混凝土受弯构件因自重荷载引起裂缝的分析

混凝土受弯构件因自重荷载引起裂缝的分析
摘要：混凝土受弯构件常出现因自重引起的裂缝，影响构件的正常使用，本文通过对裂缝形成的过程和对自重荷载作用下钢筋混凝土梁底部裂缝规律的初步认识，研究了板底出现裂缝的情况，并提出处理裂缝的方法。

关键词：裂缝；混凝土；受弯构件；自重
引言
混凝土材料均存在抗拉强度低、脆性大、易开裂等问题，限制了它在工程中的更广泛应用，混凝土开裂已成为一个很突出的问题。

桥梁工程中混凝土开裂是一个非常普遍的现象，它不仅影响桥梁外观，而且严重影响了桥梁的耐久性。

有些梁通常在施工过程中或交付使用前就发生了开裂，原因难以分辨，常常导致混凝土供应商、施工方和设计方之间争吵不休。

而近来河南一工地发现部分预制的钢筋混凝土梁板，在起吊、运输、安装的过程中因自重荷载不同程度的引起梁板底出现裂缝。

缝宽肉眼可见，每块构件的裂缝有的仅1-2道，有的多达7-8道，有的缝长十几厘米，有的整个底面横向贯通，个别的延长十几厘米到上侧面几厘米，这个案例警示我们要重视混凝土受弯构件中的裂缝问题。

1.裂缝形成的过程
普通钢筋混凝土梁的裂缝发展可以分为发生、发展以及稳定三个阶段：
1.1裂缝的发生
混凝土裂缝发生是指荷载加到梁体开裂荷载时，混凝土应力超过混凝土极限抗拉应力，混凝土产生开裂，产生首批裂缝。

这批裂缝随着荷载增大而不断发展，在达到极限状态时通常是发展高度最高，宽度最宽的裂缝。

裂缝产生瞬时，裂缝产生处以及相邻裂缝之间的混凝土应力得到不同程度释放，而裂缝处以及相邻裂缝之间的钢筋应力有不同程度的增加。

1.2裂缝的发展阶段
随着荷载增加，最先产生的首批裂缝继续发展。

同时之前由于混凝土开裂而得到一定应力释放的裂缝之间的混凝土应力也逐步增大，当混凝土应力达到混凝土抗拉强度时，在首批裂缝相邻两裂缝中间位置附近混凝土再次产生开裂，此时产生的裂缝可以称为次裂缝。

裂缝发展阶段是一个裂缝数目逐渐增多，长度逐渐增长，宽度逐渐增宽，间距逐渐减小的过程。

1.3裂缝的稳定阶段
裂缝的数量基本不再增加，只是随着荷载的增大，原有裂缝在宽度、长度上有一定的发展，此时裂缝进入稳定阶段。

设计时，假设混凝土是匀质材料的弹性体，当前公路桥梁的设计方法是极限状态法，对于受弯构件都以三阶段工作状态(图1)为建立计算方法的依据，不过是容许应力法是依据第Ⅱ阶段，极限状态法是依据第Ⅲ阶段。

这种细微裂缝应该出现在第Ⅱ阶段。

因为，第Ⅰ阶段，当在较小荷载的作用下，整个受弯截面参加工作，受拉区的拉力由钢筋和混凝土共同承担，一直到混凝土达到抗拉极限强度之前(即受拉区混凝土边缘出现裂缝的临界点)。

第Ⅱ阶段是荷载继续增加，受拉区混凝土应力超过抗拉极限强度而出现裂缝，并随着荷载的继续增加而扩大增多，受拉区混凝土逐步失去作用，全部拉力转由钢筋承担。

钢筋和混凝土在第Ⅰ阶段共同受力，并不等于钢筋和混凝土两者的应力相等。

原因在于两者弹性模量相差很大，两者应变不同，处在同一截面中的钢筋和混凝土，就像一个超静定结构，任何一个力的位移都会使力系重新调整，钢筋和混凝土分担的力的大小和他们各自的变形密切相关。

钢筋受力后产生的变形，决定混凝土的变形以及相应的混凝土拉应力。

所以，只有当钢筋引起的变形达到混凝土的极限变形值时，混凝土的应力才能达到极限抗拉强度，进入开裂状态。

2.钢筋混凝土受弯构件裂缝成因
从变形的角度看，混凝土的极限拉应变是相当小的。

由于混凝土组成材料的不均匀性，构成了混凝土在临近破坏阶段时测试数据的不稳定，再加上目前的测试手段还不完善，在受拉破坏临界点附近的应力和应变变化范围很大。

试验值高出计算值(也是目前所使用的)很多。

可达到4.4-1.7倍，之所以这样是为设计留安全余量。

由钢筋在弹性阶段应力和应变成比例关系推论可得:当钢筋拉应力达到其抗拉强度的11.7%-17.6%时，其相应的混凝土拉应变已经达到混凝土弯拉极限应变值εh=2×10-4-3×10-4。

如构件荷载继续增加使钢筋拉应力和应变同时增加时，混凝土截面的最薄弱部位必将开裂而出现裂缝。

根据《公路桥规》及上述数据试算的两组结果比较，按规范Rwl值计算的要低得多些，最大值接近于按变形分析值11.7%-17.6%范围的低值;按前苏联参考值计算的结果，更为接近一些，但可以概括为当实际荷载达到接近百分之十几时，受拉区边缘的混凝土就会开裂。

混凝土因抗拉能力低会过早地出现裂缝，究竟实际荷载达到什么程度时混凝土会开裂，由于问题比较复杂，难以取得精确数据。

经过对一些实例的分析研究，大体上可以认为当实际荷载达到设计荷载的10%-20%时，就有可能出现裂缝，这些刚出现的裂缝，肉眼是难以察觉
3.自重作用下受弯构件的开裂规律
表1各种结构型式的钢筋混凝土梁、板桥的梁板自重弯矩占设计最大弯矩[M ]的百分比
根据表1数据，则可知构件有一部分会出现裂缝，但问题并不能仅以此数据来确定，关键还在于我们对εhmax了解的不够，以及混凝土的不均匀特性所带来的不确定性，所以即使做到M自/[M]小，也不能保证百分之百的没有开裂现象，但肯定不会大批出现。

根据资料，各种结构型式的钢筋混凝土梁、板桥的梁板自重弯矩占设计最大弯矩[M]的百分比，如表2，表内M恒系指包括梁、板自重及桥面铺装、栏杆等桥面系恒载在内。

表内数据仅供参考。

表2不同钢筋混凝土梁板自重弯矩占最大弯矩的百分比表
裂缝易出现在应力集中或变化较大的部位，较常见的是跨中附近和主筋按弯矩包络图弯起或切断的钢筋截面变化点附近。

斜向的缝比较少见，因为它需要由双轴向的应力来引起。

裂缝的出现和缝的宽度与钢筋的关系大体为:钢筋直径小、排列密、表面轧有各种花纹者，以及配筋率高者不易开裂，即便开裂，缝宽也较小。

箍筋下面的位置最易开裂。

钢筋混凝土受弯构件裂缝形成过程是荷载引起的钢筋变形，超过了混凝土的抗拉极限变形，此时受拉区底部将出现裂缝。

为了求得准确的结果，必须先求得混凝土受拉极限变形值εhmax。

在求得真实可靠的εhmax值的基础上，当M自<M恒时，混凝土一般不会开裂，否则将产生裂缝，不论预制的还是现浇的受弯构件，在设计中都应考虑这一问题，提前予以解决。

4.裂缝影响及处理方法
《公路桥规》规定的各类荷载组合都包括活载在内，在对钢筋混凝土受弯构件裂缝验算的规定中，也未要求对恒载阶段进行验算。

最不利荷载组合对构件的全部工作时间来说，仅占极短暂时段，而恒载是不可改变且长期作用的，如在恒载下构件就已开裂成足以产生危害的裂缝，其危险可想而知。

我们认为如能控制恒载阶段的裂缝情况，将是很有意义的，因此《公路桥规》修订时增加恒载阶段的防裂验算的要求，并规定相应允许裂缝的宽度是非常必要的。

出现裂缝时，缝宽大于0. 2mm时可以凿注入嘴，沿缝贴胶条将表面密封后，用压力注入低粘性的环氧树脂砂浆加以封闭，缝宽小于0.1mm时可以不加修复或在表面涂复环氧树脂涂料，缝宽0.1-0.2mm时可在混凝土表面沿裂缝凿出V 形或U形槽，彻底清扫后用树脂砂浆充填修补。

修补完的裂缝是否再次开裂，
取决于补缝充填物的抗拉强度和抗变形能力，两者相比还是抗变形能力比较重要，特别是它的耐久性。

对受弯构件来说，自重产生的裂缝一般不至于影响其受力性能，但并不是说对构件的长久使用没有影响。

我国桥涵施工规范规定如有裂缝，其宽度不大于设计规范有关规定。

规范未限制裂缝数量而限制了宽度，因为裂缝是客观存在，现在的技术手段还不能消除。

其所以限制宽度，是为了防止有害气体和水分从裂缝处进入混凝土内部，直接腐蚀钢筋，而导致结构破坏，工程中不乏这样的教训。

因自重引起的裂缝一旦形成，不可能愈合，钢筋的变形将在此基础上继续扩大，导致裂缝加宽，对防锈蚀和构件的疲劳都是不利的，我们不希望构件在自重弯矩下开裂，最好应在恒载阶段不开裂，不至于过早形成永久存在的裂缝。

因此，应尽力避免。

结语
钢筋混凝土预制梁(板)在施工、吊运、安装过程中，因自重荷载引起的底部裂缝虽然是极个别现象，但如果在施工图设计、施工阶段产生裂缝，将会接影响构件的使用，应尽量避免。

一旦发生，应认真分析原因，采取相应的积极措施来处理，使构件在《规范》规定的范围内正常发挥作用。

在恒载阶段不出现裂缝或裂缝极为细小，当加上活载后当然会出现裂缝或导致原有裂缝的扩大，活载撤除以后，裂缝又会恢复到接近原来的状态，每次加载、卸载后都会有残留的塑性变形积累，这一过程是比较漫长的。

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