構(gòu)造鋼筋控制非荷載裂縫產(chǎn)生與發(fā)展的機(jī)理研究

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摘 要：選取鋼筋與混凝土單元，建立基本方程，并引入相應(yīng)的辯解條件，推導(dǎo)了混凝土的應(yīng)力應(yīng)變分布 規(guī)律 、裂縫寬度隨配筋率的變化規(guī)律，為揭示構(gòu)造鋼筋控制非荷載裂縫的產(chǎn)生和 發(fā)展 機(jī)理提供了 理論 依據(jù)。算例表明，選擇滑移剛度較大的螺紋筋能有效地控制裂縫的寬度，細(xì)密的配筋有利于改善混凝土內(nèi)部應(yīng)力的不均勻性從而提高混凝土的極限拉應(yīng)變。 

  關(guān)鍵詞：構(gòu)造；裂縫；機(jī)理； 研究     1引言    建筑結(jié)構(gòu)在其使用過程中承受兩類作用，靜荷載、動(dòng)荷載和其它荷載，稱為直接作用；溫度、收縮、不均勻沉降等則稱為間接作用（即非荷載作用）。調(diào)查資料表明，由荷載引起的裂縫僅占20%左右，尚有約80%的裂縫是由非荷載作用引起的。構(gòu)造配筋對裂縫發(fā)生發(fā)展的控制作用往往由以下兩點(diǎn)來定性解釋：一方面，配筋可以提高混凝土的極限拉伸應(yīng)變，從而提高混凝土的抗裂能力，這一點(diǎn) 目前 已經(jīng)得到普遍認(rèn)可[1，2]，另一方面，配筋可以有效的減小開裂處混凝土的應(yīng)變集中從而有效控制裂縫寬度[3]，因?yàn)榱芽p的寬度與結(jié)構(gòu)開裂過程中所釋放的拉應(yīng)變成正比，一旦開裂，必然在開裂區(qū)附近形成應(yīng)變集中，應(yīng)變集中程度越高，在相同條件下，裂縫寬度越大[4]。    為了能為裂縫控制設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，構(gòu)造鋼筋對非荷載裂縫的控制不能僅僅停留在定性的闡述上，必須從定量的理論上加以研究，這就涉及到混凝土的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律、裂縫寬度隨配筋率的變化規(guī)律等 內(nèi)容 。    2構(gòu)造配筋控制裂縫的產(chǎn)生    配筋能否控制或者延遲裂縫的產(chǎn)生曾經(jīng)是一個(gè)比較有爭議的 問題 。一種觀點(diǎn)認(rèn)為，配筋對混凝土的極限拉伸沒有 影響 ，反而加大了混凝土的自約束應(yīng)力；另一種觀點(diǎn)則認(rèn)為，配筋可以提高混凝土的極限拉伸，在配筋率較低的情況下，配筋引起的自約束應(yīng)力是很小的，可以忽略不計(jì)。所以，問題的關(guān)鍵是，配筋能否提高混凝土的極限拉伸；另一方面是配筋是否會(huì)引起一個(gè)過大的自約束應(yīng)力，從而導(dǎo)致裂縫的過早出現(xiàn)。     文獻(xiàn) [1][2][4][5]中認(rèn)為配筋可以提高混凝土的極限拉伸，從而提高混凝土的抗裂能力，文獻(xiàn)[1]給出了合理配置構(gòu)造配筋混凝土極限拉伸的經(jīng)驗(yàn)公式      （1）    式中， 為配筋后的混凝土極限拉伸；      為混凝土抗裂設(shè)計(jì)強(qiáng)度；p為截面配筋率  ；d為鋼筋直徑(cm)。    上述公式為經(jīng)驗(yàn)公式，各參數(shù)無量綱代入。上式可以用來估算配筋對混凝土極限拉應(yīng)變的貢獻(xiàn)。 分析 公式可見合理配筋就是要“細(xì)、密”。故配筋可起到有效控制裂縫產(chǎn)生的作用。    3構(gòu)造配筋控制裂縫的開展    在樓板開裂之后，配筋的主要作用表現(xiàn)為對裂縫發(fā)展的控制作用，即不同的配筋率對已有裂縫寬度的控制作用和對次級裂縫的限制作用[6]。    3.1 鋼筋和混凝土的滑移規(guī)律    假定兩端的固支約束構(gòu)件受到溫降值為 的非荷載溫降作用，則鋼筋和混凝土的單元應(yīng)力分布如圖1。     上面雖然得到了混凝土在長度方向上的應(yīng)力-應(yīng)變分布 規(guī)律 ，但所給出的函數(shù)關(guān)系過于復(fù)雜，不便于發(fā)現(xiàn)規(guī)律。所以下面給出一系列實(shí)際情況下的 計(jì)算 結(jié)果，然后結(jié)合計(jì)算結(jié)果分別進(jìn)行討論。計(jì)算實(shí)例的初始條件均為，當(dāng)量溫度（混凝土的其他收縮可以 參考  文獻(xiàn) [6]轉(zhuǎn)化為當(dāng)量溫度）降低為25℃，鋼筋的直徑 ， ，    圖2給出了混凝土應(yīng)力在長度方向上的分布規(guī)律。可以看出：①混凝土在裂縫附近存在一個(gè)應(yīng)力過渡區(qū)，在該過渡區(qū)之外，混凝土的應(yīng)力分布是非常均勻的，這與許多學(xué)者的基本假設(shè)是吻合的。②應(yīng)力均勻區(qū)中，混凝土的應(yīng)力大小與鋼筋和混凝土圖3混凝土應(yīng)力在長度方向上分布規(guī)律與滑移剛度有關(guān)，滑移剛度越大，混凝土應(yīng)力越大。因此，對要求嚴(yán)格控制初始裂縫的，可以考慮采用滑移剛度較小的光圓鋼筋，而對初始裂縫不是特別敏感，但對裂縫寬度要求較高的工程，就應(yīng)盡量選擇滑移剛度較大的螺紋筋。    圖3給出了應(yīng)力均勻區(qū)的混凝土應(yīng)力隨著配筋率增加的變化情況，可以看出：①隨著配筋率增加，混凝土內(nèi)的應(yīng)力明顯增加。這就使得混凝土可能在已有裂縫的鄰近區(qū)域很快地達(dá)到混凝土的極限抗拉強(qiáng)度，從而引起次級裂縫。這樣，隨著配筋率的增加，鋼筋混凝土構(gòu)件的裂縫間距變小了，裂縫變密。②類似于圖3，的增加提高了應(yīng)力均勻區(qū)的混凝土應(yīng)力。    圖4給出了應(yīng)力均勻區(qū)的混凝土應(yīng)力和所配置的鋼筋直徑之間的關(guān)系（配筋率為1.0%）。從力學(xué)方面看，改變鋼筋的直徑對控制裂縫作用不明顯。試驗(yàn)和實(shí)際所證明的配置細(xì)密的鋼筋有利于控制裂縫，主要還是應(yīng)該從細(xì)密的配筋有利于改善混凝土內(nèi)部應(yīng)力的不均勻性從而提高混凝土的極限拉應(yīng)變的角度上考慮。    3.3 裂縫寬度隨配筋率的變化規(guī)律    由于鋼筋的中截面并沒有位移，所以裂縫寬度其實(shí)就是混凝土在整個(gè)長度方向的滑移總和，即    圖5給出了混凝士的裂縫寬度隨配筋率的變化規(guī)律。可以看出：①裂縫的擴(kuò)展寬度和裂縫的配筋率近乎成線性關(guān)系，說明增加配筋對控制裂縫的擴(kuò)展，效果是明顯的。②在相同的配筋率條件下，增加鋼筋和混凝土之間的滑移剛度可以減小裂縫寬度。    4結(jié)論    要求嚴(yán)格控制初始裂縫的，可以考慮采用滑移剛度較小的光圓鋼筋，而對初始裂縫不是特別敏感，但對裂縫寬度要求較高的工程，就應(yīng)盡量選擇滑移剛度較大的螺紋筋。    從力學(xué)方面看，改變鋼筋的直徑對控制裂縫作用不明顯。試驗(yàn)和實(shí)際所證明的配置細(xì)密的鋼筋有利于控制裂縫，主要還是應(yīng)該從細(xì)密的配筋有利于改善混凝土內(nèi)部應(yīng)力的不均勻性從而提高混凝土的極限拉應(yīng)變的角度上考慮。    參考文獻(xiàn)：    [1] 王鐵夢.工程結(jié)構(gòu)裂縫控制[M].北京： 中國 建筑 工業(yè) 出版社,1997.197~208.    [2] 趙國藩，李樹瑤.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫控制[M].北京：海洋出版社,1991.67~71.    [3] 林宗凡.鋼筋混凝土受彎構(gòu)件裂縫寬度允許值的直接控制[J].工業(yè)建筑，1988, 6(11)：41~47,53.    [4] G.Creazza and S.Russo.A New Model for predicting Crack With Different Percentages of Reinforcement and Concrete Strength Classes. Materials and Structures, Vol.32, August-September 1999,520~524.    [5] G.F.Kheder. A New Look at Control of Volume Change Cracking of Base Restrained Concretr Walls.ACI Structural Journal,V.94,nO.3,May-June,1997 681~724.    [6] 丁大鈞.鋼筋混凝土構(gòu)件抗裂度、裂縫和剛度[M].南京：南京工業(yè)出版社.1986（7）：87~92.    [7] 江見鯨.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)非線形有限元 分析 [M].西安：陜西 科學(xué) 技術(shù)工業(yè)出版社,1994. 74~85.