混凝土结构裂缝机理与计算

2023-09-19 理论教育版权反馈

【摘要】：在裂缝出现瞬间，裂缝处的混凝土应力突然降至零，使得钢筋的拉应力突然增大。通过黏结应力的作用，随着离开裂缝截面距离的增大，钢筋拉应力逐渐降低，混凝土逐渐张紧达到l后，混凝土又处于要开裂的状态。当截面弯矩为0.5 ～0.7 时，裂缝将基本“出齐”，即裂缝的分布处于稳定状态。从图7.15可知，此时，在两条裂缝之间，混凝土拉应力小于实际混凝土抗拉强度，即不足以产生新的裂缝。

1)裂缝的出现

未出现裂缝时，在受弯构件纯弯区段内，各截面受拉混凝土的拉应力、拉应变大致相同；由于这时钢筋和混凝土间的黏结没有被破坏，因此钢筋拉应力、拉应变沿纯弯区段长度亦大致相同。

当受拉区外边缘的混凝土达到其抗拉强度 pagenumber_ebook=150,pagenumber_book=144 时，由于混凝土的塑性变形，因此还不会马上开裂；当其拉应变接近混凝土的极限拉应变值时，就处于即将出现裂缝的状态，这就是第Ⅰ阶段，如图7.15(a)所示。

当受拉区外边缘混凝土在最薄弱的截面处达到其极限拉应变值 pagenumber_ebook=150,pagenumber_book=144 后，就会出现第一批裂缝，一条或几条裂缝，如图7.15(b)中的a—a、c—c截面处。

混凝土一开裂，张紧的混凝土就像剪断了的橡皮筋那样向裂缝两侧回缩，但这种回缩是不自由的，它受到钢筋的约束，直到被阻止。在回缩的那一段长度l中，混凝土与钢筋之间有相对滑移，产生黏结应力 pagenumber_ebook=150,pagenumber_book=144 0。通过黏结应力的作用，随着离裂缝截面距离的增大，混凝土拉应力由裂缝处的零逐渐增大，达到l后，黏结应力消失，混凝土的应力又趋于均匀分布，如图7.15(b)所示。在此，l即为黏结应力作用长度，也可称传递长度。

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图7.15　裂缝的出现、分布和开展

在裂缝处，钢筋的情况与混凝土相反。在裂缝出现瞬间，裂缝处的混凝土应力突然降至零，使得钢筋的拉应力突然增大。通过黏结应力的作用，随着离开裂缝截面距离的增大，钢筋拉应力逐渐降低，混凝土逐渐张紧达到l后，混凝土又处于要开裂的状态。

2)裂缝的发展

第一批裂缝出现后，在黏结应力作用长度l以外的那部分混凝土仍处于受拉张紧状态之中，因此当弯矩继续增大时，就有可能在离裂缝截面大于或等于l的另一薄弱截面处出现新裂缝，如图7.15(b)、(c)中的b—b截面处。

按此规律，随着弯矩的增大，裂缝将逐条出现。当截面弯矩为0.5 pagenumber_ebook=151,pagenumber_book=145 ～0.7 时，裂缝将基本“出齐”，即裂缝的分布处于稳定状态。从图7.15(c)可知，此时，在两条裂缝之间，混凝土拉应力小于实际混凝土抗拉强度，即不足以产生新的裂缝。

3)裂缝间距

假设材料是匀质的，则两条相邻裂缝的最大间距应为2l。比2l稍大一点时，就会在其中央再出现一条新裂缝，使裂缝间距变为l。因此，从理论上讲，裂缝间距在l～2l，其平均裂缝间距为1.5l。

4)裂缝宽度

同一条裂缝，不同位置处的裂缝宽度是不同的，如梁底面的裂缝宽度比梁侧表面的大。试验表明，沿裂缝深度，裂缝宽度也是不相等的，钢筋表面处的裂缝宽度大约只有构件混凝土表面裂缝宽度的1/5～1/3。

《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)定义的裂缝开展宽度是指受拉钢筋重心水平处构件侧表面混凝土的裂缝宽度。

裂缝的开展是由于混凝土的回缩、钢筋的伸长，导致混凝土与钢筋之间不断产生相对滑移而造成的，因此裂缝的宽度就等于裂缝间钢筋的伸长减去混凝土的伸长。可见，裂缝间距小，裂缝宽度就小，即裂缝密而细，这是工程中所希望的。

在荷载长期作用下，混凝土的滑移徐变和拉应力的松弛将导致裂缝间受拉混凝土不断退出工作，使裂缝开展宽度增大；混凝土的收缩使裂缝间混凝土的长度缩短，这也会引起裂缝的进一步开展；此外，由于荷载的变动使钢筋直径时胀时缩等因素，也将引起黏结强度降低，导致裂缝宽度增大。

实际上，由于材料的不均匀性以及截面尺寸偏差等因素的影响，裂缝的出现具有某种程度的偶然性，因此裂缝的分布和宽度同样是不均匀的。但是，大量试验资料的统计分析表明，从平均的观点来看，平均裂缝间距和平均裂缝宽度是有规律的，平均裂缝宽度与最大裂缝宽度之间也具有一定的规律性。

下面介绍平均裂缝间距和平均裂缝宽度以及根据统计求得的“扩大系数”来确定最大裂缝宽度的验算方法。

混凝土结构裂缝机理与计算

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