预应力混凝土结构裂缝成因分析与抗裂措施研究

来源:用户上传      作者: 谢晓健

　　摘 要：预应力混凝土结构与普通钢筋混凝土结构一样，不可避免地会出现裂缝，当结构带裂缝时，工程结构的耐久性和结构性能都会受影响。本文结合笔者多年建筑工程质量监督工作实践，对预应力混凝土结构裂缝形成、发展原因进行分析，并积极寻求合理、可行的设计与施工方法措施来予以控制，减小危害。
　　关键词：预应力混凝土；裂缝；部分预应力；裂缝宽度；抗裂措施
　　
　　中图分类号：TU757
　　文献标识码：B
　　文章编号：1008-0422（2009）06-0202-03
　　
　　1预应力混凝土结构中裂缝的形成原因
　　
　　结构裂缝在工程中是长久以来引起人们关注与研究的课题。裂缝的形成原因很复杂，处理方式也有多种。如果处理得当则对于结构无大的不良后果，否则影响结构物的耐久性和适用性，甚至危害到人们的财产安全和生命安全。
　　混凝土是由水泥石、细骨料（砂）、粗骨料（石）形成的混合材料，由于多种材料物理化学性质不同，硬化过程中又夹杂气体和水，因此混凝土先天便具有微观裂缝和微孔。其中微观裂缝分为水泥砂浆中的砂浆裂缝、砂浆和粗骨料界面上的粘结裂缝、粗骨料内部的骨料裂缝。当混凝土受力时，微观裂缝与微孔逐渐连通，随后扩展成宏观裂缝，如果继续扩展，最终会导致混凝土丧失承载能力。
　　混凝土产生裂缝原因多种多样，与本身性质、外界环境、气候变化、施工浇注、养护过程、钢筋腐蚀等等因素均有关系。所以造成分析与预防的复杂性，增加了采取防护措施的困难度。
　　预应力混凝土结构形成裂缝的原因，与普通的钢筋混凝土结构有共同点，主要表现在以下几个方面：混凝土塑性塌落；塑性收缩裂缝；碱-骨料化学反应；混凝土水化热；混凝土干缩；钢筋腐蚀；荷载作用；结构基础不均匀沉降；外界温度变化。预应力混凝土与普通钢筋混凝土相比，也有其自身的特点，主要表现在如下两个方面：
　　1）预应力混凝土构件的受拉区布置有预应力筋，提供预加压力，以抵消预拉区的拉应力， 但是按照存在活载情况计算出来的构件在无活载作用时，预压应力有可能使预拉区产生裂缝。
　　2）在预应力筋锚固端，预压应力对锚固部位的挤压使得此处产生沿钢筋走向的水平纵向裂缝。
　　概括讲来，裂缝原因归结为2类：一类属于由变形变化引起的包括温度（水化热、气温、太阳辐射等）、收缩（自生收缩、失水干缩、碳化收缩、塑性收缩等）、地基变形（地基沉降或隆起）；另一类属于荷载引起的，是外力作用的结果。
　　
　　2裂缝对整体结构的危害分析
　　
　　在钢筋混凝土设计理论中，除特殊构件以外，一般结构是允许带裂缝工作的，且宽度小于或等于0.05mm的裂缝并不会对结构的使用形成显著危害。但过宽的裂缝却对结构造成的危害较大，具体表现在：
　　1）钢筋锈蚀：若水份或具有腐蚀性的气体通过裂缝渗入钢筋混凝土结构，与钢筋反应会使钢筋锈蚀。钢筋生锈不但削减钢筋实际受力面积，而且铁锈膨胀导致原有裂缝进一步扩展，最终减小钢筋于混凝土的粘结力。
　　2）混凝土冻蚀：通过裂缝渗人钢筋混凝土结构的水份在气温降至0 ℃以下时会冷冻结冰，冰体积增大导致沿裂缝边缘的胀裂。若气温变化异常频繁，则冻融现象反复发生，裂缝将逐渐拓宽，最终破坏整体结构。
　　3）降低结构承载力：有些裂缝，即使不会破坏钢筋或混凝土结构，但裂缝发展使局部构件截面有效高度削弱，降低了结构实际承载力，影响其使用性能。
　　4）损坏混凝土性能：加速混凝土碳化、剥落，降低混凝土耐久性、抗疲劳、抗渗能力。
　　5）其他影响：比如某些表面裂纹，在整个结构或构件的使用寿命中都不会产生大的危害，但它们影响美观，其负面作用也是不可忽视的。
　　
　　3预应力混凝土结构裂缝的检测方法
　　
　　实验中加载后的混凝土体积从减少到增加，人们根据这一点猜测受荷载混凝土中存在着裂缝。后来Jones发现加载时，垂直的超声脉冲随荷载增加而不断降低，说明在加载平行方向存在着裂缝。混凝土结构上的裂缝检测，主要采用如下三种方法。
　　1）取样法。在预应力混凝土构件的裂缝位置钻取一小部分样品，在所取样品上检测裂缝宽度及深度。此法简单易行，然而对于预应力混凝土结构而言，钻取芯样有可能损伤预应力筋，对结构造成无法预料的破坏。
　　2）超声波检测法。超声检测法是目前最常用的混凝土结构裂缝检测方式，因此这里介绍一下超声检测法的工作原理。
　　超声波在混凝土中传播时，混凝土体对超声脉冲波的吸收、散射及衰减都较大，高频成分衰减更大。因此，一般采用低探测频率超声波检测混凝土缺陷。当混凝土的组成材料、工艺条件、内部质量及测试距离一定时，超声波在其中的传播速度、首波幅度和接收信号的频率等声学参数的测量值应该基本一致。如果混凝土构件中存在孔洞、不密实或裂缝，检测所得的声时值将比无缺陷混凝土大，波幅和频率值则降低。根据这一原理，通过对不同条件下混凝土进行声速、波幅的检测，可以得出裂缝的深度。
　　3）X光和显微镜技术。20世纪60年代，曾有人将混凝土切成薄片，用X光和显微镜技术来观察不同荷载阶段混凝土内微裂缝的发展情况，此方法现在仍然有所使用。
　　此外，还有用应变计测量，利用光敏电阻器测读裂缝宽度的方法。
　　
　　4预应力混凝土结构裂缝控制及裂缝宽度计算
　　
　　4.1裂缝控制的各种规定
　　目前对于预应力混凝土裂缝控制的规定主要有：我国现行的《混凝土结构设计规范》GB50010-2002；欧洲规范3（即EC3）；英国《混凝土结构设计施工规范》BS8110-90；美国混凝土结构规范ACI318M-05。
　　我国规范GB50010-2002，对预应力混凝土构件的裂缝控制等级作如下划分（表1）：
　　一级――严格要求不出现裂缝的构件，按荷载效应标准组合进行计算时，构件受拉边缘混凝土不应产生拉应力，即σck-σpc≤0；二级――一般要求不出现裂缝的构件，按荷载效应标准组合进行计算时，构件受拉边缘混凝土拉应力大于混凝土轴心抗拉强度标准值，即符合σck-σpc≤ftk；而按荷载效应准永久组合计算时，构件受拉边缘混凝土不宜产生拉应力，即应符合σcq-σpc≤0；三级--允许出现裂缝的构件，按荷载效应标准组合并考虑长期作用影响计算时，最大裂缝宽度不应超过表1规定的最大裂缝宽度限值，即ωmax≤ωlim。
　　上述σck、σcq为荷载效应的标准组合、准永久组合下抗裂验算边缘的混凝土法向应力；σpc为扣除全部预应力损失后在抗裂验算边缘混凝土的预压应力为混凝土轴心抗拉强度标准值；ωmax为按荷载效应的标准组合并考虑长期作用影响计算的最大裂缝宽度；ωlim为最大裂缝宽度限值。
　　在欧洲规范EC3中首先提出将与环境条件相关的暴露等级分为5级，然后据其列出常遇荷载组合下预应力构件裂缝控制的设计准则，见表2。
　　对于暴露等级2～4级的预应力构件，上表中考虑的限制一般可以满足。对于暴露等级5级的构件，需要采取特殊的裂缝限制措施，取决于环境中包含的侵蚀性化学物的性质。
　　英国混凝土结构规范BS8ll0也将预应力混凝土构件的裂缝控制等级分为三级，依据是在使用荷载下容许的弯曲受拉应力：一级-没有弯曲受拉应力；二级-有弯曲受拉应力，但没有可见裂缝；三级-有弯曲受拉应力，对处于很严重环境中的构件，裂缝的表面宽度不超过0.1mm，对所有其他构件不超过0.2mm。

　　美国混凝土规范ACI318M-05主要按正常使用环境给出裂缝控制要求的。在正常环境及使用荷载下（全部预应力损失后），混凝土受拉区边缘纤维的拉应力不应超过0.5，当瞬时挠度和长期挠度均经过严格计算并符合规定的条件下，则上述应力可放松至。在侵蚀环境下，若构件应力超过0.5 ，则最小保护层厚度应加大50％。
　　4.2裂缝宽度控制及抗裂设计方法
　　20世纪30年代，奥地利的Emperger提出允许出现裂缝的部分预应力混凝土概念，区别于以往传统的预应力概念。20世纪40年代，美国的艾贝尔斯( P.W.Abeles ) 再次提出部分预应力的建议。部分预应力意即预应力混凝土构件采用预应力筋与非预应力筋的混合配筋；或者全部使用预应力筋但施加的预应力程度低于全预应力的情形。
　　部分预应力与全预应力混凝土结构的一个重要区别是，在使用荷载作用下，部分预应力混凝土梁或板允许出现限值范围内的裂缝。由于这一优势，目前对于预应力裂缝机理及裂缝控制的探讨，均集中于部分预应力混凝土结构，部分预应力构件计算方法大致有4种：
　　1）对普通钢筋混凝土构件计算公式进行修正，以△σp （预应力筋的应力增量或非预应力筋的应力）代替σs进行部分预应力混凝土构件的裂缝宽度计算。例如，CEB- FIP（欧洲混凝土委员会和国际预应力混凝土协会）对3级验算的构件，在非重复荷载作用下，配置高粘结钢筋的构件最大裂缝宽度wmax的计算公式：wmax=( σs-40)×10 -3，σs为钢筋应力；在部分预应力情形下，用△σp代替σs得：wmax= (△σp -40)×10 -3。
　　2）取用影响裂缝宽度的某些参数建立裂缝宽度计算公式。这种方法是以大量实验资料为基础，分析影响裂缝的各个因素，然后利用数理统计原理，得出简单适用且有一定可靠度的经验公式。
　　E・W・Benett 等人根据矩形和I字形截面部分预应力混凝土梁的实验结果， 给出计算“平均裂缝宽度wm( mm) ”的公式wm=β1+β2。E・G・Nawy和P・T・Huang进行了T形和工字形截面先张法部分预应力混凝土梁的试验，提出“最大裂缝宽度wmax( in )”的建议计算公式wmax=a (10-5)×β（△σp）。我国规范GB50010-2002仍采用最大裂缝宽度控制。在使用阶段允许出现裂缝的预应力混凝土构件，即部分预应力混凝土构件，最大裂缝宽度计算公式为：wmax=acrΦ(2.7c+0.1)v。此式考虑了裂缝宽度分布的不均匀性和荷载长期效应组合的影响，是合理、适用的。
　　3）“特征裂缝宽度”控制是另一种用统计方法得出的结果，即构件中的裂缝宽度小于该特征值的保证率为95％的裂缝宽度。由于多种原因，不同宽度裂缝出现的几率不同，但多数裂缝的宽度在平均值附近波动，裂缝宽度比平均值大得越多的裂缝出现的概率也越低。因此，在这种情况下使用“特征裂缝宽度”这一概念更加明确、合理。
　　《PPC建议》给出了“特征裂缝宽度”的计算公式，并且由平均裂缝宽度计算公式导出“特征裂缝宽度”δfk与平均裂缝宽度δfm成正比关系：δfk=(1+KCv )δfm =αΑδfm，α为考虑裂缝宽度离散性的扩大系数；Cv为裂缝宽度的变异系数；K为与分布类型及特征裂缝宽度的保证率有关的系数。
　　(4) 建立与允许最大裂缝宽度相应的允许名义拉应力，用名义拉应力控制裂缝宽度。就是一方面将开裂的部分预应力混凝土梁假定为未开裂的混凝土梁，按匀质截面计算出混凝土的名义拉应力，另一方面根据大量实验数据建立与允许的最大裂缝宽度[wmax] 相对应的混凝土允许名义拉应力[σcl] 。此方法最早由英国学者Abeles提出，并为英国《混凝土结构规范》( CP 110) 所采纳。在1985年英国颁布的BS8110《混凝土结构设计施工规范》中仍沿用此法。我国《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》( JTGD62-2004) 也采用了这一方法。
　　应当注意的是，此法中的允许裂缝宽度[wmax] 和相应的允许名义拉应力[σcl]，均与构件高度有关，随着高度提升，必须乘以相应的高度影响系数(见表3 ) 进行修正。另外，若截面受拉区靠近边缘处布置有附加非预应力筋，混凝土允许名义拉应力可以有所提高。其增值与附加筋占混凝土截面受拉区面积的百分率成正比。当附加筋为1％时，对后张构件可增加4.0N/mm2，对先张构件则为3.0N/mm2。名义拉应力最大不得超过混凝土设计强度的1/4。
　　4.3抗裂设计方法比较
　　以T形截面和矩形截面为例，通过计算分析，将我国GB50010-2002、欧洲EC3、英国BS8110的抗裂设计方法进行比较。
　　GB50010-2002将抗裂控制等级分为三级设计；EC3实际上分为二级，即消压和限制裂缝宽度为0.2 mm；EC3消压要求预应力筋或孔道的全部位于混凝土受压范围以内至少25mm； 而GB50010-2002要求全部混凝土截面处于受压状态；在EC3中，所有裂缝验算是在常遇荷载组合下进行的，GB 50010-2002是按不常遇荷载组合计算的。
　　EC3消压这一档与GB50010-2002一级相比，对T形截面与矩形截面分别仅需73％和86％的预应力筋面积。当裂缝宽度限值取0.2mm时，EC3所需预应力筋面积比GB50010-2002少9％。在承载能力极限状态下，为保证T形截面的强度，GB50010-2002需稍增加预应力筋面积。
　　 EC3消压这一档与BS8ll0一级相比，仅需95％的预应力筋面积。当裂缝宽度限值取0.2mm时，按截面形状不同，对矩形和T形截面，EC3所需预应力筋面积比BS8110多出15％和50％。
　　
　　5结语
　　
　　近年来，许多工程师通过实践发现，我国的《混凝土结构设计规范》GB50010-2002与国外规范相比，对于正常使用状态下预应力混凝土结构构件的抗裂控制规定明显过于严格。具体表现在：由于设计标准的差异，GB50010-2002所需预应力筋比EC3偏多；按照GB50010-
　　2002设计的结构在极限状态下的失效概率较大，但正常使用状态下的控制标准较高。
　　我国规范的1993年局部修订本指出“当有可靠的工程经验时，对预应力的抗裂要求可适当放宽”。因此有学者提出按构件工作条件分为室内正常环境和露天或室内高湿度环境两档，建议房屋裂缝宽度分别取0.2mm和0.1 mm，相应的裂缝宽度按《铁路部分预应力混凝土梁设计及验收规定》TBJ106-91有关公式计算。
　　
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