钢筋混凝土厚板构件裂缝影响及控制研究

摘 要：本文以山东省某工程为研究对象，以实际构件尺寸为模型，运用室内试验的方法，制作等比例试验模型，研究裂缝对钢筋混凝土厚板构件承载力的影响，分析钢筋混凝土厚板构件裂缝的控制方法。结果表明，增加钢筋直径对裂缝厚板构件的弹性荷载、屈服荷载和极限荷载的提高比率均≤20%；变厚板的尺寸对于厚板构件的荷载有显著的提高作用，且对弹性荷载和屈服荷载的提高幅度均大于45%，对极限荷载的提高幅度也大于20%；裂纹数量随着荷载增加而增加，改变钢筋网片的直径对厚板构件裂纹的控制不明显，增加钢筋网片的间距对厚板构件裂纹的控制不利。

关键词：建筑工程；钢筋混凝土；厚板构件；裂缝控制

中图分类号：TU 71 " " " " " 文献标志码：A

钢筋混凝土厚板构件是工程结构中常用的承载部分，由于各种力学因素的作用，因此这类构件经常出现裂缝问题[1]。由于裂缝存在，导致截面削弱和应力集中，因此构件的荷载承受能力降低，导致严重破坏；裂缝会增加构件的挠度和变形，对结构的稳定性产生负面影响[2]。在长期使用过程中，裂缝会加速混凝土老化，使水分和有害物质渗透，钢筋锈蚀和混凝土表面会出现颜色变化，严重影响构件的外观和耐久性。因此，对裂缝的影响及控制进行研究有重要意义[3]。为了控制裂缝发展，本文对混凝土材料配比、结构设计、施工工艺、检测和维护等方面进行研究，结合山东省某工程钢筋混凝土厚板构件的施工实例，采用室内模型试验的方法建立等比例试样模型，深入研究裂缝问题对工程结构的性能造成的不利影响。研究成果可为裂缝的影响机理并采取相应的控制措施提供依据，为提高构件的承载能力、延长使用寿命和提升美观度提供方法，保障工程结构安全。

1 工程概况

山东省某工程项目总用地约54738.7m2（以国土部门实测为准），拟建总建筑面积约54866.09m2，其中地上建筑面积42694.59m2，地下建筑面积12171.5m2。该项目主要建设教学楼、综合楼、风雨操场、宿舍楼、幼儿园以及田径场等体育场地、绿化及配套设施等，教学楼、综合楼和宿舍楼的地下室底板厚度为450mm，建筑结构基本参数见表1。工程基坑围护总长度约616m，基坑总面积约13370m2，基坑普遍区开挖深度为5.0m。采用SMW工法桩+1道预应力旋喷锚桩（局部钢管内撑），其中软土深厚范围坑底设置墩式水泥搅拌桩加固。

2 钢筋混凝土厚板受荷载影响的裂缝发展过程

与钢筋混凝土梁形构件相似，钢筋混凝土厚板受荷载影响产生裂缝是一个动态过程，大致可以划分为5个阶段，分别为无裂缝阶段（弹性阶段）、裂缝出现阶段、裂缝扩展阶段（屈服阶段）、裂缝贯通阶段以及构件破坏阶段。具体的裂缝发展和加载过程如下。在构件加载初期，钢筋混凝土厚板内部的钢筋与混凝土的应力状态相对稳定，外荷载引起的板内部应力分布远小于钢筋材料和混凝土材料的抗拉应力，板内部也没有明显的裂缝或裂纹。此时，钢筋混凝土厚板处于弹性工作阶段，卸除荷载，厚板的变形可以恢复。当荷载加载到一定程度时，由于结构内部材料具有不均匀性，因此外荷载引起钢筋混凝土厚板的拉应力超过混凝土的抗拉强度，板体的表面开始出现一些微小的裂缝或裂纹。此时，对应的加载值大小为弹性荷载P1，裂缝的出现并不影响钢筋混凝土厚板的整体承载力，混凝土的受力和变形进入弹塑性变化阶段，钢筋仍处于弹性工作阶段。对钢筋混凝土厚板持续加载，可以在厚板表面观测到裂缝持续沿着与荷载垂直的方向扩展，尤其是应力集中的区域，荷载增量引起的裂缝数量和密度会不断增加，裂缝的扩展也会导致板体刚度进一步下降，当板体的裂缝扩展到钢筋表面时，由混凝土承担的拉应力全部转移至主受拉钢筋中，直到钢筋进入屈服荷载，此时，荷载增量引起的位移增量呈现一定的波动状态，对应的加载值大小为屈服荷载P2。

裂缝的不断扩展会导致裂缝相互交叉和贯通，随着荷载持续增加，在板体表面和内部会形成一条或多条宽度较大的裂缝，这些裂缝甚至可以穿过板体到达另一面。此时，钢筋混凝土厚板的刚度和承载能力会受到影响，小的荷载增量可能会产生较大的位移增量。

当裂缝的发展达到极限时，一条或多条裂缝贯穿钢筋混凝土厚板，板体的受压区混凝土出现压碎现象，板体的承载能力达到极限，构件失稳，失去继续承载的能力，此时对应的加载值大小为极限荷载P3。

3 裂缝对钢筋混凝土厚板构件的承载力影响试验

以山东省某工程的厚板构件为原型，制作3种不同截面面积的厚板试件模型，在厚板模型跨中位置设置竖向贯通裂缝（裂缝高度为450mm），通过模型中的钢筋直径和界面处理方式，采用四点纯弯的加载方式研究裂缝对构件的承载力影响[4-5]。建立的厚板模型工况见表2。

在试验中，混凝土材料为C50商品混凝土，在28d标准养护条件下150mm立方体试块的抗压强度51.2MPa；直径20mm的钢筋抗拉试验测定得到的屈服强度为480.6MPa，极限强度为620.30MPa，弹性模量为2.13×105MPa，直径25mm的钢筋抗拉试验测定得到的屈服强度为470.3MPa，极限强度为670.0MPa，弹性模量为2.14×105MPa。在试验过程中，采用四点纯弯的加载方式，受力以反对称的方式布置，以减少剪切力和压弯力的干扰，即在构件长度方向，以一端为起点，下端距离350mm以及2150mm处布置简支点，支点处放置圆形支座和三角形支座，在上端距离950mm以及2750mm处布置集中荷载，当距离2750mm处设置向下荷载为P时，距离950mm处相应布置向下的荷载为2P。试验初期以较小的荷载进行试压，保证加载装置正常运行，装置与试件的充分接触，采用分级加载的方式进行缓慢逐级加载，分级荷载P分别为100kN、200kN、300kN和400kN……，每级荷载控制在60s以上，直至试件破坏[6]。对模型试件的荷载-位移曲线进行测试，并观测不同阶段的荷载大小。当试件出现初始裂纹时，表明试件已经结束弹性荷载阶段，并进入塑性荷载阶段，相应的荷载大小为弹性荷载；当试件裂缝贯通时，预留裂缝两侧混凝土发生错动，且发生荷载稳定加载而裂缝和位移不断变大时，表明试件已经进入屈服荷载阶段，相应的稳定荷载为屈服荷载[7-9]；当试件截面滑移增加时，试件表面混凝土出现剥落的情况，并出现崩响，钢筋弯折失效，当试件发生的变形不适应继续加载情况时，表明试件已经发生直接剪切破坏，相应的荷载大小为极限荷载。不同工况下厚板试件弹性荷载、屈服荷载和极限荷载对比见表3。3种不同加载阶段的厚板构件试验结果如图1所示。

对比工况A和工况B可知，增加钢筋的直径可以提高裂缝厚板构件的弹性荷载、屈服荷载和极限荷载，且提高幅度逐步增加，提高比率均小于20%。由此可知，增加钢筋直径对裂缝厚板构件的荷载提升作用有限；对比工况A和工况C可知，增加厚板尺寸可增大裂缝厚板构件的弹性荷载、屈服荷载和极限荷载，且对弹性荷载和屈服荷载的提高幅度均大于45%，对极限荷载的提高幅度也大于20%。由此可知，改变厚板的尺寸可以明显增大厚板构件的荷载。

4 钢筋混凝土厚板构件裂缝的控制试验

为了研究钢筋混凝土厚板构件裂缝的控制效果，以山东省某工程的厚板构件为原型（工况A），采用改变抗裂钢筋网片的方法制作3种不同的试验模型，工况设置见表4。钢筋网片采用的钢筋型号为HRB400，直径6mm的钢筋实测屈服强度为403.2MPa，极限强度为425.0MPa，弹性模量为2.01×105MPa；直径8mm的钢筋实测屈服强度为401.1MPa，极限强度为427.4MPa，弹性模量为2.03×105MPa。

3种不同工况下钢筋混凝土厚板构件裂纹控制试验结果如图2、图3所示。从图2和图3中可以看出，不同工况的模型试件的裂纹发展规律基本一致。随着荷载不断增加，裂纹数量呈现不断增加的趋势；在相同的荷载阶段，对比工况A和工况D可以发现，增加钢筋网片的直径而不增加钢筋网片的间距，裂纹的数量和长度均略微增加，由此表明，改变钢筋网片的直径对厚板构件裂纹的控制不明显；在同一荷载阶段，对比工况A和工况E可以发现，增加钢筋网片的间距而不增加钢筋网片的直径，裂纹的数量和长度均迅速增加，由此表明，增加钢筋网片的间距对厚板构件裂纹的控制不利。

3种不同工况下钢筋混凝土厚板构件裂纹数量和裂纹长度见表5。从表5中可以看出，在相同的工况条件下，随着荷载不断增加，裂纹的数量和裂纹长度均呈不断增加的趋势，在极限荷载P3阶段，裂纹的数量和裂纹的长度均出现激增，在裂纹的数量方面，从弹性荷载P1阶段到屈服荷载P2阶段，工况A的裂纹数量增幅为15条，工况D的裂纹数量增幅为15条，工况E的裂纹数量增幅为25条，从屈服荷载P2阶段到极限荷载P3阶段，工况A的裂纹数量增幅为25条，工况D的裂纹数量增幅为22条，工况E的裂纹数量增幅为25条；在裂纹的长度方面，从弹性荷载P1阶段到屈服荷载P2阶段，工况A的裂纹长度增幅为155mm，工况D的裂纹数量增幅为239mm，工况E的裂纹数量增幅为393mm，从屈服荷载P2阶段到极限荷载P3阶段，工况A的裂纹数量增幅为365mm，工况D的裂纹数量增幅为307mm，工况E的裂纹数量增幅为518mm。

5 结论

钢筋混凝土厚板构件是建筑施工中的常用材料，构件因荷载产生裂缝成为亟需解决的问题。本文以山东省某工程为研究对象，以实际构件尺寸为模型，采用室内试验的方法，制作等比例试验模型，通过分析裂缝成因以及研究裂缝对赶工混凝土厚板构件承载力的影响，得到以下结论。

变厚板的尺寸、钢筋的直径以及荷载均对裂缝发展有不同程度影响。变厚板的尺寸可以显著提高厚板构件的荷载值，而随着钢筋直径的增加，弹性荷载、屈服荷载和极限荷载也随之增加。在不同情况下，试件的裂纹发展规律基本相同，荷载的增加会使裂纹数量不断攀升。但改变钢筋网片的直径对厚板构件裂纹的控制并不明显，增加钢筋网片的间距也对厚板构件裂纹控制不利。本文通过此次研究，以期为相关工程提供参考。

参考文献

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