國內(nèi)外混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范中裂縫控制的比較分析

楊君君，尹 磊

（武漢建筑材料工業(yè)設計研究院有限公司，武漢 430071）

近年來，國民經(jīng)濟的快速發(fā)展引起基礎設施的大量興建，公路鐵路、建筑結(jié)構(gòu)、水利港口等方面都需要大量的混凝土。隨著大量鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的興建，混凝土出現(xiàn)的裂縫問題越來越明顯且嚴重。通常情況下混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫會引起一系列問題，一方面，裂縫的存在減小建筑結(jié)構(gòu)的承載能力、耐久性以及結(jié)構(gòu)的整體防水性能，給建筑結(jié)構(gòu)的安全使用帶來一定程度的影響；另一方面，影響結(jié)構(gòu)的外觀，弱化結(jié)構(gòu)的整體美觀。以隧道結(jié)構(gòu)為例，混凝土裂縫的存在一方面給隧道的安全運營帶來安全隱患，同時影響了結(jié)構(gòu)的防水性，導致隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)形成流水通道，給隧道內(nèi)行車安全帶來嚴重影響。同時，裂縫的存在給隧道結(jié)構(gòu)的承載能力、安全使用年限以及結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性造成潛在威脅?；炷亮芽p已成為學術(shù)界和工程界研究人員普遍關(guān)注的問題。

混凝土裂縫的存在導致每年都要在混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的維修和加固方面消耗大量的人力財力，給社會造成嚴重的資源浪費和經(jīng)濟損失。針對混凝土裂縫帶來的影響及威脅，世界上很多國家都制定了相應的規(guī)范準則對裂縫進行控制。從各國規(guī)范準則中對裂縫控制的要求來看，裂縫寬度的計算是各國規(guī)范準則中對裂縫控制的重要內(nèi)容。因此，該文從混凝土構(gòu)件出現(xiàn)裂縫的形成原因出發(fā)，結(jié)合各國規(guī)范準則內(nèi)容，對混凝土裂縫控制進行說明。

1 混凝土構(gòu)件裂縫成因

混凝土構(gòu)件在通常情況是帶裂縫進行工作的，混凝土構(gòu)件裂縫產(chǎn)生的原因，主要有以下幾個方面：

1）與混凝土結(jié)構(gòu)設計和結(jié)構(gòu)承受的荷載作用有關(guān)

混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設計斷面尺寸存在不足，或者結(jié)構(gòu)的配筋量不足、構(gòu)件中主要受力鋼筋的位置分布有誤。設計過程中對混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的溫度應力和混凝土自身收縮蠕變產(chǎn)生的應力預估存在不足；由于惡劣天氣引起的結(jié)構(gòu)構(gòu)件外荷載過大，如臺風、地震作用；由于鄰近施工引起的結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生差異性沉降導致的混凝土構(gòu)件出現(xiàn)裂縫等。

2）與混凝土結(jié)構(gòu)使用條件與所處的環(huán)境條件有關(guān)

大部分混凝土結(jié)構(gòu)都是在露天環(huán)境中使用，長期經(jīng)受風、雨、雷、電、日曬、冷凍等天氣情況，混凝土結(jié)構(gòu)所處的溫度、濕度條件發(fā)生變化，混凝土內(nèi)部發(fā)生凍融、凍脹等，導致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫。在火災、地震等災害作用下結(jié)構(gòu)承受高溫、動荷載，進而產(chǎn)生裂縫。此外，對于某些用作特殊用途的混凝土建筑物來講，在酸、堿、鹽等化學作用下，結(jié)構(gòu)發(fā)生腐蝕，導致裂縫的出現(xiàn)。

3）與混凝土結(jié)構(gòu)所使用的材料性質(zhì)以及材料的配合比有關(guān)

混凝土主要使用的材料為水泥、骨料以及一些特定的外加材料（添加劑）。當水泥存儲環(huán)境濕度或者溫度過高時，會導致水泥在水化過程中發(fā)生非正常凝結(jié)。當水泥中游離的氧化鈣、氧化鎂和其他一些含堿物質(zhì)的含量過高時，會導致水泥內(nèi)部發(fā)生非正常的膨脹，引起混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生鼓脹、內(nèi)部出現(xiàn)孔洞等。當混凝土的骨料級配不良，或者骨料中存在過大比例的雜質(zhì)（如含泥量過大）時，會直接導致混凝土強度不能滿足設計要求，在外荷載作用下必然出現(xiàn)裂縫，嚴重時甚至出現(xiàn)破壞。當混凝土使用材料配合比不當（如加水量、水泥用量的添加過多或者過少，砂率過大或者過小等），或者添加劑用量不當時，會直接影響混凝土的流動性、泌水性等性質(zhì)，導致混凝土強度不能達標，一旦形成受力構(gòu)件，必然產(chǎn)生裂縫。

4）與混凝土施工工藝、管理水平等因素有關(guān)

對于使用了添加劑的混凝土，在攪拌過程中一定要拌合均勻，這必然會出現(xiàn)攪拌時間過長或者過短，或者拌合到澆筑這一階段的間隔時間過長的情況，從而引起混凝土分崩離析，影響混凝土使用質(zhì)量?；炷林饕芰︿摻?、箍筋以及預埋件之間的錨固質(zhì)量需要得到保障，在混凝土澆筑過程中必然會對這些部件產(chǎn)生擾動。澆筑過程中要保證保護層的厚度，不然因為保護層厚度不夠而出現(xiàn)鋼筋外漏，影響結(jié)構(gòu)的正常使用。

施工過程中，混凝土的澆筑順序、澆筑的均勻度，混凝土在泵送過程中由于長距離運輸引起的混凝土在保水性、流動性方面的弱化，需要通過加入一些特定的添加劑來保證，避免出現(xiàn)混凝土因搗實不良引起的塌落度過大、骨料出現(xiàn)泌水、下沉等問題，直接影響混凝土的澆筑質(zhì)量。在混凝土的后期養(yǎng)護過程中，避免混凝土結(jié)構(gòu)在完全硬化前承受外荷載作用，養(yǎng)護應保證必要的時間和溫度、濕度，避免因為日曬、風吹、雨淋等天氣變化而導致混凝土養(yǎng)護質(zhì)量不到位。對于大體積的混凝土構(gòu)件，由于澆筑過程中其內(nèi)外部溫度會存在一個較大的差異，因此，需要采取一定的澆注工藝來保證混凝土的澆筑質(zhì)量，避免由于溫差效應導致混凝土內(nèi)部出現(xiàn)裂縫。

2 國內(nèi)外混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制的比較分析

1）國內(nèi)外混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范中裂縫控制的分類

設計規(guī)范中要求裂縫寬度的計算值不得大于規(guī)范的要求值，如日本02年規(guī)范和前蘇聯(lián)水工87年規(guī)范。同時，針對混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的表面設計有防滲水表層時，裂縫的寬度限制可以在一定程度上進行放寬。比如水工87規(guī)范中明確提出，可以通過提高混凝土的標號、增加鋼筋使用量或者調(diào)整鋼筋的種類和直徑，可設置防滲層。同時國標水工78規(guī)范也明顯提出，當裂縫寬度不滿足限制寬度時，不能單純的靠增加鋼筋來滿足。

部分規(guī)范中有僅通過構(gòu)造要求來實現(xiàn)限制裂縫寬度，同時，相關(guān)規(guī)范中一方面沒有計算裂縫寬度的方法，另一方面沒有明確給出裂縫寬度的限值。以美國ACI02規(guī)范和水工03規(guī)范為例，前者僅通過限制鋼筋間距等構(gòu)造要求來實現(xiàn)限制裂縫寬度，而后者則是通過限制高強度鋼筋和受拉鋼筋的最大配筋率等規(guī)定來實現(xiàn)裂縫寬度限制。英國97規(guī)范中也明確通過限制鋼筋間距等構(gòu)造要求來實現(xiàn)裂縫寬度控制。

歐洲國家的很多規(guī)范對裂縫寬度的控制進行了詳細的說明和規(guī)定，對控制裂縫寬度的方面也是有很多種方法的。例如，歐洲02規(guī)范明確給出了裂縫寬度的計算方法以及相應的裂縫寬度限制。同時明確不需要進行裂縫寬度驗算的情況，這些情況主要包括：薄板等構(gòu)件如果滿足最小配筋率要求，同時鋼筋間距和直徑在滿足相關(guān)規(guī)范的情況下可以不進行裂縫控制；限制受拉主筋的主應力來間接控制裂縫寬度。

2）國內(nèi)外混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范中裂縫寬度限制的比較

根據(jù)國內(nèi)外混凝土相關(guān)規(guī)范中對裂縫寬度限制的綜合比較分析可知，裂縫寬度限制在較小范圍內(nèi)，通常為0.1～0.4mm。不同的裂縫控制寬度限制與結(jié)構(gòu)構(gòu)件所處的環(huán)境條件有關(guān)系。這方面的規(guī)范中以前蘇聯(lián)水工87規(guī)范和歐洲02規(guī)范中的規(guī)定最為明顯。具體來說，對于處于環(huán)境條件較好的情況，裂縫寬度限制可以放寬到0.4～0.5mm；當處于最惡劣的環(huán)境條件下時，寬度限制可為0.05～0.10mm。

關(guān)于裂縫寬度限制，各國混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范針對不同的環(huán)境條件類別進行了分別說明，同時，其中只有兩部規(guī)范明確提出了裂縫寬度限制與保護層有一定的關(guān)系。如我國水工96規(guī)范在規(guī)范說明中，當保護層的厚度大于50mm時，裂縫寬度的限制可以增加到0.05mm。而日本02規(guī)范中提出裂縫寬度限制是與保護層厚度c成函數(shù)關(guān)系。

3）裂縫寬度計算公式的比較

裂縫寬度計算公式可以分為半理論半經(jīng)驗公式和數(shù)理統(tǒng)計公式。

其中，半理論半經(jīng)驗公式是根據(jù)對裂縫開展機理分析推導出理論計算公式，其中的某些系數(shù)則根據(jù)試驗或經(jīng)驗確定，如我國水工78規(guī)范、水工96規(guī)范、國家02標準、歐洲02規(guī)范均屬于此類。

數(shù)理統(tǒng)計公式是建立在大量實測資料的基礎上，對影響裂縫開展寬度的主要因素進行統(tǒng)計分析得出，前蘇聯(lián)水工87規(guī)范和香港98規(guī)范、公路04橋規(guī)的公式便屬于這一類。

3 結(jié) 語

混凝土出現(xiàn)裂縫會對結(jié)構(gòu)物的正常使用產(chǎn)生一定程度的影響，該文針對混凝土構(gòu)件出現(xiàn)裂縫的原因，從結(jié)構(gòu)設計、材料選用及配比、施工工藝及管理幾個方面進行了重點分析。同時，結(jié)合國內(nèi)外混凝土結(jié)構(gòu)設計所使用的規(guī)范，從裂縫寬度的計算方法、裂縫寬度的限值以及裂縫寬度的計算公式等方面進行了詳細比較分析。以期為從事混凝土結(jié)構(gòu)設計的相關(guān)人員提供一定參考。

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［2］ 電力部，水利部.水工混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范（DL/T 5057－1996），（SL/T 191－96）［S］.中國電力出版社，中國水利水電出版社，1997.

［3］ 交通部.港口工程混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范（JTJ 267－98）［S］.人民交通出版社，1998.

［4］ 鐵道部.鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范（TB 10002.3－99）［S］.中國鐵道出版社，2000.

［5］ 建設部.混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范（GB50010－2002）［S］.中國建筑工業(yè)出版社，2002.

［6］ 交通部.公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范（JTG D62－2004）［S］.人民交通出版社，2004.

［7］ ACI Committee 318.Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary（ACI 318－02）（ACI 318R－02）［S］.2002.

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［9］ British Standard，Structural Use of concrete－Part 2：Code of Practice for special circumstances（BS8110－1.1985），1985.

［10］British Standard，Structural Use of concrete－Part 1：Code of Practice for Design and Construction（BS8110－2.1997）［S］.1997.