基于预应力混凝土裂缝控制措施及抗裂可靠性设计

精品文档-下载后可编辑基于预应力混凝土裂缝控制措施及抗裂可靠性设计【摘要】预应力混凝土结构已成为当今最广泛、最有发展前途的现代结构之一。本文结合工作实践，根据混凝土裂缝产生的原因提出了控制预应力混凝土结构裂缝的相应措施，以及在预应力混凝土结构抗裂设计中所采用的设计方法并提出了相关的计算公式。以供同行技术人员参考和借鉴。

【关键词】预应力；混凝土；防治措施；设计建议

工程概况：

该工程是集宾馆、酒店、办公、娱乐、商业于一体的综合性建筑，总建筑面积为127857m2一幢为二十六层酒店的高层建筑和另一幢为二十层写字楼组成，地下部分为一个连体的大型二层地下室。建筑物高度：二十六层酒店总高度为97.60米，（四层裙房高度19.50米）；其中底层层高5.100米，二至四层商业娱乐用房层高为4.80米；由于跨度较大，工程大量采用了预应力结构梁。

一、预应力混凝土结构裂缝的形成原因

预应力结构构件几何尺寸厚大，本工程预应力大梁截面宽度一般在400~600mm，梁高多在1000mm以上，预应力结构不仅具有跨越能力大、受力性能好、耐久性高、轻巧美观等特点，而且较为经济、节材、和节能。现在已被应用到各个领域，但已建成的预应力混凝土结构工程中都或多或少地产生了裂缝，影响了结构的耐久性和结构性能，结构产生裂缝的原因主要归纳有以下几个方面：

1．1预应力构件设计截面尺寸不合理引起的裂缝

截面尺寸较大的混凝土构件在硬化过程中，由于截面尺寸设计不当引起较大的拉应力，从而引起两种裂缝，失水干缩形成的裂缝及温度变化引起的收缩裂缝，此外混凝土内部产生的水化热导致构件温度升高，引起内部混凝土膨胀变形而产生裂缝。

1．2施工过程中支撑体系不当产生的裂缝

由于混凝土硬化前预应力结构跨度较大，构件截面尺寸大，施工荷载也大，造成支撑体系的承载力不足，脚手支架沉降形成裂缝；采用早拆模板施工方法时，混凝土强度标准值达到设计强度的115%，但采用建立预应力，拆模后产生裂缝。同时，由于保留的支撑承载力不足也会产生裂缝，此类裂缝在跨中垂直梁底，下宽上窄，呈正截面受弯裂缝，两端为斜向受剪裂缝。

1．3混凝土材料本身引起的收缩裂缝

混凝土是一种混合材料，由水泥、石、砂、水所组成，各材料的物理化学性质不同，在混凝土硬化过程中掺杂了气体和水，因此混凝土在开始时便具有微观裂缝和微孔。现阶段工程多采用商品混凝土，水灰比比较小，导致塌落度大，产生收缩裂缝的几率增大。

1．4预应力张拉工艺不当产生的裂缝

由于预应力钢筋锚固区局部受压过大，在梁端非预应力区内产生拉剪裂缝，同时此处将会引起沿钢筋方向的纵向裂缝。施工过程中对预应力钢筋施加的应力未达到设计值时引起拉应力而导致的裂缝。

二、裂缝对预应力混凝土结构的危害

2．1结构承载力下降

裂缝的产生和发展，即使没有破坏混凝土结构和钢筋，但削弱了局部构件截面的有效高度，裂缝的产生导致结构的实际承载力要比理论计算得到的承载力小，结构的实际承载力的降低不能充分发挥结构性能。

2．2冻蚀影响

水分通过裂缝进入到混凝土结构中，当气温在00以下时，渗入混凝土中的水分结冰膨胀，从内部破坏混凝土的微观结构，引起原有裂缝的进一步扩展，特别当冻融现象比较频繁时，损伤积累将使混凝土剥落酥裂，裂缝宽度将逐渐加宽，强度降低。

2．3钢筋腐蚀影响

在一般环境下，预应力钢筋的腐蚀通常由两种作用引起，一种是碳化作用，另一种是氯离子的侵蚀，这两种作用都破坏了受力筋的钝化膜，通过两种作用的腐蚀的机理可知诱发受力筋腐蚀应同时具备以下三个条件：①受力筋表面钝化膜的破坏；②适宜的湿度(RH=60%～85%)；③充足氧气的供应。因此混凝土在产生裂缝的同时，为受力筋的腐蚀提供了有利的条件，钢筋的受力面积比实际计算受力面积要小，随着裂缝的开展逐渐减小了钢筋和混凝土的粘结力。

2．4其它方面

裂缝的产生引起混凝土的脱落，导致混凝土性能得不到充分的发挥，降低混凝土的抗疲劳、抗渗能力和结构的耐久性。同时结构或构件产生的表面裂纹对于使用阶段并没有太大的危害，但影响美观让人们在视觉上不能接受，产生的负面作用也是需要考虑的。

三、预应力混凝土结构裂缝控制措施

目前我国对于预应力混凝土裂缝控制等级划分如表1。在结构设计时，要严格遵守规范对裂缝宽度的要求，同时要考虑混凝土与周围环境条件的关系，重视普通钢筋对控制裂缝的影响，纵向预应力钢筋对裂缝的作用，正确考虑结构与荷载的状态关系，这些都对裂缝控制有很大影响，应予以重视。

表1裂缝控制等级划分

3．1混凝土配比设计方面

设计人员在混凝土配比设计时，应综合考虑各种因素对混凝土裂缝的影响，特别是截面尺寸过大的构件应正确合理的设计混凝土配合比，减少水泥的用量以减少水灰比，达到减少混凝土体积收缩。尽量避免选用含碱性的骨料，因为混凝土内部发生碱骨料反应，会导致混凝土发生膨胀引起裂缝。

3．2支撑体系施工方面

超载预压可以有效地控制因模板支撑体系施工不当而引起的混凝土裂缝，就是对脚手支架在浇筑混凝土前仿施工步骤进行加载。为了使支架在施工过程中不发生不均匀沉降，消除支架的非弹性变形。在超载预压的过程中要同时测出脚手支架的弹性变形，在脚手架施工时对支架预先起拱可以达到设计要求的线型不致产生混凝土裂缝。

采用早拆模板方法施工时，支架的拆除要根据现场施工情况，如跨度大小、养护时间、规范要求等。拆除支架时要以对称、均匀、有序为原则，对于未拆除的支撑体系必须对支撑进行验算和加固，因为部分支架的拆除会影响剩余支撑的稳定性和刚度，降低了支撑体系的承载力。

3．3混凝土浇筑方面

浇筑混凝土要做到分层对称浇筑，振捣要及时到位，若浇筑混凝土量较大时，应把浇筑的间隔时间控制合理，否则会影响混凝土浇筑质量，使前后混凝土的凝固时间相差较大，造成混凝土的收缩变形不一致，导致混凝土产生裂缝。

3．4张拉工艺方面

控制好预应力钢筋锚固区的挤压力，以降低预压总应力。为了有效地保证结构不开裂，可以在设计时考虑当混凝土强度达到某一值时，对结构进行一次预应力张拉，以避免混凝土初期产生裂缝。

四、预应力混凝土结构抗裂设计建议

现阶段对于部分预应力混凝土构件的裂缝控制，国内外大致常用以下四种计算方法：①根据规范直接计算裂缝宽度，并校核裂缝宽度；②通过计算预应力混凝土梁受拉边缘的名义拉应力的大小，间接控制裂缝的宽度；③控制消压后受拉钢筋的应力或应变增多；④采用索梁分载法对裂缝控制验算进行简化。设计人员可以参考这四种裂缝控制方法进行预应力混凝土结构的抗裂设计。

4．1规范法

我国规范GB50010―2022是按荷载效应的标准组合并考虑长期作用影响给出的最大裂缝宽度计算公式：

且应符合表1规定的ωlin≥ωmax，此公式考虑了裂缝的不均匀性是合理适用的。但该公式在实际计算时比较复杂，尤其是对纵向受拉钢筋的应力σsk的计算，另外该公式与国外规范相比较，预应力混凝土结构构件在正常使用状态下抗裂控制的规定明显偏于严格。

4．2名义拉应力法

名义拉应力一方面是把开裂的混凝土截面当作不开裂匀质截面来计算出截面受拉边缘最大名义拉应力σct，另一方面根据大量试验数据建立起与允许的最大裂缝宽度[ωmax]，相对应的混凝土受拉边缘的允许名义拉应力[σct]，考虑非预应力筋和截面高度影响后与某一裂缝宽度相对应的计算允许名义拉应力的表达式为：

[σct]=β[σct]+100ρsσi[2]

式中：β为截面高度对允许名义拉应力的修正系数，σi为与张拉工艺有关的值，对于后张法构件取4．0N/mm2，对于先张法构件取3．0N／ram，ρs为非预应力筋的有效配筋率，[σctl]为未考虑截面高度和拉区非预应力筋影响的允许名义拉应力。

采用名义拉应力法控制裂缝宽度能够满足工程设计的要求，是一种简便的计算方法，但该方法在应用过程中，需要考虑混凝土构件的截面高度、混凝土强度等级、非预应力筋配筋率以及预应力钢筋的张拉方法等影响因素。

4．3控制应力增量法

裂缝的控制可以采用控制消压后的受拉钢筋应力增量σsk，但在实际计算时会发现，计算σsk是比较繁琐的，为此建立以名义拉应力表示的σsk计算公式，可以简化σsk的计算，且符合工程实际的精度。

4．4索梁分载法

索梁分载法是把一个预应力混凝土结构离散为预应力索结构和普通钢筋混凝土结构，共同承担结构荷载。裂缝宽度与荷载效应作用力与普通钢筋应力是成正比的，通过实验归纳荷载与普通钢筋应力与裂缝限值的关系，则可以简化裂缝控制验算过程。

对于现浇预应力混凝土实心板设计，板厚不大于200mm，筋距不大于200mm时，按极限承载力设计配筋，不必验