高等鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫

高等鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫第1頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期四結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠性具有足夠的承載力和變形能力安全性適用性耐久性在使用荷載下不產(chǎn)生過(guò)大的裂縫和變形在一定時(shí)期內(nèi)維持其安全性和適用性的能力第2頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期四極限狀態(tài)設(shè)計(jì)理論承載能力極限狀態(tài)正常使用極限狀態(tài)混凝土結(jié)構(gòu)的使用性能裂縫、變形、振動(dòng)（剛度）控制裂縫控制變形和振動(dòng)第3頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期四產(chǎn)生裂縫的原因

在混凝土結(jié)構(gòu)中裂縫通常是由拉應(yīng)力引起的。因混凝土的極限拉伸應(yīng)變etu隨混凝土品種、配合比、添加劑、養(yǎng)護(hù)條件、加載速度、截面上的應(yīng)力梯度等不同會(huì)發(fā)生變化。嚴(yán)格地說(shuō)，只有當(dāng)混凝土的拉伸應(yīng)變et達(dá)到某處混凝土的極限拉應(yīng)變etu時(shí)才會(huì)出現(xiàn)裂縫。第4頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第5頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期四固體下沉，表面泌水而引起的。大風(fēng)、高溫使水分從混凝土表面快速蒸發(fā)引起的（龜裂）。塑性裂縫混凝土的收縮受到約束后產(chǎn)生的裂縫約束收縮裂縫施工期間的裂縫第6頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期四混凝土收縮或溫度變形受到約束產(chǎn)生的裂縫

大體積混凝土水化過(guò)程中發(fā)熱量很大，內(nèi)部溫度較高，混凝土體積膨脹，內(nèi)外溫差很大，內(nèi)部混凝土膨脹受到外部已硬化混凝土的約束，使構(gòu)件表面混凝土受拉產(chǎn)生裂縫。第7頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第8頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期四施工措施不當(dāng)產(chǎn)生的裂縫

混凝土在澆筑、硬化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生下沉和泌水，當(dāng)下沉受到阻擋時(shí)會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部的泌水，干燥后就會(huì)成為裂縫。第9頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期四基礎(chǔ)不均勻沉降產(chǎn)生的裂縫

基礎(chǔ)不均勻下沉?xí)r會(huì)迫使墻體一起變形，在主拉應(yīng)力作用下混凝土墻體也會(huì)開(kāi)裂。主拉應(yīng)力主拉應(yīng)力基礎(chǔ)下沉第10頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期四鋼筋銹蝕產(chǎn)生的裂縫第11頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期四溫度裂縫溫度區(qū)段氣溫升高時(shí)T第12頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期四受力裂縫拉、彎、剪、扭、粘結(jié)等引起的裂縫斜裂縫??！垂直裂縫！縱向裂縫?。?！目前，只有拉、彎狀態(tài)下混凝土橫向裂縫寬度的計(jì)算理論比較成熟第13頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第14頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期四鋼筋混凝土受拉試件全過(guò)程試驗(yàn)重要結(jié)論ms(s)l2lsmc(c)cm*裂縫數(shù)量增加至一定數(shù)量時(shí)不再增加，但寬度不斷變化*開(kāi)裂后剛度退化第15頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

由于混凝土材料的不均勻性，裂縫的出現(xiàn)、分布和開(kāi)展具有很大的離散性，裂縫間距和寬度也是不均勻的。但大量的試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析表明，裂縫間距和寬度的平均值具有一定規(guī)律性。

如果兩條裂縫的間距大于2l,則在其間還會(huì)存在σct≥ft的混凝土

區(qū)段，就會(huì)產(chǎn)生新的裂縫;

如果兩條裂縫的間距小于2l，則由于粘結(jié)應(yīng)力傳遞長(zhǎng)度不夠，裂縫間混凝土處處σct＜ft，因此將不會(huì)再出現(xiàn)新的裂縫。故裂縫間距最終將穩(wěn)定在l~2l

之間，可近似取裂縫的平均間距l(xiāng)m=1.

5l。第16頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期四裂縫產(chǎn)生和開(kāi)展過(guò)程中鋼筋及混凝土的應(yīng)力變化1.裂縫出現(xiàn)前，混凝土和鋼筋的應(yīng)變沿構(gòu)件的長(zhǎng)度基本上是均勻分布的；2.當(dāng)構(gòu)件最薄弱截面混凝土的拉應(yīng)變?chǔ)蝨達(dá)到極限拉應(yīng)變?chǔ)蝨u時(shí)，會(huì)出現(xiàn)第一條裂縫；3.裂縫出現(xiàn)后，裂縫截面的混凝土立即退出受拉工作，拉應(yīng)力st=0；裂縫兩側(cè)混凝土迅速回縮，使得裂縫一出現(xiàn)就有一定的寬度；第17頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期四4.開(kāi)裂后裂縫截面由于受拉混凝土退出工作，鋼筋拉應(yīng)力ss突增，但鋼筋與混凝土之間存在粘結(jié)，在裂縫兩側(cè)一定范圍內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生粘結(jié)應(yīng)力τ，隨著離裂縫距離的增加，混凝土中又重新建立起拉應(yīng)力st，而裂縫截面突增的鋼筋拉應(yīng)力ss也逐漸恢復(fù)正常；5.當(dāng)混凝土中拉應(yīng)力st增大到ft時(shí)，下一個(gè)最薄弱截面將可能出現(xiàn)新的裂縫；6.當(dāng)鋼筋接近屈服時(shí)，鋼筋與混凝土之間會(huì)產(chǎn)生較大滑移，粘結(jié)應(yīng)力基本喪失，裂縫間混凝土退出受拉工作，鋼筋應(yīng)力漸趨相等。第18頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期四00.0010.0020.0030.00420010050150N(kN)平均應(yīng)變混凝土：fc=30.8MPa;ft=1.97MPa;

Ec=25.1103MPa.鋼筋：fy=376MPa;fsu=681MPa;

Es=205103MPa;As=284mm2.混凝土中的鋼筋裸鋼筋152NN915152*從平均應(yīng)變意義上，空氣中的鋼筋和混凝土中的鋼筋的本構(gòu)關(guān)系不同第19頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期四裂縫寬度的計(jì)算理論

粘結(jié)滑移理論以軸心受拉為例C*基本假定就是：開(kāi)裂后，裂縫處混凝土退出工作，鋼筋和混凝土之間發(fā)生滑移，混凝土回縮至圖中虛線的位置*裂縫寬度=裂縫間鋼筋和混凝土之間的變形差值先求出裂縫間距第20頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期四裂縫的間距l(xiāng)（s+s）AssAsc=ftl（s+s）AssAsm第21頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期四裂縫的間距l(xiāng)（s+s）AssAsc=ftl（s+s）AssAs裂縫的平均間距第22頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期四裂縫的間距bhbfbf’bh0.5hhf’hf為了和受彎構(gòu)件相統(tǒng)一，定義：有效配筋率有效受拉面積于是，對(duì)軸拉和受彎構(gòu)件，平均裂縫間距的公式可統(tǒng)一寫(xiě)成：第23頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期四裂縫寬度裂縫處鋼筋的應(yīng)變C設(shè)稱(chēng)為裂縫間鋼筋應(yīng)力不均勻系數(shù)，則有裂縫處鋼筋的應(yīng)力第24頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

裂縫間距越小，裂縫寬度也越??；鋼筋直徑越細(xì)，裂縫寬度也越??；配筋率ρ越大，裂縫寬度也越??；采用變形鋼筋，可減小裂縫寬度。

根據(jù)粘結(jié)-滑移理論，“裂縫寬度是裂縫間距范圍內(nèi)鋼筋與混凝土的變形差”，寬裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性很不利，分布細(xì)而密的裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性較有利。這是控制裂縫寬度的一個(gè)重要原則。第25頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期四無(wú)滑移理論認(rèn)為混凝土開(kāi)裂后，混凝土與鋼筋之間無(wú)相對(duì)滑移，裂縫的發(fā)展寬度與裂縫量測(cè)點(diǎn)距最近一根鋼筋表面的距離c直接相關(guān)。*Broms（美）Base（英）等人通過(guò)試驗(yàn)得出：C第26頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期四粘接滑移與無(wú)滑移理論的結(jié)合上述兩種理論和實(shí)際情況均有一定的差距，為此將二者結(jié)合起來(lái)，按下述公式進(jìn)行計(jì)算分析：C各系數(shù)由試驗(yàn)分析確定第27頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期四統(tǒng)計(jì)分析法（Gergely-Lutz法）-

美國(guó)規(guī)范ACI318-95）對(duì)612個(gè)底面裂縫寬度和344個(gè)側(cè)面裂縫寬度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出：hh0x’dcdcAsh使用荷載下鋼筋的應(yīng)力，ksi第28頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期四半理論半經(jīng)驗(yàn)的方法《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010）《水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》所采用的方法第29頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期四平均裂縫間距te<0.01時(shí)，取te=0.01c<20時(shí)，取c=20；c>65時(shí)，取c=65受彎kl=1.0；軸拉kl=1.1光圓，取0.7；變形，取1.0第30頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期四平均裂縫寬度kw=0.85第31頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期四裂縫的最大寬度由裂縫的統(tǒng)計(jì)特性，按95%的保證率考慮到長(zhǎng)期荷載下，混凝土徐變影響導(dǎo)致裂縫繼續(xù)擴(kuò)大，取擴(kuò)大系數(shù)為1.5第32頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期四以數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析為基礎(chǔ)的計(jì)算方法《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》采用的方法受拉鋼筋的總周長(zhǎng)第33頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期四裂縫寬度的控制裂縫的控制等級(jí)嚴(yán)格要求不出現(xiàn)裂縫一級(jí)二級(jí)三級(jí)一般要求不出現(xiàn)裂縫可以出現(xiàn)裂縫但要驗(yàn)算裂縫的寬度C由不同的《規(guī)范》根據(jù)具體的情況確定第34頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

關(guān)于裂縫計(jì)算的討論：1.最新的研究表明，現(xiàn)有的裂縫理論還很不完善，裂縫本身又有較大的離散性，計(jì)算結(jié)果誤差較大；2.目前只驗(yàn)算橫向裂縫，但從長(zhǎng)期來(lái)看，橫向裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性的影響并不大，而縱向裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性的影響最大，卻而又不會(huì)計(jì)算；3.目前只驗(yàn)算混凝土表面的裂縫寬度，而直接影響耐久性的是鋼筋表面處的裂縫寬度，但還不會(huì)計(jì)算；4.研究裂縫的主要目的是提高結(jié)構(gòu)的耐久性，在裂縫計(jì)算理論尚不完善的情況下，提高結(jié)構(gòu)的耐久性的有效措施是提高混凝土的密實(shí)性，適當(dāng)加大混凝土保護(hù)層，以及合理的構(gòu)造措施。5.《規(guī)范》只反映現(xiàn)階段人們的認(rèn)識(shí)水平，有待逐年修改，更新，在裂縫計(jì)算方面還有很多工作要做。第35頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

除了用計(jì)算控制裂縫外，設(shè)計(jì)者更應(yīng)當(dāng)從構(gòu)造上控制裂縫。

根據(jù)無(wú)滑移理論，鋼筋表面與混凝土有可靠粘結(jié)。近年的研究表明，由于鋼筋的勻質(zhì)性，在鋼筋周?chē)欢ǚ秶鷥?nèi)鋼筋可有效約束混凝土的不均勻變形，這樣，在宏觀上就大大提高了混凝土的極限拉伸應(yīng)變，通常把這個(gè)范圍稱(chēng)為鋼筋的約束區(qū)，研究表明鋼筋約束區(qū)大約為鋼筋周?chē)?.5d的范圍。利用鋼筋約束區(qū)的概念可以從構(gòu)造上有效地控制裂縫的寬度。

第36頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期四例如：利用鋼筋約束