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摘要：選取鋼筋與混凝土單元，建立基本方程，并引入相應的辯解條件，推導了混凝土的應力應變分布規律、裂縫寬度隨配筋率的變化規律，為揭示構造鋼筋控制非荷載裂縫的產生和發展機理提供了理論依據。算例表明，選擇滑移剛度較大的螺紋筋能有效地控制裂縫的寬度，細密的配筋有利于改善混凝土內部應力的不均勻性從而提高混凝土的極限拉應變。

關鍵詞：構造；裂縫；機理；研究

1引言

建筑結構在其使用過程中承受兩類作用，靜荷載、動荷載和其它荷載，稱為直接作用；溫度、收縮、不均勻沉降等則稱為間接作用（即非荷載作用）。調查資料表明，由荷載引起的裂縫僅占20%左右，尚有約80%的裂縫是由非荷載作用引起的。構造配筋對裂縫發生發展的控制作用往往由以下兩點來定性解釋：一方面，配筋可以提高混凝土的極限拉伸應變，從而提高混凝土的抗裂能力，這一點目前已經得到普遍認可[1，2]，另一方面，配筋可以有效的減小開裂處混凝土的應變集中從而有效控制裂縫寬度[3]，因為裂縫的寬度與結構開裂過程中所釋放的拉應變成正比，一旦開裂，必然在開裂區附近形成應變集中，應變集中程度越高，在相同條件下，裂縫寬度越大[4]。

為了能為裂縫控制設計提供理論依據，構造鋼筋對非荷載裂縫的控制不能僅僅停留在定性的闡述上，必須從定量的理論上加以研究，這就涉及到混凝土的應力應變分布規律、裂縫寬度隨配筋率的變化規律等內容。

2構造配筋控制裂縫的產生

配筋能否控制或者延遲裂縫的產生曾經是一個比較有爭議的問題。一種觀點認為，配筋對混凝土的極限拉伸沒有影響，反而加大了混凝土的自約束應力；另一種觀點則認為，配筋可以提高混凝土的極限拉伸，在配筋率較低的情況下，配筋引起的自約束應力是很小的，可以忽略不計。所以，問題的關鍵是，配筋能否提高混凝土的極限拉伸；另一方面是配筋是否會引起一個過大的自約束應力，從而導致裂縫的過早出現。

文獻[1][2][4][5]中認為配筋可以提高混凝土的極限拉伸，從而提高混凝土的抗裂能力，文獻[1]給出了合理配置構造配筋混凝土極限拉伸的經驗公式

（1）

式中，為配筋后的混凝土極限拉伸；

為混凝土抗裂設計強度；p為截面配筋率；d為鋼筋直徑(cm)。

上述公式為經驗公式，各參數無量綱代入。上式可以用來估算配筋對混凝土極限拉應變的貢獻。分析公式可見合理配筋就是要“細、密”。故配筋可起到有效控制裂縫產生的作用。

3構造配筋控制裂縫的開展

在樓板開裂之后，配筋的主要作用表現為對裂縫發展的控制作用，即不同的配筋率對已有裂縫寬度的控制作用和對次級裂縫的限制作用[6]。

3.1鋼筋和混凝土的滑移規律

假定兩端的固支約束構件受到溫降值為的非荷載溫降作用，則鋼筋和混凝土的單元應力分布如圖1。

圖2給出了混凝土應力在長度方向上的分布規律。可以看出：①混凝土在裂縫附近存在一個應力過渡區，在該過渡區之外，混凝土的應力分布是非常均勻的，這與許多學者的基本假設是吻合的。②應力均勻區中，混凝土的應力大小與鋼筋和混凝土圖3混凝土應力在長度方向上分布規律與滑移剛度有關，滑移剛度越大，混凝土應力越大。因此，對要求嚴格控制初始裂縫的，可以考慮采用滑移剛度較小的光圓鋼筋，而對初始裂縫不是特別敏感，但對裂縫寬度要求較高的工程，就應盡量選擇滑移剛度較大的螺紋筋。

圖3給出了應力均勻區的混凝土應力隨著配筋率增加的變化情況，可以看出：①隨著配筋率增加，混凝土內的應力明顯增加。這就使得混凝土可能在已有裂縫的鄰近區域很快地達到混凝土的極限抗拉強度，從而引起次級裂縫。這樣，隨著配筋率的增加，鋼筋混凝土構件的裂縫間距變小了，裂縫變密。②類似于圖3，的增加提高了應力均勻區的混凝土應力。

圖4給出了應力均勻區的混凝土應力和所配置的鋼筋直徑之間的關系（配筋率為1.0%）。從力學方面看，改變鋼筋的直徑對控制裂縫作用不明顯。試驗和實際所證明的配置細密的鋼筋有利于控制裂縫，主要還是應該從細密的配筋有利于改善混凝土內部應力的不均勻性從而提高混凝土的極限拉應變的角度上考慮。

3.3裂縫寬度隨配筋率的變化規律

由于鋼筋的中截面并沒有位移，所以裂縫寬度其實就是混凝土在整個長度方向的滑移總和，即

圖5給出了混凝士的裂縫寬度隨配筋率的變化規律。可以看出：①裂縫的擴展寬度和裂縫的配筋率近乎成線性關系，說明增加配筋對控制裂縫的擴展，效果是明顯的。②在相同的配筋率條件下，增加鋼筋和混凝土之間的滑移剛度可以減小裂縫寬度。

4結論

要求嚴格控制初始裂縫的，可以考慮采用滑移剛度較小的光圓鋼筋，而對初始裂縫不是特別敏感，但對裂縫寬度要求較高的工程，就應盡量選擇滑移剛度較大的螺紋筋。

從力學方面看，改變鋼筋的直徑對控制裂縫作用不明顯。試驗和實際所證明的配置細密的鋼筋有利于控制裂縫，主要還是應該從細密的配筋有利于改善混凝土內部應力的不均勻性從而提高混凝土的極限拉應變的角度上考慮。

參考文獻：

[1]王鐵夢.工程結構裂縫控制[M].北京：中國建筑工業出版社,1997.197~208.

[2]趙國藩，李樹瑤.鋼筋混凝土結構的裂縫控制[M].北京：海洋出版社,1991.67~71.

[3]林宗凡.鋼筋混凝土受彎構件裂縫寬度允許值的直接控制[J].工業建筑，1988,6(11)：41~47,53.

[4]G.CreazzaandS.Russo.ANewModelforpredictingCrackWithDifferentPercentagesofReinforcementandConcreteStrengthClasses.MaterialsandStructures,Vol.32,August-September1999,520~524.

[5]G.F.Kheder.ANewLookatControlofVolumeChangeCrackingofBaseRestrainedConcretrWalls.ACIStructuralJournal,V.94,nO.3,May-June,1997681~724.

[6]丁大鈞.鋼筋混凝土構件抗裂度、裂縫和剛度[M].南京：南京工業出版社.1986（7）：87~92.

[7]江見鯨.鋼筋混凝土結構非線形有限元分析[M].西安：陜西科學技術工業出版社,1994.74~85.