設(shè)計角度出發(fā)的超長鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制措施探究

馮宏東

（寧夏人防設(shè)計院，寧夏 銀川750001）

0 引言

有很多裂縫只是“表面性”的，對結(jié)構(gòu)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(zhì)量的疑慮；有的裂縫則具有“結(jié)構(gòu)性”的意義，表明結(jié)構(gòu)受到某種損害，甚至預示著破壞事故將要發(fā)生；還有的裂縫會導致工程結(jié)構(gòu)滲水、溶蝕或鋼筋銹蝕，從而損害結(jié)構(gòu)的使用性能或工程的耐久性?；炷亮芽p形態(tài)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(jié)構(gòu)受力裂縫——混凝土結(jié)構(gòu)在荷載作用下所引起的裂縫；

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

3）混凝土的塑態(tài)裂縫——混凝土在澆筑后呈塑性狀態(tài)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(yīng)。第一類裂縫不可避免，一般鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)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(shù)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(jù)國內(nèi)外的調(diào)查資料，以第四類為主的裂縫約占裂縫總數(shù)的80%，所以研究各類裂縫產(chǎn)生機理及解決辦法有著重要的現(xiàn)實意義和巨大的經(jīng)濟意義。

1 將溫度作用作為荷載參與組合的設(shè)計方法

1.1 溫度作用效應(yīng)表達式

關(guān)于溫度及混凝土的收縮作用，在前面第一章己經(jīng)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(yīng)。因此荷載效應(yīng)組合表達式可以表示為：

式中：γs、γi

T為荷載效應(yīng)系數(shù)，這里代表結(jié)構(gòu)在混凝土單位收縮應(yīng)變和單位溫度變化作用下并考慮徐變作用得到的相應(yīng)的應(yīng)力。εs為結(jié)構(gòu)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(yīng)變，正數(shù)代表升溫，負數(shù)代表降溫，單位為℃。

混凝土溫度收縮應(yīng)變的計算應(yīng)該從混凝土澆注開始，計算時還應(yīng)該考慮施工過程的影響，這樣處理會比較復雜，可根據(jù)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(wěn)定?？梢愿鶕?jù)工程經(jīng)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(yīng)變等效為溫差，與結(jié)構(gòu)的季節(jié)溫差相加后得到結(jié)構(gòu)的計算溫差，再對結(jié)構(gòu)在計算溫差下的效應(yīng)進行分析?；炷恋氖湛s變形有多種，其中干縮（失水收縮或稱濕度梯度）是超長結(jié)構(gòu)收縮變形所需考慮的主要因素，目前國內(nèi)關(guān)于這方面研究較少，因而可以參考國外的有關(guān)規(guī)范（如日本的規(guī)范），將干縮變形折算為10-15℃溫降?；炷潦湛s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(shù)。

在上面的荷載效應(yīng)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(nèi)外溫差的影響，對于結(jié)構(gòu)的一般構(gòu)件，影響不大，但對于結(jié)構(gòu)的某些部位如屋面，受太陽暴曬，以及結(jié)構(gòu)的保溫隔熱措施很差，結(jié)構(gòu)的構(gòu)件厚度過大處，在溫度作用效應(yīng)計算時，要根據(jù)實際情況考慮太陽輻射及內(nèi)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(jié)構(gòu)的施工不是一蹴而就的，而是一個復雜的過程，在計算時應(yīng)該考慮混凝土水化熱和施工過程對溫度收縮作用效應(yīng)的影響，對于這種情況，設(shè)計者可以根據(jù)相應(yīng)的實際情況，并參考過去的工程經(jīng)驗，進行簡化計算和處理。

1.2 溫度收縮作用效應(yīng)與其它荷載效應(yīng)的組合

在進行超長結(jié)構(gòu)正常使用極限狀態(tài)設(shè)計時，需要將溫度收縮作用效應(yīng)與恒載、活載等荷載效應(yīng)組合后進行設(shè)計。荷載效應(yīng)基本組合中溫度作用的組合系值數(shù)取值現(xiàn)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(jié)構(gòu)荷載規(guī)范以及水工建筑物荷載設(shè)計規(guī)范，將溫度收縮作用作為可變荷載進行組合，組合值系數(shù)可以取為0.7，準永久值系數(shù)取0.5。關(guān)于結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)將要進入承載能力極限狀態(tài)時，結(jié)構(gòu)已經(jīng)出現(xiàn)了大量的裂縫，裂縫的出現(xiàn)會將溫度收縮應(yīng)力釋放，因而，溫度作用不必參與承載能力極限狀態(tài)的組合。

1.3 裂縫控制

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

一般要求不出現(xiàn)裂縫的構(gòu)件（裂縫控制等級為二級）荷載效應(yīng)的標準組合下應(yīng)符合下列規(guī)定：在荷載效應(yīng)的準永久組合下宜符合下列規(guī)定：

式中：σck、σcq為荷載效應(yīng)的標準組合、準永久組合下抗裂驗算邊緣的混凝土法向應(yīng)力；σpc為扣除全部預應(yīng)力損失后在抗裂驗算邊緣混凝土的預壓應(yīng)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(shè)計，可以根據(jù)規(guī)范給出的最大裂縫寬度計算公式來確定結(jié)構(gòu)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(gòu)件特征系數(shù)；σsk為按荷載效應(yīng)標準組合計算的鋼筋混凝土構(gòu)件縱向受拉鋼筋的應(yīng)力或預應(yīng)力混凝土構(gòu)件縱向受拉鋼筋的等效應(yīng)力；ψ為裂縫間受拉鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù)；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(qū)底邊的距離；dcq為受拉區(qū)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(yīng)力筋進行抵消溫度收縮作用的設(shè)計方法

我國《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中，在關(guān)于伸縮縫的構(gòu)造規(guī)定中指出，在下列情況下，如有充分依據(jù)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(yīng)力措施；

（3）采取能減小混凝土溫度變化或收縮的措施。

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

3 結(jié)束語

總之，超長混凝土的裂縫控制問題是一個系統(tǒng)工程，其控制技術(shù)涉及到材料、施工、環(huán)境條件、設(shè)計及外荷載等多種因素，工程中的裂縫現(xiàn)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(yīng)的設(shè)計和施工規(guī)范要求，有害裂縫是可以避免的。

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