钢筋混凝土梁裂缝计算的一些问题

钢筋混凝土梁裂缝计算的一些问题

有很多人在设计混凝土梁的时候都忘记了验算梁的裂缝和挠度，当然这一定是错误的设计方式，因为某些情况下梁很可能不满足正常使用的要求和耐久性的需求，那么：

第一个问题是：钢筋混凝土梁什么时候是强度控制，什么时候是裂缝控制呢？

一般情况下，经过抗震设计的嵌固层以上的结构（7度以上），其框架梁多属于强度控制，裂缝大都可以满足设计要求，因为地震作用比较大，地震组合需要的强度配筋已经比正常使用状态下的配筋大了，当然地震产生的内力与竖向作用产生的内力之间的比例关系，是决定因素，而并不是说考虑了地震作用就一定能满足裂缝要求。但是对于次梁，地下室等结构的梁构件，由于标准组合比非抗震设计组合的内力不会小很多，因此一般对于非抗震设计的构件而言，正常使用状态的设计对梁的配筋起控制作用，当然这个结论也不绝对，具体分析如下个问题。

第二个问题是：裂缝计算主要与哪些因素有关系？

1.受拉钢筋的应力水平，受拉钢筋的应力与裂缝宽度线性相关，因此控制受拉钢筋在标准组合下的应力水平是控制裂缝宽度的关键因素，国外如ACI,EC等多控制受拉钢筋的应力水平在0.6fy左右，由于我国的荷载分项系数较小，因此受拉钢筋的应力水平比国外稍大，对于HRB400三级钢，25mm左右的直径，正常保护层下的梁而言，应力水平主要在0.6-0.8区间不等，而这个应力水平将随着钢筋直径，保护层，配筋率，混凝土等级等因素的变化而变化。

2.受拉钢筋配筋率，配筋率是决定钢筋应力有效利用水平的关键因素，因此也是裂缝计算的关键因素之一，统计混凝土规范的计算公式表明，配筋率越大，钢筋应力有效利用的水平越高，裂缝也越容易控制，这里好象存在一个悖论，比如在前提条件相同的情况下，一根400X800的梁裂缝计算不满足要求，而换成350X800裂缝计算却满足要求了，就是因为后者配筋率大了一些，因此钢筋应力水平要求相应放松了的缘故，从本质上说这是混凝土规范裂缝宽度验算公式的“特点”，但是从另一方面来看，“死扣”规范有时候却可以用于优化构件尺寸。

3.保护层厚度，保护层厚度对于裂缝宽度的计算也很敏感，混凝土规范要求保护层厚度的计算区间为20mm-65mm，保护层越大裂缝计算宽度也越大，因此要求钢筋有效利用的应力水平也减小（更严）。

4.钢筋直径，一般情况下小直径钢筋对于控制裂缝宽度有利，比如用32mm直径的钢筋做设计，比25mm直径钢筋做设计，在裂缝宽度控制的情况下，32mm直径钢筋的计算面积要大不少。

5.混凝土强度等级，提高混凝土强度等级对于减小裂缝宽度的贡献很小，一般不推荐。

6.设计组合之间的关系，即标准组合与基本组合的比值，一般只考虑恒活的情况下，标准组合的内力约为基本组合的0.75-0.8，处于平均值0.77附近的情况较多，根据这个比例结合钢筋应力的力臂计算值不同以及钢筋应力利用水平，可以估算裂缝宽度设计的钢筋用量和强度设计钢筋用量之间的关系，这对于按照强度计算配筋，用裂缝控制去复核和调整配筋量的设计方式十分有效，掌握这个比例关系，可节约大量钢筋调整时间。

7. 内力调幅系数，利用内力调幅系数，可以减小梁端的配筋，增加跨中的配筋。HiStruct 建议可以采用调幅后的基本组合内力进行强度设计，但是最好不要采用调幅后的标准组合内力进行裂缝宽度验算，这是因为在标准组合内力下梁端并未达到极限承载力还可以继续加载，因此裂缝还会继续发展。HiStruct注:由于PKPM中采用主梁方式建立的次梁,STAWE默认为非调幅梁,因此,可以在特殊构件指定里修改它的属性进行调幅。假如采用PKPM次梁布置的方式,则自动生成的连续次梁就默认为调幅梁,不需要再次指定。PKPM的裂缝计算并不考虑标准组合内力的调幅。

8.力臂系数，由于强度设计时候的力臂系数是实际计算出来的，而钢筋应力的力臂系数，却是统计之后给定的0.87，显然对于具体的梁构件而言，并不会总是0.87，一般变化幅度可达0.8-0.95，因此对于标准组合下钢筋应力而言，可能计算偏大或偏小，按照规范解读的介绍，力臂系数一般可参考规范取值，但也不限制采用更准确的系数。

第三个问题是：裂缝验算所采用的标准组合是否包括地震荷载和风荷载？

一般裂缝计算不考虑抗震设计的标准组合，但是HiStruct建议考虑风荷载参与组合，虽然风荷载的准永久系数为0，而裂缝计算却是考虑了长期作用，但是由于风作为一种频遇荷载还是很有必要控制正常使用下的要求，比如裂缝，比如舒适度等。

第四个问题是：裂缝控制是不是只发生在大跨度或者荷载很大的梁上？

答案是否定的，裂缝控制可以发生在各种跨度和各种荷载条件的梁上，而挠度要求则确实一般发生在大跨度和受力很大的梁上。一般情况下，对于非抗震设计或者地震力较小的结构，采用HRB400，其中受力不大的梁和普通梁的钢筋超配较多时，或者由于采用平法表示支座处钢筋采用邻跨更大的配筋拉通时，以及根据强度配筋设计，配筋率较大（>1.5%以上）时，按照混凝土规范的裂缝宽度计算公式，这些配筋一般是可以满足裂缝限值要求的，除此之外均为正常使用控制。而对于HRB335，强度控制的情况还要更多一些。

第五个问题是：框架梁支座处的裂缝可以不考虑吗？

HiStruct认为框架梁支座的裂缝可以不考虑，从梁内力的角度考虑，因为一般计算梁端弯矩可以取到柱边，弯矩可折减15％甚至更多，而且梁端的配筋率比较大，受拉钢筋的有效利用应力水平也高，比如可达0.7以上，因此在忽略其他因素的条件下，一般强度计算的配筋是可以满足裂缝计算要求的。另一方面从“强柱弱梁”的角度看，支座钢筋因为错误的裂缝计算假定而导致的用量增加，将加剧“强梁弱柱”破坏的可能性。

第六个问题是：混凝土梁端可以做铰接吗?如何设计

实际上在设计中经常会需要将梁端设铰,然后采用跨中钢筋的25%放在支座上部作为负弯矩钢筋用,HiStruct认为这样做是可以的,只要在原理上满足超静定结构的上(下)限定理,一般不会有安全上的问题,关于混凝土结构的内力自我调节问题,见本空间内的文章"结构的智慧".但是需要特别指出的,此时设计的梁端钢筋还需要根据其承载能力验算相应的裂缝宽度,满足正常使用状态的设计要求,此时应如何处理,留给各位思考.