
1.裂縫控制的目的
混凝土的抗拉強度遠低于抗壓強度,構件在不大的拉應力下就可能開裂。例如鋼筋混凝土受彎構件中,在使用狀態下受拉區出現裂縫是正常現象,是不可避免的。
總的來說,對裂縫控制的目的之一,是為了保證結構的耐久性。因為裂縫過寬時氣體和水分、化學介質侵入裂縫,會引起鋼筋銹蝕,不僅削弱了鋼筋的面積,還會因鋼筋體積的膨脹,引起保護層剝落,產生長期危害,影響結構的使用壽命。近年來高強鋼筋應用逐漸廣泛,構件中鋼筋應力相應提高、應變增大,裂縫必然隨之加寬,鋼筋銹蝕的后果也隨之嚴重。各種工程結構設計規范規定,對鋼筋混凝土結構的正截面裂縫需進行寬度驗算。而對于如水池等有專門要求的結構,則要通過設計計算保證他們不開裂。實際上,從結構耐久性的角度看,保證混凝土的質量、密實性和必要的保護層厚度,要比控制結構表面的裂縫寬度重要得多。采用高性能混凝土和施加預應力有利于改善構件的抗裂性能。
另一方面,多年來的試驗研究也表明,正截面裂縫處的鋼筋銹蝕程度、范圍及發展情況,并不像通常設想的那么嚴重,其發展的速度甚至銹蝕與否和構件表面的裂縫寬度并不呈相關關系。對室內正常環境下鋼筋混凝土構件的剖形圖觀察表明,不論其裂縫寬度大小、使用時間的長短、地區濕度的差異,凡鋼筋上不出現結露和水膜者,裂縫處鋼筋基本上未發現明顯的銹蝕現象。所以,控制裂縫寬度的重要理由和依據,是考慮到對建筑物觀瞻、對人的心理感受和使用者不安全程度的影響。為此有專題研究對公眾的反應做過調查,結果發現大多數人對寬度超過0.3mm的裂縫明顯感到有心理壓力。
2.荷載效應組合
由于本章主要討論荷載作用下結構的使用性能問題,因此,在介紹裂縫控制等級和要求之前首先介紹荷載效應的組合問題。不同規范對荷載效應的組合有著不同的規定。以《建筑結構荷載規范》(GB50009)為例。該規范考慮到活載在時間上的不確定性及工程結構材料(如混凝土)的徐變性能,給出了驗算結構使用性能時的兩種荷載效應組合。
(1)標準組合其荷載效應的組合值S按下式計算:
S=Sok+Sauk +S.yaSak(11-1)
式中Sck——按永久荷載標準值G計算的荷載效應。
So——按可變荷載標準值Qx計算的荷載效應,其中,Salk為諸可變荷載效應中起控制作用者。
y。——可變荷載的組合值系數,按《建筑結構荷載規范》(GB50009)的規定取用。
(2)準永久值組合其荷載效應的組合值S按下式計算:
S=Sox+2yaSok(11-2)式中,a為活荷載的準永久值系數。
實際上,前一種組合考慮的是荷載的短期效應,而后一種組合考慮的是荷載的長期效應。對公路橋梁在進行使用性能分析時,通常也考慮荷載的短期效應和長期效應兩種效應組合的影響。
為便于敘述,本章后面如不特別說明,所述的荷載效應均為《建筑結構荷載規范》(GB
50009)所規定的荷載效應組合值。
3.裂縫控制等級和要求
構件控制等級的劃分,主要根據結構的功能要求、環境條件對鋼筋的腐蝕影響、鋼筋種類對腐蝕的敏感性、荷載作用的時間等因素考慮。
混凝土結構構件的裂縫控制等級一般分為三級。等級反映裂縫控制的嚴格程度。下面以
《混凝土結構設計規范》(GB50010)為例,詳細介紹裂縫的控制要求。其中的裂縫控制表達式僅針對正截面裂縫而言。對預應力混凝土構件還要進行斜截面裂縫控制,其要求和驗算詳見11.2節的介紹。
表11-1混凝土結構的環境類別
注:(1)室內潮濕環境是指構件表面經常處于結露或濕潤狀態的環境;
(2)嚴寒和寒冷地區的劃分應符合國家現行標準《民用建筑熱工設計規范》(GB50176)的有關規定;
(3)海岸環境和海風環境宜根據當地情況,考慮主導風向及結構所處迎風、背風部位等因素的影響,由調查研究和工程經驗確定;
(4)受除冰鹽影響環境為受到除冰鹽鹽霧影響的環境;受除冰鹽作用環境指被除冰鹽溶液濺射的環境以及使用除冰鹽地區的洗車房、停車樓等建筑。
1)一級——嚴格要求不出現裂縫的構件
按荷載效應標準組合計算。要求在荷載標準組合下,構件受拉邊緣混凝土應不產生拉應力,即滿足:
0k-0m≤0(11-3)式中k——荷載效應標準組合下抗裂驗算截面受拉邊緣的混凝土法向應力;oc—一扣除全部預應力損失后抗裂驗算截面受拉邊緣混凝土的預壓應力。
2)二級一—一般要求不出現裂縫的構件
按荷載效應標準組合計算,即在荷載標準組合下,構件受拉邊緣混凝土應不開裂(混凝土拉應力應不大于混凝土抗拉強度標準值):ck-Cpel≤fik
3)三級——允許出現裂縫的構件
鋼筋混凝土構件的最大裂縫寬度wm*按荷載準永久組合并考慮長期作用影響的效應計算,預應力混凝土構件的最大裂縫寬度w按荷載標準組合并考慮長期作用影響的效應計算。要求其值不應超過規定的最大裂縫寬度限值wim。
對環境類別為二a類的預應力混凝土構件(混凝土結構的環境類別詳見表11-1),在荷載準永久組合下,受拉邊緣應力尚應符合下列規定:
0q-0pc日≤fk式中,。。為荷載準永久組合下抗裂驗算邊緣的混凝土法向應力。
《混凝土結構設計規范》(GB50010)規定的荷載引起的最大裂縫寬度限值wimm如表11-2
所列。表中規定的預應力混凝土構件的裂縫控制等級和最大裂縫寬度限值僅適用于正截面驗算。對煙囪、簡倉和處于液體壓力下的結構構件的裂縫控制要求應符合有關專門標準的規定。
表11-2結構構件的最大裂縫寬度限值
注:①表中規定適用于采用熱軋鋼筋的鋼筋混凝土構件和采用預應力鋼絲、鋼絞線和預應力螺紋鋼筋的預應力混凝土構件,當采用其他類別的鋼絲或鋼筋時,其裂縫寬度控制要求可按專門標準確定;
②對處于年平均濕度小于60%地區一類環境條件下的受彎構件,其最大裂縫寬度限值可采用括號內的數值;
③在一類環境下,對于鋼筋混凝土屋架、托架及需作疲勞驗算的吊車梁,最大裂縫寬度限值應取為0.2mm。對鋼筋混凝土屋面梁或托梁,最大裂縫寬度限值取為0.3mm;
④在一類環境下,對預應力混凝土屋面梁、托梁、屋架、托架和雙向板體系,應按二級裂縫控制等級驗算;對一類環境下混凝土屋面梁:托梁、單向板,按表中二。級環境的要求進行驗算;在一類和二類環境下,對需要疲勞驗算的預應力混凝土吊車梁,應按一級裂縫控制等級驗算;
⑤對處于四、五類環境下的結構構件裂縫控制要求,應符合專門標準的有關規定;
⑥保護層厚度較大的構件,可根據實踐經驗對表中最大裂縫寬度限值適當放寬。
相對于建筑結構,公路橋梁中混凝土構件的裂縫寬度的限值要小,具體數值可參見《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTGD62)。
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