首页 >  结构设计 >  含阻裂增强层的复合钢筋混凝土结构设计探讨

摘要:大量室内实验与工程实践表明,普通钢筋混凝土结构的使用性能不佳和适用范围受限与裂纹不加限制地发展有着直接关系,要想改善普通钢筋混凝土结构的使用性能,就必须寻求有效的裂纹控制方法。本文对此进行了探讨。

关键词:裂纹;钢筋混凝土;含阻裂增强层

一、裂纹对钢筋混凝土结构的危害

裂纹是固体材料中的某种不连续现象。主要有骨料与水泥石的粘结面上的粘结裂纹、水泥浆中的裂纹以及骨料裂纹。近代的混凝土的微观研究表明:微裂纹的扩展是材料破损程度的标志,同时,微裂纹的存在也是一种材料本身固有的物理性质。因而,裂纹在钢筋混凝土结构中的存在有其必然性。但是如果裂纹不加限制地发展,不仅会导致结构的最终破坏,还会对结构的正常使用也会产生诸多不利影响。主要表现在:
1、钢筋、混凝土受力状态的变化
钢筋混凝土结构开裂比较严重后,钢筋和混凝土的粘结在裂纹附近遭到严重破坏。粘结破坏的结果:一方面,使裂纹处的混凝土由原来的一个整体变为破碎的联系不强的各部分;另一方面,使钢筋在局部范围拉长很多,钢筋应力的增长很大。同时,由于裂纹的过渡发展,使得上部混凝土受压区高度很小,混凝土压应力值较高。
2、抗剪能力降低
钢筋混凝土结构的抗剪能力很大程度上取决于结构中混凝土的整体性,当钢筋混凝土结构开裂比较严重后,混凝土被裂纹分割成许多支离破碎的独立部分,混凝土的整体性明显下降,对于结构截面而言,参与抗剪的混凝土的净面积减小,因此,结构的抗剪能力也随之下降。
3、结构刚度的变化
钢筋混凝土结构开裂比较严重后,其薄弱截面处的中性轴位置明显上移,而结构的变形很大程度上取决于其薄弱截面,因此,此时结构的总体下挠将迅速增加,并随着裂纹的发展而继续增加。
4、结构疲劳性能的变化
裂纹不加限制地发展不仅降低了结构的静力强度,对结构疲劳性能的影响也十分显著。过多的裂纹使得很多局部位置的钢筋、混凝土应力长期处于高应力区,降低了材料的疲劳寿命。另外,裂纹发展必然造成对钢筋与混凝土的粘结力的退化,相对滑动增长,有可能发生粘结性能本质的改变,甚至造成锚固失效,因此整个结构疲劳强度的降低都是不可避免的。
此外,裂纹不加限制地发展还会使得构件中的钢筋和混凝土面临恶劣的外界环境考验。外界具有腐蚀作用的介质通过裂纹侵入混凝土内部,引起混凝土性质的改变,降低其强度;同时,也会沿裂纹渗透到钢筋表面,与钢筋发生化学反应,削弱钢筋截面,使得混凝土、钢筋应力都会较大的增长,构件的裂纹也会进一步发展。

二、含阻裂增强层的复合钢筋混凝土结构的优势分析

传统预应力混凝土结构成功解决了混凝土过早开裂的问题,提高了结构的抗裂度和刚度;同时有效地利用了高强材料。但是传统预应力结构存在一些缺点:①工艺较复杂,对施工质量要求甚高。②需要有一定的专门设备,如张拉机具、灌浆设备等。③预应力混凝土结构的开工费用较大,对于跨径小、构件少的工程,成本较高。那么是否有其他简单、经济的方法,既能提高钢筋混凝土结构的抗裂性能,同时又能充分发挥高强材料的优势?大量实验结果表明,同等条件下,含阻裂增强层的复合钢筋混凝土结构与普通钢筋混凝土结构相比,具有更加优越的力学性能,具体表现在以下几个方面:1、含阻裂增强层的复合钢筋混凝土结构具有更高的开裂荷载新结构中由于阻裂增强层参与结构的整体受力,能够分担一部分混凝土承受的拉应力,减小了受拉区混凝土的拉应力,从而推迟了混凝土拉应变达到极限拉应变的时间。因此,新结构的开裂荷载会有所提高。而从断裂力学角度来说,混凝土是一种内部含有许多微裂纹的材料,由于阻裂增强层提供的一对集中闭合力能够有效的降低微裂纹端部的应力强度因子,抑制微裂纹失稳扩展,从而使得新结构中的混凝土材料表现出更好的名义抗弯拉强度,因此新结构较普通钢筋混凝土结构具有更高的开裂荷载。2、含阻裂增强层的复合钢筋混凝土结构具有更好的阻裂性能。在普通钢筋混凝土结构中,一旦混凝土出现开裂现象,那么开裂截面处混凝土原来承受的那部分拉应力将由钢筋承担。而在新结构中,开裂截面处的拉应力除了由纵向钢筋承受外,外边的粘贴层也承受部分的拉应力,而外贴的阻裂增强层的阻裂作用表现为降低了裂纹端部的应力强度因子,阻止了裂纹的进一步扩展。显然,由于阻裂增强层的作用,新结构的裂纹不会像普通钢筋混凝土结构中的裂纹那样向上迅速发展、裂纹的宽度急剧增加。因此,新结构具有更好的阻裂性能。

三、 含阻裂增强层的复合钢筋混凝土结构的设计

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