1、对混凝土梁板裂缝的探讨摘要；目前，随着市政建设规模的不断扩大，市政公路桥梁建设的地位显得愈来愈重要。由于公路运输事业的发展，车辆通行的等级越来越高，重车、超重车越来越多，使得有些桥梁的负荷超限，变为危桥，其中普遍原因是由于原设计标准偏低，桥梁梁板已形成超限裂缝，如果继续让重车通过，将产生重大事故，只能限速限重,或限车限行。为此，对桥梁梁板裂缝研究探讨就具有普遍的现实意义。本文参考混凝土结构设计原理，就混凝土结构梁板中裂缝产生的机理、设计措施以及预防办法做一点总结，以供工程技术人员参考。 关键词：混凝土梁桥；钢筋混凝土梁（板） ；预应力钢筋混凝土梁（板） ；竖向裂缝；斜裂缝。 中图分类号：TU3
2、7 文献标识码：A 文章编号： 一、钢筋混凝土梁裂缝产生的机理 我们知道，钢筋混凝土是由钢筋和混凝土两种不同材料组成的。在钢筋混凝土结构中，利用混凝土的抗压能力强而抗拉能力很弱、钢筋的抗拉能力很强的特点，用混凝土主要承受压力，钢筋主要承受拉力，二者共同工作，以满足工程结构的使用要求。以桥梁结构中的简支梁板为例：在外力和自身重力的作用下，梁截面的上部受压，下部受拉，由于混凝土抗拉性能很差，当梁的截面中和轴以下受拉区的拉力在开始不大时，由于弯矩很小，梁的工作情况与匀质性体梁相似，混凝土和钢筋共同工作，应力和应变成正比，受拉区的应力和应变分布为三角形，当弯矩增加一定数值时，受拉区边缘混凝土纤维的应变
3、值即将到达混凝土受弯时的极限拉应变，截面便处于即将开裂状态。这时由于粘结力的存在，受拉钢筋的应变与周围同一水平处混凝土的抗拉应变值相等，故这时钢筋承受应力较低，约为钢筋抗拉强度标准值的 1/10 左右，远远没有发挥出钢筋的抗拉效用。如果这时弯矩继续增大，在抗拉能力最薄弱的某一截面处，就会出现第一条混凝土裂缝。在裂缝处，混凝土一旦开裂，就把它原先承担的那部分拉力转给钢筋，使钢筋应力突然增大许多，梁的挠度和截面曲率会突然增大，在截面中和轴以下裂缝尚未延伸到的部位，混凝土仍可承受一小部分拉力，但是受拉区的拉力主要由钢筋承担。随着弯矩继续增大，裂缝的数目越来越多，宽度越来越宽，这时受压区混凝土已有塑性
4、变形，但不充分；受拉区大部分混凝土已退出工作，拉力主要由钢筋承担，但钢筋没有屈服。这个状态就是钢筋混凝土通常的使用工作状态。所以说，从设计的原理讲，钢筋混凝土有裂缝是允许的。 但是，裂缝的宽度不能超过允许值。裂缝过宽，空气中的水分和氧气以及带有腐蚀性的各种气体就会侵蚀到钢筋混凝土中去，从而引起钢筋的锈蚀，钢筋一旦被锈蚀，钢筋的断面就会缩小，抗拉能力下降，在应力集中效应下，断面处的“病态”会发展很快，从而导致梁板的使用寿命大大缩短。因此，设计上必须采取相应的措施控制裂缝宽度。 二、竖向裂缝和斜裂缝 我国在混凝土结构设计理论和设计方法上采用按近似概率理论的极限状态设计法。极限状态分为承载能力极限状
5、态和正常使用极限状态两类。承载能力极限状态是保证结构和构件安全性，而正常使用极限状态是满足结构和构件的适用性和耐久性。例如，当结构或构件由于材料强度不够而破坏，或因产生过大的塑性变形而不能继续承载，结构或构件丧失稳定，结构或构件就超过了承载能力极限状态，就不能满足安全性的要求；当结构或构件虽然满足了安全性要求，但却出现了影响正常使用的过大变形、过宽裂缝或局部损害时，可认为结构超过了正常使用状态，构件就不可能保证适用性和耐久性功能的要求。 混凝土结构设计规范规定，结构或构件按承载能力极限状态进行计算后，还应该按正常使用极限状态进行验算。所以对桥梁的钢筋混凝土梁板设计时，必须要对梁板的裂缝宽度进行
6、验算。 一般情况下，裂缝出现的部位多集中在剪力和弯矩最大的区段。对于钢筋混凝土受弯构件在主要承受弯矩的区段内（梁中间部位）会产生竖向裂缝；同时还有可能在剪力和弯矩的共同作用的支座附近产生斜裂缝。因此，在保证受弯构件正截面受弯承载力的同时，还要保证斜截面承载力。竖向裂缝是由纵向受力钢筋来控制的，而斜向裂缝是由弯起钢筋和箍筋来控制的。 1 对梁板纵向钢筋的布置要求 1)下部钢筋水平方向的净距不小于钢筋直径，也 不小于 25MM；上部钢筋水平方向的净距则不应小于 1.5 倍钢筋直径，也不应小于 30MM。 2)竖向净距不小于钢筋直径，也不应小于 25MM。 为了满足以上要求，梁的纵向钢筋有时须放置两
7、层，甚至还有多于两层的，上、下钢筋应对齐，不能错列，以方便混凝土的浇捣。 当梁的下部钢筋多于两层时，从第三层起，钢筋的中距应比下面两层钢筋的中距增大一倍。 2.箍筋、弯起钢筋统称为腹筋，他们和纵筋、架立筋等构成梁的钢筋骨架。按理说箍筋也应像弯起筋那样做成斜的，以便与主应力方向一致，更有效地抑制裂缝的开展，但箍筋不便绑扎，与纵向钢筋难以形成牢固的钢筋骨架，故一般都采用竖向箍筋。 实验研究表明，箍筋对抑制斜裂缝开展的效果比弯起筋要好，所以工程设计中优先选用箍筋，然后再考虑弯起筋。由于弯起筋承受的拉力比较大且集中，有可能引起弯起处混凝土的劈裂裂缝，因此放置在梁侧边缘的钢筋不宜弯起，位于梁底的角筋亦不
8、能弯起，弯起钢筋的直径不宜过粗。 三、裂缝宽度的验算 未出现裂缝时，受弯构件各截面上同一水平的钢筋和混凝土的拉应力、拉应变大致相同，当拉应变接近混凝土的极限拉应变值时，就处于即将裂缝状态，当受拉区边缘一旦超过极限拉应变，就会出现第一批裂缝。在裂缝出现瞬间，紧张的混凝土就像剪断的橡皮一样向裂缝两侧回缩，这种回缩是不自由的，它受到钢筋的约束。在回缩的那一段长度中，混凝土与钢筋之间有相对滑移，产生粘结力。第一批裂缝出现后，在粘结应力作用长度以外的那部分混凝土仍处于受拉紧张状态，当弯矩继续增大时，就有可能在另一薄弱截面处出现新裂缝，按此规律，随着弯矩的增大，裂缝逐条出现，当截面弯矩达到构件最大受弯承载
9、力值的 50%-70%时，裂缝将基本“出齐” ，此时裂缝分布处于稳定状态。如果钢筋与混凝土的粘结力强度高，则裂缝间距较短，裂缝分布则密些。在荷载长期作用下，由于混凝土的滑移徐变和拉应力的松弛，将导致受拉混凝土不断退出工作，使裂缝开展宽度增大。此外，荷载的变动使钢筋直径时胀时缩等因素，也将引起粘结力强度降低，导致裂缝宽度增大。混凝土与钢筋的粘结力直接影响裂缝的离散性。而裂缝的离散性影响裂缝的宽度，裂缝间距越小，密度越大，则裂缝宽度越小。试验表明，粘结强度大致与混凝土抗拉强度成正比，且受钢筋表面特征（是否带肋，还是光圆）的直接影响，与混凝土保护层厚度也有较大关系，同时还与构件配筋率、截面形状有关。
10、 由于裂缝的最大开展宽度是影响结构耐久性的重要因素，因此应对它进行验算是十分必要的。验算裂缝宽度时应满足 WmaxWlim. Wmax-计算出的最大裂缝宽度，其计算公式规范中已给定。 Wlim-混凝土结构设计规范规定的允许最大裂缝宽度。可以查表得之。 裂缝宽度的验算是在满足构件承载力的前提下进行的。因而诸如截面尺寸、配筋率等均已确定。在验算中可能会出现满足了挠度的要求，不满足裂缝宽度的要求，这通常在配筋率较低，而钢筋选用的直径较大的情况下出现。因当计算裂缝宽度超过允许值不大时，常可用减小钢筋直径的方法解决，必要时可适当增加配筋率。 对于受拉及受弯构件，当承载力要求较高时，往往会出现不能同时满足
11、裂缝宽度或变形限值要求的情况，这时增大截面尺寸或增加用钢量，显然是不合理的，对此，有效的措施是施加预应力。 四、预应力钢筋混凝土梁（板） 由于混凝土的抗拉强度及极限抗拉应变值都很低，其极限拉应变约为 0.1103-0.1510-3，即每米只能拉长 0.1-0.15mm,所以在使用荷载作用下钢筋混凝土梁（板）通常是带裂缝工作的。因而对于使用上不允许开裂的构件，受拉钢筋只能用到 20-30N/2，不能充分利用其强度，对于允许开裂的构件，通常当受拉钢筋应力达到 250 N/2 时，裂缝宽度已达到 0.2-0.3mm,构件耐久性降低，也不宜用于高温度或侵蚀环境中。为了满足变形和裂缝控制的要求，则需要增
12、大构件的截面尺寸和用钢量，这将导致自重过大，使钢筋混凝土结构用于大跨度或承受动力荷载的结构成为不可能或很不经济。如果采用高强度钢筋，在荷载作用下，其应力可达 500-1000 N/2，此时的裂缝宽度将很大，无法满足使用要求。因而为了充分利用高强钢筋及高强度混凝土，设法在结构构件受荷载前，给它产生预压应力来减小或抵消荷载所引起的混凝土拉应力，从而使构件在荷载的作用下拉应力不大，甚至仍处于受压状态，这样产生的裂缝将很小，甚至完全消灭裂缝。由此可见，预应力混凝土构件可以减小或消除混凝土构件的开裂，提高构件的抗裂度和刚度，并取得减轻自重，节约钢筋的效果，克服了钢筋混凝土的主要缺点。 根据预应力值大小对
13、构件截面裂缝控制程度不同，预应力混凝土结构分为全预应力和部分预应力两类。 在使用荷载作用下，不允许截面混凝土出现拉应力的构件，称为全预应力混凝土。裂缝控制等级为一级，即严格要求不出现裂缝；在使用荷载作用下，允许出现裂缝，但最大裂缝宽度不超过允许值，则成为部分预应力混凝土，裂缝控制等级为三级，即允许出现裂缝；在使用荷载作用下，根据荷载组织情况，不同程度地保证混凝土不开裂，称为限值预应力混凝土，裂缝控制等级为二级，即一般要求不出现裂缝。 （注：限值预应力混凝土也属于部分预应力混凝土） 。 五、混凝土梁桥工程 钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土广泛使用在桥梁工程中，以钢筋混凝土或预应力混凝土板、梁等受弯构
14、件作为桥梁结构中主要承重构件的桥统称为混凝土梁桥。按承重结构的受力图式分类，混凝土梁桥主要有简支梁桥、连续梁桥、悬臂梁桥三类。 1.简支梁桥：简支梁桥属静定结构，且相邻桥孔各自单独受力，故结构内力不受墩台基础不均匀沉降影响，从而适用于地基较差的桥位上建桥。 简支梁主要受其跨中正弯矩的控制，当跨径增大时，梁的跨中截面恒载弯矩和活载弯矩急剧增加。因此，混凝土简支梁（板）的常用跨径在 20M 以下。当采用预应力简支板时，常用跨径在 13-16M,而预应力简支梁常用跨径在 25-50M. 2.连续梁桥 连续梁桥在竖向力作用下支点截面处产生负弯矩，从而减小了梁跨中截面的正弯矩。这样，不但可减小梁跨中的建
15、筑高度，而且能节约混凝土数量，跨径增大时，这种节约就愈显着。连续梁是超静定结构，所以对墩台地基要求严格。 钢筋混凝土连续梁桥主孔常用跨径范围为 30 以下，而预应力混凝土连续梁的主孔常用范围为 40-160M。 3.悬臂梁桥 将简支梁梁体加长，并越过支点成为悬臂梁。对于较长的桥，可以借助挂梁与悬臂梁一起组成多孔。在受力方面，悬臂部分使支点上产生负弯矩，减小跨中的正弯矩。所以，悬臂梁跨中高度比简支梁小。但挂梁与悬臂梁的连接处的构造较复杂，挠度曲线在这个连接处有折点，会加大荷载的冲击作用，因而易于损害。 由于混凝土材料的不均匀性和施工的差异性，混凝土梁桥的承重构件可能会产生意外的过大的裂缝。特别是
16、在施工过程中，对于容易产生裂缝的部位要心中有数，并且勤观察，发现意外裂缝，应采取有效措施予以防治。例如对简支梁桥的跨中梁底部位；连续梁的跨中梁底部位及支座处的梁顶部位应该做为重点观察部位；对于现浇整体式梁板底模拆除时间要根据环境温度情况合理安排计划，拆除过早很可能发生梁底裂缝；对于整体式斜交板梁，最大主弯矩方向在板的中央，接近于垂直支承边；在板的自由边处，接近于自由边与支承边垂线之间的中间方向；在纯角处有垂直于纯角平分线的负弯矩，以上部位都容易产生意外裂缝，作为工程技术人员心中要清楚。 六、桥面铺装 桥面铺装层通常采用水泥混凝土铺装，它的作用是防止车轮轮胎或履带车直接磨耗行车道板，保护主梁免受
17、雨水侵蚀，分散车轮的集中荷载，在温度应力和车轮荷载的反复作用下，铺装层容易开裂。因此，桥面铺装层要有一定强度，其混凝土强度等级不应低于梁（板）的混凝土等级。铺装层混凝土厚度最小为 100mm，并应设置钢筋网，钢筋直径宜为8-12mm，网口尺寸为 150mm150mm。 在桥面构造中，伸缩缝处是最为薄弱处，由于车轮的反复冲击，最易造成伸缩缝处的混凝土损害。必须对其进行重点设防。通常的技术措施有，对伸缩缝处的后浇带混凝土采用钢钎维混凝土，混凝土强度等级比铺装层混凝土强度等级提高 5 10 N/2，以提高耐磨性和抗冲击能力，并在其上层布置一层防裂钢筋网，钢筋直径宜为 6mm，网口尺寸100mm100
18、mm。同时，在浇筑前，在新老混凝土界面上涂刷 1：1 纯水泥浆，以增强后浇带混凝土与铺装层混凝土的粘结性。 结束语： 本文只从混凝土结构设计原理的角度上，对混凝土结构中裂缝问题进行了探讨，对于由于施工的不合理造成的混凝土裂缝问题本文未涉及，而可能通常发生梁板裂缝问题大多是由施工原因造成的。但是，作为工程技术人员必须弄清设计原理中的裂缝形成原因，是十分必要的。混凝土结构的使用至今已约有 150 年的历史，由于它在物理力学性能及材料来源等方面有许多优点，所以发展速度很快，应用也最广泛。近年来我国在混凝土基本原理与设计方法、结构可靠度与荷载分析等方面取得很多新成果，某些方面已达到和接近国际先进水平，与此同时，电子计算机的普及和多功能化，CAD 等软件系统的开发，缩短了建筑结构设计的时间和工作量。我国新颁布的混凝土结构设计规范 （CB50010-2002）积累了半个世纪的工程实践经验和最新的科研成果，作为工程技术人员有必要深入地对混凝土结构设计规范的学习，这对指导施工，研究探讨工程中发现的质量问题有很大的帮助。本文只是抛砖引玉，希望能对大家有点参考意义。 参考文献： 1、 混凝土结构设计规范GB500102002 2、 高校土木工程专业指导委员会推荐教材混凝土结构第三版
