國內外標準中基于耐久性的混凝土裂縫限值分析

何 華，吳海軍，高 宇，陸 萍

（1.廣西吉泰投資有限公司，廣西 南寧 530001;2.重慶交通大學土木建筑學院，重慶 400074）

國內外標準中基于耐久性的混凝土裂縫限值分析

何 華1，吳海軍2，高 宇2，陸 萍2

（1.廣西吉泰投資有限公司，廣西 南寧 530001;2.重慶交通大學土木建筑學院，重慶 400074）

分析比較了國內外標準中關于混凝土構件裂縫寬度限值的規定，指出了各個標準限值的特點及其內涵，提出橋梁混凝土構件耐久性指標裂縫寬度限值的確定應考慮環境作用、結構受力特點、構件種類、受力狀態、構造特點等因素的影響;歸納出干濕交替、無干濕交替及腐蝕3種環境下，鋼筋混凝土及預應力混凝土構件的裂縫寬度限值的一般范圍和相互關系，為確定公路橋梁混凝土構件基于耐久性的裂縫限值提供參考。

混凝土橋梁;耐久性;裂縫寬度限值;環境作用

混凝土開裂是混凝土橋梁結構的一個普遍問題。裂縫根據其產生的原因分受力因素和非受力裂縫。盡管開裂原因及發展程度不同，但是，裂縫的開展會引起混凝土橋梁構件耐久性能、正常使用性能、甚至承載力等諸多性能的變化;而裂縫的開展又與鋼筋銹蝕和混凝土構件表面損傷等諸多影響構件耐久性能的因素存在著重要的相互作用［1］。從耐久性評定的角度看，裂縫開展情況（主要指寬度）具備便于檢測及可重復驗證的特點;因此，裂縫寬度對于衡量和評價混凝土橋梁構件的耐久性能是十分重要的，它是評價構件耐久性能的一個關鍵指標［1］。

我國現有公路橋梁有關規范缺乏關于混凝土橋梁構件耐久性的評價指標，這給在役橋梁的科學管養及耐久性評估帶來了不少困難。鑒于此，交通部西部交通建設科技項目“混凝土橋梁耐久性指標體系、檢測方法與評價標準的研究”以在役混凝土橋梁構件耐久性評價指標與限值作為其重要的研究目標。通過調查發現，部分國內外標準、規范基于耐久性要求提出了混凝土構件的裂縫寬度限值，但由于混凝土所處環境不同、混凝土品質不同、施工質量不同等因素，各規范中提出的裂縫限值各異。因此，通過分析相關規范中裂縫限值的內涵及其量值，得出裂縫限值的一般規律、范圍及其影響要素，對于合理確定基于耐久性的公路橋梁裂縫指標限值具有重要意義。

1 國內有關標準中裂縫限值及分析

隨著混凝土結構耐久性問題的日益凸顯及耐久性研究成果的不斷豐富，包括混凝土結構國家標準及鐵路、建筑等部分行業標準在內的一些標準、規范中逐漸提出了考慮耐久性要求的裂縫限值。

1）GB/T 50476—2008《混凝土結構耐久性設計規范》中要求在荷載作用下配筋混凝土構件表面裂縫寬度計算值不應超過表1中限值［2］。

表1 表面裂縫計算寬度限值Table 1 Allowance value of surface crack calculating width/mm

該規范裂縫計算寬度的具體限值與環境作用等級及構件受力特點有關，環境作用等級分6類。構件分為預應力和非預應力兩類，其裂縫寬度主要指橫向的受力裂縫寬度。同時，該規范偏保守的忽略了保護層厚度增大對于裂縫寬度容許值的貢獻。

2）JTG/TB 07-01—2006《公路工程混凝土結構防腐蝕技術規范》中指出混凝土表面裂縫的計算寬度，不宜超過表2中所示的允許值［3］。

表2 表面裂縫計算寬度限值Table 2 Allowance value of surface crack calculating width/mm

該規范裂縫計算寬度的具體限值與環境作用等級、環境的類別及構件受力特點有關，這些因素及考慮與表1有關規定相似，但具體裂縫限值較前者嚴格，這與公路結構活荷載較大、使用環境較復雜的情況相符。

3）《鐵路混凝土結構耐久性設計暫行規定》（鐵建設［2005］157號）中指出在混凝土橋涵結構中恒載裂縫的計算寬度不應超過表3中的最大裂縫限值［4］。

該規范裂縫計算寬度的具體限值指明了是恒載作用下的裂縫寬度，這是其他規范所沒有的，它考慮了列車活載可能引起裂縫寬度增大這一問題，使得寬度限制值的受力狀態明確化。該裂縫限值考慮了構件類別、裂縫部位對耐久性的容忍程度，構件類別分為4類，裂縫部位根據部位不同而裂縫限制不同，其裂縫寬度主要指橫向的受力裂縫寬度。同時，該規范有關說明考慮了保護層厚度增大對于裂縫寬度容許值的貢獻。

4）CCES 01—2004《混凝土結構耐久性設計與施工指南》指出混凝土在荷載作用下的表面橫向裂縫寬度計算值應不超過表4中的限值［5］。

表4 表面裂縫計算寬度限值Table 4 Allowance value of surface crack calculating width/mm

該規范裂縫計算寬度的具體限值與環境的類別及構件受力特點有關，受力特點分為預應力和非預應力兩類，環境的類別分為4類，其裂縫寬度主要指橫向的受力裂縫寬度。同時，該規范考慮了保護層厚度增大對于裂縫寬度容許值的貢獻。

5）我國現行GB 50010—2002《混凝土結構設計規范》規定，結構構件應根據結構類別和其規定的環境類別，按表5的規定選用不同的裂縫控制等級及最大裂縫寬度限值 ωlim［6］。

表5 構件的裂縫控制等級及最大裂縫寬度限值Table 5 Allowance and control grade of component crack

該規范最大裂縫寬度的具體限值與環境的類別及結構受力特點有關，此外考慮了裂縫控制等級對裂縫寬度限值的影響，其裂縫寬度主要指橫向的受力裂縫寬度。

2 國外有關標準中裂縫限值及分析

在混凝土結構領域，美國、歐洲、日本及新西蘭等國的相關研究與標準規范通常處于領先地位，下面對其相關規范中的裂縫寬度限制值進行總結和分析。

1）美國混凝土協會1998年的標準ACI 224.1R-93，從耐久性方面考慮，對鋼筋混凝土構件，提出的允許最大裂縫寬度如表6［7］。

表6 由耐久性決定允許的最大裂縫寬度Table 6 Allowance width of crack determined by durability

2）歐洲混凝土委員會在CEB-FIP規范中，根據混凝土結構耐久性要求、結構所處條件及荷載作用情況，對允許最大裂縫做出了規定，如表7［7］。

表7 裂縫最大允許寬度Table 7 Maximum allowance width of crack /mm

歐洲混凝土委員會對于由耐久性決定的最大裂縫寬度的規定指明了構件所處的受力狀態，這點與國內《鐵路混凝土結構耐久性設計暫行規定》（鐵建設［2005］157號）對于恒載狀態的要求類似，但裂縫限制值要求偏高;該規范同時明確了考慮活載影響的裂縫寬度控制值，它比恒載狀態下大0.1 mm，其裂縫寬度主要指橫向的受力裂縫寬度。該規范關于受力狀態和裂縫寬度限制值的對應關系解決了部分規范在這一問題上模糊不清的態度，對混凝土構件的耐久性評定有清晰的指導性，值得借鑒。

3）日本土木學會與建筑學會允許的裂縫寬度見表 8［7］。

表8 允許裂縫寬度Table 8 Allowance width of crack /mm

日本土木學會標準中把允許裂縫寬度與保護層厚度直接聯系起來，提出的允許裂縫寬度與保護層厚度呈線性關系。此外，規范中還把容許裂縫寬度與鋼筋種類相關起來，反映了同樣受力條件下，表面形狀不同的鋼筋對于裂縫約束能力的不同。這兩種處理方式是其他規范所沒有的，如果按照保護層厚度為30 mm計算，其一般環境下采用Ⅱ級鋼筋的允許裂縫寬度為0.15 mm。

4）新西蘭標準NZS 3101:1995中對允許裂縫寬度的規定，見表 9［7］。

表9 允許裂縫寬度Table 9 Allowance width of crack /mm

新西蘭標準中提及的環境條件較簡單，只分為3種，允許裂縫寬度也只與構件受力特點有關，與其他國內外規范不同的是，該標準對于預應力混凝土構件開裂的容忍程度明顯較高，同樣環境情況下，該規范提出的預應力構件允許寬度只比普通鋼筋混凝土構件的允許裂縫寬度小0.1 mm。

3 國內外標準、規范裂縫限值的比較

3.1 影響因素分析

通過以上分析，對國內外標準中裂縫寬度限值提出所考慮的因素進行對比總結如表10。

表10 裂縫寬度限值影響因素分析Table 10 Analysis on influence factors of allowance width of crack

由表10可知:

1）各標準、規范確定裂縫寬度限值時基本上都考慮了環境作用等級和構件受力特點的影響。不同標準、規范對環境類別劃分較接近，但不同規范會因其使用的范圍不同而有所差異。

2）各標準、規范關于構件種類、裂縫部位、受力狀態、構造特點對裂縫限值的影響研究較少，考慮不足。

3）以上規范中只有《鐵路混凝土結構耐久性設計暫行規定》（鐵建設［2005］157號）較全面考慮了構件類別、裂縫部位等對裂縫寬度限值的影響。

3.2 裂縫限值分析

對國內外各規范、標準中各種混凝土構件（恒載狀態下）在不同環境下裂縫寬度的耐久性極限值進行對比如圖1～圖5。

圖1 一般大氣環境（無干濕交替）鋼筋混凝土構件裂縫寬度限值對比Fig.1 Comparison of allowance width of reinforced concrete crack in normal atmospheric environment with no alternate drying-wetting

從圖1中可見，國內外規范關于一般大氣環境下（無干濕交替）鋼筋混凝土構件橫向受力裂縫寬度限值在0.2～0.4mm之間，平均值約為0.35mm。

圖2 一般大氣環境下（無干濕交替）預應力構件裂縫寬度限值對比Fig.2 Comparison of allowance width of pre-stressed component crack in normal atmospheric environment with no alternate drying-wetting

從圖2中可見，國內外規范關于一般大氣環境下（無干濕交替）預應力混凝土構件橫向受力裂縫寬度限值在0.2～0.3 mm之間，大多數取值為0.2 mm，其限制值比同環境下的鋼筋混凝土構件小0.1 mm。

圖3 一般大氣環境下（干濕交替）鋼筋混凝土構件裂縫寬度限值對比Fig.3 Comparison of allowance width of reinforced concrete crack in normal atmospheric environment with alternate drying-wetting

從圖3中可見，國內外規范關于一般大氣環境下（干濕交替）鋼筋混凝土構件橫向受力裂縫寬度限值在0.15～0.30 mm 之間，平均值約為0.20 mm，其限制值總體上較非干濕交替條件下的鋼筋混凝土構件小0.05 ～0.10 mm。

圖4 一般大氣環境下（干濕交替）預應力構件裂縫寬度限值對比Fig.4 Comparison of allowance width of pre-stressed component crack in normal atmospheric environment with alternate drying-wetting

從圖4中可見，國內外規范關于一般大氣環境下（干濕交替）預應力混凝土構件橫向受力裂縫寬度限值在0.10～0.20 mm之間，大多數取值為0.10 mm，其限制值總體上較非干濕交替條件下的預應力混凝土構件小0.10 mm，也較一般大氣環境下（干濕交替）鋼筋混凝土構件橫向受力裂縫耐久性極限值小0.1 mm。

從圖5中可見，國內外標準、規范關于腐蝕環境下鋼筋混凝土構件橫向受力裂縫寬度限值在0.1～0.2 mm之間，大多數取值為0.1 mm，平均值約為0.15 mm。

圖5 腐蝕環境下鋼筋混凝土構件裂縫寬度限值對比Fig.5 Comparison of allowance width of reinforced concrete crack in corrosion environment

另外，對于腐蝕環境下預應力混凝土構件橫向受力裂縫耐久性極限值，我國 GB/T 50476—2008《混凝土結構耐久性設計規范》、JTG/TB 07-01—2006《公路工程混凝土結構防腐蝕技術規范》、CCES 01—2004《混凝土結構耐久性設計與施工指南》中均按一級裂縫控制，即不允許開裂，而新西蘭規范則規定腐蝕環境下預應力混凝土構件橫向受力裂縫允許值為 0.1 mm。

4 結論

以上分析和比較為確定公路橋梁混凝土構件基于耐久性的裂縫限值提供了有益的借鑒和參考，并獲得以下結論或認識:

1）當前國內外標準規范基本上是從環境作用及構件受力特點兩個方面來考慮混凝土結構裂縫寬度限值，考慮到橋梁活載效應大、使用環境復雜的現實，在橋梁混凝土構件耐久性裂縫寬度限值確定時，應在考慮環境作用和構件受力特點的基礎上進一步考慮受力狀態、構造特點等因素的影響。

2）一般大氣環境（無干濕交替）下普通鋼筋混凝土構件橫向受力裂縫寬度耐久性極限值，國內外規范差別不大，其取值范圍為0.2～0.4 mm;預應力混凝土構件橫向受力裂縫寬度耐久性極限值，國內外規范基本上是取0.2 mm。

3）一般大氣環境（干濕交替）下鋼筋混凝土構件橫向受力裂縫寬度耐久性極限值，國內外規范差別不大，其取值范圍為0.15～0.3 mm;預應力混凝土構件橫向受力裂縫寬度耐久性極限值，國內外規范基本上是取0.1 mm。

4）腐蝕環境下鋼筋混凝土結構橫向受力裂縫寬度耐久性極限值，國內外規范差別不大，其取值范圍為0.1～0.2 mm。

5）國內外標準規范中提出的裂縫寬度限值都明指或暗指受力引起的裂縫，而收縮裂縫、鋼筋銹蝕裂縫等對構件耐久性也是有明顯影響的，如何在確定裂縫限值時考慮這些因素是需要研究的重要問題。

（References）:

［1］ 吳海軍.混凝土橋梁構件耐久性指標、檢測與評定方法研究［R］.重慶:重慶交通大學，2011.

［2］ GB/T 50476—2008混凝土結構耐久性設計規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2008.

［3］ JTG/TB 07-01—2006公路工程混凝土結構防腐蝕技術規范［S］.北京:人民交通出版社，2006.

［4］ 鐵建設［2005］157號 鐵路混凝土結構耐久性設計暫行規定［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［5］ CCES 01—2004混凝土結構耐久性設計與施工指南［S］.北京:中國建筑工業出版社，2004.

［6］ GB 50010—2002混凝土結構設計規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2002.

［7］ 馮乃謙，邢鋒.混凝土與混凝土結構的耐久性［M］.北京:機械工業出版社，2009.

［8］ 鄭升寶，曹正洲，譚科.預應力混凝土T梁裂縫的分析［J］.重慶交通大學學報:自然科學版，2009，28（4）:658-659.

ZHENG Sheng-bao，CAO Zheng-zou，TAN Ke.Crack causes of prestressed concrete T beam ［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science，2009，28（4）:658-659.

Allowance of Concrete Crack Width Based on Durability of Domestic and Overseas Code

HE Hua1，WU Hai-jun2，GAO Yu2，LU Ping2
（1.Guangxi Jitai Investment Co.Ltd.，Nanning 530203，Guangxi，China;
2.School of Civil Engineering ＆ Architecture，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China）

Crack limit values home and abroad are analyzed and compared，and then the connotation and characteristics of the allowance width of crack are pointed out respectively.It is proposed that durability crack limit should take environment，steel，stress characteristic，component styles，crack position and construction feature into consideration.The crack limit range and relationships of concrete component and pre-stressed concrete component are concluded in alternate drying-wetting，no alternate drying-wetting and corrosion environment，which provides useful reference for allowance width of crack in concrete bridge constructor based on durability.

concrete bridge;durability;allowance width of crack;environmental effect

U 442.5+1

A

1674-0696（2011）06-1282-05

10.3969/j.issn.1674-0696.2011.06.05

2011-06-27;

2011-08-18

交通運輸部西部交通建設科技項目（2006 318 223 02 06）

何 華（1972-），男，廣西桂平人，高級工程師，主要從事公路橋梁建設與維護技術工作。E-mail:hehua0283@sina.com。