鋼筋混凝土厚板構件裂縫影響及控制研究

摘 要：本文以山東省某工程為研究對象，以實際構件尺寸為模型，運用室內試驗的方法，制作等比例試驗模型，研究裂縫對鋼筋混凝土厚板構件承載力的影響，分析鋼筋混凝土厚板構件裂縫的控制方法。結果表明，增加鋼筋直徑對裂縫厚板構件的彈性荷載、屈服荷載和極限荷載的提高比率均≤20%；變厚板的尺寸對于厚板構件的荷載有顯著的提高作用，且對彈性荷載和屈服荷載的提高幅度均大于45%，對極限荷載的提高幅度也大于20%；裂紋數量隨著荷載增加而增加，改變鋼筋網片的直徑對厚板構件裂紋的控制不明顯，增加鋼筋網片的間距對厚板構件裂紋的控制不利。

關鍵詞：建筑工程；鋼筋混凝土；厚板構件；裂縫控制

中圖分類號：TU 71 " " " " " 文獻標志碼：A

鋼筋混凝土厚板構件是工程結構中常用的承載部分，由于各種力學因素的作用，因此這類構件經常出現裂縫問題[1]。由于裂縫存在，導致截面削弱和應力集中，因此構件的荷載承受能力降低，導致嚴重破壞；裂縫會增加構件的撓度和變形，對結構的穩定性產生負面影響[2]。在長期使用過程中，裂縫會加速混凝土老化，使水分和有害物質滲透，鋼筋銹蝕和混凝土表面會出現顏色變化，嚴重影響構件的外觀和耐久性。因此，對裂縫的影響及控制進行研究有重要意義[3]。為了控制裂縫發展，本文對混凝土材料配比、結構設計、施工工藝、檢測和維護等方面進行研究，結合山東省某工程鋼筋混凝土厚板構件的施工實例，采用室內模型試驗的方法建立等比例試樣模型，深入研究裂縫問題對工程結構的性能造成的不利影響。研究成果可為裂縫的影響機理并采取相應的控制措施提供依據，為提高構件的承載能力、延長使用壽命和提升美觀度提供方法，保障工程結構安全。

1 工程概況

山東省某工程項目總用地約54738.7m2（以國土部門實測為準），擬建總建筑面積約54866.09m2，其中地上建筑面積42694.59m2，地下建筑面積12171.5m2。該項目主要建設教學樓、綜合樓、風雨操場、宿舍樓、幼兒園以及田徑場等體育場地、綠化及配套設施等，教學樓、綜合樓和宿舍樓的地下室底板厚度為450mm，建筑結構基本參數見表1。工程基坑圍護總長度約616m，基坑總面積約13370m2，基坑普遍區開挖深度為5.0m。采用SMW工法樁+1道預應力旋噴錨樁（局部鋼管內撐），其中軟土深厚范圍坑底設置墩式水泥攪拌樁加固。

2 鋼筋混凝土厚板受荷載影響的裂縫發展過程

與鋼筋混凝土梁形構件相似，鋼筋混凝土厚板受荷載影響產生裂縫是一個動態過程，大致可以劃分為5個階段，分別為無裂縫階段（彈性階段）、裂縫出現階段、裂縫擴展階段（屈服階段）、裂縫貫通階段以及構件破壞階段。具體的裂縫發展和加載過程如下。在構件加載初期，鋼筋混凝土厚板內部的鋼筋與混凝土的應力狀態相對穩定，外荷載引起的板內部應力分布遠小于鋼筋材料和混凝土材料的抗拉應力，板內部也沒有明顯的裂縫或裂紋。此時，鋼筋混凝土厚板處于彈性工作階段，卸除荷載，厚板的變形可以恢復。當荷載加載到一定程度時，由于結構內部材料具有不均勻性，因此外荷載引起鋼筋混凝土厚板的拉應力超過混凝土的抗拉強度，板體的表面開始出現一些微小的裂縫或裂紋。此時，對應的加載值大小為彈性荷載P1，裂縫的出現并不影響鋼筋混凝土厚板的整體承載力，混凝土的受力和變形進入彈塑性變化階段，鋼筋仍處于彈性工作階段。對鋼筋混凝土厚板持續加載，可以在厚板表面觀測到裂縫持續沿著與荷載垂直的方向擴展，尤其是應力集中的區域，荷載增量引起的裂縫數量和密度會不斷增加，裂縫的擴展也會導致板體剛度進一步下降，當板體的裂縫擴展到鋼筋表面時，由混凝土承擔的拉應力全部轉移至主受拉鋼筋中，直到鋼筋進入屈服荷載，此時，荷載增量引起的位移增量呈現一定的波動狀態，對應的加載值大小為屈服荷載P2。

裂縫的不斷擴展會導致裂縫相互交叉和貫通，隨著荷載持續增加，在板體表面和內部會形成一條或多條寬度較大的裂縫，這些裂縫甚至可以穿過板體到達另一面。此時，鋼筋混凝土厚板的剛度和承載能力會受到影響，小的荷載增量可能會產生較大的位移增量。

當裂縫的發展達到極限時，一條或多條裂縫貫穿鋼筋混凝土厚板，板體的受壓區混凝土出現壓碎現象，板體的承載能力達到極限，構件失穩，失去繼續承載的能力，此時對應的加載值大小為極限荷載P3。

3 裂縫對鋼筋混凝土厚板構件的承載力影響試驗

以山東省某工程的厚板構件為原型，制作3種不同截面面積的厚板試件模型，在厚板模型跨中位置設置豎向貫通裂縫（裂縫高度為450mm），通過模型中的鋼筋直徑和界面處理方式，采用四點純彎的加載方式研究裂縫對構件的承載力影響[4-5]。建立的厚板模型工況見表2。

在試驗中，混凝土材料為C50商品混凝土，在28d標準養護條件下150mm立方體試塊的抗壓強度51.2MPa；直徑20mm的鋼筋抗拉試驗測定得到的屈服強度為480.6MPa，極限強度為620.30MPa，彈性模量為2.13×105MPa，直徑25mm的鋼筋抗拉試驗測定得到的屈服強度為470.3MPa，極限強度為670.0MPa，彈性模量為2.14×105MPa。在試驗過程中，采用四點純彎的加載方式，受力以反對稱的方式布置，以減少剪切力和壓彎力的干擾，即在構件長度方向，以一端為起點，下端距離350mm以及2150mm處布置簡支點，支點處放置圓形支座和三角形支座，在上端距離950mm以及2750mm處布置集中荷載，當距離2750mm處設置向下荷載為P時，距離950mm處相應布置向下的荷載為2P。試驗初期以較小的荷載進行試壓，保證加載裝置正常運行，裝置與試件的充分接觸，采用分級加載的方式進行緩慢逐級加載，分級荷載P分別為100kN、200kN、300kN和400kN……，每級荷載控制在60s以上，直至試件破壞[6]。對模型試件的荷載-位移曲線進行測試，并觀測不同階段的荷載大小。當試件出現初始裂紋時，表明試件已經結束彈性荷載階段，并進入塑性荷載階段，相應的荷載大小為彈性荷載；當試件裂縫貫通時，預留裂縫兩側混凝土發生錯動，且發生荷載穩定加載而裂縫和位移不斷變大時，表明試件已經進入屈服荷載階段，相應的穩定荷載為屈服荷載[7-9]；當試件截面滑移增加時，試件表面混凝土出現剝落的情況，并出現崩響，鋼筋彎折失效，當試件發生的變形不適應繼續加載情況時，表明試件已經發生直接剪切破壞，相應的荷載大小為極限荷載。不同工況下厚板試件彈性荷載、屈服荷載和極限荷載對比見表3。3種不同加載階段的厚板構件試驗結果如圖1所示。

對比工況A和工況B可知，增加鋼筋的直徑可以提高裂縫厚板構件的彈性荷載、屈服荷載和極限荷載，且提高幅度逐步增加，提高比率均小于20%。由此可知，增加鋼筋直徑對裂縫厚板構件的荷載提升作用有限；對比工況A和工況C可知，增加厚板尺寸可增大裂縫厚板構件的彈性荷載、屈服荷載和極限荷載，且對彈性荷載和屈服荷載的提高幅度均大于45%，對極限荷載的提高幅度也大于20%。由此可知，改變厚板的尺寸可以明顯增大厚板構件的荷載。

4 鋼筋混凝土厚板構件裂縫的控制試驗

為了研究鋼筋混凝土厚板構件裂縫的控制效果，以山東省某工程的厚板構件為原型（工況A），采用改變抗裂鋼筋網片的方法制作3種不同的試驗模型，工況設置見表4。鋼筋網片采用的鋼筋型號為HRB400，直徑6mm的鋼筋實測屈服強度為403.2MPa，極限強度為425.0MPa，彈性模量為2.01×105MPa；直徑8mm的鋼筋實測屈服強度為401.1MPa，極限強度為427.4MPa，彈性模量為2.03×105MPa。

3種不同工況下鋼筋混凝土厚板構件裂紋控制試驗結果如圖2、圖3所示。從圖2和圖3中可以看出，不同工況的模型試件的裂紋發展規律基本一致。隨著荷載不斷增加，裂紋數量呈現不斷增加的趨勢；在相同的荷載階段，對比工況A和工況D可以發現，增加鋼筋網片的直徑而不增加鋼筋網片的間距，裂紋的數量和長度均略微增加，由此表明，改變鋼筋網片的直徑對厚板構件裂紋的控制不明顯；在同一荷載階段，對比工況A和工況E可以發現，增加鋼筋網片的間距而不增加鋼筋網片的直徑，裂紋的數量和長度均迅速增加，由此表明，增加鋼筋網片的間距對厚板構件裂紋的控制不利。

3種不同工況下鋼筋混凝土厚板構件裂紋數量和裂紋長度見表5。從表5中可以看出，在相同的工況條件下，隨著荷載不斷增加，裂紋的數量和裂紋長度均呈不斷增加的趨勢，在極限荷載P3階段，裂紋的數量和裂紋的長度均出現激增，在裂紋的數量方面，從彈性荷載P1階段到屈服荷載P2階段，工況A的裂紋數量增幅為15條，工況D的裂紋數量增幅為15條，工況E的裂紋數量增幅為25條，從屈服荷載P2階段到極限荷載P3階段，工況A的裂紋數量增幅為25條，工況D的裂紋數量增幅為22條，工況E的裂紋數量增幅為25條；在裂紋的長度方面，從彈性荷載P1階段到屈服荷載P2階段，工況A的裂紋長度增幅為155mm，工況D的裂紋數量增幅為239mm，工況E的裂紋數量增幅為393mm，從屈服荷載P2階段到極限荷載P3階段，工況A的裂紋數量增幅為365mm，工況D的裂紋數量增幅為307mm，工況E的裂紋數量增幅為518mm。

5 結論

鋼筋混凝土厚板構件是建筑施工中的常用材料，構件因荷載產生裂縫成為亟需解決的問題。本文以山東省某工程為研究對象，以實際構件尺寸為模型，采用室內試驗的方法，制作等比例試驗模型，通過分析裂縫成因以及研究裂縫對趕工混凝土厚板構件承載力的影響，得到以下結論。

變厚板的尺寸、鋼筋的直徑以及荷載均對裂縫發展有不同程度影響。變厚板的尺寸可以顯著提高厚板構件的荷載值，而隨著鋼筋直徑的增加，彈性荷載、屈服荷載和極限荷載也隨之增加。在不同情況下，試件的裂紋發展規律基本相同，荷載的增加會使裂紋數量不斷攀升。但改變鋼筋網片的直徑對厚板構件裂紋的控制并不明顯，增加鋼筋網片的間距也對厚板構件裂紋控制不利。本文通過此次研究，以期為相關工程提供參考。

參考文獻

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