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(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，市政公路橋梁建設(shè)的地位顯得愈來愈重要。由于公路運(yùn)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(fù)荷超限，變?yōu)槲颍渲衅毡樵蚴怯捎谠O(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)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(chǎn)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(shí)意義

2、。本文參考混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理，就混凝土結(jié)構(gòu)梁板中裂縫產(chǎn)生的機(jī)理、設(shè)計(jì)措施以及預(yù)防辦法做一點(diǎn)總結(jié)，以供工程技術(shù)人員參考。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：混凝土梁橋；鋼筋混凝土梁（板）；預(yù)應(yīng)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(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號： </p><p>　　一、鋼筋混凝土梁裂縫產(chǎn)生的機(jī)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(jié)構(gòu)中，利用混凝土的抗壓能力強(qiáng)而抗拉能力很弱、鋼筋的抗拉能力很強(qiáng)的特點(diǎn)，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(jié)構(gòu)的使用要求。以橋梁結(jié)構(gòu)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(dāng)梁的截面中和軸以下受拉區(qū)的拉力在開始不大時(shí)，由于彎矩很小，梁的工作情況與勻質(zhì)性體

4、梁相似，混凝土和鋼筋共同工作，應(yīng)力和應(yīng)變成正比，受拉區(qū)的應(yīng)力和應(yīng)變分布為三角形，當(dāng)彎矩增加一定數(shù)值時(shí)，受拉區(qū)邊緣混凝土纖維的應(yīng)變值即將到達(dá)混凝土受彎時(shí)的極限拉應(yīng)變，截面便處于即將開裂狀態(tài)。這時(shí)由于粘結(jié)力的存在，受拉鋼筋的應(yīng)變與周圍同一水平處混凝土的抗拉應(yīng)變值相等，故這時(shí)鋼筋承受應(yīng)力較低，約為鋼筋抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的1/10左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有發(fā)揮出鋼筋的抗拉效用。如果這時(shí)彎矩繼續(xù)增大，在抗拉能力最薄弱的某一截面處，就會(huì)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(dān)的那部分拉力轉(zhuǎn)給鋼筋，使鋼筋應(yīng)力突然增大許多，梁的撓度和截面曲率會(huì)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(huì)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(huì)縮小，抗拉能力下降，在應(yīng)力集中效應(yīng)下，斷面處的“病態(tài)”會(huì)發(fā)展很快，從而導(dǎo)致梁板的使

6、用壽命大大縮短。因此，設(shè)計(jì)上必須采取相應(yīng)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)方法上采用按近似概率理論的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)和構(gòu)件安全性，而正常使用極限狀態(tài)是滿足結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的適用性和耐久性。例如，當(dāng)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件由于材料強(qiáng)度不夠而破壞，或因產(chǎn)

7、生過大的塑性變形而不能繼續(xù)承載，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件喪失穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)或構(gòu)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(dāng)結(jié)構(gòu)或構(gòu)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(shí)，可認(rèn)為結(jié)構(gòu)超過了正常使用狀態(tài)，構(gòu)件就不可能保證適用性和耐久性功能的要求?！痘炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件按承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算后，還應(yīng)該按正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)算。所以對橋梁的鋼筋混凝土梁板設(shè)計(jì)時(shí)，必須要對梁板的裂縫寬度進(jìn)行驗(yàn)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(gòu)件在主要承受彎矩的區(qū)段內(nèi)（梁中間部位）會(huì)產(chǎn)生豎向裂縫；同時(shí)還有可能在剪力和彎矩的共同作用的支座附近產(chǎn)生斜裂縫。因此，在保證受彎構(gòu)件正截面受彎承載力的同時(shí)，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(yīng)小于1.5倍鋼筋直徑，也不應(yīng)小于30MM。 </p><p>　　2)豎向凈距不小于鋼筋直徑，也不應(yīng)小于25MM。 </p><p>　　為了滿足以上要求，梁的縱向鋼筋有時(shí)須放置兩層，甚至還有多

10、于兩層的，上、下鋼筋應(yīng)對齊，不能錯(cuò)列，以方便混凝土的澆搗。 </p><p>　　當(dāng)梁的下部鋼筋多于兩層時(shí)，從第三層起，鋼筋的中距應(yīng)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(gòu)成梁的鋼筋骨架。按理說箍筋也應(yīng)像彎起筋那樣做成斜的，以便與主應(yīng)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(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)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(cè)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(yàn)算 </p><p>　　未出現(xiàn)裂縫

12、時(shí)，受彎構(gòu)件各截面上同一水平的鋼筋和混凝土的拉應(yīng)力、拉應(yīng)變大致相同，當(dāng)拉應(yīng)變接近混凝土的極限拉應(yīng)變值時(shí)，就處于即將裂縫狀態(tài)，當(dāng)受拉區(qū)邊緣一旦超過極限拉應(yīng)變，就會(huì)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(cè)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(chǎn)生粘結(jié)力。第一批裂縫出現(xiàn)后，在粘結(jié)應(yīng)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(dāng)彎矩繼續(xù)增大時(shí)，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(dāng)截面彎矩達(dá)到構(gòu)件最大受彎承載力值的50%-70%時(shí)，裂縫將基本“出齊”，此時(shí)裂縫分布處于穩(wěn)定狀態(tài)。如果鋼筋與混凝土的粘結(jié)力強(qiáng)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(yīng)力的松弛，將導(dǎo)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(dòng)使鋼筋直徑時(shí)脹時(shí)縮等因素，也將引起粘結(jié)力強(qiáng)度降低，導(dǎo)致裂縫寬度增大?；炷僚c鋼筋的粘結(jié)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(yàn)表明，粘結(jié)強(qiáng)度大</p><p>　　由于裂縫的最大開展寬度是影響結(jié)構(gòu)耐久性的重要因素，因此應(yīng)對它進(jìn)行驗(yàn)算是十分必要的。驗(yàn)算裂縫寬度時(shí)應(yīng)滿足Wmax≤Wlim. </p><p>　　Wmax---計(jì)算出的最大裂縫寬度，其計(jì)算公式規(guī)范中已給定。 </p><p>　　Wli

15、m---《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(yàn)算是在滿足構(gòu)件承載力的前提下進(jìn)行的。因而諸如截面尺寸、配筋率等均已確定。在驗(yàn)算中可能會(huì)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(dāng)計(jì)算裂縫寬度超過允許值不大時(shí)，?？捎脺p小鋼筋直徑的方法解決，必要時(shí)可適當(dāng)增加配筋率。 </p><p&g

16、t;　　對于受拉及受彎構(gòu)件，當(dāng)承載力要求較高時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)不能同時(shí)滿足裂縫寬度或變形限值要求的情況，這時(shí)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(yù)應(yīng)力。 </p><p>　　四、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁（板） </p><p>　　由于混凝土的抗拉強(qiáng)度及極限抗拉應(yīng)變值都很低，其極限拉應(yīng)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(gòu)件，受拉鋼筋只能用到20-30N/㎜2，不能充分利用其強(qiáng)度，對于允許開裂的構(gòu)件，通常當(dāng)受拉鋼筋應(yīng)力達(dá)到250 N/㎜2時(shí)，裂縫寬度已達(dá)到0.2-0.3mm,構(gòu)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(gòu)件的截面尺寸和用鋼量，這將導(dǎo)致自重過大，使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)用于大跨度或承受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)成為不可能或

18、很不經(jīng)濟(jì)。如果采用高強(qiáng)度鋼筋，在荷載作用下，其應(yīng)力可達(dá)500-1000 N/㎜2，此時(shí)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(qiáng)鋼筋及高強(qiáng)度混凝土，設(shè)法在結(jié)構(gòu)構(gòu)件受荷載前，給它產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力來減小或抵消荷載所引起的混凝土拉應(yīng)力，從而使構(gòu)件在荷載的作用下拉應(yīng)力不大，甚至仍處于受壓狀態(tài)，這樣產(chǎn)生的裂縫將很小，甚至完全消滅裂縫。由此可見，預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件可以減小或消除混凝土構(gòu)件的開裂，提高構(gòu)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(yù)應(yīng)力值大小對構(gòu)件截面裂縫控制程度不同，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)分為全預(yù)應(yīng)力和部分預(yù)應(yīng)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(yīng)力的構(gòu)件，稱為全預(yù)應(yīng)力混凝土。裂縫控制等級為一級，即嚴(yán)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(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力混凝土也屬于部分預(yù)應(yīng)力混凝土）。 </p><p>　　五、混凝土梁橋工程 </p><p>　　鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土廣泛使用在橋梁工程中，以鋼筋混凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土板、梁等受彎構(gòu)件作為橋梁結(jié)構(gòu)中主要承重構(gòu)件的橋統(tǒng)稱為混凝土梁橋。按承重結(jié)構(gòu)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?qū)凫o定結(jié)構(gòu)，且相鄰橋孔各自單獨(dú)受力，故結(jié)構(gòu)內(nèi)力不受墩臺(tái)基礎(chǔ)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(dāng)跨徑增大時(shí)，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(dāng)采用預(yù)應(yīng)力簡支板時(shí)，常用跨徑在13-

22、16M,而預(yù)應(yīng)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(diǎn)截面處產(chǎn)生負(fù)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(shí)，這種節(jié)約就愈顯著。連續(xù)梁是超靜定結(jié)構(gòu)，所以對墩臺(tái)地基要求嚴(yán)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(yù)應(yīng)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(diǎn)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(diǎn)上產(chǎn)生負(fù)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(gòu)造較復(fù)雜，撓度曲線在這個(gè)連接處有折點(diǎn)，會(huì)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(gòu)件可能會(huì)產(chǎn)生意外的過大的裂縫。特別是在施工過程中，對于容易產(chǎn)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(yīng)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(yīng)該做為重點(diǎn)觀察部位；對于現(xiàn)澆整體式梁板底模拆

25、除時(shí)間要根據(jù)環(huán)境溫度情況合理安排計(jì)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(fù)彎矩，以上部位都容易產(chǎn)生意外裂縫，作為工程技術(shù)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(hù)主梁免受雨水侵蝕，分散車輪的集中荷載，在溫度應(yīng)力和車輪荷載的反復(fù)作用下，鋪裝層容易開裂。因此，橋面鋪裝層要有一定強(qiáng)度，其混凝土強(qiáng)度等級不應(yīng)低于梁（板）的混凝土等級。鋪裝層混凝土厚度最小為100mm，并應(yīng)設(shè)置鋼筋網(wǎng)，鋼筋直徑宜為8-12mm，網(wǎng)口尺寸為150mm×150mm。 </p><p>　　在橋面構(gòu)造中，伸縮縫處是最為薄弱處，由

27、于車輪的反復(fù)沖擊，最易造成伸縮縫處的混凝土損害。必須對其進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)防。通常的技術(shù)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(qiáng)度等級比鋪裝層混凝土強(qiáng)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(wǎng)，鋼筋直徑宜為6mm，網(wǎng)口尺寸100mm×100mm。同時(shí)，在澆筑前，在新老混凝土界面上涂刷1：1純水泥漿，以增強(qiáng)后澆帶混凝土與鋪裝層混凝土的粘結(jié)性。 </p><

28、p><b>　　結(jié)束語： </b></p><p>　　本文只從混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理的角度上，對混凝土結(jié)構(gòu)中裂縫問題進(jìn)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(shù)人員必須弄清設(shè)計(jì)原理中的裂縫形成原因，是十分必要的?；炷两Y(jié)構(gòu)的使用至今已約有150年的歷史，由于它在物理力學(xué)性能及材料來源等方面有許多優(yōu)點(diǎn)，

29、所以發(fā)展速度很快，應(yīng)用也最廣泛。近年來我國在混凝土基本原理與設(shè)計(jì)方法、結(jié)構(gòu)可靠度與荷載分析等方面取得很多新成果，某些方面已達(dá)到和接近國際先進(jìn)水平，與此同時(shí)，電子計(jì)算機(jī)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)間和工作量。我國新頒布的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（CB50010-2002）積累了半個(gè)世紀(jì)的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和最新的科研成果，作為工程技術(shù)人員有必要深入地對混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的學(xué)習(xí)，這對指導(dǎo)施工，研究探討工程中發(fā)現(xiàn)的