淺談混合結構現(xiàn)澆樓板開裂過程鋼筋作用分析

董春文

【摘 要】目前，在我國大多數(shù)城鎮(zhèn)房屋建設中，現(xiàn)澆樓板仍是其樓蓋的主要結構形式。全國各地實際使用情況表明，現(xiàn)澆樓板取代過去常用的預制空心板后，樓板裂縫并沒有減少，反而經常出現(xiàn)，發(fā)生率較高，且多為貫穿性裂縫。

【關鍵詞】材料；結構設計；施工工藝；管線埋設；構造處理；外部環(huán)境及施工管理

研究表明，開裂原因與多種因素有關，主要包括：材料、結構設計、施工工藝、管線埋設、構造處理、外部環(huán)境及施工管理等。這些因素相互關聯(lián)，導致結構設計人員即使嚴格遵照最新設計規(guī)范進行設計，仍難以避免現(xiàn)澆樓板裂縫的出現(xiàn)。考慮到混合結構仍是我國中低層房屋的主要結構形式之一，本文從結構的角度，研究混合結構現(xiàn)澆樓板在混凝土約束收縮作用下產生裂縫的過程中，鋼筋應力的變化特點，對嵌墻的現(xiàn)澆樓板鋼筋應力狀態(tài)進行定量分析，了解鋼筋的抗裂作用，驗證我國現(xiàn)行混凝土規(guī)范相關構造規(guī)定的合理性，并對裂縫控制方法和裂縫修補方法提出相關建議，供設計和施工參考。

1.混合結構現(xiàn)澆樓板鋼筋應力數(shù)值法分析

1.1有限元模型建立

有限元模型參造工程實際和已有試驗模型建立，考慮常規(guī)的每層設圈梁、構造柱的情況。為減少溫度應力影響和較好地反映房屋各大角實際情況，各模型樓板均為單跨方板，其結果將偏保守。試驗模型按實際工程的典型尺寸取下限值，各構件尺寸確定為：板（3.0m長×3.0m寬×0.1m厚）；圈梁（0.24m寬×0.3m高）；墻（0.24m厚）。配筋為：樓板（正、負鋼筋均為Φ8@200，負筋從支座向跨中伸入750mm）；圈梁為（4Φ14/Φ6@200）；構造柱（4Φ14/Φ6@200）。對各試驗樓板連續(xù)觀測了近6個月。在拆模并停止?jié)耩B(yǎng)護后2-3個月間，所有試驗樓板均出現(xiàn)了數(shù)量和形態(tài)相近的貫穿性板角45度斜裂縫。試驗量測了板面距內墻角100-500mm區(qū)域混凝土對角線方向的平均應變。

采用大型通用有限元軟件ANSYS進行非線性有限元分析。材料參數(shù)也取與實測值相同，利用對稱性，只需建立原模型的1/4即可，邊界條件處理為：上部墻體頂面施加上部結構傳來的豎向荷載，無水平約束；下部墻體底面各節(jié)點施加豎向位移約束，底面內角點處的節(jié)點施加兩個方向的水平位移約束，以防止模型發(fā)生整體平動；考慮到墻體對現(xiàn)澆樓板的約束作用主要為側向約束，經過多次計算表明，墻體高度對分析結果影響很小，因此，有限元模型的上、下墻體各取600mm高。

圈梁、構造柱中的構造鋼筋折算成相應混凝土單元三個方向的單位體積含筋率來反映；樓板采用分離式有限元模型；為使鋼筋單元與混凝土單元共節(jié)點，在不改變配筋率的情況下，對鋼筋直徑和間距作了少量調整；樓板混凝土單元尺寸為80mm×80mm×25mm，可滿足精度和計算效率要求；非線性計算的收斂準則共同控制，收斂允許值分別為0.01和0.02；混凝土的收縮用等效降溫收縮的辦法來模擬。

其中，Solid65單元為三維8節(jié)點混凝土單元，采用W-W五參數(shù)破壞準則和該單元特定的本構關系，可以模擬混凝土壓碎和開裂以為開裂后應力重分布和抗拉強度變化等特征；它通過賦予體積含筋率的方式考慮混凝土內鋼筋的作用，但不考慮鋼筋的抗剪能力。本次分析的樓板除自重和約束收縮應力外，不受其他外力作用，剪切力和剪切變形不大，樓板內的鋼筋不考慮其抗剪貢獻是合理的。Link8為桿單元，可模擬鋼筋單軸受拉或受壓的狀態(tài)；Solid45是與Solid65相近的三維8節(jié)點塊體單元，但不能模擬混凝土的特征。

1.2樓板開裂前后鋼筋應力的變化

有限元分析得知，樓板在拆模并停止?jié)耩B(yǎng)護后第67d開始出現(xiàn)裂縫，因自重作用產生的應力較約束收縮應力小很多，所以板頂負筋的應力大小、分布與對應位置板底正筋的差別不大，這里僅取板底正彎矩鋼筋的應力分布作比較。

樓板開裂前，樓板內的鋼筋因混凝土收縮擠壓而全部受壓，但壓應力小于鋼筋受壓屈服強度；伸入周邊支座內的鋼筋段因受樓板牽拉而均受拉，但拉應力不大。樓板開裂后，板中鋼筋在裂縫處的局部區(qū)段轉為受拉，但拉應力仍小于鋼筋受拉屈服強度，但離開裂縫的其余未開裂區(qū)域的鋼筋仍然受壓，且因裂縫兩側混凝土回縮，使未開裂處的鋼筋壓應力稍有增大，并與鋼筋中的拉應力取得平衡；伸入周邊支座內的鋼筋段的拉應力也因裂縫處拉應力釋放而下降，并可轉而受壓。

2.計算結果驗證

試驗中對鋼筋應力的量測較為困難，因此通過其他結果間接地驗證數(shù)值模擬結果的準確性：（1）裂縫出現(xiàn)的時間：試驗開裂時間約為拆模并停止?jié)耩B(yǎng)護后68d左右就出現(xiàn)大部分裂縫；（2）裂縫形態(tài)：試驗樓板和有限元樓板模型的裂縫全部都是貫穿性板角45度斜裂縫；（3）裂縫出現(xiàn)范圍和后期發(fā)展：試驗樓板所有裂縫位于距內墻角120-170mm的區(qū)域內，其他區(qū)域沒有裂縫出現(xiàn)，開裂后短期內縫寬稍有增大，但其后3-4個月未見有變化；有限元樓板的裂縫出現(xiàn)在距內墻角140-680mm范圍，也是在短期內大量出現(xiàn)，其后發(fā)展變化不明顯；（4）將板角對角線方向應變的試驗量測結果與有限元結果比較，發(fā)現(xiàn)兩者均為隨時間增長的拉應變，試驗數(shù)據(jù)的擬合曲線與有限元結果的曲線變化趨勢相近，臨近開裂的應變數(shù)值平均相差8.3%，說明有限元結果具有足夠的準確度。

3.結論與建議

（1）對于嵌入墻體的現(xiàn)澆板，按現(xiàn)行混凝土設計規(guī)范第10.1.7條規(guī)定的構造要求進行配筋，基本能覆蓋板角斜裂縫可能出現(xiàn)的范圍；因樓板開裂后，裂縫處的鋼筋將承受一定拉應力，為不降低樓板承載力，規(guī)范第10.1.9條規(guī)定的板角區(qū)域增大配筋量的要求也是合理的。需要注意的是，如按“（直徑）細而（間距）密”的原則來選配鋼筋，不但可以減小裂縫寬度，還可使裂縫分布更趨均勻。

（2）鋼筋對防止現(xiàn)澆樓板開裂的作用有限，它的主要作用是輔助混凝土抗拉、傳遞拉應力、使裂縫分布均勻化和減小裂縫寬度。

（3）混合結構房屋現(xiàn)澆樓板裂縫以板角45度貫穿性斜裂縫為主。導致樓板開裂的主要原因為樓板混凝土收縮受周邊圈梁、墻體約束，產生超過混凝土抗拉強度的主拉應力；從樓板混凝土停止?jié)耩B(yǎng)護開始后60-90d左右，樓板開裂的可能性較大。此前可采用如下方法控制裂縫發(fā)生：減小混凝土收縮，如減小水灰比、加強混凝土的養(yǎng)護、使用膨脹劑等；利用混凝土徐變和應力松弛效應減小混凝土拉應力，如延長養(yǎng)護時間、推遲拆模時間、避免過早突然加載等。

（4）裂縫出現(xiàn)后不再有明顯發(fā)展，但考慮到使用荷載的變化，裂縫寬度會發(fā)生變化，所以補縫應盡量選用柔性好、粘結力強的材料。 [科]