设计角度出发的超长钢筋混凝土结构裂缝控制措施探究

冯宏东

（宁夏人防设计院，宁夏 银川750001）

0 引言

有很多裂缝只是“表面性”的，对结构的承载能力或使用功能无任何影响，但可能有碍观瞻，或引起对工程质量的疑虑；有的裂缝则具有“结构性”的意义，表明结构受到某种损害，甚至预示着破坏事故将要发生；还有的裂缝会导致工程结构渗水、溶蚀或钢筋锈蚀，从而损害结构的使用性能或工程的耐久性。混凝土裂缝形态多种多样，工程意义也各有不同。从裂缝的起因来看，主要可以概括为以下四类：

1）混凝土结构受力裂缝——混凝土结构在荷载作用下所引起的裂缝；

2）混凝土化学反应胀裂——混凝土内部某种化学反应物的膨胀力所引起的裂缝，如钢筋锈胀裂缝和碱骨料反应裂缝；

3）混凝土的塑态裂缝——混凝土在浇筑后呈塑性状态时因收缩或沉降等所引起的裂缝；

4）混凝土变形约束裂缝——混凝土收缩、温度变化及不均匀沉降受到约束作用所引起的拉伸开裂。

实际裂缝可能是上述各类裂缝的组合效应。第一类裂缝不可避免，一般钢筋混凝土结构构件是依靠配筋来控制裂缝宽度。第二类裂缝有其特定起因，数量不多。第三类裂缝一般可以通过合理的施工措施得到妥善处理。根据国内外的调查资料，以第四类为主的裂缝约占裂缝总数的80%，所以研究各类裂缝产生机理及解决办法有着重要的现实意义和巨大的经济意义。

1 将温度作用作为荷载参与组合的设计方法

1.1 温度作用效应表达式

关于温度及混凝土的收缩作用，在前面第一章己经给出了具体的计算方法。温差与混凝土收缩作用，都是长期作用，在分析中必须考虑混凝土徐变对其影响，在分析中将可以时间分段，利用叠加原理，将每段考虑徐变后的计算值进行叠加，这样求出温度收缩作用的总的效应。因此荷载效应组合表达式可以表示为：

式中：γs、γi

T为荷载效应系数，这里代表结构在混凝土单位收缩应变和单位温度变化作用下并考虑徐变作用得到的相应的应力。εs为结构计算所采用的混凝土的最终收缩量。εiT为温度分段计算中第I段温差引起的混凝土的自由应变，正数代表升温，负数代表降温，单位为℃。

混凝土温度收缩应变的计算应该从混凝土浇注开始，计算时还应该考虑施工过程的影响，这样处理会比较复杂，可根据实际情况选取计算开始的时间，由于混凝土温度收缩随时间不断变化，而且还要受徐变的影响，一般到10-15年基本稳定。可以根据工程经验选择计算时间的终点。很多其文献中，为了简化计算，将混凝土的收缩应变等效为温差，与结构的季节温差相加后得到结构的计算温差，再对结构在计算温差下的效应进行分析。混凝土的收缩变形有多种，其中干缩（失水收缩或称湿度梯度）是超长结构收缩变形所需考虑的主要因素，目前国内关于这方面研究较少，因而可以参考国外的有关规范（如日本的规范），将干缩变形折算为10-15℃温降。混凝土收缩当量为温差荷载的计算公式如下：

式中：T′为收缩作用当量温差，℃；α为混凝土线膨胀系数。

在上面的荷载效应计算表达式中存在以下问题:

（1）在上面的表达式中没有考虑太阳辐射以及内外温差的影响，对于结构的一般构件，影响不大，但对于结构的某些部位如屋面，受太阳暴晒，以及结构的保温隔热措施很差，结构的构件厚度过大处，在温度作用效应计算时，要根据实际情况考虑太阳辐射及内外温差的影响。

（2）在表达式中，没有考虑混凝土浇注时水化热的影响，同时，由于结构的施工不是一蹴而就的，而是一个复杂的过程，在计算时应该考虑混凝土水化热和施工过程对温度收缩作用效应的影响，对于这种情况，设计者可以根据相应的实际情况，并参考过去的工程经验，进行简化计算和处理。

1.2 温度收缩作用效应与其它荷载效应的组合

在进行超长结构正常使用极限状态设计时，需要将温度收缩作用效应与恒载、活载等荷载效应组合后进行设计。荷载效应基本组合中温度作用的组合系值数取值现在尚无定论，有些文献推荐将温度作用当作活荷载参与组合，参考我国建筑结构荷载规范以及水工建筑物荷载设计规范，将温度收缩作用作为可变荷载进行组合，组合值系数可以取为0.7，准永久值系数取0.5。关于结构承载能力计算时，是否考虑温度收缩的作用，目前存在较大的分歧，有些文献认为，在结构将要进入承载能力极限状态时，结构已经出现了大量的裂缝，裂缝的出现会将温度收缩应力释放，因而，温度作用不必参与承载能力极限状态的组合。

1.3 裂缝控制

对于混凝土构件正截面抗裂验算中，严格要求不出现裂缝的构件（裂缝控制等级为一级）在荷载效应的标准组合下应符合下列规定：

一般要求不出现裂缝的构件（裂缝控制等级为二级）荷载效应的标准组合下应符合下列规定：在荷载效应的准永久组合下宜符合下列规定：

式中：σck、σcq为荷载效应的标准组合、准永久组合下抗裂验算边缘的混凝土法向应力；σpc为扣除全部预应力损失后在抗裂验算边缘混凝土的预压应力；ftk为混凝土轴心抗拉强度标准值。

如果采用裂缝宽度控制进行设计，可以根据规范给出的最大裂缝宽度计算公式来确定结构是否满足裂缝控制标准。裂缝宽度计算表达式如下：

式中：αcr为受力构件特征系数；σsk为按荷载效应标准组合计算的钢筋混凝土构件纵向受拉钢筋的应力或预应力混凝土构件纵向受拉钢筋的等效应力；ψ为裂缝间受拉钢筋应变不均匀系数；Es为钢筋的弹性模量；c为最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区底边的距离；dcq为受拉区纵向钢筋的等效直径；ρte为按有效受拉混凝土截面面积计算的纵向受拉钢筋配筋率。

2 采用预应力筋进行抵消温度收缩作用的设计方法

我国《混凝土结构设计规范》中，在关于伸缩缝的构造规定中指出，在下列情况下，如有充分依据和可靠措施，伸缩缝间距可以适当增大:

（1）混凝土浇筑采用后浇带；

（2）采用专门的预应力措施；

（3）采取能减小混凝土温度变化或收缩的措施。

关于第2点中的专门的预应力措施，在规范条文说明中指出:对结构施加相应的预应力可以减小因温度变化和混凝土的收缩而在混凝土中产生的拉应力，以减小或消除混凝土开裂的可能性，此处所指的预应力措施，是指专门用于抵消温度、收缩应力的预加力措施。

3 结束语

总之，超长混凝土的裂缝控制问题是一个系统工程，其控制技术涉及到材料、施工、环境条件、设计及外荷载等多种因素，工程中的裂缝现象常常是几种因素同时起作用，对控制和分析都带来很大难度。对于外荷载引起的裂缝，一般只需满足相应的设计和施工规范要求，有害裂缝是可以避免的。

［1］富文权，韩素芳.混凝土工程裂缝分析与控制[M].中国铁道出版社，2002.

［2］彦启森，赵庆珠.建筑热过程[M].中国建筑工业出版社，1986.

［3］朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制[M].中国电力出版社，1999，3.

［4］陶学康.无粘结预应力混凝土设计与施工[M].地震出版社，1993.