鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制的綜合方法

    現(xiàn)代工程建設(shè)的規(guī)模日趨宏大，結(jié)構(gòu)形式日趨復(fù)雜，施工工藝發(fā)生了巨大的變化，人們對建筑質(zhì)量的要求日趨嚴格，在這種建筑形勢下工程結(jié)構(gòu)的裂縫問題變得日趨突出?，F(xiàn)代工程建設(shè)的規(guī)模日趨宏大，結(jié)構(gòu)形式日趨復(fù)雜，施工工藝發(fā)生了巨大的變化，人們對建筑質(zhì)量的要求日趨嚴格，在這種建筑形勢下工程結(jié)構(gòu)的裂縫問題變得日趨突出。

    結(jié)構(gòu)物的裂縫是具有相當(dāng)普遍性的技術(shù)難題，對于混凝土結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、磚石結(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)等具有同等重要性。早自三十年代起，許多專家學(xué)者應(yīng)用斷裂力學(xué)理論解決與處理工程問題，自五十年代以后又有專家學(xué)者試用物理力學(xué)方法從分子結(jié)構(gòu)的微觀作用來探索宏觀結(jié)構(gòu)材料強度問題。在混凝土、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)以及磚石結(jié)構(gòu)方面仍然采用建筑力學(xué)的方法（材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、彈性力學(xué)）即假定材料是均質(zhì)、彈性、各向同性等。計算中材料的本構(gòu)關(guān)系是采用試驗室的實驗結(jié)果，因此這發(fā)球半經(jīng)驗半理論的方法。斷裂力學(xué)在較為均質(zhì)的結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域作出了巨大的貢獻

    在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及磚石結(jié)構(gòu)領(lǐng)域應(yīng)用何種方法進行具有成效的研究，還是一個值得深入探討的問題，根據(jù)本文作者多年從事工程裂縫處理的實際經(jīng)驗：

    工程裂縫問題是具有高度綜合性質(zhì)的復(fù)雜問題，它涉及到結(jié)構(gòu)形式，材料及其組合，施工工藝，地基基礎(chǔ)以及周圍環(huán)境（溫度、濕度、風(fēng)速、化學(xué)腐蝕等），而且所有這些參數(shù)都與時間有關(guān)

    1． 大體積混凝土的定義

    任意體量的混凝土，其尺寸的大小足以使人們必須采取措施控制由于變形作用（溫度、濕度等）引起裂縫的混凝土結(jié)構(gòu)稱為大體積混凝土。作者認為過去以厚度為單一的依據(jù)已顯不足，雖然厚度只有數(shù)厘米的薄壁結(jié)構(gòu)，水化熱已沒有意義，但收縮裂縫已顯得十分突出，因此，此處“大體積”是一考慮溫度收縮裂縫的代名詞，這樣的定義與ACI——116R國際定義接機。

    2． 結(jié)構(gòu)因素

    工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)對結(jié)構(gòu)的約束作用有充分的了解。結(jié)構(gòu)物的變形有三種：自由變形、約束變形和實際變形，其中只有約束變形產(chǎn)生約束應(yīng)力。約束變形（約束應(yīng)力）超過建筑材料的極限拉伸（抗拉強度），便引起裂縫。

    變形作用引起的作用力有最大值，設(shè)計者可以采取“抗與敵”或“抗放兼施”進行結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計。如何根據(jù)結(jié)構(gòu)具體條件選用上述哪一種合適的方法和理論的良好結(jié)合，留伸縮縫與不留神伸縮的方法都對放為主或抗為主的方法。

    結(jié)構(gòu)所受到的外部作用分為：外荷載（靜動荷載）是第一類荷載；其次是十分重要的外部作用是變形作用即第二類“荷載”，變形作用包括溫度、濕度、地基差異沉降（膨脹）。對變形作用的研究還很不夠。

    作結(jié)構(gòu)裂縫分析，首先應(yīng)當(dāng)注意第一類荷載引起的裂縫的可能，特別值得注意的是那些自重荷載超過設(shè)計承載力約30%的結(jié)構(gòu)拆模后發(fā)現(xiàn)0.1mm左右的裂縫是正常的結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)。當(dāng)結(jié)構(gòu)的極限承載力取決于抗拉、搞剪和穩(wěn)定條件時變形作用引起的裂縫對結(jié)構(gòu)的極限承載力的影響是不允許忽視的，常說“溫度收縮裂縫沒關(guān)系”是不全面的，有時誤事。

    從工程經(jīng)驗中知道混凝土大底板對墻的約束系數(shù)Cx比地基對混凝土底板的約束系數(shù)約大100倍，故地基上混凝土底板的裂縫率極低，而長墻的裂縫率極高，在國際上也尚未解決，因此在我國受混凝土基礎(chǔ)約束長墻出現(xiàn)輕微的豎向裂縫是可以諒解的，經(jīng)略加處理仍然滿足設(shè)計施工要求，不宜據(jù)此降低評級標(biāo)準(zhǔn)。

    設(shè)計時注意構(gòu)造配筋十分重要，目前國內(nèi)設(shè)計對此都不夠重視，對結(jié)構(gòu)抗裂影響很大，對連續(xù)式梁板不宜采用分離式配筋，孔洞處配加強，對混凝土腰部增配構(gòu)造鋼筋，構(gòu)造鋼筋的直徑由8mm~14mm，間距100mm~200mm，視情況而定。

    對于混凝土的強度等級，盡量在水平結(jié)構(gòu)中，如梁、板、墻等，用低檔強度C25~C35，利用后期強度R60。

    3． 材料因素

    在混凝土強度等級既定條件下，攪拌站根據(jù)混凝土級配國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及當(dāng)?shù)氐臈l件進行優(yōu)選，盡可能降低水泥用量，降低水灰比，降低含砂率，增加細度模數(shù)及粗骨料粒徑，在混凝土中適當(dāng)摻量的究煤灰對降水化熱，提高和易性降低堿骨料反應(yīng)等都有好處。應(yīng)開展各種材料及級配，收縮性能的實驗時間不應(yīng)低于一年。對于砼的出罐坍落度及現(xiàn)場坍度應(yīng)進行嚴格的試驗和施工時的控制不宜產(chǎn)生坍落度越大越方便的誤導(dǎo)。宜開展除抗壓強度試驗外的抗拉強度進行試驗研究，以有利于選擇抗裂性較高的混凝土級配。嚴格對外加劑的稱量進行經(jīng)常性的檢驗，預(yù)防失常。對水泥及骨料的化學(xué)分析應(yīng)進行復(fù)核。

    4． 施工因素

    施工單位應(yīng)在混凝土澆注前作詳細的混凝土澆灌施工組織設(shè)計，并協(xié)調(diào)攪拌站、監(jiān)理、設(shè)計及甲方管理部門組成混凝土澆灌領(lǐng)導(dǎo)小組，對混凝土的澆灌、振搗、養(yǎng)護及坍落度控制作出技術(shù)方案，并嚴格執(zhí)行，特別是對坍落度的控制必須嚴格且得到攪拌站的同意，保溫保濕養(yǎng)護時間應(yīng)當(dāng)不低于半個月，重大工程就不低于一個月，注意后澆帶的施工經(jīng)常出現(xiàn)兩個問題：一、后澆帶構(gòu)造不良，清理垃圾困難。二、后澆帶填充封閉過早，起不到后澆帶作用，從而變成后期裂縫的泉源?；炷翝沧⑦^程宜有取信息化施工，利用必要的監(jiān)測手段跟蹤測試，控制養(yǎng)護條件。

    5． 環(huán)境因素

    從過去混凝土施工的教訓(xùn)看來混凝土的澆灌過程中環(huán)境的氣象條件十分重要，包括氣溫、寒潮情況相對濕度、風(fēng)速狀態(tài)、降雨等。為宜在雨中澆灌混凝土，它嚴重地增加水灰比，降低抗裂性，火勢與寒潮都會直接增加溫度收縮力，因此施工前必須與氣象站保持緊密的聯(lián)系。

    6． 裂縫控制標(biāo)準(zhǔn)

    國際上各國規(guī)范雖有不同，但大致上差別不大，由于混凝土泵送工藝的發(fā)展，大量超靜定結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，肯定了大體積混凝土裂縫的不可避免性，對裂縫的允許寬度有逐漸放寬的趨勢例如過去地下防水工程允許裂縫寬度0.1mm,近年來已被放寬至0.2mm。正常環(huán)境條件下0.3~0.4mm，對于預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土則分為三有控制：1。不允許出現(xiàn)拉奕力；2。拉而不裂（常用）；3：裂而不寬（小于0.2mm），但是由于預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土迅速發(fā)展到大截面超靜定結(jié)構(gòu)中，混凝土強度等級很高，如不注意大體積混凝土的特點，張拉前可能出超過允許寬度大量裂縫，張拉后也不能閉合（預(yù)應(yīng)力很不均勻），是值得在預(yù)應(yīng)力技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用中注意的重大難題。鋼筋混凝土的裂縫與環(huán)境中潮濕狀態(tài)、氧離子、氯離子、酸性氣體等作用，當(dāng)裂縫寬度（緊貼鋼筋表面）在0.25~0.3mm以上時，鋼筋發(fā)生銹蝕，根據(jù)氧化鐵的成分不同，其體積增加倍，導(dǎo)致混凝土剝落，特別昌順鋼筋的縱向裂縫危害很大，必須鑿除補強。

    裂縫包括早期裂縫（約30天以內(nèi)）、中期裂縫（約6個月以內(nèi)）和后期裂縫（1年至數(shù)10年）。有些結(jié)構(gòu)承受反復(fù)溫差及荷載作用造成裂縫累計損傷，形成后期裂縫的增加與擴展。

    以上，簡要提供了控制裂縫的綜合方法，但在分析結(jié)構(gòu)裂縫葉還應(yīng)根據(jù)具體時空條件及約束狀態(tài)找出引起裂縫的主、次原因，進而確定合理的加固方案。

    7． 后澆帶的優(yōu)缺點

    在大體積砼施工中，“后澆帶”屬一種臨時性溫度伸縮縫措施，是控制裂縫產(chǎn)生辦法之一，在上海地區(qū)也被用來解決地基的差異沉降問題，這些永久性伸縮縫前進了一大步。但“后澆帶”一般都貫?zāi)苷麄€結(jié)構(gòu)，不僅影響到結(jié)構(gòu)的整體性及整體風(fēng)度，也給施工中的清理鑿毛、焊接和支撐都帶來一定困難，還延長了工期，在搭樓封頂前，地下室處于漏水狀態(tài)，且在換撐時底板由于后澆帶而降低了水平側(cè)移剛度，可能引起較大位移，所以設(shè)計及施工單位都想法取消“后澆帶”為此，根據(jù)地下室箱基與大底板共同作用的整體剛度接近剛性基礎(chǔ)，具有抵抗主裙的一定程度差異沉降的能力的實際善提出可用樁基把主裙樓的差異沉降高速到30mm以內(nèi)，并結(jié)合以往大體積砼的施工經(jīng)驗，經(jīng)周密的理論分析，在設(shè)計與施工單位配合下，在寶鋼多項工程及新上海國際大廈、東海商業(yè)中心、金融廣場、浦貿(mào)大廈、世界金融大廈（底板厚3.3mm，裙房邊緣距塔樓最遠達46.67m）等許多工程中采取嚴密技術(shù)和組織措施。做到了一次性連續(xù)澆灌，取消了"后澆帶"，這是目前高層次建設(shè)基礎(chǔ)工程的一項新進展。

    8． 從材料的角度看控制裂縫的發(fā)展方向

    大家知道，現(xiàn)代建設(shè)材料的發(fā)展趨勢是“提高強度”，創(chuàng)造高強鋼筋和高強混凝土。發(fā)展的目的是節(jié)約材料和減輕自重。在某些特殊領(lǐng)域，如預(yù)應(yīng)力跨度結(jié)構(gòu)，其應(yīng)用是很有價值的，在超高層建筑中可減小截面，減輕自重。

    但是，一般建筑結(jié)構(gòu)中，從結(jié)構(gòu)的裂縫控制觀點看來，高強的建筑材料優(yōu)越必得不到充分發(fā)揮，在設(shè)計強度的30%以內(nèi)。材料已經(jīng)開裂，而且高強材料往往伴隨著脆性。有些工 程，其結(jié)構(gòu)強度還遠未發(fā)揮出來的時候，即因為開裂而進行加固補強。提高混凝土的抗壓強度對抗拉強度約為抗壓強度的十分之一，（Rf=0.1R，C60時Rf =0.5R）。所以建筑材料如能向提高"韌性"的方向發(fā)展，將會有更大的國民經(jīng)濟意義。國內(nèi)外50年代發(fā)展起來的鋼絲網(wǎng)水泥就是一例。鋼絲網(wǎng)水泥也是一種鋼筋混凝土。它由粒每期05.~1.5mm的細骨料和水泥組成混凝土，用直徑1mm的細鋼絲分散配筋，組成一新的復(fù)合材料，具備了一系列普通混凝土所不能具備的特性：高彈性，良好的抗裂穩(wěn)定性，具有相當(dāng)高的抗拉能力，相應(yīng)的較高強度和適應(yīng)薄壁結(jié)構(gòu)等，在各種輕型大跨度層蓋結(jié)構(gòu)、大型容器中小造船工程的應(yīng)用中進展很大。

    值得注意的是，這樣配筋的砂漿混凝土結(jié)構(gòu)在彎曲與軸拉作用下，第一批裂縫的出現(xiàn)不僅與水泥材料活性及用量有關(guān)，而且與配筋率有顯著的關(guān)系。相同配筋率條件下，增加鋼筋與砂漿接觸面積可提高鋼絲網(wǎng)水泥的抗拉強度。鋼絲網(wǎng)水泥極限抗拉強度達80MPa以上。細鋼絲與砂漿的結(jié)構(gòu)可以使它的極限拉伸接近鋼絲的極限拉伸。

    其出現(xiàn)裂縫的拉應(yīng)力為3.1~3.2MPa,極限拉伸為5~6×10-4，構(gòu)件完全斷裂的相對變形ε=15~18×10-4，這些都遠遠超過了普通鋼混凝土的抗裂性能。所以這種結(jié)構(gòu)具有很高的抗?jié)B能力（可抵抗10個以上水壓頭）。

    為改善混凝土脆性，提高其韌性，從60年代開始，對纖維混凝土進行了大量的研究。有的國家1972年獲得專利權(quán)，最近幾年，我國也開始了這方面的研究，并在高速公路路面、橋面板、特構(gòu)中獲得初步應(yīng)用，纖維種類很多，如塑料、玻璃、鋼絲等。用走私為0.005～0.015mm的玻璃絲，0.15～0.75mm的尼龍絲、鋼絲等，纖維長0.1～7.62cn分散地摻在混凝土中，組成一種新的復(fù)合材料。它可以提高抗拉強度1～3倍，抗彎～5倍，提高沖擊韌性10余倍。其機現(xiàn)是緩和混凝土內(nèi)部應(yīng)力集中，提高了抗裂能力。

    以體積配筋率為1.5%的鋼纖維混凝土為例，與普通混凝土比較，早期抗彎強度提高1.5～2倍，抗拉抗彎強度南昌市1.5～1.8倍，極限拉伸（即開開裂強度）可達4.6MPa。延伸率提高2倍左右，抗壓強度提高1.3倍，抗剪強度提高1.5～2倍。此外鋼纖維混凝土的韌性是普通混凝土的40～200倍，耐沖擊性能約為普通混凝土的5～10倍。

    復(fù)合材料的變形性能包括拉伸、壓縮、剪切、扭轉(zhuǎn)、彎曲、轉(zhuǎn)角等。近年來纖維增強的耐熱材料獲得進展。這些新成就展現(xiàn)了鋼筋混凝土朝著提高韌性方面研究的廣闊前景。

    一項新技術(shù)的發(fā)展不可缺少的條件是經(jīng)濟效益，在大量應(yīng)用中必須考慮這一因素。鋼纖維混凝土在力學(xué)性能方面具備很大優(yōu)點，但一般來說，其造價比較昂貴，目前只在特殊工程中獲得應(yīng)用。

    近年來國外關(guān)于微膨脹混凝土的研究與應(yīng)用有新的發(fā)展，特別是用在一些中小型工程上效果比較顯著。其主要的問題是膨脹穩(wěn)定性，有些材料不易達到控制微膨脹的施工要求；有些材料早期膨脹，后期收縮；有些則徐彎太大，應(yīng)力松馳頗多，預(yù)膨脹壓應(yīng)力。其最終結(jié)構(gòu)達不到長期收縮的補償目的。關(guān)于這類材料的穩(wěn)定性方面的改善問題還要做許多工作，特別注意早期微膨脹產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力被早期徐變松馳的缺陷。新材料的開發(fā)固然是很重要的一方面，但正如本書的基本觀點，控制裂縫是必然綜合結(jié)構(gòu)、施工、材料、地基基礎(chǔ)、環(huán)境諸多因素的綜合技術(shù)。應(yīng)特別重視材料試驗條件與實際結(jié)構(gòu)狀況的差異。