箍筋对钢筋混凝土受弯构件裂缝的影响分析.pdf

第 2 9卷第 6期 2 0 0 7年 1 2月 重 庆 建 筑 大 学 学 报 J o u r n a l o f Ch o n g q i n g J i a n z h u Un i v e r s i t y Vo1 2 9 NO 6 De c 2 00 7 箍筋对钢筋混凝土受弯构件裂缝 的影响分析 李志华 ， 苏小卒 ， 赵 勇 ( 同济大学土木 工程学 院， 上海2 0 0 0 9 2 ) 摘 要 ： 收 集整 理 了国 内外大量 配置横 向箍 筋的钢 筋混 凝土 梁受 弯性 能试验 的裂缝 结果 ， 研 究 了箍 筋的设 置 对 钢 筋 混 凝 土 受 弯 构 件 裂 缝 位 置 及 裂 缝 间 距 的 影 响 。 分 析 结 果 表 明 ， 箍 筋 对 裂 缝 的 位 置 具 有 导 向 作 用 ， 箍 筋 间距 对 裂 缝 间距 有 一 定 的 影 响 。根 据 试 验 资 料 ， 提 出 了 考 虑 箍 筋 影 响 的 平 均 裂 缝 间 距 公 式 ， 并 在 我 国规 范 GB5 0 0 1 0 2 0 0 2裂 缝 宽 度 计 算 模 式 得 基 础 上 ， 提 出 了 考 虑 箍 筋 影 响 的 平 均 裂 缝 宽 度 计 算 公 式 。 建议 公 式 的 计 算 结 果 与 试 验 结 果 符 合 较 好 。 关 键 词 ： 受 弯 裂 缝 ； 箍 筋 ； 裂 缝 位 置 ； 平 均 裂 缝 间 距 ； 平 均 裂 缝 宽 度 中图分 类号 ： TU3 7 5 文献标 志码 ： A 文章 编号 ： 1 0 0 6 7 3 2 9 ( 2 0 0 7 ) 0 6 0 5 3 0 4 Ef f e c t o f S t i r r u ps o n Fl e x u r a l Cr a c k s i n Re i n f o r c e d Co n c r e t e Be a ms LI Z hi h ua，SU Xi a o - z u， ZHAO Yo n g ( S c h o o l o f Ci v i l E n g i n e e r i n g ， To n g j i Un i v e r s i t y ，S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 ) Ab s t r a c t ： The e f f e c t s o f s t i r r u ps on t he l oc a t i o n a nd s pa c i n g of f l e xu r a l c r a c k s we s t u di e d ba s e d On t h e e xi s t i ng t e s t r e s ul t s o f r e i nf or c e d c on c r e t e b e a m s Ou r r e s e a r c h s ho ws t h a t t h e f l e xu r a l c r a c ks t e n d t o de v e l o p ne a r s t i r r u p l o c a t i o n s S t i r r u p s p a c i n g a l s o h a s s o me i n f l u e n c e o n t h e c r a c k s p a c i n g Th e t e s t r e s u l t s s u g g e s t t h a t t h e a v e r a ge c r a c k s p a c i ng f or mul a a d o p t e d i n t he de s i g n c od e GB5 0 01 0 2 0 02 s ho ul d b e r e vi s e d b y c o n s i d e r i n g t he s t i r r up s i n t h e c o ns t a nt mome n t r e g i on A n a v e r a ge c r a c k wi dt h f or mul a c o nc e r n i ng t h e s t i r r up s p a c i n g i s p ut f or wa r d t h a t t a ke s i n t o a c c o un t t h e s t a nd a r d c r a c k wi d t h f o r m u l a The p r op o s e d c a l c u l a t i o n f or mul a s a g r e e wi t h t h e e x pe r i m e nt a l r e s ul t s Ke y wo r ds ： f l e xu r a l c r a c ks；s t i r r up；c r a c k i ng l o c a t i o n；a v e r a g e c r a c k s p a c i ng；av e r a ge c r a c k wi d t h 当混凝土受拉区边缘的应变超过混凝土极限拉伸 值时 ， 钢筋混凝土受弯构件就会 出现裂缝 。过往研究 表明 1 ， 未配置箍筋的混凝土粱受弯裂缝在剪弯 区内 分布比较均匀 ， 裂缝间距大致相等( 一S 。 ) ； 在纯弯 区 内 ， 裂缝 间距则 是 随 机 的 ( S 。 Z 2 S 。 ) ， 裂 缝 位 置 几 乎不能预测( 其 中 S 。 为钢筋一混凝土粘结滑移传递长 度) 。有研究者指出 2 , 3 , 5 - 1 1 ， 对于配置箍筋的钢筋混 凝土受弯构件， 在箍筋处混凝土截 面减小 ， 应力集 中， 容易出现裂缝 ， 即箍筋对裂缝有一定的导向作用。也 有研究者认为 4 ， 箍筋的设置改善 了混凝土试件受力 的非均匀性， 使得裂缝分布比较均匀。因此箍筋对钢 筋混凝土受弯构件的裂缝有何影响 ， 是一个值得研究 的问题 。 1 箍筋对裂缝位置和裂缝 间距的影响 1 1 箍筋对 剪弯 区裂缝 位置 和裂缝 间距 的影响 有研究者指出口 。 ， 剪弯区的受弯裂缝分布 比较均 匀 ， 裂缝间距与箍筋 间距基本一致。而且他们认为这 种现象与箍筋有关 ， 因为箍筋削弱了截面 ， 使得箍筋处 容易出现裂缝。Ha n n a和 F a r i s_ 2 进行 了两 组共 2 4 根梁的试验研究 ， 所有试件在剪弯区均配有箍筋， 试验 结 果表 明 ， 裂 缝均 出现在 箍筋 位置 附近 ， 即箍筋 间距 控 制了裂缝间距 。束继华和韩书香 通过 2 8根悬臂梁 的试验研究了钢筋混凝土受弯构件剪弯区的裂缝和刚 度 ， 研究表明 ， 构件开裂后 ， 箍筋的存在使得 S 。 减小， 对 裂缝开 展有 利 。 收稿 日期 ： 2 0 0 7 -0 7 1 5 作者简介 ： 李 志华 ( 1 9 8 2 一) ， 女 ， 博士研究生 ， 主要从事混凝土结构研究。 维普资讯 http:/ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 4 重 庆 建 筑 太 学 学 报 第 2 9卷 1 2 箍筋对 纯弯 区裂缝位 置和 裂缝 间距 的影响 1 2 1 理论分析讨论在纯弯区， 由于开裂前构件各 受拉截 面 的混 凝 土应 力 是 相 同 的 ， 所 有 的 裂缝 均 会 出 现在薄 弱截 面 。如 果 箍 筋确 实 削 弱 了截 面 ， 则 箍 筋 位 置处容易出现裂缝 ， 从而使得裂缝间距较为均匀。如 果 箍筋未 能 削弱截 面 ， 则裂缝 位置 是很 随机 的 ， 裂缝 间 距是很离散的， 满足 2 S 。 l 2 S 。的关系【 1 5 。 1 2 2 试验研 究结果 文献 6 。 ” 在研究 中均发 现， 受弯构件在纯弯段 内的裂缝发生位置与构件箍筋 位 置基本 一致 ， 平 均裂 缝 间距 与构 件 箍 筋 间距 基 本一 致 ； 构件 的裂缝 间距 明 显受 箍 筋 位 置影 响 。通 过 观察 文 献 9 。 ” 给 出 的详 尽 裂 缝 图 ， 可 发 现 大 多 数 裂 缝 出 现在箍筋位置处 ， 但由于混凝土材性 的非均匀性 ， 箍筋 之 间 的截 面有 时也会 出现裂缝 。 1 2 3 箍筋 对裂缝位 置影 响 的统计分 析文 献 E 6 ， 9 ， 1 0 ， 1 2 ， 1 4 给出了详尽的构件钢筋布置图和裂缝图， 根 据这 5篇文献收集到了 2 5根梁 2 8 0多条裂缝 的位置 数据 。以裂缝到构件纯弯段内最左边箍筋的距离 X与 箍筋间距 s 的比值 作为统计量 ， 对统计量 以 0 2的 5口 间隔划分 ， 经统计计算绘出了裂缝位置直方图( 图 1 ) ， 横坐标表示 ， 纵坐标表示相应 位置处 的裂缝数量。 5 口 其中横坐标 0表示纯弯段 内最左边箍筋的位置 ， “ 1 ” 表 示从左边起 的第二个箍筋的位置， 依次类推， 整数均代 表 箍筋 的位 置 。 由图 1可 知 ， 裂缝 多发 生在 箍 筋 位置 处 ， 其概率为 5 3。因此可以认为 ， 箍筋对裂缝具有 导 向作用 ， 箍筋位 置 附近容易 出现裂 缝 。 图 1 裂 缝 位 置 直 方 图 1 2 4 箍筋对裂缝 间距的影响 根据文献 1 提出的 经验公式及文献 6 ， 9 ， 1 0 ， 1 4 中各试验梁的截面尺寸 和配筋情况， 计算出了上述文献 中部分梁 的钢筋 一混 凝土粘结滑移长度。依据上述各梁纯弯段内所有裂缝 的裂缝间距 、 箍筋间距和粘结滑移传递长度， 绘制 了图 2 ， 分别对每个梁的各裂缝 间距与其箍筋间距和粘结滑 移传递长度进行 了对 比。图 2中， 每个竖柱代表一个 裂 缝 间距 ， 不 同 的梁用竖 直虚 线隔 开 ， 纵 坐标表 示裂 缝 间距 的数值 ， 横坐标给出了相应试验梁的梁号。 童 晷 童 晷 - ， 4 AE l - S T M S TM H S 1 砸一 M 图 2 裂缝间距与箍筋间距 和粘结滑移长度 的比较 由图 2可知 ， 对于配置箍筋 的梁 ， 其纯弯区段内的 裂缝 间距 是 不 满足 S 。 2 S 。 这 个 关 系 ， 而是 趋 于 均匀 。由此可知， 在纯弯区段内， 箍筋对裂缝间距有明 显的影响。通过观察可知， 当箍筋 间距 与钢筋 一混 凝土粘结滑移长度 S 。 相差不多时( AC I I 1 。 。 ， S T M一 一 I， 匡勰j匿 维普资讯 http:/ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6 期 李志华， 等： 箍筋对钢筋混凝土受弯构件裂缝的影响分析 5 5 I 1 引 ， STM H 1 引 ， STM M ， B一 9 0 引 ， B一 11 0 引 ， B S T 。 ) 或当箍筋 间距远 大于传 递长度 但又不接近 2 倍传递长度 时( B一1 5 0 ) ， 裂缝 间距 约为箍筋 间距 ； 当箍筋间距 S 远小于传递长度 S o时( B 一5 0 ) ， 尽管 裂缝 间距 比较离散 ， 但是其均值是相当小的； 而当箍筋 间距约等于或略大 于 2倍传递长度 时 ( C 2 1 1 1 ， B一 2 0 0 ) ， 裂缝 间距约 为箍 筋 间距 的一 半 ， 这是 因为在 箍 筋 之 间出现 了新 的裂缝 。这 与粘结 滑移 原理 在某 种 程 度上是 吻合 的 ， 同时 也说 明箍 筋 位 置 处 确实 形 成 了薄 弱面 。但是 ， 由于混凝 土材性 的不 均匀性 ， 箍 筋 之 间 的 截面有时也会出现裂缝 ， 因而裂缝 间距并不等于箍筋 间距 。 2 箍筋对 纯弯 区段 平均裂 缝 间距和 平均 裂缝 宽度 的影 响 2 1 箍筋对 纯弯 区段 平均 裂缝 间距的影 响 根据文献 7 的 1 7根配置箍筋的混凝土梁的试验 数据， 考虑箍筋间距对裂缝 间距的影 响， 在 混凝土结 构设计 规范 GB 5 0 0 1 0 2 0 0 2裂 缝 间距 公式 的基 础 上， 得到配置箍筋的受弯构件的平均裂缝 间距公式为 ： Z 一 p Z ( 1 ) 其 中 z 一 1 9 c + 0 0 8 ( 2 ) ID d c、 0 8 5 p 一( J ( 3 ) 依据文献 7 中的试验数据， 对式 ( 1 ) 及 混凝土结 构设计规范) G B 5 0 0 1 0 2 0 0 2中的裂缝间距计算公式 进 行 了 比较 ， 结果见 表 1 。 由表 1可 知 ， 规 范公 式 的 计 算值与试验值偏差较大 ， 公式( 1 ) 的计算值与试验值符 合较好 。 表 1 配置箍筋的混凝土梁平均裂缝间距统计参数值 注 ： 其中 表示平均裂缝 间距实测 值 ， 表示平 均裂 缝 间距 计 算值 ； 其中 表示平均 裂缝 宽度 实测值 ， 表示 平 均裂缝 宽 度 计算值 。 2 2 箍筋对 纯弯 区段 平均 裂缝 宽度 的影响 采用 混凝土结构设计规范 ( G B 5 0 0 1 0 2 0 0 2 ) 的 裂缝宽度计算模式 ， 则平均裂缝宽度计算公式为 ： o 8 s ( 一 ) 由于文献 1 7 仅测量 了梁底 面的裂缝宽度 ， 与规 范裂 缝宽 度计算 公 式 反 映 的裂 缝 位 置 ( 与 受 拉 钢筋 截 面重心相同水平处构件侧表面的裂缝宽度) 不一致 ， 因 此需要把试验值进行换算以进行比较。有关试验已经 证明， 对于受弯梁来说 ， 其侧面不同水平处 的裂缝宽度 基本上与其所在位置至中和轴的距离成正比， 即 一 鲁27 6 凡 一 我们根据钢筋和混凝 土的 e本构关系及截 面 内力平衡条件， 计算 出了各种受力状态下的 2 7 ， 进一步 处 理 了试 验数 据 。在 此基 础 上 ， 将 式 ( 4 ) 与 混 凝 土结 构设计规范) GB 5 0 0 1 0 2 0 0 2中的平均裂缝宽度计算 公式 进行 了 比较 ， 结 果见 表 1 。由表 1可知 ， 按 现 行规 范公式计算的平均裂缝宽度与试验值偏差较大 。对于 配置箍筋的受弯构件 ， 计算其平均裂缝宽度时需考虑 考虑箍筋 的影 响 ， 公 式 ( 4 ) 的计算 值 与试 验值 符合 较好 。 3 结束语 由以上的分析可得到以下几点结论 ： 1 ) 箍筋削弱了箍筋处混凝土截面， 对裂缝位置有 导 向作用 。 2 ) 箍筋间距对裂缝 间距有一定 的影响， 选择适 当 的箍筋间距可 以减小裂缝 间距， 从而达到控制裂缝宽 度 的 目的 。 3 ) 箍 筋对 平均 裂缝 间距 和平均裂 缝 宽度 的影 响是 显著的。对配置较密箍筋的构件进行裂缝宽度计算 时 需 考虑箍 筋 的影 响作用 。 4 ) 箍筋间距 S 与裂缝间距 z 的比值 s 可能是 箍筋影响裂缝 的重要参数。 但是， 在 以下几个方面仍需要进一步研究 ： 1 ) 当钢筋混凝土受 弯构件 配置箍筋的 间距较大 时 ， 箍筋对裂缝 间距及宽度 的影响作用是否与小箍筋 间距时的情况相同， 其影响效果是否依然显著? 2 ) 如何选择适当的箍筋间距 ， 以减小裂缝长度 ， 从 而达到控制裂缝宽度的目的?对于配置高强钢筋的混 凝土构件来讲 ， 这是一个有意义的研究问题 。 3 ) 当纵 向钢筋 和 箍 筋 的强度 进 一 步 提 高 时 ， 小 间 距箍筋对平均裂缝 间距 和宽度的影响效果是否仍然 相 同? 4 ) 保 护层 厚度 的变 化是 否影 响箍筋 对平 均裂 缝 间 距和裂缝宽度的作用效果? 参考文献 ： ( 4 ) 1 P I YA s E N A R cmc k s pa c i n g，c r a c k dt h a n d t e n s i 。 n 维普资讯 http:/ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 6 重 庆 建 筑 大 学 学 报 第 2 9卷 s t i f f i n g e f f ect i n r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a ms a n d o n e - wa y s l a b s ( D 7 A t h e s i s f o r t h e a wa r d o f t h e d e g r e e o f Do c t o r o f P h i l o s o p h y S c h o o l o f E n g i n eer i ng F a c u l t y o f E ng i n eeri ng a n d I n f o r ma t i o n T e c h n o l o g y Gri f f i t h Un i v e r s i t y G o l d C o a s t Ca mpu s ，2 00 2 r 2 HAN NA M M， F AR I S A MT h e E f f e c t o f T h i c k Con c r et e Co ve r on t h e M a xi mu m Fl e xu r al Cr a ck wi d t h u n d e r S e r v i c e L o a d ( J ACI S t r u c t u r a l J o u r n a l ，1 9 9 6， 9 3 ( 3 ) ： 2 5 7 2 6 4 3 AL E S S AN D R O P F， D AN I E L E F ， I V O R， e t a 1 F l e x u r a l De f o r ma b i l i t y o f Re i n f o r c e d Co n c r e t e B e a ms ( J 3 J o u r n a l o f Ci v i l En g i n e e r i n g ， 1 9 9 8 ， ( 3 ) ： 1 0 4 1 1 0 4 9 4 束继华， 韩书香 钢筋混凝土受弯构件剪弯区刚度裂缝的 试验研 究 R 4 1 0兆 帕 钢筋应 用 技 术研究 专 题 报告 之 七 ， 1 9 9 0 S h u J i- h u a a n d Ha n S h u x i a n g E x p e r i me n t a l r e s e a r c h o n s t i f f ne s s a n d cr a c k wi d t h i n v a r yi ng mo me nt r e gion of r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a ms R S t u d y r e p o r t s o n a p p l i e d t e c h n i q u e f o r 4 1 0 M P a s t e e l b a r s ( s e v e n ) ， 1 9 9 0 5 P a r k R， P a u l a y T R e i n f o r c e d C o n c r e t e S t r u c t u r e s ( M3 J o h n W i l e y a n d S o n s ，Ne w Yo r k， 1 9 7 5 6 L E E S L ， MA NS UR M A， TA N K H， e t a 1 C r a c k C o n t r o l i n Be a ms Us i n g De f o r ma t i o n W i r e F a b r i c J J o u r n a l o f S t r u c t u r a l En g i n e e r i n g， 1 9 8 9， 1 1 5 ( 1 0 ) ： 2 6 4 5 2 6 6 0 7 束继华， 任红春 钢筋混凝土受弯构件正弯矩区刚度裂缝 的试验研究 ( R 4 1 0兆帕钢筋应 用技术研究 专题报 告之 六 ， 1 9 9 0 S h u J i h u a ，RE N Ho n g - c h u n Ex p e r i me n t a l Re s e a r c h o n St i f f ne s s a n d Cr a c k W i dt h i n Co ns t a nt M o me nt Re g i o n of Re i n f o r c e d Co n c r e t e B e a ms R S t u d y r e p o r t s o n a p p l i e d t e c h n i q u e f o r 4 1 0 M P a s t e e l b a r s ( s i x ) 1 9 9 0 8 P E R R Y A， J ( X ) S T V L S i d e - f a c e R e i n f o r c e me n t f o r F l e x u r a l a n d D i a g o n a l C r a c k i ng i n L a r g e Co n c r e t e B e a ms( J AC I S t r u c t u r a l J o u r n a l ， 1 9 9 9 ， 9 6 ( 5 ) ： 6 9 3 7 0 4 9 S V E C O V A D， RA Z A QP U R A G F l e x u r a l Beh a v i o r o f Co n c r e t e B e a ms Re i nfo r c ed wi t h C a r b o n F i b e r - Re i n f o r c e d P o l y me r P r e s t r e s s ed Pri s ms J AC I S t ruc t u r al J o u r n a l ， 2 0 0 0 ， 9 7 ( 5 ) ： 7 3 1 7 3 8 1 0 GE R AR D O A，A D OL F O B M， G US T A V O J P E x p d me - n t a l E v a l u a t i o n o f De s ig n P r o c e d u r e s f o r S h e a r S t r e n g t h O f De e P Re i n f o r e e d Co n c r e t e B e a ms ( J ACI S t r u c t u r a l J o u r n a l ， 2 0 0 2 ， 9 9 ( 4 ) ： 5 3 9 5 4 7 1 1 赵大勇 高强钢筋混凝土梁板受弯性能试验及其承载能力 分析研究 D 成都： 西南交通大学硕士学位论文 ， 1 9 9 9 Zh a o Da yo n g Ex pe r i me nt a l r e s e a r c h on t h e be n di n g be ha v i or o f H RC me mbe r s a n d a n a l y s i s o n t h e i r ul t i ma t e mome n t A t h es i s f o r t he a wa r d o f t he d e gr e e o f M a s t e r o f P h i l o s o p h y D3 Xi n a n J i t o n g Un i v e r s i t y ，1 9 9 9 1 2 孟益 C F R P预应力混 凝土 梁受弯 性能 研究 ( D 上 海 ： 同济 大学硕士学位论文 ， 2 0 0 0 M e ng Yi S t u d y o n t h e fl e x u r al be ha vio r o f p r est r ess e d b y C F R P c o n c r e t e t e n d o n s D A t h esi s f o r t h e a wa r d o f t h e d e g r e e o f Ma s t e r o f P h i l o sop h y T o ngj i Univ e r s i t y，2 0 0 0 r 1 3 RA S HI D M A， MANS uR M A，P AR AMAS I V AM P Be h a v i o r o f Ar a mi d F i b e r-Re i n f o r c e d P o l y m e r Re i n f o r c e d Hi g h S t r e n g t h C o n c r e t e B e a ms u n d e r Be n d i n g ( J J o u r n a l o f Co mp o s i t e s f o r Co n s t r u c t i o n ， 2 0 0 5( 2 )： 1 1 7 1 2 7 1 4 R A S HI D M A， MA NS UR M A R e i nfo r c ed Hig h - S t r e ngt h Co n c r e t e B e a ms i n F1 e x u r e( J AC 1 S t r u c t u r al j o u ma l ， 2 0 0 5 ， 1 0 2 ( 4 ) ： 4 6 2 4 7 1 ( 编辑胡 玲) 维普资讯 http:/ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m