對混凝土梁板裂縫的探討

1、<p>　　對混凝土梁板裂縫的探討</p><p>　　摘要；目前，隨著市政建設規(guī)模的不斷擴大，市政公路橋梁建設的地位顯得愈來愈重要。由于公路運輸事業(yè)的發(fā)展，車輛通行的等級越來越高，重車、超重車越來越多，使得有些橋梁的負荷超限，變?yōu)槲?，其中普遍原因是由于原設計標準偏低，橋梁梁板已形成超限裂縫，如果繼續(xù)讓重車通過，將產生重大事故，只能限速限重,或限車限行。為此，對橋梁梁板裂縫研究探討就具有普遍的現(xiàn)實意義

2、。本文參考混凝土結構設計原理，就混凝土結構梁板中裂縫產生的機理、設計措施以及預防辦法做一點總結，以供工程技術人員參考。 </p><p>　　關鍵詞：混凝土梁橋；鋼筋混凝土梁（板）；預應力鋼筋混凝土梁（板）；豎向裂縫；斜裂縫。 </p><p>　　中圖分類號：TU37 文獻標識碼：A 文章編號： </p><p>　　一、鋼筋混凝土梁裂縫產生的機理 </p&

3、gt;<p>　　我們知道，鋼筋混凝土是由鋼筋和混凝土兩種不同材料組成的。在鋼筋混凝土結構中，利用混凝土的抗壓能力強而抗拉能力很弱、鋼筋的抗拉能力很強的特點，用混凝土主要承受壓力，鋼筋主要承受拉力，二者共同工作，以滿足工程結構的使用要求。以橋梁結構中的簡支梁板為例：在外力和自身重力的作用下，梁截面的上部受壓，下部受拉，由于混凝土抗拉性能很差，當梁的截面中和軸以下受拉區(qū)的拉力在開始不大時，由于彎矩很小，梁的工作情況與勻質性體

4、梁相似，混凝土和鋼筋共同工作，應力和應變成正比，受拉區(qū)的應力和應變分布為三角形，當彎矩增加一定數(shù)值時，受拉區(qū)邊緣混凝土纖維的應變值即將到達混凝土受彎時的極限拉應變，截面便處于即將開裂狀態(tài)。這時由于粘結力的存在，受拉鋼筋的應變與周圍同一水平處混凝土的抗拉應變值相等，故這時鋼筋承受應力較低，約為鋼筋抗拉強度標準值的1/10左右，遠遠沒有發(fā)揮出鋼筋的抗拉效用。如果這時彎矩繼續(xù)增大，在抗拉能力最薄弱的某一截面處，就會出現(xiàn)第一條混凝土裂縫。在裂縫

5、處，混凝土一旦開裂，就把它原先承擔的那部分拉力轉給鋼筋，使鋼筋應力突然增大許多，梁的撓度和截面曲率會突然增大，在截面中和軸以下裂縫尚未延伸到的部位，混凝</p><p>　　但是，裂縫的寬度不能超過允許值。裂縫過寬，空氣中的水分和氧氣以及帶有腐蝕性的各種氣體就會侵蝕到鋼筋混凝土中去，從而引起鋼筋的銹蝕，鋼筋一旦被銹蝕，鋼筋的斷面就會縮小，抗拉能力下降，在應力集中效應下，斷面處的“病態(tài)”會發(fā)展很快，從而導致梁板的使

6、用壽命大大縮短。因此，設計上必須采取相應的措施控制裂縫寬度。 </p><p>　　二、豎向裂縫和斜裂縫 </p><p>　　我國在混凝土結構設計理論和設計方法上采用按近似概率理論的極限狀態(tài)設計法。極限狀態(tài)分為承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)兩類。承載能力極限狀態(tài)是保證結構和構件安全性，而正常使用極限狀態(tài)是滿足結構和構件的適用性和耐久性。例如，當結構或構件由于材料強度不夠而破壞，或因產

7、生過大的塑性變形而不能繼續(xù)承載，結構或構件喪失穩(wěn)定，結構或構件就超過了承載能力極限狀態(tài)，就不能滿足安全性的要求；當結構或構件雖然滿足了安全性要求，但卻出現(xiàn)了影響正常使用的過大變形、過寬裂縫或局部損害時，可認為結構超過了正常使用狀態(tài)，構件就不可能保證適用性和耐久性功能的要求。《混凝土結構設計規(guī)范》規(guī)定，結構或構件按承載能力極限狀態(tài)進行計算后，還應該按正常使用極限狀態(tài)進行驗算。所以對橋梁的鋼筋混凝土梁板設計時，必須要對梁板的裂縫寬度進行驗算

8、。 </p><p>　　一般情況下，裂縫出現(xiàn)的部位多集中在剪力和彎矩最大的區(qū)段。對于鋼筋混凝土受彎構件在主要承受彎矩的區(qū)段內（梁中間部位）會產生豎向裂縫；同時還有可能在剪力和彎矩的共同作用的支座附近產生斜裂縫。因此，在保證受彎構件正截面受彎承載力的同時，還要保證斜截面承載力。豎向裂縫是由縱向受力鋼筋來控制的，而斜向裂縫是由彎起鋼筋和箍筋來控制的。 </p><p>　　1． 對梁板縱向

9、鋼筋的布置要求 </p><p>　　1)下部鋼筋水平方向的凈距不小于鋼筋直徑，也 </p><p>　　不小于25MM；上部鋼筋水平方向的凈距則不應小于1.5倍鋼筋直徑，也不應小于30MM。 </p><p>　　2)豎向凈距不小于鋼筋直徑，也不應小于25MM。 </p><p>　　為了滿足以上要求，梁的縱向鋼筋有時須放置兩層，甚至還有多

10、于兩層的，上、下鋼筋應對齊，不能錯列，以方便混凝土的澆搗。 </p><p>　　當梁的下部鋼筋多于兩層時，從第三層起，鋼筋的中距應比下面兩層鋼筋的中距增大一倍。 </p><p>　　2.箍筋、彎起鋼筋統(tǒng)稱為腹筋，他們和縱筋、架立筋等構成梁的鋼筋骨架。按理說箍筋也應像彎起筋那樣做成斜的，以便與主應力方向一致，更有效地抑制裂縫的開展，但箍筋不便綁扎，與縱向鋼筋難以形成牢固的鋼筋骨架，故一般

11、都采用豎向箍筋。 </p><p>　　實驗研究表明，箍筋對抑制斜裂縫開展的效果比彎起筋要好，所以工程設計中優(yōu)先選用箍筋，然后再考慮彎起筋。由于彎起筋承受的拉力比較大且集中，有可能引起彎起處混凝土的劈裂裂縫，因此放置在梁側邊緣的鋼筋不宜彎起，位于梁底的角筋亦不能彎起，彎起鋼筋的直徑不宜過粗。 </p><p>　　三、裂縫寬度的驗算 </p><p>　　未出現(xiàn)裂縫

12、時，受彎構件各截面上同一水平的鋼筋和混凝土的拉應力、拉應變大致相同，當拉應變接近混凝土的極限拉應變值時，就處于即將裂縫狀態(tài)，當受拉區(qū)邊緣一旦超過極限拉應變，就會出現(xiàn)第一批裂縫。在裂縫出現(xiàn)瞬間，緊張的混凝土就像剪斷的橡皮一樣向裂縫兩側回縮，這種回縮是不自由的，它受到鋼筋的約束。在回縮的那一段長度中，混凝土與鋼筋之間有相對滑移，產生粘結力。第一批裂縫出現(xiàn)后，在粘結應力作用長度以外的那部分混凝土仍處于受拉緊張狀態(tài)，當彎矩繼續(xù)增大時，就有可能在

13、另一薄弱截面處出現(xiàn)新裂縫，按此規(guī)律，隨著彎矩的增大，裂縫逐條出現(xiàn)，當截面彎矩達到構件最大受彎承載力值的50%-70%時，裂縫將基本“出齊”，此時裂縫分布處于穩(wěn)定狀態(tài)。如果鋼筋與混凝土的粘結力強度高，則裂縫間距較短，裂縫分布則密些。在荷載長期作用下，由于混凝土的滑移徐變和拉應力的松弛，將導致受拉混凝土不斷退出工作，使裂縫開展寬度增大。此外，荷載的變動使鋼筋直徑時脹時縮等因素，也將引起粘結力強度降低，導致裂縫寬度增大。混凝土與鋼筋的粘結力直

14、接影響裂縫的離散性。而裂縫的離散性影響裂縫的寬度，裂縫間距越小，密度越大，則裂縫寬度越小。試驗表明，粘結強度大</p><p>　　由于裂縫的最大開展寬度是影響結構耐久性的重要因素，因此應對它進行驗算是十分必要的。驗算裂縫寬度時應滿足Wmax≤Wlim. </p><p>　　Wmax---計算出的最大裂縫寬度，其計算公式規(guī)范中已給定。 </p><p>　　Wli

15、m---《混凝土結構設計規(guī)范》規(guī)定的允許最大裂縫寬度?？梢圆楸淼弥?。 </p><p>　　裂縫寬度的驗算是在滿足構件承載力的前提下進行的。因而諸如截面尺寸、配筋率等均已確定。在驗算中可能會出現(xiàn)滿足了撓度的要求，不滿足裂縫寬度的要求，這通常在配筋率較低，而鋼筋選用的直徑較大的情況下出現(xiàn)。因當計算裂縫寬度超過允許值不大時，?？捎脺p小鋼筋直徑的方法解決，必要時可適當增加配筋率。 </p><p&g

16、t;　　對于受拉及受彎構件，當承載力要求較高時，往往會出現(xiàn)不能同時滿足裂縫寬度或變形限值要求的情況，這時增大截面尺寸或增加用鋼量，顯然是不合理的，對此，有效的措施是施加預應力。 </p><p>　　四、預應力鋼筋混凝土梁（板） </p><p>　　由于混凝土的抗拉強度及極限抗拉應變值都很低，其極限拉應變約為0.1×103-0.15×10-3，即每米只能拉長0.1-0

17、.15mm,所以在使用荷載作用下鋼筋混凝土梁（板）通常是帶裂縫工作的。因而對于使用上不允許開裂的構件，受拉鋼筋只能用到20-30N/㎜2，不能充分利用其強度，對于允許開裂的構件，通常當受拉鋼筋應力達到250 N/㎜2時，裂縫寬度已達到0.2-0.3mm,構件耐久性降低，也不宜用于高溫度或侵蝕環(huán)境中。為了滿足變形和裂縫控制的要求，則需要增大構件的截面尺寸和用鋼量，這將導致自重過大，使鋼筋混凝土結構用于大跨度或承受動力荷載的結構成為不可能或

18、很不經濟。如果采用高強度鋼筋，在荷載作用下，其應力可達500-1000 N/㎜2，此時的裂縫寬度將很大，無法滿足使用要求。因而為了充分利用高強鋼筋及高強度混凝土，設法在結構構件受荷載前，給它產生預壓應力來減小或抵消荷載所引起的混凝土拉應力，從而使構件在荷載的作用下拉應力不大，甚至仍處于受壓狀態(tài)，這樣產生的裂縫將很小，甚至完全消滅裂縫。由此可見，預應力混凝土構件可以減小或消除混凝土構件的開裂，提高構件的抗裂度和剛度，并取得減輕自重，節(jié)約鋼

19、</p><p>　　根據(jù)預應力值大小對構件截面裂縫控制程度不同，預應力混凝土結構分為全預應力和部分預應力兩類。 </p><p>　　在使用荷載作用下，不允許截面混凝土出現(xiàn)拉應力的構件，稱為全預應力混凝土。裂縫控制等級為一級，即嚴格要求不出現(xiàn)裂縫；在使用荷載作用下，允許出現(xiàn)裂縫，但最大裂縫寬度不超過允許值，則成為部分預應力混凝土，裂縫控制等級為三級，即允許出現(xiàn)裂縫；在使用荷載作用下，根據(jù)

20、荷載組織情況，不同程度地保證混凝土不開裂，稱為限值預應力混凝土，裂縫控制等級為二級，即一般要求不出現(xiàn)裂縫。（注：限值預應力混凝土也屬于部分預應力混凝土）。 </p><p>　　五、混凝土梁橋工程 </p><p>　　鋼筋混凝土和預應力鋼筋混凝土廣泛使用在橋梁工程中，以鋼筋混凝土或預應力混凝土板、梁等受彎構件作為橋梁結構中主要承重構件的橋統(tǒng)稱為混凝土梁橋。按承重結構的受力圖式分類，混凝土

21、梁橋主要有簡支梁橋、連續(xù)梁橋、懸臂梁橋三類。 </p><p>　　1.簡支梁橋：簡支梁橋屬靜定結構，且相鄰橋孔各自單獨受力，故結構內力不受墩臺基礎不均勻沉降影響，從而適用于地基較差的橋位上建橋。 </p><p>　　簡支梁主要受其跨中正彎矩的控制，當跨徑增大時，梁的跨中截面恒載彎矩和活載彎矩急劇增加。因此，混凝土簡支梁（板）的常用跨徑在20M以下。當采用預應力簡支板時，常用跨徑在13-

22、16M,而預應力簡支梁常用跨徑在25-50M. </p><p><b>　　2.連續(xù)梁橋 </b></p><p>　　連續(xù)梁橋在豎向力作用下支點截面處產生負彎矩，從而減小了梁跨中截面的正彎矩。這樣，不但可減小梁跨中的建筑高度，而且能節(jié)約混凝土數(shù)量，跨徑增大時，這種節(jié)約就愈顯著。連續(xù)梁是超靜定結構，所以對墩臺地基要求嚴格。 </p><p>

23、　　鋼筋混凝土連續(xù)梁橋主孔常用跨徑范圍為30以下，而預應力混凝土連續(xù)梁的主孔常用范圍為40-160M。 </p><p><b>　　3.懸臂梁橋 </b></p><p>　　將簡支梁梁體加長，并越過支點成為懸臂梁。對于較長的橋，可以借助掛梁與懸臂梁一起組成多孔。在受力方面，懸臂部分使支點上產生負彎矩，減小跨中的正彎矩。所以，懸臂梁跨中高度比簡支梁小。但掛梁與懸臂梁

24、的連接處的構造較復雜，撓度曲線在這個連接處有折點，會加大荷載的沖擊作用，因而易于損害。 </p><p>　　由于混凝土材料的不均勻性和施工的差異性，混凝土梁橋的承重構件可能會產生意外的過大的裂縫。特別是在施工過程中，對于容易產生裂縫的部位要心中有數(shù)，并且勤觀察，發(fā)現(xiàn)意外裂縫，應采取有效措施予以防治。例如對簡支梁橋的跨中梁底部位；連續(xù)梁的跨中梁底部位及支座處的梁頂部位應該做為重點觀察部位；對于現(xiàn)澆整體式梁板底模拆

25、除時間要根據(jù)環(huán)境溫度情況合理安排計劃，拆除過早很可能發(fā)生梁底裂縫；對于整體式斜交板梁，最大主彎矩方向在板的中央，接近于垂直支承邊；在板的自由邊處，接近于自由邊與支承邊垂線之間的中間方向；在純角處有垂直于純角平分線的負彎矩，以上部位都容易產生意外裂縫，作為工程技術人員心中要清楚。 </p><p><b>　　六、橋面鋪裝 </b></p><p>　　橋面鋪裝層通常采

26、用水泥混凝土鋪裝，它的作用是防止車輪輪胎或履帶車直接磨耗行車道板，保護主梁免受雨水侵蝕，分散車輪的集中荷載，在溫度應力和車輪荷載的反復作用下，鋪裝層容易開裂。因此，橋面鋪裝層要有一定強度，其混凝土強度等級不應低于梁（板）的混凝土等級。鋪裝層混凝土厚度最小為100mm，并應設置鋼筋網，鋼筋直徑宜為8-12mm，網口尺寸為150mm×150mm。 </p><p>　　在橋面構造中，伸縮縫處是最為薄弱處，由

27、于車輪的反復沖擊，最易造成伸縮縫處的混凝土損害。必須對其進行重點設防。通常的技術措施有，對伸縮縫處的后澆帶混凝土采用鋼釬維混凝土，混凝土強度等級比鋪裝層混凝土強度等級提高5 ∽10 N/㎜2，以提高耐磨性和抗沖擊能力，并在其上層布置一層防裂鋼筋網，鋼筋直徑宜為6mm，網口尺寸100mm×100mm。同時，在澆筑前，在新老混凝土界面上涂刷1：1純水泥漿，以增強后澆帶混凝土與鋪裝層混凝土的粘結性。 </p><

28、p><b>　　結束語： </b></p><p>　　本文只從混凝土結構設計原理的角度上，對混凝土結構中裂縫問題進行了探討，對于由于施工的不合理造成的混凝土裂縫問題本文未涉及，而可能通常發(fā)生梁板裂縫問題大多是由施工原因造成的。但是，作為工程技術人員必須弄清設計原理中的裂縫形成原因，是十分必要的。混凝土結構的使用至今已約有150年的歷史，由于它在物理力學性能及材料來源等方面有許多優(yōu)點，

29、所以發(fā)展速度很快，應用也最廣泛。近年來我國在混凝土基本原理與設計方法、結構可靠度與荷載分析等方面取得很多新成果，某些方面已達到和接近國際先進水平，與此同時，電子計算機的普及和多功能化，CAD等軟件系統(tǒng)的開發(fā)，縮短了建筑結構設計的時間和工作量。我國新頒布的《混凝土結構設計規(guī)范》（CB50010-2002）積累了半個世紀的工程實踐經驗和最新的科研成果，作為工程技術人員有必要深入地對混凝土結構設計規(guī)范的學習，這對指導施工，研究探討工程中發(fā)現(xiàn)的