鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的裂縫問題探討

安紹軍

摘要：本文列舉了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的裂縫危害及其出現(xiàn)形式，闡述了鋼筋混凝土構(gòu)件產(chǎn)生裂縫的機(jī)理，指出了當(dāng)前結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對裂縫控制工作的不足，并在此基礎(chǔ)之上提出了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)采取的工作措施。

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；裂縫問題

1、裂縫危害

受力重新分配，抗剪能力下降。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)正常使用時，鋼筋抵抗拉力，混凝土則抵抗壓力，當(dāng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)開裂之后，裂縫處的鋼筋與混凝土錨固失效，鋼筋的應(yīng)力變化極大，混凝土由整體變?yōu)槠扑榈母鞑糠?，上部混凝土受壓區(qū)高度相對變小，壓應(yīng)力也急劇增長。當(dāng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)開裂之后，混凝土由一個整體被分為各支離破碎的部分，混凝土的各個截面不再完整，使得起到抗剪作用的凈截面面積減小，整體的抗剪能力大幅度下降。

強(qiáng)度降低，剛度減小，疲勞度下降。裂縫的出現(xiàn)致使結(jié)構(gòu)中的鋼筋外露，空氣及水分中有腐蝕作用的成分侵入混凝土內(nèi)部，引起鋼筋銹蝕及混凝土質(zhì)變，導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)強(qiáng)度逐漸降低，強(qiáng)度的降低又會加大裂縫的擴(kuò)展，最終造成結(jié)構(gòu)的受力性能進(jìn)一步惡化，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性及使用性能嚴(yán)重下降。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)開裂比較嚴(yán)重時，裂縫截面處的中性軸上移，結(jié)構(gòu)的變形加大，剛度減小，整體撓度隨著裂縫的發(fā)展而激增。裂縫的出現(xiàn)不但降低了結(jié)構(gòu)的整體剛度，還使得鋼筋及混凝土長時間處于高應(yīng)力拉壓狀態(tài)，降低了它們的疲勞壽命，從而降低了整體結(jié)構(gòu)的疲勞度。

2、裂縫種類

①結(jié)構(gòu)裂縫。對于現(xiàn)澆的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，不同的結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間剛度往往是不同的，因此這就容易造成一些結(jié)構(gòu)中形成相對剛度薄弱區(qū)，就是在這些相對薄弱部分及結(jié)構(gòu)的截面突變處，易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)裂縫破壞，如建筑物墻角處及鋼筋混凝土樓板的板端處。②溫度裂縫。溫度裂縫是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中最常見的裂縫，它的形成是由于外界溫度變化較大，混凝土隨著溫差而發(fā)生熱脹冷縮，這種裂縫常出現(xiàn)在建筑結(jié)構(gòu)的屋面層。③構(gòu)造裂縫。造成鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)構(gòu)造裂縫的原因主要有混凝土的水灰比過大、模板的滑動、混凝土澆筑時未充分振搗等。此外，支架下沉、脫模過早，混凝土養(yǎng)護(hù)工作未做好也會造成鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)構(gòu)造裂縫。④收縮裂縫?；炷两Y(jié)構(gòu)在養(yǎng)護(hù)過程中會逐漸的硬化、碳化及脫水，這一過程一直持續(xù)，即使達(dá)到28天齡期也不會停止，這一特性是水泥基混凝土的固有特性，再加上混凝土硬化時發(fā)生化學(xué)反應(yīng)再失掉一部分水分，因此整個過程中均有混凝土收縮的現(xiàn)象出現(xiàn)，此時就會形成各種收縮裂縫。

3、裂縫形式

①45°斜裂縫，此種裂縫通常出現(xiàn)在建筑物墻角處，與水平面成夾角45°，因此被稱為45°斜裂縫。②長裂縫，此種裂縫常出現(xiàn)在建筑物的樓面板及屋面板的上表面，是由于房間內(nèi)預(yù)埋管線造成的混凝土裂縫，一般寬度較小，肉眼幾不可見。③不規(guī)則裂縫，裂縫呈散葉狀或龜裂狀，一般出現(xiàn)在建筑結(jié)構(gòu)頂層部位。在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的跨中及端部也會出現(xiàn)。

4、裂縫開裂機(jī)理

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在使用之前處于不受力的狀態(tài)，且內(nèi)部應(yīng)力為零，當(dāng)結(jié)構(gòu)正常使用時，混凝土結(jié)構(gòu)就受到約束力的作用而不能發(fā)生自由的變形，此時由于混凝土自身的收縮就導(dǎo)致了混凝土受到拉應(yīng)力作用，混凝土在拉應(yīng)力作用下發(fā)生徐變，混凝土所具有拉應(yīng)力隨著徐變的進(jìn)行而不斷下降，直至達(dá)到凈拉應(yīng)力值，此時，若凈拉應(yīng)力大于或等于混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度時，混凝土結(jié)構(gòu)就會出現(xiàn)裂縫。隨著混凝土的收縮、徐變，開裂的裂縫會越來越大，因此，若想減少混凝土結(jié)構(gòu)的開裂，必須要降低混凝土的收縮度，做好混凝土配合比、攪拌及養(yǎng)護(hù)等環(huán)節(jié)。

5、鋼筋混凝土裂縫的限制范圍

有關(guān)混凝土的現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在使用之前就已經(jīng)存在著微裂縫，混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫破壞就是這些微裂縫的擴(kuò)展，因此鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫具有必然性，所以在實(shí)際使用中，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)有限制的裂縫是允許的，各國對鋼筋混凝土構(gòu)件的裂縫寬均有寬度限值的規(guī)定，如美國ACI規(guī)定的混凝土裂縫限制值為：干燥空氣中0.4mm，潮濕空氣中為0.3mm；而我國的則是干燥空氣中為0.3mm，潮濕空氣中為0.2mm。

混凝土出現(xiàn)微小裂縫時，只要修補(bǔ)措施做的適當(dāng)并不會影響結(jié)構(gòu)的使用功能。寬度在0.2mm以內(nèi)的裂縫是可自行愈合的，其愈合的原因是混凝土中的氫氧化鈣與空氣中的二氧化碳反應(yīng)生成碳酸鈣，既而再與氫氧化鈣結(jié)晶沉淀在裂縫內(nèi)，結(jié)果就使得裂縫自行密實(shí)，猶如愈合一樣，但愈合的前提條件是裂縫中不能有水的流動，水的流動會克服晶體之間的結(jié)合力并將沉淀的晶體帶走，因此，對于一些地下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，做好減水及防水措施對于防止混凝土裂縫的出現(xiàn)就顯得極為重要。

6、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制設(shè)計(jì)問題

6.1未重視結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

當(dāng)前我國規(guī)范規(guī)定的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則為：建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須要滿足承載力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)，前者是保證建筑結(jié)構(gòu)不會發(fā)生破壞及失穩(wěn)等破壞的極限標(biāo)準(zhǔn)，而后者則是保證建筑結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)超過正常使用狀態(tài)的變形、裂縫及可靠、耐久等其它影響正常使用的極限標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)前許多設(shè)計(jì)人員只注重滿足承載力極限狀態(tài)，而正常使用極限狀態(tài)卻往往被忽視。

6.2簡化計(jì)算，忽視結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整體性

很多的設(shè)計(jì)人員在計(jì)算鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)時，為求簡單，往往將復(fù)雜受力體系簡化為簡單的結(jié)構(gòu)，如將雙向板當(dāng)單向板計(jì)算，這樣計(jì)算出的配筋往往與實(shí)際的受力情況不符，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件局部產(chǎn)生裂縫。由于現(xiàn)在設(shè)計(jì)的分工，設(shè)計(jì)人員往往是你計(jì)算你的梁，我設(shè)計(jì)我的柱，忽視了結(jié)構(gòu)本身的整體性及協(xié)調(diào)性，建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是一個整體性的設(shè)計(jì)，在計(jì)算及配筋時，必須考慮到結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)之間、構(gòu)件與構(gòu)件之間的變形協(xié)調(diào)問題，同時，相臨結(jié)構(gòu)構(gòu)件在角邊處的應(yīng)力影響現(xiàn)象也要重視。

7、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制設(shè)計(jì)對策

7.1合理簡化結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)適當(dāng)

根據(jù)實(shí)際情況，對復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行合理簡化，運(yùn)用概念設(shè)計(jì)理念，對實(shí)際存在而又被忽略的變形及受力要在計(jì)算配筋時加以考慮，對于結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)裂縫部位，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)采取適當(dāng)?shù)拇胧┻M(jìn)行預(yù)防。溫差及材料的變形均會導(dǎo)致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)開裂，當(dāng)結(jié)構(gòu)的尺寸過長時，結(jié)構(gòu)因溫差及材料的變形所引起的應(yīng)力就會越大，此時建筑的墻體與樓板易出現(xiàn)橫向裂縫，經(jīng)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與其長度呈非線性關(guān)系，因此在設(shè)計(jì)時必須要保證結(jié)構(gòu)的尺寸滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，以防止或減少結(jié)構(gòu)裂縫的出現(xiàn)。

7.2結(jié)構(gòu)的形狀及布置盡量規(guī)則，對板類構(gòu)件裂縫控制采取防治措施

結(jié)構(gòu)的形狀及布置不規(guī)則時，由于各方向上結(jié)構(gòu)的剛度不一，因此產(chǎn)生的變形也不盡相同，在結(jié)構(gòu)的剛度薄弱處易形成裂縫。因此在設(shè)計(jì)時應(yīng)盡量保證結(jié)構(gòu)形狀及結(jié)構(gòu)布置的規(guī)則性。對于易出現(xiàn)裂縫的屋面及樓面鋼砼構(gòu)件，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時可采用預(yù)應(yīng)力混凝土，在樓面板預(yù)埋管線時，對管線進(jìn)行支架固定，在管線交叉處要采用專門設(shè)計(jì)的接線盒以減少鋼筋混凝土板的剛度削弱。

8、結(jié)語

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫是工程中常見的質(zhì)量通病，但它的出現(xiàn)并非與荷載作用有直接的關(guān)系，大量的研究表明，裂縫的出現(xiàn)是由于結(jié)構(gòu)自身的變形所引起的，要想盡量減少結(jié)構(gòu)裂縫的出現(xiàn)，就必須在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程當(dāng)中綜合考慮各方面的因素，嚴(yán)格遵守相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范及準(zhǔn)則，當(dāng)前預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土的出現(xiàn)，已經(jīng)使得鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)能夠設(shè)計(jì)成為不開裂的形式，但如何進(jìn)一步做好鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)裂縫控制的工作，還是一個值得深入探討的課題。

參考文獻(xiàn)：

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