混凝土结构裂缝宽度限值研究综述

欧阳威,谢永江,朱长华,杨 鲁

(1.中国铁道科学研究院研究生部，北京 100081； 2.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京 100081)

混凝土结构裂缝宽度限值研究综述

欧阳威1,谢永江2,朱长华2,杨 鲁1

(1.中国铁道科学研究院研究生部，北京 100081； 2.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京 100081)

随着我国铁路建设的迅速发展,铁路混凝土结构服役环境由一般转向特殊。为了研究特殊环境(如大风干旱)下混凝土结构裂缝宽度限值,以混凝土结构设计及耐久性设计规范的发展阶段为主线,介绍发达国家和我国在不同时期混凝土结构裂缝宽度限值的发展历史,分析混凝土结构裂缝宽度限值的影响因素和发展趋势,得出裂缝宽度限值正逐步放宽的结论。

混凝土结构；裂缝；裂缝宽度限值

混凝土材料的裂缝问题一直是困扰着土木工程领域学术界与工程界的难题。由于混凝土表面裂缝的存在，有害介质可以通过裂缝这个便利的通道快速侵入混凝土内部，与混凝土和钢筋直接发生物理化学反应，影响了混凝土结构的耐久性。且从耐久性评定的角度看，裂缝开展情况(主要指宽度)具备便于检测及可重复验证的特点，因此裂缝宽度对于衡量和评价混凝土结构的耐久性是十分重要的，它是评价结构耐久性能的一个关键指标[1]。

为了保护钢筋不致产生锈蚀，各国标准规范都规定了各自的混凝土结构裂缝宽度限值，其本意主要出于使结构在预定的服役期内满足适用性和耐久性的要求，在使用荷载和环境作用下，只要裂缝宽度小于等于规范规定的最大裂缝宽度，结构就具有要求的耐久性和适用性[2]。从1934年混凝土结构设计规范首次尝试以来，裂缝宽度限值一开始作为早期标准规范中的一个限值，在结构设计和耐久性设计的标准规范取得发展的同时，人们对裂缝宽度限值的认知也不断发生变化。

总结国内外在不同时期混凝土结构发展的研究成果，混凝土结构设计规范和耐久性设计规范的发展可大致分为4个阶段(图1)：

(1)1930～1960年，初期结构设计规范发展阶段；

(2)1960～1990年，初期耐久性研究的发展阶段；

(3)1990～2000年，欧美耐久性设计改进阶段；

(4)2000～至今，我国耐久性设计大发展阶段。

在这4个阶段中，前两个阶段为混凝土结构裂缝宽度限值的规范早期发展时期，后两个阶段为耐久性设计发展时期。

图1 混凝土规范的发展

1 规范早期发展时期混凝土结构裂缝宽度限值

1.1 规范早期发展时期发达国家裂缝宽度限值

19世纪中叶混凝土结构出现以后，混凝土结构在土木、水利和建筑工程等领域得到了广泛应用。1934年，混凝土结构规范首次尝试，早期规范对裂缝控制均不作要求(表1)。

20世纪60年代，混凝土结构耐久性问题开始引起国际重视，美欧等发达国家的规范开始对裂缝要求限制，逐渐提出了各自的最大允许裂缝宽度。裂缝宽度限值提出初期，各国规范对钢筋混凝土结构裂缝宽度限值问题的认识较为一致，认为裂缝宽度与钢筋锈蚀程度之间成正比，较宽的裂缝宽度对耐久性有害，把防止钢筋锈蚀与限制裂缝宽度联系在一起，作为制定钢筋混凝土结构裂缝宽度限值的合理依据。

表1 自1934年以后规范的发展[3]

由于早期研究对混凝土结构耐久性关键影响因素认识不足，钢筋混凝土结构裂缝宽度限值规定带有明显的主观性和模糊性，如表2的档次(环境)分类。

表2 早期混凝土结构裂缝宽度限值

注：C为保护层厚度。

裂缝宽度限值在发展初期，主要研究现状：(1)研究方向上，主要集中在结构耐久性的材料层次上；(2)认识上，各国规范对裂缝宽度的认识较为一致，裂缝越宽危害越大；(3)考虑因素上，仅强调环境因素，未考虑荷载因素，且环境分类简单；(4)控制效果上，裂缝宽度限值总体偏向严格。

20世纪80年代初，钢筋混凝土结构裂缝宽度限值的确定原则已达成共识[4]：第一个原则是在使用荷载作用下，钢筋混凝土构件裂缝宽度不致引起钢筋的严重锈蚀，降低结构的耐久性；第二个原则是构件表面裂缝的宽度不应损害结构的外观，引起使用者的惊恐和不安。调查研究表明，0.4～0.5 mm的混凝土裂缝宽度是一般人可以接受的。

1.2 规范早期发展时期我国裂缝宽度限值

我国混凝土结构技术起步于20世纪50年代中期，真正意义上的首部混凝土结构设计规范为1974年颁布的《钢筋混凝土结构设计规范》(TJ10—74)，我国混凝土结构规范的发展见表3。

随着混凝土结构耐久性研究的发展，我国适用于混凝土结构耐久性的环境划分取得了较大发展，环境不再像初期研究中的室内和室外、是否暴露、有无防护那么简单划分，而按结构所处的环境对钢筋和混凝土材料的腐蚀作用机理分类和侵蚀的严重程度分等级(如欧洲规范)。

与此同时，我国标准中裂缝宽度限值开始考虑了建筑(或构件)等级的使用年限、受力特性、荷载组合效应、钢筋直径和类型等因素。裂缝控制模式也由简单到复杂，考虑因素越来越多；环境划分越来越科学，限值档级分得也越来越细。总之，我国的裂缝宽度限值由初期开始逐渐走向成熟。

表3 我国混凝土结构设计规范中裂缝宽度限值的发展

注：(1)BJG21—66*1参照苏联规范HNTY123—55。

2 耐久性设计发展时期混凝土结构裂缝宽度限值

2.1 耐久性设计发展时期发达国家裂缝宽度限值

20世纪下半叶，美国高速公路几十万座桥梁因除冰盐害引起普遍腐蚀，造成了巨大、长久、难以解决的损伤。由此提出了著名的“五倍定律”，使国际上掀起一股研究混凝土结构耐久性的热潮[11]。

基于这种耐久性研究的背景下，经过50多年来大量的工程调查及试验与理论研究，有关裂缝宽度对结构耐久性影响的研究取得巨大成果，学者们几乎都认为裂缝的存在会使裂缝处钢筋锈蚀的时间提前。但是裂缝宽度(纵向除外)与钢筋锈蚀之间的关系还存在争议，主要存在有3种观点：(1)传统观点,裂缝宽度与钢筋锈蚀程度近似成正比，裂缝宽度越大，钢筋锈蚀越严重[12]；(2)另一种观点,裂缝宽度与钢筋锈蚀程度没有直接关系，除了极少数侵蚀性特别严重的环境外，对于一般环境下的裂缝宽度限值制订标准应该仅以美术方面的要求为根据[13]；(3)现代主流观点,短期来看，钢筋锈蚀程度一般都随着裂缝宽度的增大而增大；长期来看，裂缝宽度对钢筋锈蚀影响可以忽略[14]。

20世纪90年代以后，为了解决新建混凝土结构工程的耐久性设计和已建工程的耐久性评估这一问题，发达国家对混凝土结构设计规范中传统的耐久性经验设计方法作了重大改进[15]，在这次改进中，欧美等国开始逐渐放宽规范中裂缝宽度限值，如美国ACI318规范[16]自1999年版将室内外环境裂缝宽度限值提高到了0.40 mm，欧洲规范CEB-FIP Model Code 1990[17]、英国规范BS8110—2：1985[18]等许多国家的规范将良好环境下的裂缝宽度限值提高到0.4 mm。欧洲规范EN1992-1.1认为[19]“只要裂缝不削弱结构功能，可以不对其加以任何控制”，“对于干燥或永久潮湿环境，裂缝控制仅保证可接受的外观：若无外观条件，0.4 mm的限值可以放宽”。20世纪90年代以后碳化侵蚀环境下国内外不同规范的钢筋混凝土结构的裂缝宽度限值的比较见表4。

在海水、除冰盐等复杂环境下，钢筋混凝土结构正常使用状态下最大横向裂缝宽度的限值问题，各国规范的认识在早期较为一致，较宽裂缝对结构有害，比如在腐蚀最为严重的海水干湿交替浪溅区，我国规范的裂缝宽度限值取为0.1 mm，英、美规范通常取0.15～0.20 mm，而北欧规范早就允许到0.3 mm。欧洲混凝土协会与国际预应力混凝土学会CEB-FIP的《1990混凝土结构设计模式规范》专门指出，除了有水密性要求或特殊环境暴露级别外，0.3 mm的裂缝宽度限值已能满足外观需要和包括海洋环境在内的耐久性要求[14]。

另外，对于服役环境下预应力混凝土构件横向受力裂缝宽度限值，我国GB/T50476—2008、JTG/TB 07—01—2006、CCES 01—2004中均按一级裂缝控制，即不允许开裂。而国外标准相对较松，如新西兰规范则规定腐蚀环境下预应力混凝土构件横向受力裂缝允许值为0.1 mm。

表4 20世纪90年代后不同规范对一般大气环境下RC裂缝宽度限值的规定 mm

虽然国外规范制定的背景与国内存有一定差异(比如气候环境、材料要求、施工水平以及防护措施等方面)，但可以肯定的是，国内相关规范在裂缝宽度的控制方面较欧美规范严格。如氯盐环境下钢筋混凝土结构裂缝宽度限值的中外不同规范的比较见表5。。

表5 氯盐环境下钢筋混凝土结构裂缝宽度限值 mm

20世纪90年代以后，欧美等发达国家对传统耐久性设计方法进行了重大改进：(1)进一步科学细化了环境分类，按环境作用下混凝土材料的劣化机理进行分类(如欧洲规范)；(2)对裂缝宽度限值的认识发生了变化，开始放宽限值，并将一般环境的裂缝宽度限值都放到了0.3 mm或0.4 mm；(3)基于耐久性的裂缝控制因素中更注重钢筋保护层的要求。

2.2 耐久性设计发展时期我国裂缝宽度限值

耐久性设计发展时期我国裂缝宽度限值的研究，主要以混凝土结构耐久性研究为前提，我国这方面起步较晚，80年代才开始对结构的耐久性问题有足够的重视，设立了多个课题对混凝土结构耐久性的基础理论进行研究。近几十年混凝土结构耐久性问题日益凸显的同时，耐久性研究成果也不断丰富。特别是2000年以后，包括混凝土结构国家标准及海洋、铁路、公路等部分行业标准在内的一些标准与规范中逐渐提出了有关裂缝宽度限值的耐久性设计要求。

20世纪80年代，建科院在全国范围内进行了大规模的混凝土结构耐久性调查，此后各单位的耐久性试验研究陆续开展，以此作为基础并参考国外标准；

21世纪初修订的规范GB 50010—2002首次提出耐久性设计的要求，开始与国际接轨；

2004年，《混凝土结构耐久性设计与施工指南》(CCES 01—2004)出版，并于2005年重新修订；

2007年，颁布了《混凝土结构耐久性评定标准》(CECS220：2007)；

2009年，《混凝土耐久性设计规范》(GB/T 50476—2008)提出了更为详尽的耐久性设计方法；

2010年，铁路行业颁布了《铁路混凝土结构耐久性设计规范》，将铁路混凝土结构耐久性设计推向高潮。

近些年，我国在混凝土结构耐久性方面取得了一些研究成果，裂缝宽度限值在结构耐久性设计、施工等标准发展中，基本也呈现放大的趋势(表6)。

表6 碳化和氯盐环境下RC裂缝宽度限值在耐久性设计规范中的发展 mm

3 裂缝宽度限值的影响因素和发展趋势

3.1 裂缝宽度限值的影响因素

当前国内外标准规范大都是从环境与荷载两个方面对混凝土构件的耐久性影响来考虑裂缝宽度限值。环境作用方面，大部分标准规范先按环境介质侵蚀混凝土机理来分环境类别，然后在根据环境介质侵蚀程度又分为作用等级，如铁路行业标准TB10005—2010采用了这种做法[26]；荷载作用方面，混凝土裂缝宽度与构件受力特点、构件种类、裂缝部位、受力状态、构造特点等有关，大部分标准规范主要从构件受力特点出发，分为预应力和非预应力两类，制定不同的裂缝控制等级，如CEB-FIP、EN1992-1等采用了这种做法。其中，在影响裂缝宽度的众多因素中，首要的是钢筋的拉应力，其次是保护层厚度。此外，欧洲规范(CEB-FIP)还考虑恒荷载与静荷载作用(表7[27])。

表7 CEB-FIP 裂缝宽度限值 mm

国外有些规范把裂缝宽度限值与保护层厚度直接联系起来，提出的裂缝宽度限值与保护层厚度呈直线关系，如英国规范CP110耐久性要求裂缝宽度限值不超过0.004C，日本土木学会标准规定腐蚀环境裂缝宽度限值也为0.004C(C为保护层厚度)。

国内外标准中裂缝宽度限值基本上都考虑了环境作用与受力特点对裂缝宽度限值的影响，但所考虑的因素各有偏重，不尽相同，大部分标准规范关于构件种类、裂缝部位、受力状态和构件特点对裂缝宽度限值的影响研究较少，考虑不足。不同标准、规范中裂缝宽度限值考虑的影响因素进行对比总结如表8所示[28]。

表8 裂缝宽度限值影响因素分析

3.2 裂缝宽度限值的发展趋势

结合国内外的研究现状及分析，混凝土结构裂缝宽度限值的发展呈现以下3个趋势：

(1)裂缝宽度限值正逐步放宽，并逐渐向欧洲规范(如CEB-FIP)靠拢；

(2)裂缝控制模式由简单到复杂(考虑因素越来越多)、环境划分由主观到客观(环境分类越来越科学)、限值档级划分也由粗放到精细发展。

(3)裂缝宽度限值由主要依附结构设计规范发展向依附耐久性设计规范发展转移，其影响因素也由初期的过分强调环境因素逐渐深入到注重影响结构耐久性的本质问题发展。

4 结语

(1)各国学者对裂缝宽度与结构耐久性的关系的认知从主观走向客观，从初期走向成熟，取得了很大的成果，但是看法仍存在分歧，导致不同规范对裂缝宽度限值规定也不尽相同。

(2)与国际上的一些通用设计规范相比，我国混凝土结构裂缝控制要求可能过分偏于保守，公式给出的裂缝宽度计算值偏大，而规定的裂缝宽度限值又偏小，这不仅增加了建设成本，还给结构设计、工程施工和验收造成困难。

(3)裂缝宽度限值有逐渐放宽的趋势，对裂缝宽度在各种环境条件下的限值问题还需要进一步研究。

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General Review of Limit Value of Maximum Crack Width for Concrete Structures

OU Yang-wei1, XIE Yong-jiang2, ZHU Chang-hua2, YANG Lu1

(1.Postgraduate school，China Academy of Railway Science，Beijing 100081, China;2.Institute of railway engineering, China Academy of Railway Science, Beijing 100081, China)

The service environment of railway concrete structures turn from general to special with the rapid development of railway construction in our country. In order to study the limit value of maximum crack width for concrete structures in special environments, such as high windy and drought, this paper introduces the history of the limit value of maximum crack width for concrete structures applied in developed countries and China in different period of time according to the development of codes of concrete in terms of structures and durability. The influencing factors and tendencies related to the matter are also analyzed. Then the conclusion is reached to relax the limit value of maximum crack width step by step.

Concrete structures; Crack; limit value of maximum crack width

2014-10-11；

2014-10-29

中国铁路总公司科技研究开发计划项目(J2013G004)

欧阳威(1987—)，男，硕士研究生，E-mail：bjouyangwei@sina.com。

1004-2954(2015)08-0075-05

TU375

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.08.017