钢筋保护层设计对结构裂缝的影响研究

李 超 晖

(太原王孝雄建筑设计院(有限公司)，山西 太原 030024)



钢筋保护层设计对结构裂缝的影响研究

李 超 晖

(太原王孝雄建筑设计院(有限公司)，山西 太原 030024)

探讨了混凝土保护层的作用机理及保护层开裂的原因，并通过计算，分析了影响保护层最大裂缝宽度的因素，指出采用相对合理的保护层厚度能够在一定程度上控制和减小混凝土裂缝宽度。

建筑质量，钢筋保护层，结构裂缝宽度，粘结力

0 引言

钢筋混凝土结构作为大多数建筑物和构筑物的基本结构类型，因其兼容了混凝土材料的抗压强度高和钢筋的抗拉强度高的优点，能够满足大多数结构的承载性能。但是随着使用年限的增长，一些钢筋混凝土结构仍会出现开裂、剥落等影响结构耐久性的问题。其中混凝土保护层设置不合理就是影响裂缝产生的主要原因之一。汶川地震之后，新编GB 50010—2010混凝土结构设计规范对保护层重新做了定义，原来的规范中混凝土保护层厚度是指最外层纵向钢筋外边缘到混凝土表面之间的距离，而新修订的规范则是指最外层钢筋外边缘到混凝土表面的距离。一般来说最外层钢筋往往指的是箍筋，这就说明现在的混凝土保护层厚度增大了，较之以前规范中所规定的增加了箍筋的直径。

1 混凝土保护层

1.1 混凝土保护层的作用

建筑工程钢筋保护层的设计是工程设计的重要环节，不同环境下保护层厚度的确定关系到建筑物整体的质量，设置混凝土保护层主要有以下几方面的作用：

1)钢筋混凝土材料作为既能抗压又能抗拉的结构材料，正是利用了混凝土这种抗压强度高的脆性材料与延性性能较好的钢筋的共同作用，才能发挥出二者各自的优势。但它们之所以能共同作用，则是因为混凝土与钢筋之间能产生良好的粘结力，并且存在着相近的线膨胀系数。结构在拉伸和压缩的过程中，两种材料可以同时受力，而设置混凝土保护层可以提供有效的粘结作用，实现混凝土材料与钢筋的协调作用。如果没有了保护层，这种粘结力就不足以支撑钢筋的抗拉作用，因此为了达到两种材料能同时满足承载能力，在相关规范中也对保护层的最小厚度做出了明确规定。

2)钢筋这种材料在露天环境中就容易氧化，如果在含有腐蚀性物质的环境中，钢筋的氧化速度就会更快，因此通过设置混凝土保护层可以在一定程度上隔绝空气和湿气对钢筋的氧化作用，提高钢筋的抗腐蚀性能，以免钢筋过度腐蚀直接影响到结构的承载能力。

3)发生火灾时，由于钢筋的熔点值较低，保护层厚度也可以起到阻隔拖延的作用，可以为人口和物资疏散争取一些时间。

1.2 保护层裂缝产生的原因

混凝土保护层产生裂缝，会在结构构件的使用阶段对耐久性和承载性能产生影响，探究保护层裂缝产生的原因可以在实际工程中对控制和减少结构裂缝提供一定的帮助。总体来说，可以从保护层材料本身、设计施工和其他外在因素等方面进行分析。

1)混凝土保护层主要是水泥、砂子、石子和水的集合体，骨料级配不好、水的配比太高时都容易造成混凝土收缩量大，产生裂缝。水泥的等级越高，脆性越大，也容易产生裂缝。还有就是外加剂使用不当也容易产生裂缝。

2)在结构的设计阶段，很可能由于钢筋数量布置太多或钢筋位置布置不合理等原因造成混凝土保护层厚度没有满足规范要求，同时在实际施工操作中造成保护层厚度太薄，钢筋甚至外露，造成钢筋腐蚀，都会对裂缝的产生造成影响，因此不管是在设计中还是在施工中，都应该对混凝土保护层加以重视。

3)在钢筋混凝土结构的整个使用阶段，也会由于作用荷载的突然增大，周围环境中腐蚀性物质的大量存在，室内外温度变化所产生的热胀冷缩效应以及在地震过程中都会产生不同类型的裂缝。因此充分考虑各类外在环境对结构的影响，选择合理的保护层厚度，以达到控制裂缝的目的，提高结构构件的耐久性。

1.3 最小保护层厚度的影响因素

设置一定的保护层厚度可以有效的解决上述存在的问题，但是并不是一味的增大保护层的厚度，尤其是在受弯构件中，保护层厚度太大会降低该处受拉钢筋的发挥效应。除此之外，规定最小保护层厚度可以使之满足各种工况下的要求。而最小保护层厚度也容易受各种因素的影响，下面就影响因素做一阐述：

1)由于钢筋暴露于空气中时易被腐蚀，因此不同的外界环境会对钢筋的腐蚀造成不同的影响。规范中通常根据结构所处环境的湿度、温度等对环境类别进行分类，结构所处环境使钢筋越不易被氧化，对最小保护层厚度的要求越低，相反，钢筋越容易被氧化的恶劣环境，最小保护层厚度的取值应该越大。

2)考虑到混凝土材料的碳化效应作用，结构设计使用年限越长，相应的混凝土保护层也应增加。同时混凝土强度等级不同，保护层厚度也有所不同，一般来说保护层采用C25及以下强度等级的混凝土时，相应最小厚度应减少5 mm。

3)混凝土保护层厚度应大于纵向受力钢筋的直径，满足钢筋锚固所需条件，也能保证钢筋与混凝土的共同受力。

4)当采用有利于减轻钢筋被腐蚀的以下措施时，也可以在合理的范围内减少混凝土保护层厚度。比如采取阴极保护方式，使用除锈剂，或是直接使用预制构件时都能够在一定程度上降低钢筋被氧化的速率，提高结构构件的耐久性能。

2 保护层最大裂缝宽度

对于普通钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构，混凝土保护层在受拉、受弯作用下都会产生相应的裂缝，规范中对不同结构类型在不同环境类别和裂缝控制等级下的最大裂缝宽度的限值也进行了说明，如表1所示。

表1 结构构件最大裂缝宽度的限值

从表1中可以看出，裂缝控制等级越高，环境越恶劣，最大裂缝宽度的限值就越小，就需要采取相应的措施来控制裂缝的产生。

为了定量的分析荷载作用下结构构件产生的裂缝宽度，《混凝土结构设计规范》第7.1.2条中也对保护层在荷载作用下能产生的最大裂缝宽度给出了相应的公式：

其中，cs为最外层纵向受拉钢筋外边缘到受拉区最外侧的距离；deq为受拉区纵向钢筋的等效直径。

从上式可以看出，cs就是混凝土保护层厚度与箍筋直径之和，保护层厚度越大，相应的最大裂缝也越大；受拉区，纵向钢筋的等效直径越小，产生的最大裂缝则会较小。因此在不考虑其他影响因素的情况下，实现不同裂缝控制等级要求下，控制和减少最大裂缝宽度行之有效的办法就是增加纵向钢筋数量，减小纵向钢筋的直径，并且在满足最小保护层厚度的条件下减小其厚度。

3 结语

混凝土保护层对混凝土结构工程非常重要，要加强对保护层设计和施工过程中的质量控制，本文阐述了保护层的作用、裂缝产生原因、最小保护层厚度的影响因素，并通过分析最大裂缝宽度的控制因素，指出合理的保护层厚度不仅可以满足构件承载能力的要求，还可以减小裂缝，改善结构构件的正常使用条件，这为今后的混凝土结构工程也提供了一定的参考。

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The study of the influence of design of reinforced protective layer on structure

Li Chaohui

(Taiyuan Wangxiaoxiong Architectural Design Institute(Limited), Taiyuan 030024, China)

In this paper, the mechanism of the protective layer and the cause of the cracking of the protective layer are discussed. The influence factors of the maximum crack width of the protective layer are analyzed by calculation formula. The result shows that the relatively reasonable thickness of the protective layer can control and reduce the concrete crack to a certain extent width.

building quality, reinforced protective layer, structural crack width, cohesive force

1009-6825(2016)34-0051-02

2016-09-21

李超晖(1990- )，男,助理工程师

TU201

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