預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)裂縫成因分析與抗裂措施研究

摘 要：預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)與普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)一樣，不可避免地會出現(xiàn)裂縫，當(dāng)結(jié)構(gòu)帶裂縫時，工程結(jié)構(gòu)的耐久性和結(jié)構(gòu)性能都會受影響。本文結(jié)合筆者多年建筑工程質(zhì)量監(jiān)督工作實踐，對預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)裂縫形成、發(fā)展原因進(jìn)行分析，并積極尋求合理、可行的設(shè)計與施工方法措施來予以控制，減小危害。

關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力混凝土；裂縫；部分預(yù)應(yīng)力；裂縫寬度；抗裂措施

中圖分類號：TU757

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1008-0422（2009）06-0202-03

1預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中裂縫的形成原因

結(jié)構(gòu)裂縫在工程中是長久以來引起人們關(guān)注與研究的課題。裂縫的形成原因很復(fù)雜，處理方式也有多種。如果處理得當(dāng)則對于結(jié)構(gòu)無大的不良后果，否則影響結(jié)構(gòu)物的耐久性和適用性，甚至危害到人們的財產(chǎn)安全和生命安全。

混凝土是由水泥石、細(xì)骨料（砂）、粗骨料（石）形成的混合材料，由于多種材料物理化學(xué)性質(zhì)不同，硬化過程中又夾雜氣體和水，因此混凝土先天便具有微觀裂縫和微孔。其中微觀裂縫分為水泥砂漿中的砂漿裂縫、砂漿和粗骨料界面上的粘結(jié)裂縫、粗骨料內(nèi)部的骨料裂縫。當(dāng)混凝土受力時，微觀裂縫與微孔逐漸連通，隨后擴(kuò)展成宏觀裂縫，如果繼續(xù)擴(kuò)展，最終會導(dǎo)致混凝土喪失承載能力。

混凝土產(chǎn)生裂縫原因多種多樣，與本身性質(zhì)、外界環(huán)境、氣候變化、施工澆注、養(yǎng)護(hù)過程、鋼筋腐蝕等等因素均有關(guān)系。所以造成分析與預(yù)防的復(fù)雜性，增加了采取防護(hù)措施的困難度。

預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)形成裂縫的原因，與普通的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有共同點(diǎn)，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：混凝土塑性塌落；塑性收縮裂縫；堿-骨料化學(xué)反應(yīng)；混凝土水化熱；混凝土干縮；鋼筋腐蝕；荷載作用；結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)不均勻沉降；外界溫度變化。預(yù)應(yīng)力混凝土與普通鋼筋混凝土相比，也有其自身的特點(diǎn)，主要表現(xiàn)在如下兩個方面：

1）預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的受拉區(qū)布置有預(yù)應(yīng)力筋，提供預(yù)加壓力，以抵消預(yù)拉區(qū)的拉應(yīng)力， 但是按照存在活載情況計算出來的構(gòu)件在無活載作用時，預(yù)壓應(yīng)力有可能使預(yù)拉區(qū)產(chǎn)生裂縫。

2）在預(yù)應(yīng)力筋錨固端，預(yù)壓應(yīng)力對錨固部位的擠壓使得此處產(chǎn)生沿鋼筋走向的水平縱向裂縫。

概括講來，裂縫原因歸結(jié)為2類：一類屬于由變形變化引起的包括溫度（水化熱、氣溫、太陽輻射等）、收縮（自生收縮、失水干縮、碳化收縮、塑性收縮等）、地基變形（地基沉降或隆起）；另一類屬于荷載引起的，是外力作用的結(jié)果。

2裂縫對整體結(jié)構(gòu)的危害分析

在鋼筋混凝土設(shè)計理論中，除特殊構(gòu)件以外，一般結(jié)構(gòu)是允許帶裂縫工作的，且寬度小于或等于0.05mm的裂縫并不會對結(jié)構(gòu)的使用形成顯著危害。但過寬的裂縫卻對結(jié)構(gòu)造成的危害較大，具體表現(xiàn)在：

1）鋼筋銹蝕：若水份或具有腐蝕性的氣體通過裂縫滲入鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，與鋼筋反應(yīng)會使鋼筋銹蝕。鋼筋生銹不但削減鋼筋實際受力面積，而且鐵銹膨脹導(dǎo)致原有裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展，最終減小鋼筋于混凝土的粘結(jié)力。

2）混凝土凍蝕：通過裂縫滲人鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的水份在氣溫降至0 ℃以下時會冷凍結(jié)冰，冰體積增大導(dǎo)致沿裂縫邊緣的脹裂。若氣溫變化異常頻繁，則凍融現(xiàn)象反復(fù)發(fā)生，裂縫將逐漸拓寬，最終破壞整體結(jié)構(gòu)。

3）降低結(jié)構(gòu)承載力：有些裂縫，即使不會破壞鋼筋或混凝土結(jié)構(gòu)，但裂縫發(fā)展使局部構(gòu)件截面有效高度削弱，降低了結(jié)構(gòu)實際承載力，影響其使用性能。

4）損壞混凝土性能：加速混凝土碳化、剝落，降低混凝土耐久性、抗疲勞、抗?jié)B能力。

5）其他影響：比如某些表面裂紋，在整個結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的使用壽命中都不會產(chǎn)生大的危害，但它們影響美觀，其負(fù)面作用也是不可忽視的。

3預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的檢測方法

實驗中加載后的混凝土體積從減少到增加，人們根據(jù)這一點(diǎn)猜測受荷載混凝土中存在著裂縫。后來Jones發(fā)現(xiàn)加載時，垂直的超聲脈沖隨荷載增加而不斷降低，說明在加載平行方向存在著裂縫?；炷两Y(jié)構(gòu)上的裂縫檢測，主要采用如下三種方法。

1）取樣法。在預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的裂縫位置鉆取一小部分樣品，在所取樣品上檢測裂縫寬度及深度。此法簡單易行，然而對于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)而言，鉆取芯樣有可能損傷預(yù)應(yīng)力筋，對結(jié)構(gòu)造成無法預(yù)料的破壞。

2）超聲波檢測法。超聲檢測法是目前最常用的混凝土結(jié)構(gòu)裂縫檢測方式，因此這里介紹一下超聲檢測法的工作原理。

超聲波在混凝土中傳播時，混凝土體對超聲脈沖波的吸收、散射及衰減都較大，高頻成分衰減更大。因此，一般采用低探測頻率超聲波檢測混凝土缺陷。當(dāng)混凝土的組成材料、工藝條件、內(nèi)部質(zhì)量及測試距離一定時，超聲波在其中的傳播速度、首波幅度和接收信號的頻率等聲學(xué)參數(shù)的測量值應(yīng)該基本一致。如果混凝土構(gòu)件中存在孔洞、不密實或裂縫，檢測所得的聲時值將比無缺陷混凝土大，波幅和頻率值則降低。根據(jù)這一原理，通過對不同條件下混凝土進(jìn)行聲速、波幅的檢測，可以得出裂縫的深度。

3）X光和顯微鏡技術(shù)。20世紀(jì)60年代，曾有人將混凝土切成薄片，用X光和顯微鏡技術(shù)來觀察不同荷載階段混凝土內(nèi)微裂縫的發(fā)展情況，此方法現(xiàn)在仍然有所使用。

此外，還有用應(yīng)變計測量，利用光敏電阻器測讀裂縫寬度的方法。

4預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制及裂縫寬度計算

4.1裂縫控制的各種規(guī)定

目前對于預(yù)應(yīng)力混凝土裂縫控制的規(guī)定主要有：我國現(xiàn)行的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50010-2002；歐洲規(guī)范3（即EC3）；英國《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計施工規(guī)范》BS8110-90；美國混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范ACI318M-05。

我國規(guī)范GB50010-2002，對預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的裂縫控制等級作如下劃分（表1）：

一級——嚴(yán)格要求不出現(xiàn)裂縫的構(gòu)件，按荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合進(jìn)行計算時，構(gòu)件受拉邊緣混凝土不應(yīng)產(chǎn)生拉應(yīng)力，即σck-σpc≤0；二級——一般要求不出現(xiàn)裂縫的構(gòu)件，按荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合進(jìn)行計算時，構(gòu)件受拉邊緣混凝土拉應(yīng)力大于混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，即符合σck-σpc≤ftk；而按荷載效應(yīng)準(zhǔn)永久組合計算時，構(gòu)件受拉邊緣混凝土不宜產(chǎn)生拉應(yīng)力，即應(yīng)符合σcq-σpc≤0；三級--允許出現(xiàn)裂縫的構(gòu)件，按荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合并考慮長期作用影響計算時，最大裂縫寬度不應(yīng)超過表1規(guī)定的最大裂縫寬度限值，即ωmax≤ωlim。

上述σck、σcq為荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合、準(zhǔn)永久組合下抗裂驗算邊緣的混凝土法向應(yīng)力；σpc為扣除全部預(yù)應(yīng)力損失后在抗裂驗算邊緣混凝土的預(yù)壓應(yīng)力為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；ωmax為按荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合并考慮長期作用影響計算的最大裂縫寬度；ωlim為最大裂縫寬度限值。

在歐洲規(guī)范EC3中首先提出將與環(huán)境條件相關(guān)的暴露等級分為5級，然后據(jù)其列出常遇荷載組合下預(yù)應(yīng)力構(gòu)件裂縫控制的設(shè)計準(zhǔn)則，見表2。

對于暴露等級2～4級的預(yù)應(yīng)力構(gòu)件，上表中考慮的限制一般可以滿足。對于暴露等級5級的構(gòu)件，需要采取特殊的裂縫限制措施，取決于環(huán)境中包含的侵蝕性化學(xué)物的性質(zhì)。

英國混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范BS8ll0也將預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的裂縫控制等級分為三級，依據(jù)是在使用荷載下容許的彎曲受拉應(yīng)力：一級-沒有彎曲受拉應(yīng)力；二級-有彎曲受拉應(yīng)力，但沒有可見裂縫；三級-有彎曲受拉應(yīng)力，對處于很嚴(yán)重環(huán)境中的構(gòu)件，裂縫的表面寬度不超過0.1mm，對所有其他構(gòu)件不超過0.2mm。

美國混凝土規(guī)范ACI318M-05主要按正常使用環(huán)境給出裂縫控制要求的。在正常環(huán)境及使用荷載下（全部預(yù)應(yīng)力損失后），混凝土受拉區(qū)邊緣纖維的拉應(yīng)力不應(yīng)超過0.5，當(dāng)瞬時撓度和長期撓度均經(jīng)過嚴(yán)格計算并符合規(guī)定的條件下，則上述應(yīng)力可放松至。在侵蝕環(huán)境下，若構(gòu)件應(yīng)力超過0.5 ，則最小保護(hù)層厚度應(yīng)加大50％。

4.2裂縫寬度控制及抗裂設(shè)計方法

20世紀(jì)30年代，奧地利的Emperger提出允許出現(xiàn)裂縫的部分預(yù)應(yīng)力混凝土概念，區(qū)別于以往傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力概念。20世紀(jì)40年代，美國的艾貝爾斯( P.W.Abeles ) 再次提出部分預(yù)應(yīng)力的建議。部分預(yù)應(yīng)力意即預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件采用預(yù)應(yīng)力筋與非預(yù)應(yīng)力筋的混合配筋；或者全部使用預(yù)應(yīng)力筋但施加的預(yù)應(yīng)力程度低于全預(yù)應(yīng)力的情形。

部分預(yù)應(yīng)力與全預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的一個重要區(qū)別是，在使用荷載作用下，部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁或板允許出現(xiàn)限值范圍內(nèi)的裂縫。由于這一優(yōu)勢，目前對于預(yù)應(yīng)力裂縫機(jī)理及裂縫控制的探討，均集中于部分預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，部分預(yù)應(yīng)力構(gòu)件計算方法大致有4種：

1）對普通鋼筋混凝土構(gòu)件計算公式進(jìn)行修正，以△σp （預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力增量或非預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力）代替σs進(jìn)行部分預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的裂縫寬度計算。例如，CEB- FIP（歐洲混凝土委員會和國際預(yù)應(yīng)力混凝土協(xié)會）對3級驗算的構(gòu)件，在非重復(fù)荷載作用下，配置高粘結(jié)鋼筋的構(gòu)件最大裂縫寬度wmax的計算公式：wmax=( σs-40)×10 -3，σs為鋼筋應(yīng)力；在部分預(yù)應(yīng)力情形下，用△σp代替σs得：wmax= (△σp -40)×10 -3。

2）取用影響裂縫寬度的某些參數(shù)建立裂縫寬度計算公式。這種方法是以大量實驗資料為基礎(chǔ)，分析影響裂縫的各個因素，然后利用數(shù)理統(tǒng)計原理，得出簡單適用且有一定可靠度的經(jīng)驗公式。

E·W·Benett 等人根據(jù)矩形和I字形截面部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁的實驗結(jié)果， 給出計算“平均裂縫寬度wm( mm) ”的公式wm=β1+β2。E·G·Nawy和P·T·Huang進(jìn)行了T形和工字形截面先張法部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁的試驗，提出“最大裂縫寬度wmax( in )”的建議計算公式wmax=a (10-5)×β（△σp）。我國規(guī)范GB50010-2002仍采用最大裂縫寬度控制。在使用階段允許出現(xiàn)裂縫的預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，即部分預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，最大裂縫寬度計算公式為：wmax=acrΦ(2.7c+0.1)v。此式考慮了裂縫寬度分布的不均勻性和荷載長期效應(yīng)組合的影響，是合理、適用的。

3）“特征裂縫寬度”控制是另一種用統(tǒng)計方法得出的結(jié)果，即構(gòu)件中的裂縫寬度小于該特征值的保證率為95％的裂縫寬度。由于多種原因，不同寬度裂縫出現(xiàn)的幾率不同，但多數(shù)裂縫的寬度在平均值附近波動，裂縫寬度比平均值大得越多的裂縫出現(xiàn)的概率也越低。因此，在這種情況下使用“特征裂縫寬度”這一概念更加明確、合理。

《PPC建議》給出了“特征裂縫寬度”的計算公式，并且由平均裂縫寬度計算公式導(dǎo)出“特征裂縫寬度”δfk與平均裂縫寬度δfm成正比關(guān)系：δfk=(1+KCv )δfm =αΑδfm，α為考慮裂縫寬度離散性的擴(kuò)大系數(shù)；Cv為裂縫寬度的變異系數(shù)；K為與分布類型及特征裂縫寬度的保證率有關(guān)的系數(shù)。

(4) 建立與允許最大裂縫寬度相應(yīng)的允許名義拉應(yīng)力，用名義拉應(yīng)力控制裂縫寬度。就是一方面將開裂的部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁假定為未開裂的混凝土梁，按勻質(zhì)截面計算出混凝土的名義拉應(yīng)力，另一方面根據(jù)大量實驗數(shù)據(jù)建立與允許的最大裂縫寬度[wmax] 相對應(yīng)的混凝土允許名義拉應(yīng)力[σcl] 。此方法最早由英國學(xué)者Abeles提出，并為英國《混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范》( CP 110) 所采納。在1985年英國頒布的BS8110《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計施工規(guī)范》中仍沿用此法。我國《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》( JTGD62-2004) 也采用了這一方法。

應(yīng)當(dāng)注意的是，此法中的允許裂縫寬度[wmax] 和相應(yīng)的允許名義拉應(yīng)力[σcl]，均與構(gòu)件高度有關(guān)，隨著高度提升，必須乘以相應(yīng)的高度影響系數(shù)(見表3 ) 進(jìn)行修正。另外，若截面受拉區(qū)靠近邊緣處布置有附加非預(yù)應(yīng)力筋，混凝土允許名義拉應(yīng)力可以有所提高。其增值與附加筋占混凝土截面受拉區(qū)面積的百分率成正比。當(dāng)附加筋為1％時，對后張構(gòu)件可增加4.0N/mm2，對先張構(gòu)件則為3.0N/mm2。名義拉應(yīng)力最大不得超過混凝土設(shè)計強(qiáng)度的1/4。

4.3抗裂設(shè)計方法比較

以T形截面和矩形截面為例，通過計算分析，將我國GB50010-2002、歐洲EC3、英國BS8110的抗裂設(shè)計方法進(jìn)行比較。

GB50010-2002將抗裂控制等級分為三級設(shè)計；EC3實際上分為二級，即消壓和限制裂縫寬度為0.2 mm；EC3消壓要求預(yù)應(yīng)力筋或孔道的全部位于混凝土受壓范圍以內(nèi)至少25mm； 而GB50010-2002要求全部混凝土截面處于受壓狀態(tài)；在EC3中，所有裂縫驗算是在常遇荷載組合下進(jìn)行的，GB 50010-2002是按不常遇荷載組合計算的。

EC3消壓這一檔與GB50010-2002一級相比，對T形截面與矩形截面分別僅需73％和86％的預(yù)應(yīng)力筋面積。當(dāng)裂縫寬度限值取0.2mm時，EC3所需預(yù)應(yīng)力筋面積比GB50010-2002少9％。在承載能力極限狀態(tài)下，為保證T形截面的強(qiáng)度，GB50010-2002需稍增加預(yù)應(yīng)力筋面積。

EC3消壓這一檔與BS8ll0一級相比，僅需95％的預(yù)應(yīng)力筋面積。當(dāng)裂縫寬度限值取0.2mm時，按截面形狀不同，對矩形和T形截面，EC3所需預(yù)應(yīng)力筋面積比BS8110多出15％和50％。

5結(jié)語

近年來，許多工程師通過實踐發(fā)現(xiàn)，我國的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50010-2002與國外規(guī)范相比，對于正常使用狀態(tài)下預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗裂控制規(guī)定明顯過于嚴(yán)格。具體表現(xiàn)在：由于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的差異，GB50010-2002所需預(yù)應(yīng)力筋比EC3偏多；按照GB50010-

2002設(shè)計的結(jié)構(gòu)在極限狀態(tài)下的失效概率較大，但正常使用狀態(tài)下的控制標(biāo)準(zhǔn)較高。

我國規(guī)范的1993年局部修訂本指出“當(dāng)有可靠的工程經(jīng)驗時，對預(yù)應(yīng)力的抗裂要求可適當(dāng)放寬”。因此有學(xué)者提出按構(gòu)件工作條件分為室內(nèi)正常環(huán)境和露天或室內(nèi)高濕度環(huán)境兩檔，建議房屋裂縫寬度分別取0.2mm和0.1 mm，相應(yīng)的裂縫寬度按《鐵路部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁設(shè)計及驗收規(guī)定》TBJ106-91有關(guān)公式計算。

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