鋼筋混凝土厚板構(gòu)件裂縫影響及控制研究

摘 要：本文以山東省某工程為研究對(duì)象，以實(shí)際構(gòu)件尺寸為模型，運(yùn)用室內(nèi)試驗(yàn)的方法，制作等比例試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，研究裂縫對(duì)鋼筋混凝土厚板構(gòu)件承載力的影響，分析鋼筋混凝土厚板構(gòu)件裂縫的控制方法。結(jié)果表明，增加鋼筋直徑對(duì)裂縫厚板構(gòu)件的彈性荷載、屈服荷載和極限荷載的提高比率均≤20%；變厚板的尺寸對(duì)于厚板構(gòu)件的荷載有顯著的提高作用，且對(duì)彈性荷載和屈服荷載的提高幅度均大于45%，對(duì)極限荷載的提高幅度也大于20%；裂紋數(shù)量隨著荷載增加而增加，改變鋼筋網(wǎng)片的直徑對(duì)厚板構(gòu)件裂紋的控制不明顯，增加鋼筋網(wǎng)片的間距對(duì)厚板構(gòu)件裂紋的控制不利。

關(guān)鍵詞：建筑工程；鋼筋混凝土；厚板構(gòu)件；裂縫控制

中圖分類(lèi)號(hào)：TU 71 " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

鋼筋混凝土厚板構(gòu)件是工程結(jié)構(gòu)中常用的承載部分，由于各種力學(xué)因素的作用，因此這類(lèi)構(gòu)件經(jīng)常出現(xiàn)裂縫問(wèn)題[1]。由于裂縫存在，導(dǎo)致截面削弱和應(yīng)力集中，因此構(gòu)件的荷載承受能力降低，導(dǎo)致嚴(yán)重破壞；裂縫會(huì)增加構(gòu)件的撓度和變形，對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面影響[2]。在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，裂縫會(huì)加速混凝土老化，使水分和有害物質(zhì)滲透，鋼筋銹蝕和混凝土表面會(huì)出現(xiàn)顏色變化，嚴(yán)重影響構(gòu)件的外觀和耐久性。因此，對(duì)裂縫的影響及控制進(jìn)行研究有重要意義[3]。為了控制裂縫發(fā)展，本文對(duì)混凝土材料配比、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工工藝、檢測(cè)和維護(hù)等方面進(jìn)行研究，結(jié)合山東省某工程鋼筋混凝土厚板構(gòu)件的施工實(shí)例，采用室內(nèi)模型試驗(yàn)的方法建立等比例試樣模型，深入研究裂縫問(wèn)題對(duì)工程結(jié)構(gòu)的性能造成的不利影響。研究成果可為裂縫的影響機(jī)理并采取相應(yīng)的控制措施提供依據(jù)，為提高構(gòu)件的承載能力、延長(zhǎng)使用壽命和提升美觀度提供方法，保障工程結(jié)構(gòu)安全。

1 工程概況

山東省某工程項(xiàng)目總用地約54738.7m2（以國(guó)土部門(mén)實(shí)測(cè)為準(zhǔn)），擬建總建筑面積約54866.09m2，其中地上建筑面積42694.59m2，地下建筑面積12171.5m2。該項(xiàng)目主要建設(shè)教學(xué)樓、綜合樓、風(fēng)雨操場(chǎng)、宿舍樓、幼兒園以及田徑場(chǎng)等體育場(chǎng)地、綠化及配套設(shè)施等，教學(xué)樓、綜合樓和宿舍樓的地下室底板厚度為450mm，建筑結(jié)構(gòu)基本參數(shù)見(jiàn)表1。工程基坑圍護(hù)總長(zhǎng)度約616m，基坑總面積約13370m2，基坑普遍區(qū)開(kāi)挖深度為5.0m。采用SMW工法樁+1道預(yù)應(yīng)力旋噴錨樁（局部鋼管內(nèi)撐），其中軟土深厚范圍坑底設(shè)置墩式水泥攪拌樁加固。

2 鋼筋混凝土厚板受荷載影響的裂縫發(fā)展過(guò)程

與鋼筋混凝土梁形構(gòu)件相似，鋼筋混凝土厚板受荷載影響產(chǎn)生裂縫是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，大致可以劃分為5個(gè)階段，分別為無(wú)裂縫階段（彈性階段）、裂縫出現(xiàn)階段、裂縫擴(kuò)展階段（屈服階段）、裂縫貫通階段以及構(gòu)件破壞階段。具體的裂縫發(fā)展和加載過(guò)程如下。在構(gòu)件加載初期，鋼筋混凝土厚板內(nèi)部的鋼筋與混凝土的應(yīng)力狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定，外荷載引起的板內(nèi)部應(yīng)力分布遠(yuǎn)小于鋼筋材料和混凝土材料的抗拉應(yīng)力，板內(nèi)部也沒(méi)有明顯的裂縫或裂紋。此時(shí)，鋼筋混凝土厚板處于彈性工作階段，卸除荷載，厚板的變形可以恢復(fù)。當(dāng)荷載加載到一定程度時(shí)，由于結(jié)構(gòu)內(nèi)部材料具有不均勻性，因此外荷載引起鋼筋混凝土厚板的拉應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度，板體的表面開(kāi)始出現(xiàn)一些微小的裂縫或裂紋。此時(shí)，對(duì)應(yīng)的加載值大小為彈性荷載P1，裂縫的出現(xiàn)并不影響鋼筋混凝土厚板的整體承載力，混凝土的受力和變形進(jìn)入彈塑性變化階段，鋼筋仍處于彈性工作階段。對(duì)鋼筋混凝土厚板持續(xù)加載，可以在厚板表面觀測(cè)到裂縫持續(xù)沿著與荷載垂直的方向擴(kuò)展，尤其是應(yīng)力集中的區(qū)域，荷載增量引起的裂縫數(shù)量和密度會(huì)不斷增加，裂縫的擴(kuò)展也會(huì)導(dǎo)致板體剛度進(jìn)一步下降，當(dāng)板體的裂縫擴(kuò)展到鋼筋表面時(shí)，由混凝土承擔(dān)的拉應(yīng)力全部轉(zhuǎn)移至主受拉鋼筋中，直到鋼筋進(jìn)入屈服荷載，此時(shí)，荷載增量引起的位移增量呈現(xiàn)一定的波動(dòng)狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的加載值大小為屈服荷載P2。

裂縫的不斷擴(kuò)展會(huì)導(dǎo)致裂縫相互交叉和貫通，隨著荷載持續(xù)增加，在板體表面和內(nèi)部會(huì)形成一條或多條寬度較大的裂縫，這些裂縫甚至可以穿過(guò)板體到達(dá)另一面。此時(shí)，鋼筋混凝土厚板的剛度和承載能力會(huì)受到影響，小的荷載增量可能會(huì)產(chǎn)生較大的位移增量。

當(dāng)裂縫的發(fā)展達(dá)到極限時(shí)，一條或多條裂縫貫穿鋼筋混凝土厚板，板體的受壓區(qū)混凝土出現(xiàn)壓碎現(xiàn)象，板體的承載能力達(dá)到極限，構(gòu)件失穩(wěn)，失去繼續(xù)承載的能力，此時(shí)對(duì)應(yīng)的加載值大小為極限荷載P3。

3 裂縫對(duì)鋼筋混凝土厚板構(gòu)件的承載力影響試驗(yàn)

以山東省某工程的厚板構(gòu)件為原型，制作3種不同截面面積的厚板試件模型，在厚板模型跨中位置設(shè)置豎向貫通裂縫（裂縫高度為450mm），通過(guò)模型中的鋼筋直徑和界面處理方式，采用四點(diǎn)純彎的加載方式研究裂縫對(duì)構(gòu)件的承載力影響[4-5]。建立的厚板模型工況見(jiàn)表2。

在試驗(yàn)中，混凝土材料為C50商品混凝土，在28d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下150mm立方體試塊的抗壓強(qiáng)度51.2MPa；直徑20mm的鋼筋抗拉試驗(yàn)測(cè)定得到的屈服強(qiáng)度為480.6MPa，極限強(qiáng)度為620.30MPa，彈性模量為2.13×105MPa，直徑25mm的鋼筋抗拉試驗(yàn)測(cè)定得到的屈服強(qiáng)度為470.3MPa，極限強(qiáng)度為670.0MPa，彈性模量為2.14×105MPa。在試驗(yàn)過(guò)程中，采用四點(diǎn)純彎的加載方式，受力以反對(duì)稱(chēng)的方式布置，以減少剪切力和壓彎力的干擾，即在構(gòu)件長(zhǎng)度方向，以一端為起點(diǎn)，下端距離350mm以及2150mm處布置簡(jiǎn)支點(diǎn)，支點(diǎn)處放置圓形支座和三角形支座，在上端距離950mm以及2750mm處布置集中荷載，當(dāng)距離2750mm處設(shè)置向下荷載為P時(shí)，距離950mm處相應(yīng)布置向下的荷載為2P。試驗(yàn)初期以較小的荷載進(jìn)行試壓，保證加載裝置正常運(yùn)行，裝置與試件的充分接觸，采用分級(jí)加載的方式進(jìn)行緩慢逐級(jí)加載，分級(jí)荷載P分別為100kN、200kN、300kN和400kN……，每級(jí)荷載控制在60s以上，直至試件破壞[6]。對(duì)模型試件的荷載-位移曲線進(jìn)行測(cè)試，并觀測(cè)不同階段的荷載大小。當(dāng)試件出現(xiàn)初始裂紋時(shí)，表明試件已經(jīng)結(jié)束彈性荷載階段，并進(jìn)入塑性荷載階段，相應(yīng)的荷載大小為彈性荷載；當(dāng)試件裂縫貫通時(shí)，預(yù)留裂縫兩側(cè)混凝土發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，且發(fā)生荷載穩(wěn)定加載而裂縫和位移不斷變大時(shí)，表明試件已經(jīng)進(jìn)入屈服荷載階段，相應(yīng)的穩(wěn)定荷載為屈服荷載[7-9]；當(dāng)試件截面滑移增加時(shí)，試件表面混凝土出現(xiàn)剝落的情況，并出現(xiàn)崩響，鋼筋彎折失效，當(dāng)試件發(fā)生的變形不適應(yīng)繼續(xù)加載情況時(shí)，表明試件已經(jīng)發(fā)生直接剪切破壞，相應(yīng)的荷載大小為極限荷載。不同工況下厚板試件彈性荷載、屈服荷載和極限荷載對(duì)比見(jiàn)表3。3種不同加載階段的厚板構(gòu)件試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

對(duì)比工況A和工況B可知，增加鋼筋的直徑可以提高裂縫厚板構(gòu)件的彈性荷載、屈服荷載和極限荷載，且提高幅度逐步增加，提高比率均小于20%。由此可知，增加鋼筋直徑對(duì)裂縫厚板構(gòu)件的荷載提升作用有限；對(duì)比工況A和工況C可知，增加厚板尺寸可增大裂縫厚板構(gòu)件的彈性荷載、屈服荷載和極限荷載，且對(duì)彈性荷載和屈服荷載的提高幅度均大于45%，對(duì)極限荷載的提高幅度也大于20%。由此可知，改變厚板的尺寸可以明顯增大厚板構(gòu)件的荷載。

4 鋼筋混凝土厚板構(gòu)件裂縫的控制試驗(yàn)

為了研究鋼筋混凝土厚板構(gòu)件裂縫的控制效果，以山東省某工程的厚板構(gòu)件為原型（工況A），采用改變抗裂鋼筋網(wǎng)片的方法制作3種不同的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，工況設(shè)置見(jiàn)表4。鋼筋網(wǎng)片采用的鋼筋型號(hào)為HRB400，直徑6mm的鋼筋實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度為403.2MPa，極限強(qiáng)度為425.0MPa，彈性模量為2.01×105MPa；直徑8mm的鋼筋實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度為401.1MPa，極限強(qiáng)度為427.4MPa，彈性模量為2.03×105MPa。

3種不同工況下鋼筋混凝土厚板構(gòu)件裂紋控制試驗(yàn)結(jié)果如圖2、圖3所示。從圖2和圖3中可以看出，不同工況的模型試件的裂紋發(fā)展規(guī)律基本一致。隨著荷載不斷增加，裂紋數(shù)量呈現(xiàn)不斷增加的趨勢(shì)；在相同的荷載階段，對(duì)比工況A和工況D可以發(fā)現(xiàn)，增加鋼筋網(wǎng)片的直徑而不增加鋼筋網(wǎng)片的間距，裂紋的數(shù)量和長(zhǎng)度均略微增加，由此表明，改變鋼筋網(wǎng)片的直徑對(duì)厚板構(gòu)件裂紋的控制不明顯；在同一荷載階段，對(duì)比工況A和工況E可以發(fā)現(xiàn)，增加鋼筋網(wǎng)片的間距而不增加鋼筋網(wǎng)片的直徑，裂紋的數(shù)量和長(zhǎng)度均迅速增加，由此表明，增加鋼筋網(wǎng)片的間距對(duì)厚板構(gòu)件裂紋的控制不利。

3種不同工況下鋼筋混凝土厚板構(gòu)件裂紋數(shù)量和裂紋長(zhǎng)度見(jiàn)表5。從表5中可以看出，在相同的工況條件下，隨著荷載不斷增加，裂紋的數(shù)量和裂紋長(zhǎng)度均呈不斷增加的趨勢(shì)，在極限荷載P3階段，裂紋的數(shù)量和裂紋的長(zhǎng)度均出現(xiàn)激增，在裂紋的數(shù)量方面，從彈性荷載P1階段到屈服荷載P2階段，工況A的裂紋數(shù)量增幅為15條，工況D的裂紋數(shù)量增幅為15條，工況E的裂紋數(shù)量增幅為25條，從屈服荷載P2階段到極限荷載P3階段，工況A的裂紋數(shù)量增幅為25條，工況D的裂紋數(shù)量增幅為22條，工況E的裂紋數(shù)量增幅為25條；在裂紋的長(zhǎng)度方面，從彈性荷載P1階段到屈服荷載P2階段，工況A的裂紋長(zhǎng)度增幅為155mm，工況D的裂紋數(shù)量增幅為239mm，工況E的裂紋數(shù)量增幅為393mm，從屈服荷載P2階段到極限荷載P3階段，工況A的裂紋數(shù)量增幅為365mm，工況D的裂紋數(shù)量增幅為307mm，工況E的裂紋數(shù)量增幅為518mm。

5 結(jié)論

鋼筋混凝土厚板構(gòu)件是建筑施工中的常用材料，構(gòu)件因荷載產(chǎn)生裂縫成為亟需解決的問(wèn)題。本文以山東省某工程為研究對(duì)象，以實(shí)際構(gòu)件尺寸為模型，采用室內(nèi)試驗(yàn)的方法，制作等比例試驗(yàn)?zāi)Ｐ停ㄟ^(guò)分析裂縫成因以及研究裂縫對(duì)趕工混凝土厚板構(gòu)件承載力的影響，得到以下結(jié)論。

變厚板的尺寸、鋼筋的直徑以及荷載均對(duì)裂縫發(fā)展有不同程度影響。變厚板的尺寸可以顯著提高厚板構(gòu)件的荷載值，而隨著鋼筋直徑的增加，彈性荷載、屈服荷載和極限荷載也隨之增加。在不同情況下，試件的裂紋發(fā)展規(guī)律基本相同，荷載的增加會(huì)使裂紋數(shù)量不斷攀升。但改變鋼筋網(wǎng)片的直徑對(duì)厚板構(gòu)件裂紋的控制并不明顯，增加鋼筋網(wǎng)片的間距也對(duì)厚板構(gòu)件裂紋控制不利。本文通過(guò)此次研究，以期為相關(guān)工程提供參考。

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