浅谈混合结构现浇楼板开裂过程钢筋作用分析

董春文

【摘 要】目前，在我国大多数城镇房屋建设中，现浇楼板仍是其楼盖的主要结构形式。全国各地实际使用情况表明，现浇楼板取代过去常用的预制空心板后，楼板裂缝并没有减少，反而经常出现，发生率较高，且多为贯穿性裂缝。

【关键词】材料；结构设计；施工工艺；管线埋设；构造处理；外部环境及施工管理

研究表明，开裂原因与多种因素有关，主要包括：材料、结构设计、施工工艺、管线埋设、构造处理、外部环境及施工管理等。这些因素相互关联，导致结构设计人员即使严格遵照最新设计规范进行设计，仍难以避免现浇楼板裂缝的出现。考虑到混合结构仍是我国中低层房屋的主要结构形式之一，本文从结构的角度，研究混合结构现浇楼板在混凝土约束收缩作用下产生裂缝的过程中，钢筋应力的变化特点，对嵌墙的现浇楼板钢筋应力状态进行定量分析，了解钢筋的抗裂作用，验证我国现行混凝土规范相关构造规定的合理性，并对裂缝控制方法和裂缝修补方法提出相关建议，供设计和施工参考。

1.混合结构现浇楼板钢筋应力数值法分析

1.1有限元模型建立

有限元模型参造工程实际和已有试验模型建立，考虑常规的每层设圈梁、构造柱的情况。为减少温度应力影响和较好地反映房屋各大角实际情况，各模型楼板均为单跨方板，其结果将偏保守。试验模型按实际工程的典型尺寸取下限值，各构件尺寸确定为：板（3.0m长×3.0m宽×0.1m厚）；圈梁（0.24m宽×0.3m高）；墙（0.24m厚）。配筋为：楼板（正、负钢筋均为Φ8@200，负筋从支座向跨中伸入750mm）；圈梁为（4Φ14/Φ6@200）；构造柱（4Φ14/Φ6@200）。对各试验楼板连续观测了近6个月。在拆模并停止湿养护后2-3个月间，所有试验楼板均出现了数量和形态相近的贯穿性板角45度斜裂缝。试验量测了板面距内墙角100-500mm区域混凝土对角线方向的平均应变。

采用大型通用有限元软件ANSYS进行非线性有限元分析。材料参数也取与实测值相同，利用对称性，只需建立原模型的1/4即可，边界条件处理为：上部墙体顶面施加上部结构传来的竖向荷载，无水平约束；下部墙体底面各节点施加竖向位移约束，底面内角点处的节点施加两个方向的水平位移约束，以防止模型发生整体平动；考虑到墙体对现浇楼板的约束作用主要为侧向约束，经过多次计算表明，墙体高度对分析结果影响很小，因此，有限元模型的上、下墙体各取600mm高。

圈梁、构造柱中的构造钢筋折算成相应混凝土单元三个方向的单位体积含筋率来反映；楼板采用分离式有限元模型；为使钢筋单元与混凝土单元共节点，在不改变配筋率的情况下，对钢筋直径和间距作了少量调整；楼板混凝土单元尺寸为80mm×80mm×25mm，可满足精度和计算效率要求；非线性计算的收敛准则共同控制，收敛允许值分别为0.01和0.02；混凝土的收缩用等效降温收缩的办法来模拟。

其中，Solid65单元为三维8节点混凝土单元，采用W-W五参数破坏准则和该单元特定的本构关系，可以模拟混凝土压碎和开裂以为开裂后应力重分布和抗拉强度变化等特征；它通过赋予体积含筋率的方式考虑混凝土内钢筋的作用，但不考虑钢筋的抗剪能力。本次分析的楼板除自重和约束收缩应力外，不受其他外力作用，剪切力和剪切变形不大，楼板内的钢筋不考虑其抗剪贡献是合理的。Link8为杆单元，可模拟钢筋单轴受拉或受压的状态；Solid45是与Solid65相近的三维8节点块体单元，但不能模拟混凝土的特征。

1.2楼板开裂前后钢筋应力的变化

有限元分析得知，楼板在拆模并停止湿养护后第67d开始出现裂缝，因自重作用产生的应力较约束收缩应力小很多，所以板顶负筋的应力大小、分布与对应位置板底正筋的差别不大，这里仅取板底正弯矩钢筋的应力分布作比较。

楼板开裂前，楼板内的钢筋因混凝土收缩挤压而全部受压，但压应力小于钢筋受压屈服强度；伸入周边支座内的钢筋段因受楼板牵拉而均受拉，但拉应力不大。楼板开裂后，板中钢筋在裂缝处的局部区段转为受拉，但拉应力仍小于钢筋受拉屈服强度，但离开裂缝的其余未开裂区域的钢筋仍然受压，且因裂缝两侧混凝土回缩，使未开裂处的钢筋压应力稍有增大，并与钢筋中的拉应力取得平衡；伸入周边支座内的钢筋段的拉应力也因裂缝处拉应力释放而下降，并可转而受压。

2.计算结果验证

试验中对钢筋应力的量测较为困难，因此通过其他结果间接地验证数值模拟结果的准确性：（1）裂缝出现的时间：试验开裂时间约为拆模并停止湿养护后68d左右就出现大部分裂缝；（2）裂缝形态：试验楼板和有限元楼板模型的裂缝全部都是贯穿性板角45度斜裂缝；（3）裂缝出现范围和后期发展：试验楼板所有裂缝位于距内墙角120-170mm的区域内，其他区域没有裂缝出现，开裂后短期内缝宽稍有增大，但其后3-4个月未见有变化；有限元楼板的裂缝出现在距内墙角140-680mm范围，也是在短期内大量出现，其后发展变化不明显；（4）将板角对角线方向应变的试验量测结果与有限元结果比较，发现两者均为随时间增长的拉应变，试验数据的拟合曲线与有限元结果的曲线变化趋势相近，临近开裂的应变数值平均相差8.3%，说明有限元结果具有足够的准确度。

3.结论与建议

（1）对于嵌入墙体的现浇板，按现行混凝土设计规范第10.1.7条规定的构造要求进行配筋，基本能覆盖板角斜裂缝可能出现的范围；因楼板开裂后，裂缝处的钢筋将承受一定拉应力，为不降低楼板承载力，规范第10.1.9条规定的板角区域增大配筋量的要求也是合理的。需要注意的是，如按“（直径）细而（间距）密”的原则来选配钢筋，不但可以减小裂缝宽度，还可使裂缝分布更趋均匀。

（2）钢筋对防止现浇楼板开裂的作用有限，它的主要作用是辅助混凝土抗拉、传递拉应力、使裂缝分布均匀化和减小裂缝宽度。

（3）混合结构房屋现浇楼板裂缝以板角45度贯穿性斜裂缝为主。导致楼板开裂的主要原因为楼板混凝土收缩受周边圈梁、墙体约束，产生超过混凝土抗拉强度的主拉应力；从楼板混凝土停止湿养护开始后60-90d左右，楼板开裂的可能性较大。此前可采用如下方法控制裂缝发生：减小混凝土收缩，如减小水灰比、加强混凝土的养护、使用膨胀剂等；利用混凝土徐变和应力松弛效应减小混凝土拉应力，如延长养护时间、推迟拆模时间、避免过早突然加载等。

（4）裂缝出现后不再有明显发展，但考虑到使用荷载的变化，裂缝宽度会发生变化，所以补缝应尽量选用柔性好、粘结力强的材料。 [科]