關于混凝土結構裂縫寬度的控制要求及計算理論

■羅羽令 ■貴州大學土木工程學院，貴州 貴陽 550003

混凝土的抗拉強度遠遠低于其抗壓強度，這使得混凝土構件即便承受不大的拉力作用也會產生裂縫。所以實際工程中混凝土在受拉部位帶裂縫工作屬于不可避免的正常現象。但是如果裂縫寬度過大，腐蝕性氣體或水極易接觸內部鋼筋而引發銹蝕。這不僅間接地使鋼筋的橫截面積減小還會使其體積膨脹引起保護層脫落，最終降低了構件的承載力，影響結構的使用壽命。有些特殊結構比如:核電站安全殼、水池等嚴格要求不產生裂縫。裂縫除了對建筑結構的安全造成威脅外還會影響建筑物的外部美觀和人的心理感受，有研究表明大多數人對寬度超過0．3mm的裂縫明顯感到心理壓力。

對于正截面的抗裂度驗算以《混凝土結構設計規范》(GB50010)為例作簡要介紹。(1)一級——嚴格要求不出現裂縫的構件，即按荷載標準組合計算時，構件受拉邊緣混凝土不產生拉應力。(2)二級——一般要求不出現裂縫的構件，即按荷載標準組合計算時，構件受拉邊緣混凝土允許產生拉應力，但拉應力不應超過混凝土軸心抗拉強度標準值。(3)三級——允許出現裂縫的構件，鋼筋混凝土構件的最大裂縫寬度可按荷載準永久組合并考慮長期作用影響的效應計算，預應力混凝土構件的最大裂縫寬度可按荷載標準組合并考慮長期作用影響的效應計算。且其最大裂縫寬度應不超過最大裂縫寬度限值。特別的對于二a類環境的預應力混凝土構件，尚應按荷載準永久組合計算，且構件受拉邊緣混凝土產生的拉應力應小于混凝土軸心抗拉強度標準值。而對于受彎構件斜截面的抗裂度驗算并未驗算裂縫的寬度而是驗算在荷載效應標準組合下構件斜截面的主拉應力，因為主拉應力值過大其裂縫寬度就很有可能超過裂縫的寬度要求。我們實際設計時往往不希望構件出現剪切破壞。因為剪切破壞屬于脆性破壞，破壞沒有明顯預兆危害較大。而受彎破壞的延性較大屬于塑性破壞，所以構件的受彎正截面破壞先于斜截面破壞發生。對于斜截面的抗裂度驗算仍以《混凝土結構設計規范》(GB50010)為例作簡要介紹。(1)一級——嚴格要求不出現裂縫的構件，即主拉應力不應超過混凝土軸心抗拉強度標準值的0．85倍。(2)二級——一般要求不出現裂縫的構件，即主拉應力不應超過混凝土軸心抗拉強度標準值的0．95倍。3．對于裂縫控制等級為一級、二級的構件，其主壓應力不應超過混凝土軸心抗壓強度標準值的0．60倍。

對于允許出現裂縫的構件，我們要對裂縫的寬度嚴格加以控制并建立裂縫寬度的計算理論。橫向受力裂縫寬度計算的理論有兩種。第一種理論是粘結滑移理論，這是根據軸心受拉試驗結果提出的，該理論的基本假定是開裂后混凝土退出工作，鋼筋與混凝土的變形不再協調，鋼筋伸長、混凝土收縮，兩者之間發生相對滑移，并認為構件表面的裂縫寬度與內部鋼筋表面處的裂縫寬度相同。在此基礎上裂縫的寬度就等于一個裂縫間距范圍內鋼筋與混凝土的變形差值。但是粘結滑移理論對開裂截面應變分布和裂縫形狀的假定與實際情況有一定的出入，于是第二種無滑移理論應運而生。該理論認為構件表面裂縫寬度主要是由開裂截面的應變梯度所控制，即裂縫寬度隨與鋼筋距離的增大而增大。鋼筋與混凝土之間無相對滑移，鋼筋的混凝土保護層厚度是控制裂縫寬度的關鍵因素。但是按照這種理論裂縫寬度與鋼筋的粗細及配筋率都沒有關系，這顯然與實驗結果不相符。綜上所述，兩種理論和實際情況均有一定的差距。將兩種理論結合，即考慮鋼筋與混凝土之間發生的相對滑移也考慮了混凝土保護層厚度和鋼筋的有效約束對裂縫寬度的影響。《混凝土結構設計規范》(GB 50010)中所提出的裂縫寬度的計算公式就是以粘結滑移理論為基礎，并同時考慮了混凝土保護層厚度及鋼筋有效約束區的影響。由此可以推導出裂縫寬度的平均值。但是對于最簡單的簡支靜定結構來講，如果有一個截面破壞則整個結構就會破壞，所以控制最大裂縫寬度的意義重大。通過大量試驗的實測結果，分析裂縫寬度的統計特性并取保證率為95%可得:對于受彎構件、偏心受壓構件裂縫寬度的頻率基本上呈正態分布，且最大裂縫寬度為平均裂縫寬度的1．66倍。對于軸心受拉、偏心受拉構件裂縫寬度的頻率呈偏態分布，且最大裂縫寬度為平均裂縫寬度的1．9倍。并考慮到長期荷載作用下，混凝土徐變影響導致裂縫繼續擴大，取擴大系數為 1．5。

通過分析有關最大裂縫寬度的計算理論可以得出:(1)裂縫寬度與縱向受拉鋼筋應力近似成線性關系，拉應力值越大，裂縫裂縫寬度也越大;因此為了控制裂縫，在鋼筋混凝土結構中，不宜采用強度很高的鋼筋。(2)在縱向受拉鋼筋截面面積不變時，采用多根細鋼筋，增大了鋼筋的表面積是粘結力增大，裂縫寬度減小。(3)帶肋鋼筋的粘結強度較光圓鋼筋大得多，因而從裂縫截面處，鋼筋通過粘結應力將拉力傳給混凝土而使混凝土達到抗拉強度所需要的距離小，從而使最大裂縫寬度減小。(4)縱筋配筋率越大、保護層厚度越大裂縫寬度越小。(5)長期荷載、反復荷載或動力荷載作用下的裂縫寬度有所增大。(6)構件的受力性質不同也會影響裂縫的寬度。

雖然在土木工程領域中新材料在不斷的研發和使用，但混凝土憑借著自身具有良好的耐久性、耐火性、整體性和可模性等優點，使其仍具有不可替代的重要地位。而混凝土結構的裂縫是關系到其安全性、適用性和耐久性的重要因素，對實際工程應用有著極為深遠的意義。

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