钢筋混凝土裂缝宽度计算理论优缺点
姓名：黄子文 专业：水利工程（工程地质方向） 学号：2014161403
1、引言
混凝土是当今世界上用量最大、用途最广泛的工程材料。自 20世纪80年代我国改革开放以来，我国推行大规模的经济建设、基础设施建设和住宅建设，其中绝大多数都采用混凝土结构或钢筋混凝土结构。随着经济的发展我国已经成为世界上混凝土生产和应用最多的国家，2004年我国水泥的产量达到了9.4亿吨，混凝土的产量约为20亿立方米。
但是，随着大量钢筋混凝土结构的兴建和混凝土技术的进步，过去不太突出的混凝土裂缝问题，近年来却日趋严重。钢筋混凝土结构的裂缝不仅影响到结构的美观，也是结构物的承载能力、耐久性、防水性等各种性能下降的主要原因。当裂缝宽度达到一定的数值时，还可能危及结构的安全。
由于裂缝导致的诸多不利影响，每年在混凝土结构裂缝的预防和修补上要花费大量的人力财力，给国家造成了巨大的经济损失和资源浪费。因此，对于混凝土结构裂缝的研究既符合认识客观世界的要求，也响应了人们改造客观世界的要求，具有重大科研意义和工程意义。
对于混凝土裂缝问题国内外都投入了大量的科研力量。虽然从总体上来说混凝土结构是一种耐久性较好的结构体系。但是由于混凝土材料本身是一种多相的成分复杂、性能多样的复合材料，其均匀性较差，抗拉强度大大低于其抗压强度导致一般混凝土结构都是带裂缝工作的。因此，裂缝也是人们可以接受的混凝土材料特性，问题是如何将其有害程度控制在允许范围之内。为了解决这个问题，国内外学者提出了各种各样的裂缝宽度计算理论。然而，工程师在选择裂缝宽度计算理论时，往往十分重视不同裂缝宽度计算理论的优缺点，以便根据实际的工程选择最合适的宽度计算理论。因此，本文就不同裂缝宽度计算理论的优缺点进行深入的探讨。
2、裂缝宽度计算理论
钢筋混凝土宏观上是钢筋与混凝土组合而成的材料，其裂缝成因是很复杂的。从国内外研究现状来看，对于荷载作用下的裂缝宽度计算理论的研究开展的比较好，主要分为半经验半理论方法和数理统计方法，其中半经验半理论方法又可以细分为粘结滑移理论、无粘结滑移理论和综合理论。基于以上理论出现了多种裂缝宽度计算公式，可以从设计上采取措施，控制其开展宽度值。
至于其他因素引起的裂缝，由于没有合理的裂缝宽度计算方法，则主要从材料选择、构造措施、施工工艺、养护、使用条件等方面综合采取合理的措施，消
除或减轻裂缝的影响。
2.1 粘结滑移理论
粘结滑移理论最早是在 1936 年由沙里加在钢筋混凝土单轴拉伸试验和分析的基础上提出来的，之后一直作为一种“经典”的裂缝理论被广泛引用。该理论认为，裂缝的开展主要取决于钢筋和混凝土之间的粘结，并假定混凝土应力沿轴拉构件截面均匀分布，应变服从平截面假定，构件的裂缝宽度与钢筋处的裂缝宽度相等。在开裂截面处，钢筋与混凝土之间发生局部粘结破坏，钢筋伸长的同时混凝土回缩，从而产生相对滑移，而此相对滑移值即为裂缝的宽度。按照这一理论，根据粘结应力的传递规律，可得到与裂缝间距成比例的裂缝宽度计算公式：
W m =l m ⋅(εsm -εcm )
2.2无粘结滑移理论
20世纪60年代，Broms 和Base 提出了无粘结滑移理论。通过试验发现，裂缝截面的变形不是简单的平面变形，混凝土在钢筋附近处的变形远大于其极限拉应变，从而认为，与构件表面裂缝相比，钢筋周围的裂缝宽度可忽略不计，即混凝土开裂后，钢筋与其周围混凝土之间无粘结滑移，裂缝宽度不是滑移形成的，而是保护层混凝土的弹性回缩形成的，也就是说，影响裂缝宽度的主要因素是裂缝量测点至最近钢筋的距离，因此可使用弹性理论来计算无粘结滑移理论的最大裂缝宽度:
W max =Kc
2.3粘结滑移-无粘结滑移理论 σs ⋅h 2E S ⋅h 1
粘结滑移理论和无滑移理论都各自存在不合理的地方，所以研究存对这两种理论进行总结归纳，提出了粘结滑移-无粘结滑移理论。该理论认为，混凝土裂缝有两种极限状态，而实际的裂缝处于这两种极限状态之间。粘结滑移-无粘结滑移理论综合考虑了应变梯度对裂缝宽度的影响以及粘结滑移出现的可能性，认为混凝土的裂缝宽度取决于保护厚度和钢筋间距，并首次定义了钢筋有效埋置区。另外该理论提出，裂缝是由钢筋外围的混凝土收缩引起的，而钢筋通过粘结力将拉力扩散到混凝土中，钢筋对混凝土的有效约束有一定范围，该范围所在区域即为有效埋置区，在这一域之外，钢筋对混凝土无约束作用，即对裂缝无控制作用。
粘结滑移-无粘结滑移理论提出的裂缝平均间距公式为：
l m =2(c 0+s /10) +K 1K 2⋅d /μr
2.4数理统计方法
1968年，Gergely-Lutz 通过对6组受弯构件的裂缝试验数据进行统计分析，首次提出了数理统计方法，并确定了影响裂缝宽度的主要因素，包括：混凝土保
护层厚度、受拉混凝土的有效截面面积、钢筋数目、钢筋到受拉面的应变梯度以及钢筋应力，其中钢筋应力为影响裂缝宽度最主要的因素。
建立的最大裂缝宽度计算公式为：
A W max =0. b h 2(f s -5) ⨯10-3 h 1
3、计算理论优缺点
粘结滑移理论，优点：1，该理论所得公式简单、明了，能很快为设计人员所掌握。缺点：1，裂缝宽度沿截面发生显著变化，在钢筋周界处的宽度最小，构件表面的裂缝宽度最大，二者相差3-7倍。而粘结滑移理论假设裂缝两侧为平行的平面，裂缝沿截面等宽，与试验不符合；2、钢筋周界处的裂缝宽度很小，表明钢筋和混凝土的相对滑移小；3、构件的受拉裂缝，除了表面上垂直于钢筋轴线的、间距和宽度都大的裂缝（即主裂缝）外，还有自钢筋表面横肋处向外延伸的内部裂缝（即次裂缝），这些裂缝首先在张拉端或裂缝截面附近产生，随着钢筋应力的增大而逐渐沿轴线向内发展。裂缝的数量多，间距小，往外延伸，但未到达构件表面；4、钢筋周围混凝土的变形情况复杂，靠近钢筋的混凝土承受拉应力，如果不计内裂缝的局部影响，它沿纵向的分布与轴向拉应力c σ 一致；靠近构件表面的混凝土在裂缝附近为压应力，沿纵向逐渐过渡，至相邻裂缝的中间截面为拉应力，混凝土沿截面内外的应变差是裂缝外宽内窄的根本原因。
无粘结滑移理论，优点：1、该理论证实了裂缝自钢筋表面处到混凝土表面逐渐增大；2、该理论很好地解释了单轴拉伸所产生裂缝的试验现象。缺点：1、钢筋和混凝土间粘结应力分布的不确定性；2、推衍出的计算式的形式和计算结果相差很大。
粘结滑移-无粘结滑移理论，优点：1、该理论将此以上两种方法合理的结合起来，既考虑构件表面至钢筋的距离（c 或 t ）对裂缝宽度的重大作用，同时修正钢筋界面上相对滑移和裂缝宽度为零的假设；缺点：1、试验所得的数据比较分散，拟合难度非常大，K 1、K 2值求解难度较大。
数理统计方法，优点：1、该理论在广为收集实验数据的基础上，通过回归分析确定各种参数对裂缝的影响程度，从中选择最主导的若干因素建立统计公式，得出的结果比较可靠；2、该理论无法解释钢筋混凝土裂缝产生的机理。
参考文献
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