钢筋混凝土建筑构件裂缝测量仪理论及应用设想

包贵华

摘 要：文章从钢筋混凝土梁的受弯破坏形态及其相应的受力特点出发，利用承载能力极限状态理论，结合消防工作的现况，论证了钢筋混凝土建筑构件裂缝测量仪在实际灭火工作中得到运用的可能性。对于钢筋混凝土结构火灾扑救过程中险情预警装置的研究有一定的启发性。

关键词：钢筋混凝土；支撑能力；裂缝；承载能力极限状态

中图分类号：TU998 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）07-0117-01

1 理论基础

1.1 钢筋混凝土构件是一种不燃烧体且具有良好耐火性的建筑构件

钢筋混凝土构件是用不燃性建筑材料（按GB5464检验方法进行检验）制成的不燃烧体构件，该构件在空气中或高温作用时不起火、不微燃、不炭化。故在建筑领域中得到广泛应用。

1.2 建筑物在火灾荷载作用下破坏顺序

建筑物在火灾荷载作用下（除爆炸荷载外），随着建筑材料、建筑构件的燃烧和破坏，整个建筑结构必然遭到局部破坏或全部坍塌，其坍塌次序一般是先吊顶后屋顶，最后是墙壁；也就是说，建筑物的承重结构中，梁的破坏先于柱，由此可知，在论证中考虑柱失去支撑能力没有多大意义，因为在柱失去支撑能力前，梁已先于柱破坏，所以在钢筋混凝土建筑构件裂缝测量仪理论计算中只考虑梁裂缝的开展。

1.3 钢筋混凝土建筑构件的工作原理及其正截面受弯破坏形态

（1）钢筋混凝土建筑构件的工作原理：钢筋混凝土建筑构件的承重是通过钢筋与其周围混凝土之间的相互作用来实现的，其相互作用主要包括粘结力和相对滑移两方面（其中粘结力起主要作用）。粘结的重要性在于它是钢筋与混凝土变形一致、共同受力的保证，如粘结遭到破坏，就会使构件变形增加，裂缝剧烈开展甚至破坏。（2）钢筋混凝土建筑构件正截面受弯破坏形态有：适筋破坏、超筋破坏和少筋破坏三种形态。超筋截面破坏形态：混凝土先压碎，钢筋不屈服；少筋截面破坏形态：一裂就坏；这两种破坏形态均属脆性破坏类型并且没有明显预兆，在施工中禁止采用（预应力钢筋混凝土除外）。适筋截面破坏形态则不同，它是钢筋先屈服，混凝土后压碎；破坏前有明显预兆，故在施工中广泛采用。

1.4 小结

通过以上分析知：梁的正截面的破坏始于纵向受拉钢筋屈服，终于受压区混凝土压碎。在纵向受拉钢筋屈服时，裂缝截面进一步开展，最终梁破坏（此时梁处于最危险状态）。

2 研究对象的选择和裂缝宽度计算

2.1 建筑耐火等级的选择

目前，一般的工业与民用建筑耐火等级均选为二级，受力钢筋大多采用Ⅱ级，其抗拉强度设计值fy=310N/mm2；混凝土强度等级采用C25，其强度标准值为25N/mm2，抗压标准ftk=1.75N/mm2，弯曲抗压设计强度fcm=13.5N/mm2。

研究对象的选择：设一普通简支梁，梁截面b×h=250mm ×500mm，计算跨度Lo=6.0m，承受均布永久荷载gk=2.45kN/m（包括梁自重），活荷载标准值qk=18kN/m）。

2.2 裂缝宽度计算

2.2.1 平均裂缝宽度ω的计算

钢筋水平处的平均裂缝宽度等于平均裂缝间距Lcr内钢筋与混凝土兩者伸长值之差。设钢筋的平均应变为εsm，混凝土的平均应变为εcm，则平均裂缝宽度ω=（εsm-εcm）·Lcr，由于εcm很小可以略去不计，有：

ω=ψ·εsm·Lcr=ψ·（σss/Es）·Lcr （1）

式中：ψ—纵向受拉钢筋应变不均匀系数，当钢筋接近屈服（承载能力极限状态）时ψ趋近于1，相反则减小，其值介于0.4—1.0之间；

σss—在荷载的短期效应组合Ms作用下，梁内纵向受拉钢筋应力（N/mm2）；

Es—钢筋弹性模量，Ⅱ级钢筋Es=200KN/mm2。

根据试验资料和使用经验，并考虑钢筋表面形状影响系数ν后，将受力构件的平均裂缝间距表达式修正为：

Lcr=[2.7c+（0.1d）/ρte]·ν （2）

式中：c—混凝土保护层厚度，c=25mm；

d—纵向受拉钢筋的直径，mm；

ρte—受弯构件受拉钢筋的有效配筋率；

ν—纵向受拉钢筋表面特征系数，对变形钢筋取ν=0.7。

综上得平均裂缝宽度：

ω=ψ·（σss/Es）·Lcr

=ψ·（σss/Es）·[2.7c+（0.1d）/ρte]·ν （3）

在承载能力极限状态下：ψ=1，σss=fy=310N/mm2；另外我国《混凝土结构设计规范》规定：

ψ=1.1-（0.65·ftk）/（ρte·σss） （4）

ψ=1.1-（0.65×1.75）/（ρte×310）

1.1-（0.65×1.75）/（ρte×310）=1

ρte=0.03669=3.669%

对承重梁的配筋要考虑其界限配筋率（最大配筋率）ρb：

ρb=εb·fcm/fy （5）

=0.544×13.5/310=0.0236=2.369%

式中：εb—界限相对受压区高度，对Ⅱ级钢筋εb=0.544；

由于ρte>ρb，选用ρb进行配筋计算：

ρb=As/（0.5·b·h） （6）

As=ρb×0.5×b×h=0.02369×0.5×250×500=1480.6（mm2）

可以选用的钢筋种类及计算截面积：

（1）6Φ18，As=1526mm2；

（2）5Φ20，As=1570mm2；

（3）4Φ22，As=1520mm2。

根据《混凝土结构设计规范》要求，实际配筋面积偏差应在计算配筋截面积的5%以内，故钢筋的选取面积As= 1480.6mm2×（1±5%），即配筋面积不应小于1406.6mm2，不应大于1554.6mm2。考虑到钢筋的根数过多对建筑构件的影响，选取4Φ22，As=1520mm2。

通过以上数据得平均裂缝宽度：

ω=ψ·（σss/Es）·[2.7c+（0.1d）/ρte]·ν

=1.0×[310÷（200×103）]×（2.7×25+0.1×22÷0.02369）×0.7

=0.174（mm）

2.2.2 最大裂缝宽度

ωmax=αcr×ω （7）

=2.1×0.174=0.366（mm）

式中：αcr—构件受力特征系数，受弯构件αcr=2.1

2.3 利用以上数据反算所选研究对象的裂缝宽度

已知：b×h=250mm×500mm，Lo=6.0m，gk=2.45kN/m，qk=18kN/m

荷载短期效应组合Ms=0.125×（gk+qk）·Lo2 （8）

=0.125×（2.45+18）×62=92.02（kN·m）

在荷载的短期效应组合Ms作用下，梁内纵向受拉钢筋的应力：

σss=Ms/（0.87·ho·As） （9）

=92.02×106÷（0.87×465×1520）=149.65（N·mm2）

縱向受拉钢筋应变不均匀系数：

ψ=1.1-（0.65×1.75）/（0.0236×149.65）=0.7791

2.4 小结

在具体运用方面：当梁的变形介于0.137mm至0.3mm时，梁的工作状态及变形处于受力第Ⅱ阶段；当梁的变形介于0.3mm至0.365mm时，梁的工作状态及变形处于受力第Ⅲ阶段。钢筋混凝土建筑构件裂缝测量仪在梁的变形接近0.3mm时发出预警，依据现代科学技术该目的可以实现。

3 结语

由于本人知识的局限性和条件限制，无法通过实验来确定裂缝宽度的修正系数。在此希望对此感兴趣的学者继续深入研究和探讨，将钢筋混凝土建筑构件裂缝测量仪及早应用到灭火工作中，减少在灭火过程中因建筑坍塌事故带来的经济损失和人员伤亡。

参考文献

[1]程文襄.混凝土及砌体结构[M].武汉：武汉大学出版社，2000.10.

[2]混凝土结构设计规范（GB10-89）[S].1998年修订.

[3]建筑防火编写组.建筑防火[M].北京：群众出版社，1995.104-122.