结构荷载裂缝.docx

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结构荷载裂缝

第4章结构（荷载）裂缝

4．1引言

由结构（荷载月）发的裂缝，大致可以划分为：

①抗弯裂缝；②剪切裂缝；此外，还有弯剪联合作用产生的裂缝；③钢筋的粘结力不足而造成的开裂等。

代表的结构裂缝的形态如图4－1，图4－2所示。

此外，及结构裂缝容易混同的裂缝形态也列于图4－3，图4－4，以便参考。

钢筋混凝土构件（RC）中，如果构件发生的抗拉应力超过了混凝土的抗拉强度，就会产生裂缝。

至今为止在钢筋混凝土结构中，以钢筋承担抗拉应力；一旦钢筋应力增大，即使是在弹性范围内，卸荷以后，多多少少都会有裂缝残留下来，但这种裂缝属于内部封闭式裂缝。

在建筑结构物中，即使发现由于结构原因而出现的裂缝，也不一定要修补、补强；但是，要根据发生裂缝的部位和裂缝宽度等，对美观、安全性及耐久性等方面，进行综合判断，采取相应的对策。

如果判断是有害的裂缝，就需要进一步弄清楚内部的钢筋的应力是否已经达到了屈服强度，再决定修补或补强，这是十分重要的。

在本章按照不同类型的荷载引起的结构裂缝分别整理介绍如下。

4．2施工荷载引起结构的开裂

混凝土施工浇灌完成以后，经凝结硬化以后逐渐产生强度，但早期混凝土的强度是很低的，不应受到荷载的作用；模板的各种支撑也需要稳固在原来的位置，这是十分重要的。

早期混凝土强度还没有充分发展起来，如果受到荷载的作用，必然引起开裂。

所受到的荷载，除了外荷载之外，本身重量也是荷载之一。

如果模板支撑被拆除，会引起模板下沉，因为早期楼板混凝土的强度很低，所以会产生早期裂缝。

特别是支撑在土壤上的立柱，立柱支点周围要保证十分牢固。

以免因支柱下沉，造成模板下沉，导致早期硬化的楼板开裂，如图4－5所示。

如果梁、板等抗弯构件，浇筑混凝土后，在未到达必要强度之前，就撤去模板支撑，在楼板上表面，会出现圆形的弯曲裂缝；或者由于上层的施工荷载过大，也会产生这种弯曲裂缝。

在2层或3层模板支撑上层的混凝土自重或施工荷载时，通常作用在楼板的最大施工荷载（包括楼板本身自重）预计是（自重十模板重）的2.1倍左右。

特别是施工荷载超过设计荷载的情况下，验算结构开裂是很重要的。

此外，预留洞穴的楼板，在洞穴附近如堆存过多的施工材料和器具，也要注意由于上面受弯而产生的开裂问题。

最近有一种复合式楼板施工的新工艺；没有立柱支撑模板（包括楼板混凝土自重），而是用一种镀锌铁皮做成模板，模板也是结构的一部分；把混凝土浇筑在这种模板上，混凝土硬化后镀锌铁皮就是楼板的一部分。

这种复合式的钢筋混凝土楼板多用于事务所的楼板，如图4－6所示。

这种施工方法，特别是没有设置支撑，板的跨度大时，在支承端附近会产生裂缝，应加以注意。

除了弯曲应力之外，也会产生收缩应力而引起的裂缝。

这就需要增加补强钢筋，以降低对混凝土的收缩应力，从而降低这种复合板的收缩开裂。

4．3长期荷载引起的开裂

钢筋混凝土结构在长期荷载作用下产生的开裂，可认为是由于设计时结构抗力太低造成的。

作用在结构构件上的长期荷载，包括结构自身重量和作用在结构上的活荷载。

各个国家在结构设计时，活荷载取值的标准不同，荷载系数不同，设计出来的结构构件的抗力也不同。

也就是说，抵抗长期荷载时的抗裂性能也不同。

例如，各国对办公楼层设计活荷载的标准值如下：

由表4－1，表4－2可见，我国设计时活荷载的设计标准值低于其他国家，而活荷载系数及恒荷载系数又低于其他国家。

故我国在结构设计时，荷载设计值是最低的。

在结构设计时，荷载设计值=荷载的标准值×荷载系数。

而对材料强度设计值（材料强度标准值除以材料强度系数），我国又高于其他国家。

例如混凝土的强度系数，我国为1．35，英国、美国、日本等国均为1．5。

这样，在相同的混凝土强度标准值下，我国混凝土强度设计值又高于其他国家。

也即安全性低于其他国家。

按照上述两方面的情况，我国混凝土结构设计抗力远远低于其他国家。

因此，在长期荷载作用下，往往会容易产生开裂。

4．3．1剪切开裂

我国有一部分现浇钢筋混凝土结构，混凝土大梁支承于混凝土墙体上，由于梁

的荷载太大，墙体混凝土标号低，抗剪配筋不足，会在梁垫下的墙体上产生剪切开裂。

某校游泳馆两边看台，一边面向操场，一边面向广场。

支承看台的钢筋混凝

土大梁，一边支承在墙体上，另一端支承在屋架大梁上。

支承钢筋混凝土梁的墙

体，混凝土强度低（C20以下），只有一般钢筋网片，无抗剪配筋。

而看台本身的

自重荷载已很大，遇上比赛和观礼时，活荷载又很大，都通过梁传到支承的墙体上，剪切的作用力很大，造成墙体开裂，如图4－7所示。

游泳馆两边看台如图4－8a、b所示。

通道顶上部是看台，开裂的墙体是通道左边（左边看台）和通道的右边（右边看台）。

某高校的E座教学楼，梁支承在现浇钢筋混凝土墙体上，墙体的混凝土强度很低，强度等级﹤C20，如图49所示，

把墙体表面抹灰砂浆拨开后，里面的混凝土像豆腐渣一样，用手指头一拘就掉渣，承载力很低，抗剪配筋很少，放在梁的承垫处产生剪切裂缝，如图4－10所示。

4．3．2板的挽度过大引起的开裂

日本调查了1960～1970年竣工的钢筋混凝土建筑结构物，由于设计荷载标准低，混凝土质量控制不良等种种原因。

这些建筑物中的楼板和梁等构件，在长

期垂直荷载作用下，楼板支承端的上表面和下面的跨中央，会产生开裂；而且裂缝和板的挽度都一直在继续增长。

楼板发生的裂缝图形如图4－11所示。

设计的基准低，挠度过大，是产生裂缝的主要原因。

楼板上表面的开裂宽度，在饰面砂浆表面上能观察到宽度超过lmm的裂缝。

楼板躯体混凝土表面上有许多宽度外0.3mm以下的裂缝。

这是因为在楼板的上面是拉应力，下面是压应力；在这种弯曲应力作用下，以及由于楼板上端部配筋不足，放在楼板饰面砂浆上看到比较大的裂缝。

由于楼板支承端部的开裂，产生弯矩重分配，跨中的弯矩增加，挠度变形也进一步增大。

4．3．3粘结徐变的性能

在荷载作用下，钢筋缓慢地从混凝土中拔出，这称之为钢筋和混凝土粘结徐变的性能。

由于粘结徐变，降低了钢筋及混凝土的粘结力，降低了钢筋混凝土的承载力，从而引发钢筋混凝土结构的开裂，如图4－12所示。

在静态持续荷载的作用下，加载初期，钢筋从混凝土中拔出的量大；在加荷10d时的变形值是初期值的1.5倍。

但其后，钢筋拔出的移动量小；在加荷1年时的变形值只是初始值的2倍。

这种现象及后面所述的在反复荷载作用下，钢筋被拔出的情况有很大不同。

如住宅和事务所的楼板，由于长期荷载作用，发生裂缝及挠度等问题；而徐变、干燥收缩又会产生新的开裂，随着时间的增长，烧度也逐渐增大。

如果不及时修补，其后的问题会很多。

这些都及钢筋和混凝土粘结徐变有关。

4．4疲劳荷载作用下的开裂

钢筋混凝土构件受到反复荷载作用时，及静力试验相比，在比较低的荷载作用下，构件就受到损伤。

也就是说，由于反复疲劳作用，即使作用荷载在开裂荷载以下，在板的下面就产生了受弯裂缝。

而且随着裂缝增多，裂缝宽度也逐渐扩大。

这是由于反复荷载作用，产生疲劳，造成混凝土强度降低而引起的。

钢筋和混凝土的粘结劣化，也是其中原因之一。

日本学者松下等人对混凝土在压应力作用下，进行了反复荷载达200万次的

试验，得出了这样的结论：

在静力强度65％左右的抗压应力反复荷载作用下，出现了疲劳破坏，如图4－13所示。

普通钢筋和混凝土的粘结出现疲劳劣化的例子很少。

日本的大喜多研究了异型钢筋的粘结疲劳性能，粘结强度（一个方向的）及疲劳荷载比为S，达到某一滑移值时的次数为N时，研究的各种关系如图4－14所示。

由图4－13可见：

应力比S在80％～90％的疲劳荷载作用下，作用次数N=107就发生破坏。

图414说明：

S=0.6，滑移值达到0.5mm时，疲劳荷载作用仅10万次；滑移值=1.0mm时，疲劳荷载作用约500万次。

4．5动荷载作用引起的开裂

许多钢筋混凝土公路桥，在超载行车和频繁的行车频率作用下，会产生严重的开裂损伤。

有的甚至因开裂损伤严重而无法修复。

在建筑物中，如仓库和配送中心的楼板上，经常行走的吊车，也是一种动荷载和高频率的荷载作用。

在这种

动荷载高频率作用下，在早期不易发现问题；但经过一定时期以后，行车通过时会观察到裂缝，过后裂缝又闭合；从某一时期开始，行车通过时发生裂缝，过后裂缝也不闭合。

在这种情况下，结构已发生严重的损伤开裂。

我国沿海的许多公路桥，在超载车的高频率作用，以及Cl－等各种劣化因子的作用，发生了日益严重的开裂损伤，甚至破坏。

在仓库和配送中心的钢筋混凝土楼板，由于动荷载和高频率作用。

在板的上表面，一开始出现圆形的弯曲作用的裂缝，沿着梁的四周发生，并逐渐扩大。

开裂部分发生角部损伤，其后发生挠度变形及有感振动，严重时部分圆形裂缝发生凹陷。

另一方面，在板的下面发生弯曲裂缝。

由于损伤扩大，以及开裂掉角，混凝土发生剥落掉粉现象。

进一步发展严重时，在板的一面发生格子状的裂缝，如图4－15所示。

混凝土出现小片掉落；其后，板的上表面的开裂沉陷及下面贯通，发展到不能使用。

日本的圆田等人在试验室进行楼板的疲劳试验时，在疲劳荷载作用点的正下方，发现放射状的裂缝。

如果是多点移动荷载疲劳试验，就能再现车辆行走时特有的开裂损伤一格子状的开裂损伤。

这就展示了至今还不明白的格子状开裂损伤的原因和移动荷载之间的关系。

仓库楼板设计的流程如图4－16所示。

4．6地震荷载作用引起的开裂破坏

地震荷载是一种短暂荷载，在数分钟的瞬间，就会给结构物带来极大的破坏。

1978年唐山大地震，整个唐山的建筑物几乎全部倒坍，死亡20多万人。

唐山地震时对建筑结构物破坏实例如图4－17所示。

2000年时的台湾大地震也是强烈大地震。

地震对建筑结构的典型破坏如图4－18所示。

在地震荷载作用下，结构物的开裂损伤是以抗弯开裂和抗剪开裂为代表的裂缝形态。

结构构件的跨度越短，抗弯的承载能力越高；但抗剪的承载能力没有提高。

因此，地震时，掺杂在墙体中建造的短柱、短梁等构件，经常看到的是剪切开裂破坏。

抗弯作用下的开裂具有韧性；即具有充分的变形能力。

但是抗剪作用下的开裂破坏通常都是脆性破坏。

现在，新的抗震设计方法是根据柱子的剪切破坏，以保证建筑结构物有充分的抗剪强度。

也即按照抗震时的抗剪补强配筋（箍筋），以免地震时的崩裂破坏。

日本的吸神、淡路大地震时对结构的破坏，也多为抗剪破坏，使许多钢筋混凝土结构物都崩裂倒坍。

因为按日本旧标准设计的钢筋混凝土柱，抗剪增强筋（箍筋）太少，没有足够的抗剪能力，放在地震时，钢筋混凝土结构物大片倒坍。

当抗弯强度和抗剪强度比大约为1.0左右，剪切破坏的可能性要高一些。

4．6．1梁、柱构件发生的开裂

梁、往构件的破坏图型是抗弯破坏、剪切破坏和粘结开裂破坏等。

日本的小柳测定了梁的荷载一相对变形的图型，如图4－19所示。

为了便于参考，将抗弯开裂破坏的试件列于图4－20。

抗弯屈服以后，多数发生剪切和粘结开裂破坏，最终在支承处受弯和压坏。

由图4－20可见，抗弯曲开裂图形大变形之后还具有粘性，表现出高的韧性。

但是剪切破坏和粘结开裂破坏，在大变形之后耐力显著降低，表现出脆性的性状。

为此，在设计中应尽量避免梁、柱构件发生剪切破坏和粘结开裂破坏，而且要具有优异的抗弯能力。

4．6．2墙壁开裂

由于地震，墙壁产生的开裂多为斜向开裂和X字型开裂，这是剪切裂缝的图形，如图4－21所示。

但是，发生斜向开裂的状况，及墙体混凝土的收缩（干燥、温度变化）而产生开裂的图形，以及混凝土浇筑时的冷接缝相似，如图422所示。

在判断不清楚的情况下，可从裂缝发生的特定时间和建筑物整体裂缝的图形来判断，属何种开裂就会清楚了。

4．7不同沉降引起的开裂

由于建筑物基础的不同沉降而受害的事例不太多；但发生不同沉降时，墙体会发生斜向开裂；同时，结构中的梁也会发生弯曲、剪切开裂等，如图4－23所示。

这种情况下，开裂的裂缝宽度比较大，更需要修补及补强。

结构体系中构件梁的受害，特别是及基础接触的地基梁受害的可能性很大。

对不同沉降引起开裂存有疑虑时，应进一步了解地下结构物的损伤状况，进行诊断。

4．8预测抗弯开裂的裂缝宽度

在钢筋混凝土结构中，多多少少会存在一些结构裂缝，这是允许的。

但是，在荷载作用下，结构产生的裂缝，裂缝的宽度必须加以控制，这对结构设计是十分重要的。

对梁和楼板等抗弯构件，预测裂缝宽度的方法很多。

例如日本的铃木等人在这方面颇有研究成果。

在日本的钢筋混凝土标准中，铃木的研究成果也被收入到附录中。

根据铃木的研究，作用在钢筋的应力及保护层厚度有很大的相关性。

按照铃木提出计算裂缝宽度的关系式来计算，当梁的裂缝宽度为0.3mm时，对应的钢筋应力是200N/mm2（2tf/cm2）左右。

进一步扩大这种设想，如果裂缝宽度超过

0.5mm，钢筋已全部进人屈服状态。

当然，不能以这种状态为限度进行设计。

但是，受到地震荷载的时候，进行开裂的修补和补强的时候可以参考。

在进行钢筋混凝土结构构件设计，如楼板和梁的设计时，对其开裂不想特别严格抑制的时候，是以低的钢筋允许应力度设定的，稍为增加一些配筋率，可以认为是一种实用的对策。

4．9结束语

”建筑结构物发生开裂的时候，在研究修补计划之前，需要搞清楚是外部结构的开裂呢？

还是物性上的收缩开裂呢？

或者是由于施工不良造成的开裂呢？

首先要调查开裂的内容和原因，这是最重要的。

在调查的时候，不仅仅只限于个别裂缝，而是需要把握住整个建筑结构物的裂缝状况，掌握裂缝发展的倾向；要调查裂缝发生的时期及有关整个建筑物的状况，只有这样，才能正确地判断裂缝发生、发展的状况，从而也才能正确地进行修补。