鋼筋保護(hù)層設(shè)計(jì)對(duì)結(jié)構(gòu)裂縫的影響研究

李 超 暉

(太原王孝雄建筑設(shè)計(jì)院(有限公司)，山西 太原 030024)

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鋼筋保護(hù)層設(shè)計(jì)對(duì)結(jié)構(gòu)裂縫的影響研究

李 超 暉

(太原王孝雄建筑設(shè)計(jì)院(有限公司)，山西 太原 030024)

探討了混凝土保護(hù)層的作用機(jī)理及保護(hù)層開裂的原因，并通過計(jì)算，分析了影響保護(hù)層最大裂縫寬度的因素，指出采用相對(duì)合理的保護(hù)層厚度能夠在一定程度上控制和減小混凝土裂縫寬度。

建筑質(zhì)量，鋼筋保護(hù)層，結(jié)構(gòu)裂縫寬度，粘結(jié)力

0 引言

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)作為大多數(shù)建筑物和構(gòu)筑物的基本結(jié)構(gòu)類型，因其兼容了混凝土材料的抗壓強(qiáng)度高和鋼筋的抗拉強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足大多數(shù)結(jié)構(gòu)的承載性能。但是隨著使用年限的增長(zhǎng)，一些鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)仍會(huì)出現(xiàn)開裂、剝落等影響結(jié)構(gòu)耐久性的問題。其中混凝土保護(hù)層設(shè)置不合理就是影響裂縫產(chǎn)生的主要原因之一。汶川地震之后，新編GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)保護(hù)層重新做了定義，原來的規(guī)范中混凝土保護(hù)層厚度是指最外層縱向鋼筋外邊緣到混凝土表面之間的距離，而新修訂的規(guī)范則是指最外層鋼筋外邊緣到混凝土表面的距離。一般來說最外層鋼筋往往指的是箍筋，這就說明現(xiàn)在的混凝土保護(hù)層厚度增大了，較之以前規(guī)范中所規(guī)定的增加了箍筋的直徑。

1 混凝土保護(hù)層

1.1 混凝土保護(hù)層的作用

建筑工程鋼筋保護(hù)層的設(shè)計(jì)是工程設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，不同環(huán)境下保護(hù)層厚度的確定關(guān)系到建筑物整體的質(zhì)量，設(shè)置混凝土保護(hù)層主要有以下幾方面的作用：

1)鋼筋混凝土材料作為既能抗壓又能抗拉的結(jié)構(gòu)材料，正是利用了混凝土這種抗壓強(qiáng)度高的脆性材料與延性性能較好的鋼筋的共同作用，才能發(fā)揮出二者各自的優(yōu)勢(shì)。但它們之所以能共同作用，則是因?yàn)榛炷僚c鋼筋之間能產(chǎn)生良好的粘結(jié)力，并且存在著相近的線膨脹系數(shù)。結(jié)構(gòu)在拉伸和壓縮的過程中，兩種材料可以同時(shí)受力，而設(shè)置混凝土保護(hù)層可以提供有效的粘結(jié)作用，實(shí)現(xiàn)混凝土材料與鋼筋的協(xié)調(diào)作用。如果沒有了保護(hù)層，這種粘結(jié)力就不足以支撐鋼筋的抗拉作用，因此為了達(dá)到兩種材料能同時(shí)滿足承載能力，在相關(guān)規(guī)范中也對(duì)保護(hù)層的最小厚度做出了明確規(guī)定。

2)鋼筋這種材料在露天環(huán)境中就容易氧化，如果在含有腐蝕性物質(zhì)的環(huán)境中，鋼筋的氧化速度就會(huì)更快，因此通過設(shè)置混凝土保護(hù)層可以在一定程度上隔絕空氣和濕氣對(duì)鋼筋的氧化作用，提高鋼筋的抗腐蝕性能，以免鋼筋過度腐蝕直接影響到結(jié)構(gòu)的承載能力。

3)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，由于鋼筋的熔點(diǎn)值較低，保護(hù)層厚度也可以起到阻隔拖延的作用，可以為人口和物資疏散爭(zhēng)取一些時(shí)間。

1.2 保護(hù)層裂縫產(chǎn)生的原因

混凝土保護(hù)層產(chǎn)生裂縫，會(huì)在結(jié)構(gòu)構(gòu)件的使用階段對(duì)耐久性和承載性能產(chǎn)生影響，探究保護(hù)層裂縫產(chǎn)生的原因可以在實(shí)際工程中對(duì)控制和減少結(jié)構(gòu)裂縫提供一定的幫助。總體來說，可以從保護(hù)層材料本身、設(shè)計(jì)施工和其他外在因素等方面進(jìn)行分析。

1)混凝土保護(hù)層主要是水泥、砂子、石子和水的集合體，骨料級(jí)配不好、水的配比太高時(shí)都容易造成混凝土收縮量大，產(chǎn)生裂縫。水泥的等級(jí)越高，脆性越大，也容易產(chǎn)生裂縫。還有就是外加劑使用不當(dāng)也容易產(chǎn)生裂縫。

2)在結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)階段，很可能由于鋼筋數(shù)量布置太多或鋼筋位置布置不合理等原因造成混凝土保護(hù)層厚度沒有滿足規(guī)范要求，同時(shí)在實(shí)際施工操作中造成保護(hù)層厚度太薄，鋼筋甚至外露，造成鋼筋腐蝕，都會(huì)對(duì)裂縫的產(chǎn)生造成影響，因此不管是在設(shè)計(jì)中還是在施工中，都應(yīng)該對(duì)混凝土保護(hù)層加以重視。

3)在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的整個(gè)使用階段，也會(huì)由于作用荷載的突然增大，周圍環(huán)境中腐蝕性物質(zhì)的大量存在，室內(nèi)外溫度變化所產(chǎn)生的熱脹冷縮效應(yīng)以及在地震過程中都會(huì)產(chǎn)生不同類型的裂縫。因此充分考慮各類外在環(huán)境對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，選擇合理的保護(hù)層厚度，以達(dá)到控制裂縫的目的，提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐久性。

1.3 最小保護(hù)層厚度的影響因素

設(shè)置一定的保護(hù)層厚度可以有效的解決上述存在的問題，但是并不是一味的增大保護(hù)層的厚度，尤其是在受彎構(gòu)件中，保護(hù)層厚度太大會(huì)降低該處受拉鋼筋的發(fā)揮效應(yīng)。除此之外，規(guī)定最小保護(hù)層厚度可以使之滿足各種工況下的要求。而最小保護(hù)層厚度也容易受各種因素的影響，下面就影響因素做一闡述：

1)由于鋼筋暴露于空氣中時(shí)易被腐蝕，因此不同的外界環(huán)境會(huì)對(duì)鋼筋的腐蝕造成不同的影響。規(guī)范中通常根據(jù)結(jié)構(gòu)所處環(huán)境的濕度、溫度等對(duì)環(huán)境類別進(jìn)行分類，結(jié)構(gòu)所處環(huán)境使鋼筋越不易被氧化，對(duì)最小保護(hù)層厚度的要求越低，相反，鋼筋越容易被氧化的惡劣環(huán)境，最小保護(hù)層厚度的取值應(yīng)該越大。

2)考慮到混凝土材料的碳化效應(yīng)作用，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限越長(zhǎng)，相應(yīng)的混凝土保護(hù)層也應(yīng)增加。同時(shí)混凝土強(qiáng)度等級(jí)不同，保護(hù)層厚度也有所不同，一般來說保護(hù)層采用C25及以下強(qiáng)度等級(jí)的混凝土?xí)r，相應(yīng)最小厚度應(yīng)減少5 mm。

3)混凝土保護(hù)層厚度應(yīng)大于縱向受力鋼筋的直徑，滿足鋼筋錨固所需條件，也能保證鋼筋與混凝土的共同受力。

4)當(dāng)采用有利于減輕鋼筋被腐蝕的以下措施時(shí)，也可以在合理的范圍內(nèi)減少混凝土保護(hù)層厚度。比如采取陰極保護(hù)方式，使用除銹劑，或是直接使用預(yù)制構(gòu)件時(shí)都能夠在一定程度上降低鋼筋被氧化的速率，提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐久性能。

2 保護(hù)層最大裂縫寬度

對(duì)于普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土保護(hù)層在受拉、受彎作用下都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的裂縫，規(guī)范中對(duì)不同結(jié)構(gòu)類型在不同環(huán)境類別和裂縫控制等級(jí)下的最大裂縫寬度的限值也進(jìn)行了說明，如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)構(gòu)件最大裂縫寬度的限值

從表1中可以看出，裂縫控制等級(jí)越高，環(huán)境越惡劣，最大裂縫寬度的限值就越小，就需要采取相應(yīng)的措施來控制裂縫的產(chǎn)生。

為了定量的分析荷載作用下結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生的裂縫寬度，《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》第7.1.2條中也對(duì)保護(hù)層在荷載作用下能產(chǎn)生的最大裂縫寬度給出了相應(yīng)的公式：

其中，cs為最外層縱向受拉鋼筋外邊緣到受拉區(qū)最外側(cè)的距離；deq為受拉區(qū)縱向鋼筋的等效直徑。

從上式可以看出，cs就是混凝土保護(hù)層厚度與箍筋直徑之和，保護(hù)層厚度越大，相應(yīng)的最大裂縫也越大；受拉區(qū)，縱向鋼筋的等效直徑越小，產(chǎn)生的最大裂縫則會(huì)較小。因此在不考慮其他影響因素的情況下，實(shí)現(xiàn)不同裂縫控制等級(jí)要求下，控制和減少最大裂縫寬度行之有效的辦法就是增加縱向鋼筋數(shù)量，減小縱向鋼筋的直徑，并且在滿足最小保護(hù)層厚度的條件下減小其厚度。

3 結(jié)語

混凝土保護(hù)層對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)工程非常重要，要加強(qiáng)對(duì)保護(hù)層設(shè)計(jì)和施工過程中的質(zhì)量控制，本文闡述了保護(hù)層的作用、裂縫產(chǎn)生原因、最小保護(hù)層厚度的影響因素，并通過分析最大裂縫寬度的控制因素，指出合理的保護(hù)層厚度不僅可以滿足構(gòu)件承載能力的要求，還可以減小裂縫，改善結(jié)構(gòu)構(gòu)件的正常使用條件，這為今后的混凝土結(jié)構(gòu)工程也提供了一定的參考。

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The study of the influence of design of reinforced protective layer on structure

Li Chaohui

(Taiyuan Wangxiaoxiong Architectural Design Institute(Limited), Taiyuan 030024, China)

In this paper, the mechanism of the protective layer and the cause of the cracking of the protective layer are discussed. The influence factors of the maximum crack width of the protective layer are analyzed by calculation formula. The result shows that the relatively reasonable thickness of the protective layer can control and reduce the concrete crack to a certain extent width.

building quality, reinforced protective layer, structural crack width, cohesive force

1009-6825(2016)34-0051-02

2016-09-21

李超暉(1990- )，男,助理工程師

TU201

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