钢筋混凝土结构及裂缝控制之博导篇.doc

钢筋混凝土结构的裂缝控制之博导篇发帖人: 黑玫瑰 点击率: 427摘要： 钢筋混凝土的裂缝控制问题是建筑工程中很重要的问题之一，特别是最近20年来，泵送商品混凝土获得广泛应用之后，混凝土均质性有了很大改善的同时，裂缝控制技术难度大大增加了，本文是在大量建设实践和现场实验研究基础上，概述了变形作用引起裂缝的原因，约束变形特征，抗与放的设计准则以及综合技术措施等。1.概述20年来，在工民建钢筋混凝土结构领域，一个相当普遍的质量问题就是结构的裂缝问题，且有日趋增多的趋势，它已影响到正常的生活和生产，并困扰着大批工程技术人员和管理人员，是一个迫切需要解决的技术难题。由于结构在外荷载作用下的破坏和倒塌是从裂缝扩展开始的，因此人们对裂缝往往产生一种建筑破坏的恐惧感，是可以理解的。早在1932年，前苏联A.教授的钢筋混凝土强度理论就指出,如正常配筋受弯构件的破坏状态是指受拉区钢筋到达屈服强度，受压区混凝土到达受弯的抗压强度，此状态称为承载力极限状态。这一状态全过程是伴随着荷载的不断增加，裂缝出现(钢筋应力只有4060MPa)，裂缝扩展，受压区塑性不断发展，最后达到完全破坏。此时破坏荷载往往是裂缝出现荷载时的35倍，因此，很多大型钢筋混凝土结构，仅仅自重就超过了极限荷载的30%,在此条件下钢筋混凝土结构带有轻微裂纹是完全正常的，结构是安全的，恐惧是不必要的。国内外关于荷载作用下钢筋混凝土构件的设计都有自己的经验公式，并已纳入有关规范，尽管计算结果出入较大，但毕竟可以参考应用。但是近年来大量裂缝的出现，并非与荷载作用有直接关系，通过大量的调查与实测研究证明这种裂缝是由于变形作用引起，包括温度变形(水泥的水化热、气温变化、环境生产热)，收缩变形(塑性收缩、干燥收缩、碳化收缩)及地基不均匀沉降(膨胀)变形。由于这些变形受到约束引起的应力超过混凝土的抗拉强度导致裂缝，统称“变形作用引起的裂缝”。2.裂缝的直接原因2.1收缩及水化热增加自从70年代末(19781979年)我国混凝土施工工艺产生了巨大的进步泵送商品混凝土工艺。从过去的干硬性，低动性，现场搅拌混凝土转向集中搅拌，转向大流动性泵送浇注，水泥用量增加，水灰比增加，砂率增加，骨料粒径减小，用水量增加等导致收缩及水化热增加。2.2混凝土强度等级日趋提高建筑结构混凝土强度等级日趋提高，但有许多结构不适当的选择了过高的强度等级。习惯上认为：“强度等级越高安全度越大，就高不就低，提高强度等级没坏处”。有时迁就施工方便，采用高强混凝土，这是一种误导，导致水泥标号增加，水泥用量增加，水用量增加，细骨料及粗骨料径偏小，砂率偏大等都使水化热及收缩增加。2.3结构约束应力不断增大结构规模日趋增大，结构形式日趋复杂，超长超厚及超静定结构成为经常采用结构形式并采用现浇施工，这种结构形式有显著约束作用，对于各种变形作用必然引起较大约束应力。2.4外加剂的负效应外加剂及掺合料种类繁多，只有强度指标缺乏对水化热及收缩变形影响的长期实验资料(至少一年)，有些试验资料并不严格，有许多外加剂严重的增加收缩变形，有的甚至降低耐久性。2.5忽略结构约束国内外结构设计中都经常忽略构造钢筋重要性，因而经常出现构造性裂缝。结构设计中经常忽略结构约束性质，不善于利用“抗与放”的设计原则，缺乏相应的设计施工规范、规程。2.6养护方法不当目前在混凝土施工中采用的养护方法基本沿用过去简易的方法，这种方法已远不适应泵送混凝土的较大温度收缩变形的要求。2.7混凝土抗拉性能不足这种裂缝在抗力方面都是由于混凝土抗拉性能不足(抗拉强度和极限拉伸)引起的，这方面的材料级配研究很少。综合上述，国际公认泵送商品混凝土对混凝土的质量(均质性)有很大的提高，对供应方式有重要的改进，但是对混凝土的裂缝控制的难度大大增加了，因此，这类问题不是我国特有的技术问题，是国际上钢筋混凝土的共性难题。3.大体积混凝土的定义过去大体积混凝土的定义是根据几何尺寸，主要是根据厚度定义的，国际上一般采用0.8m1m作为界限。自80年代以后大体积混凝土的定义有了改变，新的定义是：“任意体量的混凝土，其尺寸大到足以必须采取措施减小由于体积变形引起的裂缝，统称为大体积混凝土”，这是美国混凝土协会的定义。由此可见，在近代泵送商品混凝土获得广泛应用的条件下，即便是很薄的结构，虽然水化热很低，但是其收缩很大，控制收缩裂缝的要求比过去任何时候都显得非常重要。因此，泵送混凝土的薄壁结构也应当按照大体积混凝土的要求采取措施控制混凝土的收缩裂缝，特别是环境气温变化与收缩共同作用对于薄壁结构尤为不利，收缩换算为当量降温。 4.钢筋混凝土承受变形应力的特点4.1“抗与放”设计准则结构承受的约束作用分内约束(自约束)和外约束两类。结构的变形如果是完全自由的变形达到最大值，则内应力为零，也就不可能产生任何裂缝。如果变形受到约束，在全约束状态下则应力达到最大值，而变形为零。在全约束与完全自由状态的中间过程，即为弹性约束状态，亦即自由变形分解成为约束变形和显现变形(实际变形)。实际变形越大，约束应力越小；实际变形越小，约束应力越大，这种约束状态与荷载作用下的结构受力状态(虎克定律)有着根本区别。在约束状态下，结构首先要求有变形的余地，如结构能满足此要求，不再产生约束应力。如结构没有条件满足此要求，则必然产生约束应力，超过混凝土的抗拉强度，导致开裂。所以，提出了“抗与放”的设计准则，应当在工程设计中，根据结构所处的具体时空条件加以灵活的应用。从结构形式的选择方面(微动、滑动及设缝措施，提供“放”的条件)及材料性能方面(提高抗拉强度、抗拉变形能力及韧性等提供“抗”的条件)采取综合措施，如抗放相结合，以抗为主或以放为主的措施。4.2约束内力与结构刚度的关系外荷载作用下结构的内力只与荷载及结构几何尺寸有关，但在变形作用条件下，结构的约束内力不仅与变形作用及结构几何尺寸有关，尚与结构刚度有关，这是约束内力与荷载内力的重要区别。例如：一个简支梁的两端受到转动的约束，当梁沿截面高度为h，承受温差T时(如预制板两端焊接于屋架上弦)，则梁上的约束力矩M：M=EJ*(T/h)（）式中混凝土的线膨胀系数约束力矩不仅与温差和截面高度有关，而且与梁的抗弯刚度成正比，刚度越大，约束力矩越大，这适宜于裂缝出现及扩展阶段，当然应当考虑钢筋混凝土的抗弯刚度是变化的。当温差不断增加，钢筋混凝土构件进入极限状态时，裂缝充分发展，刚度下降并趋近于零时则力矩也趋近于零。所以，变形力矩不影响结构的极限状态，这一论断己为实验证实。但是裂缝影响使用(渗漏)及耐久性(钢筋锈蚀)。如果结构的承载力由抗剪、抗冲切作决定，变形作用引起的贯穿性裂缝可能降低承载力。4.3钢筋混凝土与素混凝土裂缝控制的区别任何尚未荷载作用的混凝土，它的组合材料包括水泥、水、砂、石、外加剂及掺合料等组分相互物理化学作用硬化成为一种多空隙复合材料，由于初始温度收缩应力作用而形成内部许多微观裂缝，这种裂缝在外力作用下不断扩展，成为宏观裂缝，继续扩展对素混凝土迅速导致破坏。但是，对于钢筋混凝土，特别是有充分构造配筋的钢筋混凝土出现一定程度的裂缝，不会迅速导致破坏，只是限制裂缝宽度问题，使其不达到有害程度。因此，构造配筋显得十分重要，可以有效地控制裂缝的出现及分散裂缝(用许多微细无害裂缝取代少量粗大的有害裂缝)。5.混凝土的某些基本物理力学性质5.1混凝土的收缩及水化热在工民建领域，大部分结构构件(板墙梁等构件)均属薄壁结构，泵送混凝土浇注的构件收缩量很大，因此经常出现收缩裂缝。混凝土的收缩机理至今尚未统一，但大多数的研究成果认为混凝土是具有大量孔隙的材料。孔隙的半径颇不一致，半径较小的毛细孔，半径约小于300A(A1010m)。其中水份蒸发引起孔壁压力的变化，导致混凝土体积的缩小。混凝土内除了少部分水提供水泥水化的需要，其余大部分水分都要蒸发掉，收缩变形同时发生，最终收缩完成的时间大约20年，但其主要部分的收缩是在最早的12年内。由于近来水泥活性和强度等级的增加，收缩量显著增加，并且拖延时间较长。影响收缩的因素很多，如水泥品种采用矿渣水泥比普通硅酸盐水泥水化热低了，但其收缩约大25。遇到超厚的大底板或大块式基础，则水化热起控制作用，宜选用粉煤灰水泥或矿渣水泥，所以，应根据截面的厚度分别选用不同品种的水泥。其次水泥颗粒越细，活性越大，标号越高，用量越多，其收缩越大，因此提高水泥强度的方法不应靠磨细的途径，而应当依靠改善矿物成分的办法。众所周知，水灰比大，收缩将显著增加，同时抗拉强度降低。如水灰比为0.6的收缩比水灰比为0.4的收缩增加约40。有时尽管水灰比不变，增加用水量，同时增加水泥量即水泥浆量，如水泥浆量为0.2(水泥浆占混凝土总重量比例)比0.4时的收缩量增加约45。减水剂可有效的降低水灰比及用水量，而粉煤灰具有圆珠润滑效应和火山灰效应，所以“双掺技术”对泵送混凝土既可提高和易性又可减少收缩。养护条件对混凝土的收缩影响很大，养护14天的收缩比养护3天的收缩降低约20%。环境的相对湿度越高，收缩越小，许多结构所处的环境湿度波动很大，如最低3040，最高达8090。环境温度越高，风速越大，收缩越大，高空浇灌容易引起开裂，如高架桥梁及桥墩。混凝土的配筋对于收缩值起一定的约束作用，但是与配筋率的高低有关，按目前构造配筋率的情况看来，降低收缩的影响是比较小的。根据泵送商品混凝土的收缩试验，其收缩值约在6810-4，有的试验还远远超过了这个数量，有些大桥的桥墩和高层建筑的厚壁立柱由于施工质量及过大的坍落度，形成了中部骨料多，外部或上表面砂浆厚，从而形成极不均匀的收缩，砂浆和水泥浆的收缩比混凝土的收缩大约增加25倍，并由于表面水份蒸发快从而形成大面积的表面裂缝。混凝土粗细骨料的含泥量和粉料含量都增加收缩。目前建筑市场出现了很多新型的外加剂和掺合料，质量保证主要靠强度试验的结果，几乎没有进行体积变形稳定性方面的试验，而许多材料都有增加收缩的特点，必须进行长时期准确的收缩试验，才能得到有利于控制裂缝的材料。各种水泥的水化热试验比较容易，一般水泥厂家都已进行专门的试验，有资料可查，不在赘述。5.2混凝土的徐变(蠕变)因素的考虑混凝土的徐变机理也有许多种，如弹性徐变理论、老化徐变理论、继效徐变理论等等。作为工程裂缝控制的应用，我们只能应用其中主要的成果，以常系数的形式，考虑在弹性计算的结果中，从而简化了非线形分析。由于混凝土的徐变作用，给钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土带来有利和不利两方面的影响。从不利方面看来，它可以造成预应力损失，增加挠度，可以降低钢筋和混凝土的粘着力等。从有利方面看来，它可以使弹性的温度收缩应力大大的松弛，根据变形速率及混凝土龄期，它对应力降低的程度约0.30.8倍，保温保湿养护越好，降温越慢，松弛系数越小，具体数字可参考文献1、2。5.3混凝土的抗拉强度及极限拉伸泵送混凝土浇注后，其抗压强度和抗拉强度都随着时间而增长，但增长的速率，抗拉滞后于抗压，水泥标号的提高及水泥用量的增加，对抗压强度增长较为显著，而对抗拉强度增长较小。相对变形约束应力，混凝土的极限拉伸尤为重要，国内外曾进行过一些试验研究。例如苏联布拉茨克和克拉斯诺雅尔斯克水电站的试验表明混凝土轴向拉伸应变值变化范围为0.510-41.010-4。法国鲍斯进行的轴向拉伸试验。在抗拉强度为2.05MPa时，局限拉伸值为0.910-4。美国卡普兰在轴向拉伸试验中极限拉伸值为0.8110-4。前苏联齐斯克列里提出当轴向抗拉强度为1.2MPa时，极限拉伸为0.710-4。我国水工系统(研究单位和工程单位)对混凝土的极限抗拉强度也作过不少研究，并在工程中采用。如丹江工程混凝土极限拉伸值为(0.580.8)10-4，乌江渡工程为(0.61.02)10-4等等，极限拉伸很小，抗裂能力很弱(收缩变形超过极限拉伸510倍)。冶金系统，不少设备基础，特别是高炉基础、炼钢基础，混凝土的浇注量大多在5000m3以上，轧钢基础的混凝土量100000m3200000m3，厚度2.5m9.5m，长度由35m600m，均属超长超厚的大体积钢筋混凝土，开裂后可引起钢筋的锈蚀、降低持久强度、刚度和防水性能、严重者影响自动化生产工艺。防止和控制这类基础的温度裂缝也是很重要的。为此我们在民用建筑工程中开展了混凝土轴向拉伸强度及变形性能的试验研究。通过对双掺(减水剂及粉煤灰)混凝土的抗拉试验，发现混凝土随着荷载速率及养护条件，其极限拉伸和抗拉强度波动很大，在极慢速(接近实际温度和湿度缓慢变化速度)条件下，其极限拉伸可达(23)10-4，显然这里包含了徐变变形，这对温度收缩应力是很有利的(在强度计算中用松弛系数乘以弹性应力与按变形计算增加极限拉伸是等同的)。特别值得注意的是，混凝土中的较大含泥量及其它杂质可以明显地降低混凝土的抗拉性能，有的混凝土骨料中混入了有害膨胀物引起混凝土的崩裂，因此要求泵送混凝土必须遵循“精料供应”的原则。合理的配筋，特别是构造配筋，细一点密一点可以提高混凝土的极限拉伸，推荐齐斯克列里经验公式：p.a=0.5ftc(1+p/d)*10(-4次方）(2)式中p.a混凝土的极限拉应变；ftc标准抗拉强度；p配筋率100；d钢筋直径单位cm；这是瞬时荷载作用下的公式，如果极慢速约束变形作用考虑徐变作用，至少可以增加一倍。6.结构设计或施工中近似计算的模型选择我国在工民建领域解决变形作用引起裂缝的问题主要是按混凝土设计规范采取设永久性变形缝的办法，根据现浇、预制、土中、室内、露天等条件，有明确的伸缩缝许可间距规定。该规定自从50年代沿用苏联规范规定，我们当时曾多次向苏联有关单位和苏联专家咨询有关规定的依据，他们的回答：“全凭经验”，采取相似规定的还有东欧及其它一些国家。的确，该法解决了许多工程裂缝问题，其缺点是伸缩缝止水带经常渗漏并难以维修。更重要的是在实践中发生了许多反常现象：有的工程尺寸很小，却出现了严重开裂；另外也有的工程超长而未出现明显开裂，说明设缝与否，不是决定开裂与否的唯一因素。其它如材料级配、结构约束、结构配筋、施工工艺、养护条件以及环境温湿度气象条件等综合因素都影响结构约束内力及裂缝的出现。通过实际工程裂缝反算与现场推力试验，假定结构相互连续式约束采用水平弹簧模型，弹簧侧移刚度由试验和经验给出。推导出长墙中部正截面法向拉应力，端部剪应力，伸缩缝许可间距以及一再从中间开裂的机理，见参1.2。在排架及框架约束应力分析中提出了考虑弹性抵抗作用、装配式系数、徐变影响系数、开裂刚度及利用混凝土后期强度的计算发表于19571958年，见参考文献3、4、5、6。多年来通过裂缝处理实践近似理论计算进行了反复的校核与补充。7.裂缝控制设计原则与措施钢筋混凝土结构的裂缝是不可避免的，但其有害程度是可以控制的，有害与无害的界限由结构使用功能决定的。裂缝控制的主要方法是通过设计、施工、材料等方面综合技术措施将裂缝控制在无害范围内。综合技术措施包括：合理选择结构形式，降低结构约束程度，对与水平构件梁、板、墙等采用中低强度级混凝土，加强构造配筋，如板顶部的受压区连续配筋，板的阳角及阴角配置放射筋，增加梁的腰筋间距200mm。优选有利于抗拉性能的混凝土级配，尽力减小水灰比、减少坍落度、降低砂率增加骨料粒径，降低含泥量及杂质含量。选用影响收缩和水化热较小的外加剂和掺合料。采取保温保湿的养护技术，尽量利用混凝土后期强度(60天)。对于超长结构可采取跳仓浇灌或后浇带方法施工。对于复杂的结构难免出现少量裂缝影响正常使用和耐久性裂缝分为表面裂缝，浅层裂缝，纵深裂缝(深层裂缝)，贯穿裂缝等。少量有害裂缝采用近代化学灌浆技术处理，满足设计使用和耐久性要求，不应因此降低工程质量评定标准。在宝钢近百项大体积混凝土工程，上海浦东世界金融大厦、新上海国际大厦、浦贸大厦、周长1000余米的8万人体育场、民防大厦、国际网球中心、人民广场地下车库、厦门国际会展中心、青岛国际会展中心、深圳鸿基大厦转换层都是超长大体积混凝土工程，通过综合措施，都满足设计和正常使用要求。