董春文

【摘 要】目前，在我國大多數(shù)城鎮(zhèn)房屋建設(shè)中，現(xiàn)澆樓板仍是其樓蓋的主要結(jié)構(gòu)形式。全國各地實(shí)際使用情況表明，現(xiàn)澆樓板取代過去常用的預(yù)制空心板后，樓板裂縫并沒有減少，反而經(jīng)常出現(xiàn)，發(fā)生率較高，且多為貫穿性裂縫。

【關(guān)鍵詞】材料；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；施工工藝；管線埋設(shè)；構(gòu)造處理；外部環(huán)境及施工管理

研究表明，開裂原因與多種因素有關(guān)，主要包括：材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工工藝、管線埋設(shè)、構(gòu)造處理、外部環(huán)境及施工管理等。這些因素相互關(guān)聯(lián)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員即使嚴(yán)格遵照最新設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，仍難以避免現(xiàn)澆樓板裂縫的出現(xiàn)?？紤]到混合結(jié)構(gòu)仍是我國中低層房屋的主要結(jié)構(gòu)形式之一，本文從結(jié)構(gòu)的角度，研究混合結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆樓板在混凝土約束收縮作用下產(chǎn)生裂縫的過程中，鋼筋應(yīng)力的變化特點(diǎn)，對嵌墻的現(xiàn)澆樓板鋼筋應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行定量分析，了解鋼筋的抗裂作用，驗(yàn)證我國現(xiàn)行混凝土規(guī)范相關(guān)構(gòu)造規(guī)定的合理性，并對裂縫控制方法和裂縫修補(bǔ)方法提出相關(guān)建議，供設(shè)計(jì)和施工參考。

1.混合結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆樓板鋼筋應(yīng)力數(shù)值法分析

1.1有限元模型建立

有限元模型參造工程實(shí)際和已有試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?，考慮常規(guī)的每層設(shè)圈梁、構(gòu)造柱的情況。為減少溫度應(yīng)力影響和較好地反映房屋各大角實(shí)際情況，各模型樓板均為單跨方板，其結(jié)果將偏保守。試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶磳?shí)際工程的典型尺寸取下限值，各構(gòu)件尺寸確定為：板（3.0m長×3.0m寬×0.1m厚）；圈梁（0.24m寬×0.3m高）；墻（0.24m厚）。配筋為：樓板（正、負(fù)鋼筋均為Φ8@200，負(fù)筋從支座向跨中伸入750mm）；圈梁為（4Φ14/Φ6@200）；構(gòu)造柱（4Φ14/Φ6@200）。對各試驗(yàn)樓板連續(xù)觀測了近6個月。在拆模并停止?jié)耩B(yǎng)護(hù)后2-3個月間，所有試驗(yàn)樓板均出現(xiàn)了數(shù)量和形態(tài)相近的貫穿性板角45度斜裂縫。試驗(yàn)量測了板面距內(nèi)墻角100-500mm區(qū)域混凝土對角線方向的平均應(yīng)變。

采用大型通用有限元軟件ANSYS進(jìn)行非線性有限元分析。材料參數(shù)也取與實(shí)測值相同，利用對稱性，只需建立原模型的1/4即可，邊界條件處理為：上部墻體頂面施加上部結(jié)構(gòu)傳來的豎向荷載，無水平約束；下部墻體底面各節(jié)點(diǎn)施加豎向位移約束，底面內(nèi)角點(diǎn)處的節(jié)點(diǎn)施加兩個方向的水平位移約束，以防止模型發(fā)生整體平動；考慮到墻體對現(xiàn)澆樓板的約束作用主要為側(cè)向約束，經(jīng)過多次計(jì)算表明，墻體高度對分析結(jié)果影響很小，因此，有限元模型的上、下墻體各取600mm高。

圈梁、構(gòu)造柱中的構(gòu)造鋼筋折算成相應(yīng)混凝土單元三個方向的單位體積含筋率來反映；樓板采用分離式有限元模型；為使鋼筋單元與混凝土單元共節(jié)點(diǎn)，在不改變配筋率的情況下，對鋼筋直徑和間距作了少量調(diào)整；樓板混凝土單元尺寸為80mm×80mm×25mm，可滿足精度和計(jì)算效率要求；非線性計(jì)算的收斂準(zhǔn)則共同控制，收斂允許值分別為0.01和0.02；混凝土的收縮用等效降溫收縮的辦法來模擬。

其中，Solid65單元為三維8節(jié)點(diǎn)混凝土單元，采用W-W五參數(shù)破壞準(zhǔn)則和該單元特定的本構(gòu)關(guān)系，可以模擬混凝土壓碎和開裂以為開裂后應(yīng)力重分布和抗拉強(qiáng)度變化等特征；它通過賦予體積含筋率的方式考慮混凝土內(nèi)鋼筋的作用，但不考慮鋼筋的抗剪能力。本次分析的樓板除自重和約束收縮應(yīng)力外，不受其他外力作用，剪切力和剪切變形不大，樓板內(nèi)的鋼筋不考慮其抗剪貢獻(xiàn)是合理的。Link8為桿單元，可模擬鋼筋單軸受拉或受壓的狀態(tài)；Solid45是與Solid65相近的三維8節(jié)點(diǎn)塊體單元，但不能模擬混凝土的特征。

1.2樓板開裂前后鋼筋應(yīng)力的變化

有限元分析得知，樓板在拆模并停止?jié)耩B(yǎng)護(hù)后第67d開始出現(xiàn)裂縫，因自重作用產(chǎn)生的應(yīng)力較約束收縮應(yīng)力小很多，所以板頂負(fù)筋的應(yīng)力大小、分布與對應(yīng)位置板底正筋的差別不大，這里僅取板底正彎矩鋼筋的應(yīng)力分布作比較。

樓板開裂前，樓板內(nèi)的鋼筋因混凝土收縮擠壓而全部受壓，但壓應(yīng)力小于鋼筋受壓屈服強(qiáng)度；伸入周邊支座內(nèi)的鋼筋段因受樓板牽拉而均受拉，但拉應(yīng)力不大。樓板開裂后，板中鋼筋在裂縫處的局部區(qū)段轉(zhuǎn)為受拉，但拉應(yīng)力仍小于鋼筋受拉屈服強(qiáng)度，但離開裂縫的其余未開裂區(qū)域的鋼筋仍然受壓，且因裂縫兩側(cè)混凝土回縮，使未開裂處的鋼筋壓應(yīng)力稍有增大，并與鋼筋中的拉應(yīng)力取得平衡；伸入周邊支座內(nèi)的鋼筋段的拉應(yīng)力也因裂縫處拉應(yīng)力釋放而下降，并可轉(zhuǎn)而受壓。

2.計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證

試驗(yàn)中對鋼筋應(yīng)力的量測較為困難，因此通過其他結(jié)果間接地驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性：（1）裂縫出現(xiàn)的時間：試驗(yàn)開裂時間約為拆模并停止?jié)耩B(yǎng)護(hù)后68d左右就出現(xiàn)大部分裂縫；（2）裂縫形態(tài)：試驗(yàn)樓板和有限元樓板模型的裂縫全部都是貫穿性板角45度斜裂縫；（3）裂縫出現(xiàn)范圍和后期發(fā)展：試驗(yàn)樓板所有裂縫位于距內(nèi)墻角120-170mm的區(qū)域內(nèi)，其他區(qū)域沒有裂縫出現(xiàn)，開裂后短期內(nèi)縫寬稍有增大，但其后3-4個月未見有變化；有限元樓板的裂縫出現(xiàn)在距內(nèi)墻角140-680mm范圍，也是在短期內(nèi)大量出現(xiàn)，其后發(fā)展變化不明顯；（4）將板角對角線方向應(yīng)變的試驗(yàn)量測結(jié)果與有限元結(jié)果比較，發(fā)現(xiàn)兩者均為隨時間增長的拉應(yīng)變，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合曲線與有限元結(jié)果的曲線變化趨勢相近，臨近開裂的應(yīng)變數(shù)值平均相差8.3%，說明有限元結(jié)果具有足夠的準(zhǔn)確度。

3.結(jié)論與建議

（1）對于嵌入墻體的現(xiàn)澆板，按現(xiàn)行混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范第10.1.7條規(guī)定的構(gòu)造要求進(jìn)行配筋，基本能覆蓋板角斜裂縫可能出現(xiàn)的范圍；因樓板開裂后，裂縫處的鋼筋將承受一定拉應(yīng)力，為不降低樓板承載力，規(guī)范第10.1.9條規(guī)定的板角區(qū)域增大配筋量的要求也是合理的。需要注意的是，如按“（直徑）細(xì)而（間距）密”的原則來選配鋼筋，不但可以減小裂縫寬度，還可使裂縫分布更趨均勻。

（2）鋼筋對防止現(xiàn)澆樓板開裂的作用有限，它的主要作用是輔助混凝土抗拉、傳遞拉應(yīng)力、使裂縫分布均勻化和減小裂縫寬度。

（3）混合結(jié)構(gòu)房屋現(xiàn)澆樓板裂縫以板角45度貫穿性斜裂縫為主。導(dǎo)致樓板開裂的主要原因?yàn)闃前寤炷潦湛s受周邊圈梁、墻體約束，產(chǎn)生超過混凝土抗拉強(qiáng)度的主拉應(yīng)力；從樓板混凝土停止?jié)耩B(yǎng)護(hù)開始后60-90d左右，樓板開裂的可能性較大。此前可采用如下方法控制裂縫發(fā)生：減小混凝土收縮，如減小水灰比、加強(qiáng)混凝土的養(yǎng)護(hù)、使用膨脹劑等；利用混凝土徐變和應(yīng)力松弛效應(yīng)減小混凝土拉應(yīng)力，如延長養(yǎng)護(hù)時間、推遲拆模時間、避免過早突然加載等。

（4）裂縫出現(xiàn)后不再有明顯發(fā)展，但考慮到使用荷載的變化，裂縫寬度會發(fā)生變化，所以補(bǔ)縫應(yīng)盡量選用柔性好、粘結(jié)力強(qiáng)的材料。 [科]