设计中对钢筋混凝土结构裂缝的控制.doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流设计中对钢筋混凝土结构裂缝的控制.精品文档.浅析结构设计中对钢筋混凝土结构裂缝的控制许 星（成都分公司）摘要:钢筋混凝土结构在目前的工业与民用建筑中占有重要的地位。但由于混凝土这种材料的特性，以及设计和施工中某些措施的不当，产生裂缝也相当普遍，特别是最近几年以来，日益增加的混凝土裂缝已引起诸多业主和用户的不满及投诉。本文仅从结构设计方面入手，阐述混凝土裂缝产生的原因，并针对裂缝的控制提出自己的看法，以利于在结构今后的使用过程中减少裂缝的产生。关键词：混凝土裂缝;原因；结构设计；控制1.裂缝类别及产生裂缝的原因钢筋混凝土结构在目前的工业与民用建筑中占有重要的地位。但由于混凝土这种材料的特性，产生裂缝也相当普遍，特别是最近几年以来，日益增加的混凝土裂缝已引起诸多业主和用户的不满及投诉。而在混凝土裂缝产生后，轻则影响表观质量，重则容易使内部钢筋受到锈蚀，影响结构耐久性。混凝土裂缝产生的原因是多方面的，主要体现在以下几个方面： 1.1 材料的自有特性 根据对混凝土强度的亚微观理论研究以及大量的工程实践所提供的经验和数据都证明混凝土结构的裂缝是不可避免的。以最为常见的混凝土收缩产生的裂缝为例:根据试验数据表明一般常用混凝土收缩值为（4-8）×10-4，而常用的混凝土抗拉强度一般在2MPa左右，弹性模量Es一般在（2-4）×104 ，根据公式：可知混凝土材料自身允许的变形范围在1/10000左右，远小于工程中实际收缩值。因此混凝土的裂缝是不可避免的，关键在于控制其宽度与深度。 混凝土自身的干缩也是自身特性引起裂缝的原因。停止养护后，环境相对湿度低于100%，混凝土干缩即开始，且会持续并长期的进行，对于常用的普通混凝土来说，甚至在数年仍能观察到一些变化。影响干缩的主要原因是骨料的品种和用量。当骨料品种一定的时候，骨料用量越大，浆骨比越小，则干缩也越小。当水泥用量一定时，水灰比越大，浆骨比也越大，导致干缩加大。因此混凝土配合比中应当尽量减小用水量。 由于混凝土的收缩，在超静定结构中会引起约束应力，从而导致裂缝的普遍发生。目前商品混凝土的广泛应用，并且为了适应泵送，免振等施工要求，粗骨料的含量和粒径下降，骨料的减少和粉剂含量的上升也加大了混凝土的收缩。 混凝土材料强度的不断提高，也是引发裂缝的一个不利因素。特别是高强度混凝土中水泥含量大，引起的胶凝干缩和水化热散失后伴随的冷缩都使得收缩值增大。同时高强度混凝土的弹性模量的增加，也导致结构中约束应力的加大，而混凝土的抗拉强度的增长比例却小得多。虽然根据实际使用情况和试验表明，混凝土的收缩是长期持续的慢速发展过程，由于内部复杂的胶体流动引起的塑性变形缓解了部分应力使得实际过程中不那么明显，但是其硬化过程中的收缩仍是裂缝形成的不容忽视的重要因素，混凝土强度越高，越应该引起注意。1.2 温度应力混凝土在外界温度变化的作用下会产生热胀冷缩，其线膨胀系数为c=1×10-5/,即每10温差引起应变=1×10-4，以常用的C30混凝土为例，则可引起=·E=3.0N/mm2的温度应力，而C30的抗拉强度标准值仅为2.01N/mm2,因此温差越大就会导致裂缝的增大。混凝土结构产生温度裂缝的可能原因有两种：其一为季节，天气温度变化引起的，集中于屋盖、山墙等部位，且裂缝宽度往往随季节变化而变化；其二为混凝土结构中因水化热散失速度不一引起的温差裂缝，往往在大体积混凝土的表面龟裂或者在结构突出部分产生裂缝。随着混凝土强度的增大，水泥用量的增多，在高热情况下凝固的混凝土，必然在冷却收缩后，在现浇结构中产生约束应变，引起约束拉应力而导致混凝土裂缝。1.3 结构设计中考虑不全或疏忽1.3.1 基础不均匀沉降 由于结构基础的不均匀沉降，导致结构某些部位出现拉裂缝，特别在某些采用多种基础形式或者在不同基础持力层的结构中，更易出现此种情况。1.3.2 不当或过于复杂的结构形式 过于追求立面效果，平面布局凹凸较多，结构体型突变，刚度突变等，容易造成转角突出的地方由于应力的集中形成薄弱部位，再加上混凝土自有特性，更易出现拉裂缝。1.3.3 铺设管道产生的裂缝 一般结构的楼面及屋面板厚为100mm左右，但是由于电气，水暖等专业将照明、通讯网络等所需线管直接敷设于现浇板中，并且有时在一处集中交叉甚至多层交叉，削弱了现浇板实际厚度，导致了板上裂缝的产生。1.3.4 荷载设计中考虑不全 由于在计算荷载的时候未考虑周全，漏算荷载，导致实际施工和使用时荷载大于荷载设计值，从而产生裂缝。1.3.5 钢筋代换时仅考虑强度代换 由于客观条件所限，有时业主要求用高强度钢筋对已设计完成的工程所使用的钢筋进行代换，此时，设计人员有可能仅进行强度代换，而疏忽了实际面积的代换。1.4 施工不当混凝土水灰比太大；浇捣不密实或过振；支模不严格，导致截面过小，漏浆；混凝土养护不够；施工措施不当导致施工荷载过大，赶工期，不待混凝土达到强度就进行下步施工等等，都可造成混凝土裂缝的产生，甚至出现垮塌事件。由于本文仅从设计角度分析，故不多做陈述。2.设计中对钢筋混凝土结构裂缝的控制由于裂缝的产生，不但会影响外观效果，更有可能导致构件内部钢筋的锈蚀，影响使用耐久性和安全性。而结构设计作为工程的重要环节，在设计的过程中就应该注意对裂缝的控制2.1 一般裂缝控制2.1.1 裂缝验算混凝土结构应该按照混凝土结构设计规范(GB5001-2002)的规定，根据荷载效应来进行裂缝宽度的验算，对于不符合的应该及时调整。在设计时就应重视裂缝问题，构件设计时，不能仅考虑强度问题，在没有确切把握的情况下，对所有的梁板均应进行裂缝宽度验算，尤其是当梁配筋率小于1%的时候，更应该引起重视。2.1.2 分割措施 对于较长的建筑结构，在设计时可以考虑采取分割措施将建筑物分成若干的结构单元。这样就能减小结构构件内部各种作用(例如温差，混凝土收缩，基础不均匀沉降等)产生的拉应力。并且对于处于不利条件下（抗震不利地段，软弱地基上） 的建筑物更应严格按设计规范要求合理布局结构单元。 合理设置后浇带，可以适当的增大伸缩缝的间距，但是后浇带仍不能代替伸缩缝，在建筑物过长时，仍然需要按规范要求设置伸缩缝。后浇带内的钢筋一般情况下不截断，但是如果是为解决高层建筑与其裙房之间的沉降而设置的后浇带，内部的钢筋宜截断并采用搭接连接方式，待相邻两侧结构满足了设计允许沉降差异后，方可进行浇筑。2.1.3 设计时考虑周全 设计时充分考虑偶然作用和非设计工况所引起的效应，并在相关部分采取合理的控制裂缝的构造措施。例如：按简支设计的时候，实际上端部仍然受到一定的嵌固约束；按自由端考虑，但在荷载较大使构件发生位移，变形加大后，可能起到约束作用的部分；平面凹凸、立面刚度变化突变的部位，容易引起应力集中的部位；房屋两端的阳角处以及山墙处的楼板，屋面板；现浇结构中与周围梁柱整体浇筑的楼板；大体积混凝土等等。2.1.4 配筋时对钢筋的选择 根据混凝土结构设计规范（GB50010-2002）8.1.2 可以看出，钢筋面积与裂缝宽度的关系，因此在其他条件不变的情况下，酌情选用细直径钢筋对于裂缝控制是有利的，也是控制裂缝宽度的很实用的方法之一。因为在外部条件和配筋总面积一定的情况下，钢筋直径越细，排列就越密，与混凝土的粘结力就越好，混凝土产生的裂缝越分散，使较宽深的单条裂缝分散成多条细浅的裂缝，对于结构是有利的。但是由于这样会增加施工难度，且在截面过小时，由于钢筋间距的减小，不利于混凝土的浇筑，因此应根据实际情况选用。 在条件允许的情况下，尽可能的选用螺纹钢筋，因为其和混凝土的粘接力更大，可以有效地控制裂缝的生成和宽度。 2.1.5 改善混凝土性能 在条件允许的情况下，改善混凝土的自身性能。在混凝土中渗入UEA、HEA等微膨胀剂，钢纤维等抗裂剂，可以有效地防止混凝土构件的开裂。 2.1.6 设计交底完善 由于我国国情所限，施工单位素质参差不齐，设计人员在进行施工技术交底时，应特别强调养护是防止混凝土产生裂缝的重要因素，应当充分重视，并根据当地情况制定适宜的养护方案。且应强调在施工过程中，不得随意堆载等。2.2 具体结构构件裂缝控制： 2.2.1 基础裂缝控制： 基础的混凝土强度等级宜按混凝土结构设计规范采用；第3.4.1条规定了一般基础的环境类别为二a或者二b类， 第3.4.2条规定了最低混凝土强度等级：二a类为C25，二b类为C30。 保证基础的最小配筋率,根据基础形式的不同，按照相应的规范要求。但任何基础的受力钢筋都不小于A10200,分布钢筋不小于A8200。 混凝土结构设计规范第10.1.11条规定：当板厚大于2m时， 除在板的顶面、底面布置纵横钢筋以外，尚宜在板厚方向设置与板面平行的构造钢筋网片，间距不超过1m，直径不小于12mm，纵横方向的钢筋间距不大于200mm。这样做不仅可以减少大体积混凝土温度收缩产生的应力影响，同时也有利于提高构件的抗剪承载力。 若存在双柱联立基础，宜在其双柱之间的基础上部配置一定的纵向钢筋。因为地基反力作用在基础底面后，会形成一个以双柱作为支座的反向受力结构，此时可以按倒楼盖单项厚板，以地基反力作为均布荷载来配置上部钢筋。当高度较厚，即使计算配筋面积小于构造面积，考虑到受弯以及混凝土自身特性的综合影响，也宜按照构造钢筋来配置。用于防止基础上部的开裂。 地下室外墙迎水面的混凝土保护层厚度应按混凝土结构设计规范第9.2.1条规定最小厚度为20mm，而不应该人为的加厚保护层。若坚持要加大保护层厚度，大于50mm的时候，应按照混凝土结构设计规范第9.2.4条的规定，对保护层应采取有效的防裂构造措施。通常是在混凝土保护层中离构件表面一定距离处全面增配由细钢筋制成的钢筋网片。 虽然建筑地基基础设计规范第8.2.2条4款规定：“当柱下钢筋混凝土独立基础的边长和墙下钢筋混凝土条形基础的宽度大于或等于2.5m时，底板的受力钢筋的长度可取边长或宽度的0.9倍，并宜交错布置。”这样做虽然就基础受力来说是适宜的。但是就导致了基础底板的部分区域钢筋间距增大， 在该区域产生裂缝的可能性增大。如果交底时表达不清，而施工单位又不注意，就有可能产生施工事故，例如全部0.9L长的钢筋顺放于一端，导致0.1L的基础区域无钢筋，使得基础实际面积减小了0.1L且相对于柱偏心距增大。因此建议尽可能的按全长配筋。 2.2.2 梁、柱的裂缝控制： 控制保护层厚度，当梁柱的保护层厚度超过50mm时，按照钢筋混凝土结构规范9.2.4 ，应对保护层采取有效的防裂构造措施，或者按扩大的柱截面配置纵向钢筋和箍筋。 当梁高450mm时，因为梁截面的增大，有可能在梁侧产生垂直于梁轴线的收缩裂缝，因此应在梁侧根据最小配筋率配置纵向钢筋，按照混凝土结构设计规范10.2.16条，在梁的两个侧面沿高度配置纵向构造钢筋，每侧纵向构造钢筋的截面面积不应小于梁腹板截面面积的0.1%，且间距不宜大于200。当梁需要进行疲劳验算的时候，为防止由于反复的水平力致使梁下部腹板产生裂缝，也应当按照混凝土结构设计规范10.2.17条之规定在梁下部1/2梁高范围的腹板内，沿两侧纵向设置构造钢筋间距100-150mm。 在主次梁交接处或者有集中荷载的部分应设置附加钢筋，因为当集中荷载在梁高范围内或者梁下部传入时，集中荷载影响区下部混凝土有可能出现拉脱，且由于间接的加载导致梁的斜截面受剪承载力降低。附加横向钢筋宜优先选用箍筋,对于防止梁侧斜裂缝效果较好。 2.2.3 板的裂缝控制： 由于楼（屋）面板的边界约束条件较复杂，且混凝土收缩应力和温度应力较精确的理论计算至今未完全解决，而在实际的施工过程中，由于各种原因，无法使板处于设计时的理想状态，因此在工程设计实践中，只能从设计概念和构造措施上对其进行控制，实践表明，采取适当的措施后，现浇楼板的裂缝是可以得到一定的控制的。 由于混凝土收缩和温度变化是引起裂缝的主要原因，因此设置温度收缩钢筋有利于减少这类裂缝。因为板中已配的受力钢筋和分布钢筋也可以抵抗温度和收缩产生的拉应力，所以温度钢筋应主要在未配置钢筋的部位和配筋数量不足的部位沿温度、收缩应力的主要受力方向布置温度收缩钢筋。但是由于无法精确的对这两种作用产生的应力进行计算。因此应按照混凝土结构设计规范第10.1.9条规定的原则和最低数量进行配置。 楼板有凹口时，在此处由于应力的集中，极易出现裂缝，应当与其他专业沟通调整；当建筑平面有不可避免的凹口时，凹口内侧的楼板应适当的加厚并加强配筋，使其能抵抗住在此集中的温度应力和混凝土收缩应力。而由于异形楼板的受力不十分明确，因此，建议加设小梁分割成较规则的形状，以便于计算分析以及对裂缝的控制。若由于特殊原因不能设置小梁，建议对面积较大的异形板采用整板双层双向配筋，以控制由于计算分析不精确而产生的裂缝。 适当增加楼板厚度，因为根据林同炎和S.D.思多台斯伯利著的结构概念和体系附录B中给出的水平构件的近似高跨比：钢筋混凝土实心板平均值为28，最大为32，支承载梁上的双向板平均值为30，最大值为36。而目前我国常用的为：混凝土实心板为30-35，双向板为35-40。由于板内应力计算不确定性，因此适当的加厚楼板并相应配置钢筋对裂缝的控制是可行的。 板钢筋的选用应在保证计算面积的前提下选用细直径，密间距钢筋。由于间距的减小，钢筋与混凝土粘结面的增大，裂缝也能得到很好的控制。采用冷轧带肋、冷轧扭钢筋等强度较高的钢筋配筋，作为板受力钢筋是可行的。但是应注意不能仅按强度代换，在裂缝控制方面，更应注意实际面积。因为强度高，所需钢筋面积较少，有可能对裂缝控制不利。一些施工单位为节约投资，以高强度钢筋直接进行强度代换后施工，这更是不负责的行为。因此，在保证同等质量前提下，在板的施工中，想以高强度钢筋代换较低强度钢筋以节省投资的效果对于板钢筋来说是不明显的。 在阳角，阴角板块及较大的板块的四角部位板上、下侧增设与对角线平行的A8-10100钢筋，这种做法可以很好的防止楼板四角部位出现45裂缝。上侧钢筋放在负筋以上，下侧钢筋放在板下部钢筋以下。 2.2.4 设计过程中对于荷载取值的处理 设计人员在进行板的荷载计算时除了注意不应漏算或者取值偏小，还应该考虑到有某些特殊情况产生的预计外的荷载。例如对于不上人屋面的活载取值0.5KN/就略显偏小，因为有可能满足不了施工荷载的要求，而建筑结构荷载规范表4.3.1注1也规定：“不上人屋面，当施工或维修荷载较大时，应按实际情况采用，建议取值不小于1.5KN/。钢筋的布置也不应机械的固守于梁轴线垂直的概念，而应该按实际情况综合考虑钢筋的布置方向，例如圆形，半圆形板或弧形板钢筋就宜沿环向和径向布置。 3.结束语 针对钢筋混凝土结构中的非结构性裂缝，虽然混凝土内应力的理论计算并未完全解决，但是多从设计理念入手，有针对性地设置构造措施，是有明显的效果的。 而对于钢筋混凝土结构中结构性的裂缝控制，就更需要设计人员提高设计质量，以客观务实的态度来对结构体系进行分析和设计，清楚地意识到受力状态是一种客观存在的，不是主观假设可以避免的。 总的来说，要彻底清除钢筋混凝土结构中的裂缝现象，还需要进一步的积极探索，设计人员更要不断的提高自身素质，采用更为科学的防治措施，控制裂缝。参考文献：混凝土结构耐久性设计与施工指南，中国建筑工业出版社胡允棒，钢筋混凝土结构裂缝分析及控制钢筋混凝土裂缝控制指南，化学工业出版社混凝土结构设计规范，中国建筑工业出版社建筑地基基础设计规范，中国建筑工业出版社建筑结构荷载规范，中国建筑工业出版社胡允棒，现浇钢筋混凝土楼板裂缝控制措施探讨