一丁分析研究——减轻温度裂缝初探

减轻超静定构件在混凝土收缩应力和温度日较差降温时的温度应力共同作用下裂缝病害的初探

一丁 2005年8月写于银川 E-mail:yiding52@gmail.com QQ:597240656）

时下许多超静定钢筋混凝土结构水平构件，在混凝土硬化过程中，收缩裂缝发生，这些收缩裂缝在降温时的温度应力作用下发展。

钢筋混凝土受弯构件的试验研究表明，构件在开裂时的弯矩只是破坏弯矩的20%左右。对于民用建筑工程，施工期间的构件自重和施工荷产生的弯矩，已远大于此数值，所以许多一般水平受弯构件在在填充墙砌筑之前，已经开裂。

“由于结构在外荷载作用下的破坏和倒塌是从裂缝扩展开始的，因此人们对裂缝往往产生一种建筑破坏的恐惧感，是可以理解的。早在1932年，前苏联А.флолейт教授的钢筋混凝土强度理论就指出,如正常配筋受弯构件的破坏状态是指受拉区钢筋到达屈服强度，受压区混凝土到达受弯的抗压强度，此状态称为承载力极限状态。这一状态全过程是伴随着荷载的不断增加，裂缝出现(钢筋应力只有40～60MPa)，裂缝扩展，受压区塑性不断发展，最后达到完全破坏。此时破坏荷载往往是裂缝出现荷载时的3～5倍，因此，很多大型钢筋混凝土结构，仅仅自重就超过了极限荷载的30%,在此条件下钢筋混凝土结构带有轻微裂纹是完全正常的，结构是安全的，恐惧是不必要的。”【1】

“大家知道，钢筋混凝土结构是由石头、砂子、水泥和水组成的，是一个混合起来的东西，相互之间有一定的缝隙。加上混凝土中的水??每立方米混凝土中有约200公斤的水，充满在混凝土当中，占用一定的空间。当这些水挥发以后，就留下空间，形成实际上的缝。石头有时候本身也有裂隙，因为它是泵上来的。由此看来，混凝土天生就是会产生缝隙的材料。

“我们再看看另一个原因，这是一个技术上的原因，是一个导致钢筋混凝土结构的建筑物产生裂缝的更重要的原因。

“大家知道混凝土是脆性材料，由钢筋和混凝土结合在一块的，但钢筋却是韧性材料，它们两者在一起工作，弹性模量相差很大，如图所示，这还只是一般的情况。至于两者的强度差别就更大。因此，两种材料在一起共同发挥作用，只有牺牲混凝土，这时就必然产生裂缝。请看图，钢筋在下面，要使钢筋受力，如果每个平方公分受力1600～2000公斤，要保持不产生裂缝，那么弹性模量为1比5的话，混凝土必须承受400～500公斤的力，但我们知道一般的混凝土的抗压强度为每平方公分20公斤左右，因此，要使钢筋参加工作，比较多地承受力，混凝土势必裂开。”【2】

超静定钢筋混凝土大梁裂缝较多，但情况一般并不严重，全部是发生在梁腹部的竖向裂缝，每条裂缝都是两头尖，中间宽呈橄榄状，裂缝宽度一般为0.05～0.2mm。同一工程的裂缝宽度随构件所处的部位和混凝土的强度等级不同而不等。笔者在调研过程中，详细量测了某5×5跨框架（南北方向进深8.4m，由A、B、C、D、E、F等6榀框架；东西方向开间8m，由1、2、3、4、5、6等6榀框架）结构的裂缝，在同一楼层，东西方向梁的裂缝比南北方向梁的裂缝数量多，且裂缝宽度宽；中部各跨梁的裂缝比内部其他跨多而宽，边跨最轻。裂缝宽度从宽到窄降量排列依次为C、D轴→3、4轴→B、E轴→2、5轴→A、F轴→1、6轴。笔者认为这是符合超静定结构“作用按刚度分配的原则”??刚度愈大的分到的作用就愈大。这种现象在别墅类建筑的板类构件温度缝中也相当明显，即使双向板两个方向的尺寸只相差5%,也会发现平行于长边方向的裂缝比平行于短边方向的裂缝来得严重，或前者有、后者无，或前者宽、后者窄。另外我们还发现该工程3层梁的裂缝规律与其他各层相同，但是各部位的裂缝宽度都比其他楼层相应部位的裂缝宽度大，后来了解到，当时为抢进度，将3层梁板的混凝土强度等级由其他楼层的C30提高到了C40。

裂缝的发生和发展还有如下一些规律：
1、混凝土强度等级愈高，裂缝愈严重；
2、采用预拌（商品）混凝土比现场自拌混凝土的裂缝严重；
3、泵送混凝土比非泵送混凝土的裂缝严重；
4、超静定约束强的比超静定约束弱的混凝土的裂缝严重；
5、单位体积混凝土水泥用量多的，比水泥用量少的裂缝严重；
6、混凝土塌落度大的裂缝比混凝土塌落度小的裂缝严重。
7、裂缝的发生和发展还与“室内与室外”有关。室外构件受温度日较差影响比室内构件大。混凝土框架结构，在施工期间，由一个从室外向室内的变化过程，这个过程愈长，对构件愈不利。混凝土空框架长期没有围护，处于室外或半室外状态，“混凝土的进一步收缩，使构件的裂缝还要发生和发展。收缩应力和降温时的温度应力共同组合作用对自由结构体并不产生裂缝，对强约束(超静定)结构体产生拉应力，当拉应力大于混凝土的抗拉极限强度结构体就开裂【3】” 。一些因投资等原因，围护墙不能及时跟进的项目，在框架成型后到围护前的时间内，温度裂缝在不断的发展，所以一般“烂尾工程”在重新续建前，都要先进行大量的裂缝处理工作。

裂缝的发生和发展有综合性的原因：首先，在设计方面，遵循现有国家规范，现阶段结构的两种极限状态，承载能力极限状态和正常使用极限状态还未曾对超静定钢筋混凝土结构构件的收缩应力和降温时的温度应力共同组合作用给出定量的规定，因此结构设计上一般不考虑超静定结构的温度收缩应力，更不考虑结构较长时间暴露的温度收缩应力，只是人云亦云的采取一些“构造措施”，混凝土结构的理论和实践永远不能遏制裂缝的发生，但可以采取措施控制裂缝的发展。只要温度裂缝还在源源不断的发生和发展着，现行规范给出的构造措施就存在着缺憾，就有改良的空间。

以上笔者对超静定构件在混凝土收缩应力和温度日较差降温时的温度应力共同作用下裂缝病害发生的不可避免和展布规律进行了初探，对裂缝宽度超过0.2mm或0.3mm（按原设计约定）的，应予以封闭。笔者将继续不断地努力，竭力减轻混凝土非结构裂缝的病害。


参考文献

【1】王铁梦 冶金建筑研究总院 教授 博导 钢筋混凝土结构的裂缝控制

【2】转引自叶可明 上海建工集团总工 中国工程院叶可明院士 2002年11月19日在广东省顺德市华桂园学术会议厅的报告 钢筋混凝土的裂缝控制与处理

【3】转引自 上海宝钢工程指挥部副总工程师、宝钢建筑新技术研究发展中心董事长、冶金部建筑研究总院副院长、中国建筑学会地基基础学术委员、中国国际技术咨询公司专家委员、上海建委科技委地基基础委员会副主任、清华、交大、同济、西安建筑科技大学等兼职教授、博士生导师、高级工程师王铁梦先生1999年12月8日在笔者主持召开的上海某准烂尾工程复工前裂缝问题研讨会上的讲话。