高延性冷轧带肋钢筋混凝土板裂缝分析

  钢筋混凝土结构中，裂缝的控制涉及到结构的正常使用极限状各结构是否具有自好工作性能及安全性能，是一项非常重要的指标．如果构件仅按承载力的要求进行设计，虽然构件对于预防破坏具有足够的安全度，但其在使用荷载作用下的性能却不能满足要求。因此，构件在设计时不仅要满足强度的要求，还应保证其裂缝宽度值满足规范规定的要求。
   目前结构受力裂缝计算的理论方法主要有：粘结滑移理论、无滑移理论、半经验半理论方法．我国规范采用的是半经验半理论方法，即以理论为基础的实验回归方法。
  4.1板面裂缝分析
   钢筋混凝土构件的裂缝宽度和裂缝阃距影响因素众多，考虑到问题的复杂性，板面裂缝分析采用我国规范方法，即半经验半理论的方法。
为了便于进行裂缝观测测量记录，将板内部的钢筋进行编号，并且标出了每根钢筋距板边的距离，如图4.1所示为对6块板进行裂缝观测时的尺寸和钢筋编号示意图。   由于裂缝的发生会影响建筑物的使用，因此有必要研究裂缝的发生、开展和宽度规律。研究时平均裂缝宽度的确定须以平均裂缝问距为基础。裂缝宽度为裂缝间距范围内钢筋和混凝土的变形差，因此可由平均裂缝间距计算平均裂缝宽度，由平均裂缝宽度乘以扩大系数得到最大裂缝宽度。
  图4.2，4.3为两纵筋位置中间和纵筋位置处平均裂缝阃距和最大裂缝间距的对比图，图中数据是由实验实测值进行统计分析所得到的，从图中可以看出：开裂初期，最大裂缝问距和平均裂缝间距均较大；随着荷载的增大，裂缝数量增多，裂缝间距逐渐变小；荷载增大到一定值后裂缝间距趋于稳定。从图中还可以看出：距钢筋较远处，最大裂缝间距和平均裂缝问距均略大于钢筋处的裂缝间距。
  混凝土强度等级对高延性冷轧带肋钢筋混凝土板受弯构件裂缝间距的影响通过图4.4可以看出，在其它条件相同时，随着荷载的增大．BHl-l的最大裂缝问距和平均裂缝间距总比BHl-2小。表明混凝土强度等级较高时，CRB600H混凝土受弯构件最大裂缝间距和平均裂缝侧距均较大，从图中还可以看出混凝土强度高的板开裂较晚。   配筋率对高延性冷轧带肋钢筋混凝土板受弯构件裂缝间距的影响可以在混凝土强度等级影响的基础上进行分析。由混凝土强度等级对裂缝间距的影响可知应该是BHl-3前裂缝问距较大，而图4.5中反映的结果即恰恰相反，这是自于配筋率的不同引起的，表明配筋率对裂缝问距有很大的影响。纵筋直径一致时，纵筋间距小的配筋率大。从圈中可以看出BH1-2的最大裂缝涮距和平均裂缝恻距总比BHl-3大。表明配筋率较小时，CRB600H混凝土受弯构件最大裂缝间距和平均裂缝间距均较小。从图中还可以看出，配筋率对开裂荷载几乎没有影响。
  参观先行《冷轧带肋钢筋混凝土结构技术规程》的形式，对于配置高延性冷轧带肋钢筋的混凝土板类受弯构件的平均裂缝间距，可按下列公式计算：
  将相当荷载效应准永久组合弯矩和在荷载效应标准组合弯矩作用下平均裂缝间距的实测值与按（4.1）、（4.2）和（4.3）式得到的平均裂缝间距的计算值进行比较，计算结果如表4.1、4.2所示。
  试验结果表明，CRB600H高延性冷轧带肋钢筋混凝土板在正常使用状态下的平均裂缝间距可以按照《冷轧带肋钢筋混凝土结构技术规程》规定的公式（4.1）、（4.2）和（4.3）式计算。表4.1为在相当荷载效应准永久组合弯矩作用下平均裂缝间距的实测值与按《规程》规定的公式（4.1）、（4.2）和（4.3）式得到的平均裂缝间距的计算值的比较。表4.2为相当荷载效应标准组合弯矩作用下平均裂缝间距实测值与按《规程》规定的公式（4.1）、（4.2）和（4.3）式得到的平均裂缝间距的计算值的比较。
  从表4.1可以看出，在荷载效应准永久组合弯矩作用下平均裂缝间距的实测值与平均裂缝间距的计算值很接近；从表4.2可以看出，在荷载效应标准组合弯矩作用下平均裂缝间距的实测值与平均裂缝间距的计算值也很接近，说明CRB600H高延性冷轧带肋钢筋混凝土板在正常状态下的平均裂缝间距可以按照《规程》规定的公式（4.1）、（4.2）和（4.3）计算，并由一定保证率。即《规程》的平均裂缝间距计算公式式适用的。
  4.1.2裂缝宽度
  图4.6、4.7分别为两纵筋位置中间和纵筋位置处平均裂缝宽度、最大裂缝宽度对比，从图中可以看出：开裂初期，最大裂缝宽度和平均裂缝宽度均较小；随着菏载的增大，裂缝数量增多，裂缝宽度逐渐变大；荷载增大到一定值后裂缝宽度趋于稳定。从图中还可以看出：距钢筋较远处，最大裂缝宽度和平均裂缝宽度均略大于钢筋处的裂缝宽度。   混凝土强度等级对高延性冷轧带肋钢筋混凝土板受弯构件裂缝宽度的影响通过图4.8可以看出：在其它条件相同时，随着荷载的增大，BHl-1的最大裂缝宽度和平均裂缝宽度总比BHI-2大。说明混凝土强度等级较高时，CRB600H混凝土受弯构件最大裂缝宽度和平均裂缝宽度一般较小，从图中还可以看出混凝土强度高的板开裂较晚。
  配筋率对高延性冷轧带肋钢筋混凝土板受弯构件裂缝宽度的影响可以在混凝土强度等级影响的基础上进行分析。由混凝土强度等级对裂缝宽度的影响可知应该是BHI-3的裂缝宽度较小，而图4.9中反映的结果却恰恰相反，这是由于配筋率的不同而引起的，表明配筋率对裂缝宽度有很大的影响。纵筋直径一致时，纵筋间距小的配筋卑大．从图中可阻看出BHI-2最大裂缝宽度和平均裂缝宽度总比BHl-3大。表明配筋率较小时．CRB600H混凝土受弯构件最大裂缝宽度和平均裂缝宽度均较大。
  由于裂缝的最大开裂宽度会影响结构耐久性和建筑的观感，因此应该对最大裂缝宽度进行验算，裂缝间距范围内钢筋和混凝土的变形差既为裂缝宽度，所以可由平均裂缝间计算平均裂缝宽度，由平均裂缝宽度乘以扩大系数得到最大裂缝宽度，由此最大俩风宽度可表示为：   试验表明，CRB600H高延性冷轧带肋钢筋混凝土板正常使用状态下的裂缝宽度可按《混凝土结构设计规范》规定的公式（4.5）和（4.6）式计算。   表4.3为在相当荷载效应准永久组台弯矩作用下最大裂缝宽度的实测值与按(4.5)、(4.6)式得到的最大裂缝宽度的计算值的比较。表4.4为在荷载效应标准组合弯矩作用下最大裂缝宽度的实测值与按(4.5)、(4.6)式得到的最大裂缝宽度的计算值的比较。表4.3中数据表明，在荷载效应准永久组合弯矩作用下长期最大裂缝宽度的推算值与最大裂缝宽度的计算值相比均小于或者接近表4.4中数据表明。在荷载效应标准组合弯矩作用下长期最大裂缝宽度的推算值接近干最大裂缝宽度的计算值；说明CRB600H高延性冷轧带肋钢筋混凝土板正常使用状态下的最大裂缝宽度可以按照《冷轧带肋钢筋混凝土结构技术规程》规定的公式(4.5)和(4.6)计算，并有一定保证率。
  从表中还可以看出，在荷载教应准永久组合弯矩肌和荷载效应标准组合弯矩作用下最大裂缝宽度的宴测值和计算值均满足规范规定的裂缝宽度的控制要求(w≤0.3mm)，说明CRB600H高延性斗轧带肋钢筋混凝土板在正常使用状态下的裂缝宽度完全能够满足规范规定的裂缝控制要求。
  4.2板内裂缝分析
  4.2.l板内裂缝的测量
  试验采用的是如图4.10所示的板，长X宽X高尺寸为3300700X120，如图所示把板切开测量板内裂缝，其目的是观察扳面到板内钢筋表面范围内的裂缝形盎，分析裂缝宽度随测点到钢筋距离的变化特点。
实验过程中，将板沿纵筋或者两纵筋中间位置处将板切开作对比，沿长度方向将700m板宽切成四块，切开后的板如图4.10所示，   观测方法：将板按图4.12所示的截面切开，切割板的原则为：沿着纵筋位置和两纵筋中间位置处，为了便于进行对比分析，本实验将每块板切割为四块（三个截面），其中有个截面为贴纵筋位置处截面，另外两个截面为两纵筋中间位置处截面。将切开的板按照顺序放在砌块上观察裂缝，混凝土的保护层厚度是20mm,将保护层厚度四等分，测五个点的裂缝，实验过程对每个板分别取了四条有代表性的裂缝进行观察。板内裂缝的测量用裂缝测宽仪测量裂缝并记录裂缝宽度，如图4.11为裂缝测量过程图。
 4.2.2 板内裂缝形态及裂缝计算
 如图4.12所示，1-1、2-2、3-3分别为板切割位置线，从上到下的三个截面分别为侧表面、无横筋截面、有横筋截面切割位置示意图。   如图4.13、4.14、4.15分别为BHl-3、BH2-1、BH2-2切开后三个截面的宏观裂缝形态图，图4.13中1-l截面为沿纵筋位置处截面,2-2和3-3截面为两纵筋位置中间处截面;图4.14中2-2截面为沿纵筋位置处截面，l-l和3-3截面为两纵筋位置中间处截面；圈4.15中2-2截面为沿纵筋位置处截面，1-1和3-3截面为两缴筋位置中间处截面，从图中可以看出：
  ①1-l和3-3截面（接近板边缘处）的裂缝发展存在裂缝的分叉和交汇现象，当有纵筋存在时出现的是裂缝的交忙现象，无纵筋存在时出现的是裂缝的分叉现象，表明纵筋的存在抑制了裂缝的开展；而2-2截面（接近跨中位置）的裂缝发展很少出现这种现象，对比2-2截面可看出，当截面有纵筋时裂缝延伸较短，进一步说明了纵筋可抑制裂缝的开展，
  ②高延性冷轧带肋钢筋的抗拉作用，有敏抑制裂缝的发展，使混凝土板的受压区高度相对较大，高延性冷轧带肋钢筋混壤土板内裂缝在跨中分布均匀，裂缝宽度较小，裂缝截面处的拉应力增长由高延性冷轧带肋钢筋承担，进一步表明高延性冷轧带肋钢筋具有良好的锚固性能和高延性性能。   ③纵向受力钢筋屈服后，高延性冷轧带肋钢筋对裂缝开展约束作用大，因此混凝土板的刚度有较大的提高。从裂缝形态来看，几乎没有斜裂缝，裂缝走向垂直于中和轴，高延性冷轧带肋钢筋抗拉性能得到充分发挥，受力合理。
  实验过程对每个板分别取了四条有代表性的裂缝，用裂缝测宽仪进行测量，板的部分裂缝形态如图4.16所示，从图4.16、4.17、4.18、4.19可以看出：贴钢筋位置处的裂缝宽度从板表面到纵筋位置处变化缓慢且相对较小，表明纵向钢筋可延缓和约束裂缝的开展，这一规律和裂缝形态图分析的结果是一致的。从图中还可看出，钢筋表面处裂缝宽度小于板面裂缝宽度，经过统计分析钢筋表面处裂缝宽度约是板面裂缝宽度的3/5，且均在3/10至3/4的范围内。这样板面细微的裂缝不会引起钢筋的锈蚀。距钢筋表面越远，裂缝宽度越大，实验结果统计分析表明，裂缝宽度与裂缝距钢筋表面的距离之间存在式(4.7)示的线性关系，根据这种线性关系只要合理设计钢筋保护层厚度、严格控制板面裂缝的宽度就可以避免钢筋发生锈蚀，保证构件的正常使用性能满足要求。   表4.5、4.6、4.7分别为沿两钢箭位置处切开扳的裂缝和沿两纵筋中间位置处切开板的裂缝的实测值与按(4.7)线性关系计算得到的裂缝宽度计算值的比较，从表中可以看出，计算裂缝宽度与实测裂缝宽度比值平均值接近1，且变异系数根小，说明按公式(4.7)得到的裂缝宽度的计算值与实测值很接近，说明CRB600H高延性冷轧带肋钢筋混凝土板内裂缝发展规律按公式(4.7)计算是合理的，从表中还可以看出，贴钢筋位置处裂缝计算所得变异系数均小于等于两钢筋中间位置处计算所得的变异系数，表明有钢筋存在时的计算值与实测值更吻合。也可由图4.20、4.21和图4.22可以看出，贴钢筋位置处裂缝宽度的线性回归性比两纵筋中间位置的要好。
  4.3试验小结
  本试验对高延性冷轧带肋钢筋混凝土梗承载力及变形分析的基础上，详细讨论试验板的裂缝性能，分别对板内和板表面的裂缝进行了分析，主要得到结论：
  1、混凝土强度等级和配筋率对高延性冷轧带肋钢筋混凝士板受弯构件裂缝问距的影响：在其它条件相同时，随着荷载的增大，混凝土强度等级较高时，CRB600H混凝土受弯构件最大裂缝间距和平均裂缝间距较大且混凝土强度高的板开裂较晚；配筋率较小时．CRB600H混凝土受弯构件最大裂缝间距和平均裂缝间距均较小，且配筋率对开裂荷载几乎没有影响。试验结果表明，CRB600H高延性冷轧带肋钢筋混凝土板在正常使用状态下的平均裂缝间距可班按照《冷轧带肋钢筋混凝土结构技术规程》规定的公式(4.1)、(4.2)式和（4.3）式计算，并有一定保证率．即《规程》的平均裂缝间距计算公式是适用的。
  2、混凝土强度等级和配筋率对高延性冷轧带肋钢筋摁凝土板受弯构件裂缝宽度的影响：在其它条件相同时，随着荷载的增大，混凝土强度等级较高时，CRB600H混凝土受弯构件最大裂缝宽度和平均裂缝宽度一般鞍小且混凝土强度高的板开裂较晚；配筋率较小时，CRB600H钢筋混凝土受弯掏件昀最大裂缝宽度和平均裂缝宽度均较大。试验结果表明，CRB600H高延性冷轧带肋钢筋混凝土板在正常使用状态下的最大裂缝宽度可阻按照《冷轧带肋钢筋混凝土结掏技术规程》规定的公式(4.5)和(4.6)计算，井有一定保证率，并且CRB600H高延性冷轧带肋钢箭混凝土板在正常使用状态下的裂缝宽度也完全能满足规范规定的裂缝控制要求(w<0.3mm)。
  3、实验结果表明；CRB600H高廷性冷轧带肋纵筋具有抑制裂缝开展的作用，钢筋表面处裂缝宽度均小于板面裂缝宽度，经过统计分析钢筋表面处裂缝宽度约是板面裂缝宽度的3/5，且均在3/10至3/4的范围内。距钢筋表面越远，裂缝宽度越大；裂缝宽度与裂缝距钢筋表面的距离之间存在线性关系．s为测点至钢筋表面距离，通过对实验数据进行统计分析可取0.03。通过此线性关系计算的裂缝宽度与实a裂缝宽度比值平均值接近l，且变异系数很小，且有钢筋存在时的计算值与宴铡值更吻合，说明CRB600H高性冷轧带肋钢筋棍凝土板自裂缝发展规律拄公式计算是合理的。