷載效應的標準組合、準永久組合下抗裂驗算邊緣的混凝土法向應力；σpc為扣除全部預應力損失后在抗裂驗算邊緣混凝土的預壓應力；ftk為混凝土軸心抗拉強度標準值。

如果采用裂縫寬度控制進行設計，可以根據規范給出的最大裂縫寬度計算公式來確定結構是否滿足裂縫控制標準。裂縫寬度計算表達式如下：

式中：αcr為受力構件特征系數；σsk為按荷載效應標準組合計算的鋼筋混凝土構件縱向受拉鋼筋的應力或預應力混凝土構件縱向受拉鋼筋的等效應力；ψ為裂縫間受拉鋼筋應變不均勻系數；Es為鋼筋的彈性模量；c為最外層縱向受拉鋼筋外邊緣至受拉區底邊的距離；dcq為受拉區縱向鋼筋的等效直徑；ρte為按有效受拉混凝土截面面積計算的縱向受拉鋼筋配筋率。

2 采用預應力筋進行抵消溫度收縮作用的設計方法

我國《混凝土結構設計規范》中，在關于伸縮縫的構造規定中指出，在下列情況下，如有充分依據和可靠措施，伸縮縫間距可以適當增大:

（1）混凝土澆筑采用后澆帶；

（2）采用專門的預應力措施；

（3）采取能減小混凝土溫度變化或收縮的措施。

關于第2點中的專門的預應力措施，在規范條文說明中指出:對結構施加相應的預應力可以減小因溫度變化和混凝土的收縮而在混凝土中產生的拉應力，以減小或消除混凝土開裂的可能性，此處所指的預應力措施，是指專門用于抵消溫度、收縮應力的預加力措施。

3 結束語

總之，超長混凝土的裂縫控制問題是一個系統工程，其控制技術涉及到材料、施工、環境條件、設計及外荷載等多種因素，工程中的裂縫現象常常是幾種因素同時起作用，對控制和分析都帶來很大難度。對于外荷載引起的裂縫，一般只需滿足相應的設計和施工規范要求，有害裂縫是可以避免的。

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［2］彥啟森，趙慶珠.建筑熱過程[M].中國建筑工業出版社，1986.

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