摘要：大量室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與工程實(shí)踐表明，普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的使用性能不佳和適用范圍受限與裂紋不加限制地發(fā)展有著直接關(guān)系，要想改善普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的使用性能，就必須尋求有效的裂紋控制方法。本文對(duì)此進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：裂紋；鋼筋混凝土；含阻裂增強(qiáng)層

一、裂紋對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的危害

裂紋是固體材料中的某種不連續(xù)現(xiàn)象。主要有骨料與水泥石的粘結(jié)面上的粘結(jié)裂紋、水泥漿中的裂紋以及骨料裂紋。近代的混凝土的微觀研究表明：微裂紋的擴(kuò)展是材料破損程度的標(biāo)志，同時(shí)，微裂紋的存在也是一種材料本身固有的物理性質(zhì)。因而，裂紋在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的存在有其必然性。但是如果裂紋不加限制地發(fā)展，不僅會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的最終破壞，還會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的正常使用也會(huì)產(chǎn)生諸多不利影響。主要表現(xiàn)在：
1、鋼筋、混凝土受力狀態(tài)的變化
鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)開裂比較嚴(yán)重后，鋼筋和混凝土的粘結(jié)在裂紋附近遭到嚴(yán)重破壞。粘結(jié)破壞的結(jié)果：一方面，使裂紋處的混凝土由原來(lái)的一個(gè)整體變?yōu)槠扑榈穆?lián)系不強(qiáng)的各部分；另一方面，使鋼筋在局部范圍拉長(zhǎng)很多，鋼筋應(yīng)力的增長(zhǎng)很大。同時(shí)，由于裂紋的過(guò)渡發(fā)展，使得上部混凝土受壓區(qū)高度很小，混凝土壓應(yīng)力值較高。
2、抗剪能力降低
鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗剪能力很大程度上取決于結(jié)構(gòu)中混凝土的整體性，當(dāng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)開裂比較嚴(yán)重后，混凝土被裂紋分割成許多支離破碎的獨(dú)立部分，混凝土的整體性明顯下降，對(duì)于結(jié)構(gòu)截面而言，參與抗剪的混凝土的凈面積減小，因此，結(jié)構(gòu)的抗剪能力也隨之下降。
3、結(jié)構(gòu)剛度的變化
鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)開裂比較嚴(yán)重后，其薄弱截面處的中性軸位置明顯上移，而結(jié)構(gòu)的變形很大程度上取決于其薄弱截面，因此，此時(shí)結(jié)構(gòu)的總體下?lián)蠈⒀杆僭黾�，并隨著裂紋的發(fā)展而繼續(xù)增加。
4、結(jié)構(gòu)疲勞性能的變化
裂紋不加限制地發(fā)展不僅降低了結(jié)構(gòu)的靜力強(qiáng)度，對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞性能的影響也十分顯著。過(guò)多的裂紋使得很多局部位置的鋼筋、混凝土應(yīng)力長(zhǎng)期處于高應(yīng)力區(qū)，降低了材料的疲勞壽命。另外，裂紋發(fā)展必然造成對(duì)鋼筋與混凝土的粘結(jié)力的退化，相對(duì)滑動(dòng)增長(zhǎng)，有可能發(fā)生粘結(jié)性能本質(zhì)的改變，甚至造成錨固失效，因此整個(gè)結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的降低都是不可避免的。
此外，裂紋不加限制地發(fā)展還會(huì)使得構(gòu)件中的鋼筋和混凝土面臨惡劣的外界環(huán)境考驗(yàn)。外界具有腐蝕作用的介質(zhì)通過(guò)裂紋侵入混凝土內(nèi)部，引起混凝土性質(zhì)的改變，降低其強(qiáng)度；同時(shí)，也會(huì)沿裂紋滲透到鋼筋表面，與鋼筋發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，削弱鋼筋截面，使得混凝土、鋼筋應(yīng)力都會(huì)較大的增長(zhǎng)，構(gòu)件的裂紋也會(huì)進(jìn)一步發(fā)展。

二、含阻裂增強(qiáng)層的復(fù)合鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)分析

傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)成功解決了混凝土過(guò)早開裂的問題，提高了結(jié)構(gòu)的抗裂度和剛度；同時(shí)有效地利用了高強(qiáng)材料。但是傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)存在一些缺點(diǎn)：①工藝較復(fù)雜，對(duì)施工質(zhì)量要求甚高。②需要有一定的專門設(shè)備，如張拉機(jī)具、灌漿設(shè)備等。③預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的開工費(fèi)用較大，對(duì)于跨徑小、構(gòu)件少的工程，成本較高。那么是否有其他簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的方法，既能提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗裂性能，同時(shí)又能充分發(fā)揮高強(qiáng)材料的優(yōu)勢(shì)？大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，同等條件下，含阻裂增強(qiáng)層的復(fù)合鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，具有更加優(yōu)越的力學(xué)性能，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1、含阻裂增強(qiáng)層的復(fù)合鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有更高的開裂荷載新結(jié)構(gòu)中由于阻裂增強(qiáng)層參與結(jié)構(gòu)的整體受力，能夠分擔(dān)一部分混凝土承受的拉應(yīng)力，減小了受拉區(qū)混凝土的拉應(yīng)力，從而推遲了混凝土拉應(yīng)變達(dá)到極限拉應(yīng)變的時(shí)間。因此，新結(jié)構(gòu)的開裂荷載會(huì)有所提高。而從斷裂力學(xué)角度來(lái)說(shuō)，混凝土是一種內(nèi)部含有許多微裂紋的材料，由于阻裂增強(qiáng)層提供的一對(duì)集中閉合力能夠有效的降低微裂紋端部的應(yīng)力強(qiáng)度因子，抑制微裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，從而使得新結(jié)構(gòu)中的混凝土材料表現(xiàn)出更好的名義抗彎拉強(qiáng)度，因此新結(jié)構(gòu)較普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有更高的開裂荷載。2、含阻裂增強(qiáng)層的復(fù)合鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有更好的阻裂性能。在普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，一旦混凝土出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，那么開裂截面處混凝土原來(lái)承受的那部分拉應(yīng)力將由鋼筋承擔(dān)。而在新結(jié)構(gòu)中，開裂截面處的拉應(yīng)力除了由縱向鋼筋承受外，外邊的粘貼層也承受部分的拉應(yīng)力，而外貼的阻裂增強(qiáng)層的阻裂作用表現(xiàn)為降低了裂紋端部的應(yīng)力強(qiáng)度因子，阻止了裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展。顯然，由于阻裂增強(qiáng)層的作用，新結(jié)構(gòu)的裂紋不會(huì)像普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的裂紋那樣向上迅速發(fā)展、裂紋的寬度急劇增加。因此，新結(jié)構(gòu)具有更好的阻裂性能。

三、 含阻裂增強(qiáng)層的復(fù)合鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

1、混凝土材料的選擇
高強(qiáng)混凝土相比普通混凝土具有強(qiáng)度高、變形小的特點(diǎn)，在相同荷載條件下，可減少構(gòu)件截面尺寸，降低結(jié)構(gòu)自重。由于恒載的顯著減輕，較長(zhǎng)的跨度在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)上就成為可能。除了上述優(yōu)點(diǎn)外，高強(qiáng)混凝土還具有密實(shí)性好、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)。因此，復(fù)合鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的混凝土應(yīng)盡可能的選用高強(qiáng)混凝土。
2、鋼筋材料的選擇
預(yù)應(yīng)力混凝土之所以具有魅力，不僅是因?yàn)橛捎谕ㄟ^(guò)控制裂紋和變形改善了結(jié)構(gòu)在使用荷載下的工作特性，更是因?yàn)槠淇梢杂行У睦�用高�?qiáng)鋼筋，充分發(fā)揮高強(qiáng)材料的優(yōu)勢(shì)，從而可以使用小而輕的構(gòu)件。這樣，混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍也就大大擴(kuò)大了。而對(duì)于我們所研究的新結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，由于裂紋的發(fā)展得到有效控制，使得高強(qiáng)鋼筋的應(yīng)用得以實(shí)現(xiàn)，從而可以減小新結(jié)構(gòu)自重，恒載與活載比例減小，跨度就可以增大。因此，復(fù)合鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在選擇鋼筋類型時(shí)宜選用高強(qiáng)鋼筋。
3、阻裂增強(qiáng)層的選擇
混凝土的彈性模量一般為23～36GPa,CFRP的彈性模量一般為210GPa左右。因此，阻裂增強(qiáng)層選用玻纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）時(shí)，由于混凝土與CFRP相差一個(gè)數(shù)量級(jí)，相互之間的彈模極不匹配，使得兩者之間的變形不協(xié)調(diào)，界面剪力過(guò)大，容易發(fā)生端部混凝土保護(hù)層剝離破壞和端部界面剝離破壞。這里首先介紹兩個(gè)概念。界面連結(jié)也就是指界面粘結(jié)情況。界面強(qiáng)連結(jié)是指界面連結(jié)強(qiáng)度（粘結(jié)強(qiáng)度）高于被連結(jié)的兩物體中任一物體的剪切強(qiáng)度（若界面為剪切破壞）或拉伸強(qiáng)度（若界面為拉伸破壞），界面強(qiáng)連結(jié)的破壞特征表現(xiàn)為被連結(jié)的物體（或者其中之一）在連結(jié)界面附近的破壞，而不是界面本身的破壞；界面弱連結(jié)是指界面連結(jié)強(qiáng)度低于被連結(jié)的兩物體的強(qiáng)度（剪切強(qiáng)度或拉伸強(qiáng)度），界面弱連結(jié)的破壞特征表現(xiàn)為界面本身的破壞。對(duì)于梁底粘有CFRP材料的新結(jié)構(gòu)而言，混凝土與CFRP板端的粘結(jié)界面往往存在較大的剪應(yīng)力與正應(yīng)力，特別是CFRP的板端切斷點(diǎn)處，存在明顯的應(yīng)力集中。當(dāng)剪應(yīng)力超過(guò)粘結(jié)劑的剪切強(qiáng)度時(shí)（剪切破壞）或正應(yīng)力超過(guò)粘結(jié)劑的抗拉強(qiáng)度時(shí)（拉伸破壞）將會(huì)發(fā)生界面剝離，形成界面裂紋，端部界面裂紋的擴(kuò)展通常會(huì)導(dǎo)致兩種破壞模式。第一種破壞模式：端部混凝土保護(hù)層的剝離。當(dāng)界面裂紋遭遇強(qiáng)連結(jié)時(shí)，界面裂紋將斜向侵入混凝土保護(hù)層，發(fā)展至縱筋高度后又會(huì)沿縱筋位置水平開展，最終導(dǎo)致混凝土保護(hù)層的剝離。第二種破壞模式：CFRP端部界面剝離破壞，當(dāng)界面裂紋遭遇弱連結(jié)時(shí)，界面裂紋將沿CFRP與混凝土的界面發(fā)展，產(chǎn)生端界面剝離破壞。破壞發(fā)生時(shí)，剝落下來(lái)的CFRP板上往往會(huì)粘附一薄層混凝土。而GFRP的彈性模量一般為23GPa左右,與混凝土材料的彈性模量正好相當(dāng)，兩者變形相互協(xié)調(diào)，能夠很好地避免這兩種破壞模式的發(fā)生，同時(shí)，玻纖維價(jià)格低廉、經(jīng)濟(jì)；并且選用GFRP作為阻裂增強(qiáng)層的復(fù)合鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有更好的延性。因此，新結(jié)構(gòu)中的阻裂增強(qiáng)層宜選用彈模與混凝土相當(dāng)、價(jià)格經(jīng)濟(jì)的GFRP。
4、粘結(jié)劑的選擇
樹脂兼作FRP復(fù)合材料的基體和FRP與混凝土間的粘結(jié)劑。對(duì)于新結(jié)構(gòu)而言，樹脂的粘結(jié)作用非常重要，一般選用環(huán)氧樹脂作為粘結(jié)劑。為了保證FRP和混凝土之間能夠很好地共同工作，要求用于粘貼FRP的粘結(jié)劑的抗剪強(qiáng)度滿足一定要求。在新結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用中可以用混凝土的剪切強(qiáng)度來(lái)對(duì)粘結(jié)劑的粘結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行控制，使粘結(jié)劑的抗剪強(qiáng)度大于混凝土的剪切強(qiáng)度即可。這樣，在產(chǎn)生界面破壞時(shí)，是混凝土材料的受剪破壞，而非粘結(jié)劑粘結(jié)失效。混凝土的抗剪強(qiáng)度一般約為12MPa，因此，新結(jié)構(gòu)中選用的粘結(jié)劑的抗剪強(qiáng)度應(yīng)大于12MPa。另一方面，如果粘結(jié)劑在保證剪切強(qiáng)度的同時(shí)，具有足夠大的剪切應(yīng)變能力，將有利于粘貼材料和混凝土之間的共同工作，而不致于使阻裂增強(qiáng)層和混凝土剝離，有利于結(jié)構(gòu)的整體受力。粘結(jié)劑在滿足抗剪要求的同時(shí)也需要滿足一定的抗拉要求。對(duì)于承受外載作用的混凝土簡(jiǎn)支梁而言，按彈性理論計(jì)算，梁底不存在正應(yīng)力。但粘貼一層FRP材料后，板端會(huì)存在較大的拉應(yīng)力。因此，為了避免板端界面拉壞，粘結(jié)劑的抗拉強(qiáng)度需滿足一定要求，這里初步定位粘結(jié)劑的抗拉強(qiáng)度不小于40MPa。根據(jù)以上分析，新結(jié)構(gòu)中選用的粘結(jié)劑的力學(xué)指標(biāo)為：抗拉強(qiáng)度不小于40MPa，抗剪強(qiáng)度不小于12MPa。

參考文獻(xiàn)：
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