论文部分内容阅读
摘要本文简要介绍了新颁布的新版《混凝土结构设计规范》GB50010-2010中梁裂缝验算与旧版规范GB50010-2002的异同，分析了与最大裂缝宽度相关的主要因素，对常见裂缝验算问题进行了探讨，对设计提出了相应建议。
关键词普通钢筋混凝土 梁裂缝控制设计
一． 概述
设计实践中，普通钢筋混凝土梁在竖向荷载作用下的裂缝控制验算（以下简称梁裂缝验算），一直令结构设计人员比较困惑，采用一体化结构软件设计时，很多梁按照裂缝控制计算的配筋比按照承载力计算的配筋结果大，尤其采用高强度钢筋时，就更加明显。在新版《混凝土结构设计规范》中，对最大裂缝宽度验算公式进行了修订，在相同条件下较旧版规范计算值有所减小，而在实际应用中，设计人员应该深刻理解并正确运用梁裂缝验算公式，在计算中采用合理的设计参数和计算假定。
二．《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）中梁裂缝验算的主要改进
新版规范最大裂缝宽度验算公式：ωmax=αcrΨσs（1.9Cs+0.08deq/ρte）/Es
可以看出，公式形式与旧版规范基本一致，而主要改进之处有：
（1） 構件受力特征系数αcr取值，对普通钢筋砼受弯构件由2.1改为1.9。
（2） 纵向受拉钢筋的应力由荷载效应的标准组合σsk改为按准永久组合σs。
现对300X600、300X700两种截面的梁分别按两个规范版本进行了验算，在其它条件一致（砼C30、钢筋HRB400、保护层厚度25mm、等弯矩时实配钢筋相同）的情况下，得到弯矩设计值与裂缝宽度关系的曲线如图示。可以看出，按新版规范计算的最大裂缝宽度有所减小。
新版规范与旧版规范相比较，裂缝控制验算公式调整虽然不大，但有所改进，对解决工程设计中的相关困惑起到了积极作用。
三． 与最大裂缝宽度计算值相关的主要因素
影响梁受弯裂缝的因素很复杂，按照新版规范，与最大裂缝宽度计算值相关的主要因素有以下几方面。
1、 截面尺寸。通过M-Wmax拟合曲线分析（略），截面宽度或高度越大，最大裂缝宽度计算值越大。
2、 钢筋直径。在满足承载力的前提下，实配钢筋直径越小，最大裂缝宽度计算值越小。以梁b*h=300X600为例（砼C30，钢筋HRB400，M=335KN.m），当实配钢筋分别为4Ф25和5Ф22时，最大裂缝宽度计算值分别为0.314mm和0.303mm。
3、 配筋率。通过M-Wmax拟合曲线可以看出，梁配筋率较小和较大时最大裂缝宽度较小，在某一适中配筋率时达到最大。
4、 受拉翼缘。当存在受拉翼缘时，由于截面尺寸效应，最大裂缝宽度比不考虑受拉翼缘时要大，但是一般受拉翼缘都配有钢筋，不考虑此钢筋的作用也是不合理的，但如何考虑是需要研究的课题，以梁b*h=300X600、受拉翼缘bf*hf=2000X100为例（砼C30，钢筋HRB400，M=335KN.m，承载力计算配筋1945mm2，实配4Ф25，受拉翼缘内配筋Ф8@200），分几种模式计算比较如下：
由此可以看出，如何考虑翼缘及其钢筋的作用对裂缝宽度计算值有较大影响。
5、钢筋的砼保护层厚度。仍然以上面梁为例，保护层厚度分别为25mm、30mm时，Wmax分别为0.314mm、0.340mm。
四．梁裂缝控制验算存在的问题
梁裂缝控制的规定已沿用较长时间，基本被工程研究界认同，虽然不断改进，仍然存在一些疑点。目前，工程界大力推广高强度钢筋，但是以裂缝要求最低的一类环境为例，采用目前主流的400MPa级钢筋，从以上算例可以看出，实际工程中有较多情况需要增加配筋量来满足最大裂缝宽度0.3mm的要求，而且越是经济配筋率时，裂缝宽度越大。由于裂缝宽度计算值与钢筋强度无关，那么对500MPa级的钢筋，如果需要裂缝控制，就难以推广，如果使用了，不但没有降低钢材消耗，业主也白白增加投资。
影响梁受力裂缝的因素中，除规范公式反应出来的以上因素外，还有纵筋的间距、钢筋骨架的作用、受压区翼缘的作用等，新版规范对于梁类受弯构件的裂缝控制仍然偏于保守。
五．对工程设计中裂缝控制的几点意见和建议
1、设计中裂缝控制验算的重点部位。
（1）对裂缝要求严格的部位。主要指环境类别为二、三类的梁，当最大裂缝宽度限值为0.2mm时，一般均需要加大配筋，降低钢筋应力，以来满足裂缝控制要求。
（2）采用高强钢筋的梁。最大裂缝宽度计算值受钢筋应力的影响，而与钢筋的强度无关，当采用高强钢筋时，按承载力计算的钢筋应力较高，裂缝宽度计算值也较大。当最大裂缝宽度限值为0.3mm，采用HRB335钢筋，按照承载力配筋一般均能满足裂缝控制要求，采用HRB400钢筋及更高强度的钢筋则需要验算，而当最大裂缝宽度限值为0.4mm，采用HRB400钢筋，按照承载力配筋一般也能满足裂缝控制要求。
（3）钢筋的砼保护层较大的部位。当由于环境类别或其它构造原因，梁的钢筋保护层厚度较大（一般指大于25mm）时，最大裂缝宽度计算值增加明显。
（4）截面较大的梁。截面宽度大于350或高度大于600可界定为大截面梁。
2、在实际设计中，支座最大裂缝宽度验算可以考虑受拉区楼板（受拉翼缘）的有利作用，建议考虑楼板钢筋对钢筋等效直径影响，不考虑楼板钢筋的面积。
3、为了考虑梁纵横向钢筋（特别是负筋）的交叉，一个方向钢筋保护层加大而造成有效截面减小，采用软件计算时，往往将钢筋保护层厚度输入值加大（一般定义为30～50mm），但在最大裂缝宽度验算时，应采用保护层设计值，否则会造成较大浪费。这样处理能够满足要求，一是考虑到钢筋总体上已较实际提高，二是保护层较大时最大裂缝宽度限值可予放松，三是可考虑楼板钢筋的有利作用。
4、连续梁或框架梁支座截面裂缝控制验算时，应取支座边截面的弯矩值。
5、当采用设计软件计算，梁裂缝验算不满足要求时，应认真分析、仔细核实、查找原因，不能一概加大钢筋来解决。
6、有抗震设防要求的结构，当由于裂缝控制而加大框架梁负筋时，应验算、调整相应框架柱的配筋，避免造成强梁弱柱，并验算、调整梁箍筋，避免造成强弯弱剪。
7、工程实际来看，按照承载力配筋、正常施工正常使用的梁，笔者未遇到由于受弯产生的危害裂缝，而由于配筋构造不合理、砼配比不当、养护不科学、结构超长、环境恶劣等引起的砼自收缩及温度应力裂缝，却非常普遍，而且裂缝宽度往往较大，影响正常使用及结构耐久性，相比之下更应该引起重视。
六.结束语
普通钢筋混凝土梁裂缝控制验算是正常使用极限状态验算的主要内容之一，按旧版规范设计偏于保守，新版规范有所改进。设计人员应深刻理解与受力裂缝相关的因素，正确选择最大裂缝宽度计算公式的各项参数，采用软件计算时，更应注意输入数据的合理性，杜绝只重视输出结果、不重视输入数据的现象，更要注意配筋增加反而使结构抗震能力下降的问题，使结构设计在保证安全的前提下更加经济、合理。
注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看
关键词普通钢筋混凝土 梁裂缝控制设计
一． 概述
设计实践中，普通钢筋混凝土梁在竖向荷载作用下的裂缝控制验算（以下简称梁裂缝验算），一直令结构设计人员比较困惑，采用一体化结构软件设计时，很多梁按照裂缝控制计算的配筋比按照承载力计算的配筋结果大，尤其采用高强度钢筋时，就更加明显。在新版《混凝土结构设计规范》中，对最大裂缝宽度验算公式进行了修订，在相同条件下较旧版规范计算值有所减小，而在实际应用中，设计人员应该深刻理解并正确运用梁裂缝验算公式，在计算中采用合理的设计参数和计算假定。
二．《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）中梁裂缝验算的主要改进
新版规范最大裂缝宽度验算公式：ωmax=αcrΨσs（1.9Cs+0.08deq/ρte）/Es
可以看出，公式形式与旧版规范基本一致，而主要改进之处有：
（1） 構件受力特征系数αcr取值，对普通钢筋砼受弯构件由2.1改为1.9。
（2） 纵向受拉钢筋的应力由荷载效应的标准组合σsk改为按准永久组合σs。
现对300X600、300X700两种截面的梁分别按两个规范版本进行了验算，在其它条件一致（砼C30、钢筋HRB400、保护层厚度25mm、等弯矩时实配钢筋相同）的情况下，得到弯矩设计值与裂缝宽度关系的曲线如图示。可以看出，按新版规范计算的最大裂缝宽度有所减小。
新版规范与旧版规范相比较，裂缝控制验算公式调整虽然不大，但有所改进，对解决工程设计中的相关困惑起到了积极作用。
三． 与最大裂缝宽度计算值相关的主要因素
影响梁受弯裂缝的因素很复杂，按照新版规范，与最大裂缝宽度计算值相关的主要因素有以下几方面。
1、 截面尺寸。通过M-Wmax拟合曲线分析（略），截面宽度或高度越大，最大裂缝宽度计算值越大。
2、 钢筋直径。在满足承载力的前提下，实配钢筋直径越小，最大裂缝宽度计算值越小。以梁b*h=300X600为例（砼C30，钢筋HRB400，M=335KN.m），当实配钢筋分别为4Ф25和5Ф22时，最大裂缝宽度计算值分别为0.314mm和0.303mm。
3、 配筋率。通过M-Wmax拟合曲线可以看出，梁配筋率较小和较大时最大裂缝宽度较小，在某一适中配筋率时达到最大。
4、 受拉翼缘。当存在受拉翼缘时，由于截面尺寸效应，最大裂缝宽度比不考虑受拉翼缘时要大，但是一般受拉翼缘都配有钢筋，不考虑此钢筋的作用也是不合理的，但如何考虑是需要研究的课题，以梁b*h=300X600、受拉翼缘bf*hf=2000X100为例（砼C30，钢筋HRB400，M=335KN.m，承载力计算配筋1945mm2，实配4Ф25，受拉翼缘内配筋Ф8@200），分几种模式计算比较如下：
由此可以看出，如何考虑翼缘及其钢筋的作用对裂缝宽度计算值有较大影响。
5、钢筋的砼保护层厚度。仍然以上面梁为例，保护层厚度分别为25mm、30mm时，Wmax分别为0.314mm、0.340mm。
四．梁裂缝控制验算存在的问题
梁裂缝控制的规定已沿用较长时间，基本被工程研究界认同，虽然不断改进，仍然存在一些疑点。目前，工程界大力推广高强度钢筋，但是以裂缝要求最低的一类环境为例，采用目前主流的400MPa级钢筋，从以上算例可以看出，实际工程中有较多情况需要增加配筋量来满足最大裂缝宽度0.3mm的要求，而且越是经济配筋率时，裂缝宽度越大。由于裂缝宽度计算值与钢筋强度无关，那么对500MPa级的钢筋，如果需要裂缝控制，就难以推广，如果使用了，不但没有降低钢材消耗，业主也白白增加投资。
影响梁受力裂缝的因素中，除规范公式反应出来的以上因素外，还有纵筋的间距、钢筋骨架的作用、受压区翼缘的作用等，新版规范对于梁类受弯构件的裂缝控制仍然偏于保守。
五．对工程设计中裂缝控制的几点意见和建议
1、设计中裂缝控制验算的重点部位。
（1）对裂缝要求严格的部位。主要指环境类别为二、三类的梁，当最大裂缝宽度限值为0.2mm时，一般均需要加大配筋，降低钢筋应力，以来满足裂缝控制要求。
（2）采用高强钢筋的梁。最大裂缝宽度计算值受钢筋应力的影响，而与钢筋的强度无关，当采用高强钢筋时，按承载力计算的钢筋应力较高，裂缝宽度计算值也较大。当最大裂缝宽度限值为0.3mm，采用HRB335钢筋，按照承载力配筋一般均能满足裂缝控制要求，采用HRB400钢筋及更高强度的钢筋则需要验算，而当最大裂缝宽度限值为0.4mm，采用HRB400钢筋，按照承载力配筋一般也能满足裂缝控制要求。
（3）钢筋的砼保护层较大的部位。当由于环境类别或其它构造原因，梁的钢筋保护层厚度较大（一般指大于25mm）时，最大裂缝宽度计算值增加明显。
（4）截面较大的梁。截面宽度大于350或高度大于600可界定为大截面梁。
2、在实际设计中，支座最大裂缝宽度验算可以考虑受拉区楼板（受拉翼缘）的有利作用，建议考虑楼板钢筋对钢筋等效直径影响，不考虑楼板钢筋的面积。
3、为了考虑梁纵横向钢筋（特别是负筋）的交叉，一个方向钢筋保护层加大而造成有效截面减小，采用软件计算时，往往将钢筋保护层厚度输入值加大（一般定义为30～50mm），但在最大裂缝宽度验算时，应采用保护层设计值，否则会造成较大浪费。这样处理能够满足要求，一是考虑到钢筋总体上已较实际提高，二是保护层较大时最大裂缝宽度限值可予放松，三是可考虑楼板钢筋的有利作用。
4、连续梁或框架梁支座截面裂缝控制验算时，应取支座边截面的弯矩值。
5、当采用设计软件计算，梁裂缝验算不满足要求时，应认真分析、仔细核实、查找原因，不能一概加大钢筋来解决。
6、有抗震设防要求的结构，当由于裂缝控制而加大框架梁负筋时，应验算、调整相应框架柱的配筋，避免造成强梁弱柱，并验算、调整梁箍筋，避免造成强弯弱剪。
7、工程实际来看，按照承载力配筋、正常施工正常使用的梁，笔者未遇到由于受弯产生的危害裂缝，而由于配筋构造不合理、砼配比不当、养护不科学、结构超长、环境恶劣等引起的砼自收缩及温度应力裂缝，却非常普遍，而且裂缝宽度往往较大，影响正常使用及结构耐久性，相比之下更应该引起重视。
六.结束语
普通钢筋混凝土梁裂缝控制验算是正常使用极限状态验算的主要内容之一，按旧版规范设计偏于保守，新版规范有所改进。设计人员应深刻理解与受力裂缝相关的因素，正确选择最大裂缝宽度计算公式的各项参数，采用软件计算时，更应注意输入数据的合理性，杜绝只重视输出结果、不重视输入数据的现象，更要注意配筋增加反而使结构抗震能力下降的问题，使结构设计在保证安全的前提下更加经济、合理。
注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看