【关键词】钢筋混凝土；裂缝；分析；处理
1现浇钢筋混凝土裂缝的危害
对现浇钢筋混凝土而言，出现一定程度的裂缝并不会马上导致结构失效，但是随着使用时间的增长，在温差变化及载荷作用下，细微裂缝会逐渐变大形成较大裂缝，这样的裂缝将会对结构造成极大危害。裂缝过大导致钢筋暴露在外，加速了钢筋腐蚀和生锈的速度，从而降低了现浇钢筋混凝土结构的强度和刚度，影响其承载能力；另外，较大裂缝的出现，将会降低现浇钢筋混泥土结构的防腐蚀和防渗透能力，导致现浇钢筋混凝土结构的可靠性、安全性和耐久性降低，从而缩短其使用寿命；从美学的角度审视现浇钢筋混凝土结构出现的裂缝，也会极大的影响其整体性和观赏性。
2施工工艺不合理造成现浇钢筋混凝土构件产生裂缝
在制作现浇钢筋混凝土构件的过程中，如果施工工艺不合理，将会影响到施工质量，产生各种缝隙。施工工艺不合理导致裂缝产生的原因主要表现在以下几个方面：
2.1现浇钢筋混凝土保护层太厚，降低了构件的有效高度，从而减少了现浇钢筋混凝土构件的有效受力面积，即降低了构件的承载能力，容易导致裂缝的产生；
2.2振捣不符合要求，混凝土没有被捣实捣匀，导致混凝土出现麻面、蜂窝和空洞等现象，从而降低了现浇钢筋混凝土构件的强度和刚度，造成钢筋混凝土极易产生裂缝。如砼，衡量砼质量好坏的一个重要标志就是砼成型后的密实程度和均匀性，如果在制作砼的过程中，振捣不符合要求，可能成为砼产生裂缝的直接原因；
2.3在施工现场对现浇钢筋混凝土构件的保护措施不到位。例如，施工季节选择不合适，温差变化大，混凝土浇注后由于温差过大，构件出现过度膨胀或收缩，导致裂缝的出现。再者就是由于气候太干燥，导致混凝土早期脱水严重出现收缩裂缝；
2.4拆模不当造成现浇钢筋混凝土结构产生裂缝。如拆模过早，混凝土还没有完全凝固就进行拆模，使构件在自重作用下产生裂缝。还有就是拆模顺序不对，导致裂缝出现。
3现浇钢筋混凝土裂缝的处理方法
3.1表面处理法
如果现浇钢筋混凝土构件表面出现的裂缝又细又浅，并且深度没有达到钢筋表面，宽度小于0.3mm,这种情况就可以采用表面处理法对裂缝进行处理。表面处理法是一种比较常用的简单的修补方法。具体的操作步骤是：首先，用清水把裂缝处清洗干净，不要留下灰尘等杂物，这样会影响裂缝的修补效果；其次，把高标号的砂浆涂抹在裂缝处，或者是等清洗干净的混凝土表面完全干燥后，把油漆、沥青、环氧树脂等涂刷在存有裂缝的表面上。如果现浇钢筋混凝土结构表面存在的浅裂缝较多，先用钢丝刷在裂缝表面刷洗，尽量把裂缝处不牢靠的泥沙或灰尘洗刷掉，再利用压力水清洗并湿润，等裂缝表面处干燥后涂抹3mm左右的环氧树脂水泥或不等裂缝表面处干燥直接用1：1.5的水泥砂浆抹平即可。如果对出现裂缝的现浇钢筋混凝土表面有防水抗渗的要求，可利用钢丝刷清洗完裂缝表面，再用压力水清洗和湿润，等裂缝表面处干燥后，粘贴3层环氧树脂玻璃或其他防水片。如图1所示为现浇钢筋混凝土梁侧面竖向裂缝：
图1现浇钢筋混凝土梁侧面竖向裂缝
如图1所示的现浇钢筋混凝土梁侧面竖向裂缝的特点主要表现为:裂缝方向沿混凝土梁的长度方向，裂缝之间的距离基本相等，多位于混凝土梁的高中部，裂缝深浅不一。如果裂缝的宽度小于0.1mm，几乎不会影响现浇钢筋混凝土梁的使用，对这样的裂缝可不做处理；如果裂缝宽度为0.1―0.3mm，可选用表面处理法对裂缝进行加固。
3.2填充法
对于宽度大于0.3mm的较宽的裂缝，可以采用填充法对裂缝进行处理，对于不同程度的裂缝应选用不同粘度的树脂直接填入裂缝内部即可，树脂的粘度应根据裂缝的具体情况并结合工人的经验选定。如果裂缝的宽度小于0.3mm，也可以利用填充法处理，具体的做法是：首先利用凿子将现浇钢筋混凝土结构开裂部位凿成形状为U形或V形的槽口，然后利用软刷清洗裂缝处不牢靠的泥沙或浮灰，利用压力水冲洗干净后先涂抹一层低粘度的树脂或界面剂，最后利用填充材料把缝隙填平。如图1所示的现浇钢筋混凝土梁侧面竖向裂缝的宽度如果大于0.3mm，这时就可以选用填充法对裂缝进行处理。
3.3结构补强法
由于外部因素造成的严重影响现浇钢筋混凝土构件使用的较大裂缝或者某些长期不做处理以至钢筋混凝土结构强度降低的裂缝都可以采用结构补强法进行处理。结构补强法在现浇钢筋混凝土结构裂缝周围或构件外部浇筑钢筋混凝土围套或型钢龙骨、包钢筋，利用围套、型钢龙骨、包钢筋把现浇钢筋混凝土结构箍紧，从而提高现浇钢筋混凝土构件的强度、刚度，延长其使用寿命。补强法主要包括碳纤维加固法、外包钢法、加大截面法和粘结钢板加固法等。如图2所示为现浇钢筋混凝土水平顺筋裂缝：
图2现浇钢筋混凝土水平顺筋裂缝
如图2所示裂缝方向与钢筋方向一致，主要出现在现浇钢筋混凝土梁上，由于使用时间增长，现浇钢筋混凝土梁上会出现此类裂缝。对于现浇钢筋混凝土水平顺筋裂缝，就可以采用结构补强法对裂缝进行处理。通常，先用环氧胶泥将裂缝填补住，再采用围套、型钢龙骨、包钢筋把现浇钢筋混凝土梁箍紧对其进行加固。
3.4仿生自愈合法
对于生物组织而言，如果受到创伤，该部位会自动分泌某种物质促使伤口愈合。仿生自愈合法正是模仿了生物的这种特性，通过在传统的钢筋混凝土中加入类似于含粘结剂的液芯纤维或胶囊等的特殊物质，在现浇钢筋混凝土结构内部形成智能型仿生自愈合神经网络系统。一旦现浇钢筋混凝土结构出现裂缝，仿生自愈合神经网络系统就会自动分泌部分液芯纤维使裂缝愈合。仿生自愈合法具有独特的优势，未来的发展前景十分广阔。
4总结
随着我国建筑业飞速发展，现浇钢筋混凝土结构越来越广泛的应用于各种工程项目中。但是裂缝严重影响到现浇钢筋混凝土构件的强度、刚度、抗腐蚀、抗渗漏、承载能力及耐久性等。现浇钢筋混凝土裂缝形成的原因多种多样，我们应该认真分析各种裂缝产生的原因，采用合理的方法对裂缝进行处理，延长现浇钢筋混凝土构件的使用寿命。
参考文献
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[2]任崇飞.钢筋混凝土结构裂缝的成因及防控处理措施.陕西建材,2011(194):43-46.
【关键词】卓越工程师水工钢筋混凝土结构课程教学改革
【中图分类号】G【文献标识码】A
【文章编号】0450-9889（2015）06C-0071-03
教育部“卓越工程师教育培养计划”（以下简称“卓越计划”）是贯彻落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2022年）》和《国家中长期人才发展规划纲要（2010-2022年）》的重大改革项目，也是促进我国由工程教育大国迈向工程教育强国的重大举措，是高等工程教育改革的里程碑。其宗旨是要培养、造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的、高质量的各类型工程技术人才，为国家走新型工业化发展道路、建设创新型国家和人才强国战略服务。通过实施“卓越计划”，主要强化培养学生的工程意识、工程素质和工程创新理念，提升学生的工程实践能力、创新能力，培养一大批卓越的后备工程师。
广西大学的水利水电工程专业是国家特色专业，经80多年建设，已形成了“本―硕―博”的人才培养体系，在以宽口径、厚基础为培养目标以及“面向广西与东盟的水利水电工程专业人才培养模式创新试验区”的专业改革中，不仅积累了丰富的教学改革经验，与时俱进提升了教学质量，而且逐渐形成了显著的办学特色。为适应“卓越计划”新举措下的人才培养模式，以及继续强化专业基础、拓宽专业口径的培养目标的需要，对水利水电工程专业课程教学进行相应改革势在必行。本文在分析传统的水工钢筋混凝土结构课程教学存在不足的基础上，基于强化学生工程能力和创新能力培养的目的，分别从该课程的教学内容组织、教学方式应用两个方面对水工钢筋混凝土结构课程的教学改革进行探索。
一、传统课程教学存在的不足
水工钢筋混凝土结构属于专业基础课，由三部分的内容构成：一是理论性较强的“基本构件”部分，二是实践性极强的“结构设计部分”，三是水工钢筋混凝土结构设计计算中的若干特殊问题。因此，该课程是水利水电工程专业的最重要的专业基础课之一，是综合理论与试验来指导工程实践的课程，广泛应用于水工结构、港工结构以及房屋建筑结构的工程领域中，具有很强的理论性和实践性。课程的教学效果将直接关系到学生工程素质、工程技能和创新能力的培养水平，课程是“卓越计划”培养模式下的核心课程。
水工钢筋混凝土结构课程传统的教学方式注重传授系统的理论知识，有助于学生在短期内形成混凝土结构的知识架构与体系等，但由于传统的教学方式通常是以教师为主体，学生是被动地接受知识，甚至不乏“满堂灌”的情形，已不符合“卓越计划”的人才培养理念及要求。归纳起来，不足主要有：
第一，不利于充分挖掘或培育学生的创新能力。在培养目标上，重视传授知识，但对发展分析问题和解决问题能力的力度不足，且一般均设置统一的人才培养标杆，按单一模式培养学生，培养理念相对保守、封闭，不利于创新思维和创新能力的培养，已不能满足学生发展的需要和“卓越计划”的培养目标的要求。
第二，教学内容与工程实际的联系不够紧密。传统教学在教学内容组织上，教材基本上是学生唯一的学习内容，是学生知识的主要来源，如果教材结合工程实际或引进案例的程度不足，将会对“卓越计划”下的人才培养目标和要求产生不利影响。同时，水工钢筋混凝土结构是一门理论性和实践性较强的课程，教学内容纷繁复杂，跨度广、难度高，同时还涉及许多结构规范或规程，在“卓越计划”人才培养模式下，紧密与工程实际的联系力度、优化教学内容的组织势在必行。
第三，不能充分发挥学生的自主学习能力。在教学方法上，传统教学以“传递―接受”为渠道，强调的是教师怎样去“教”，不重视学生如何去“学”，往往以单一化的课堂教学为中心，课堂外教学不足，学生对知识的掌握主要以死记硬背为主，不利于学生探究基本原理的能力及灵活掌控公式运用能力的培养，不利于发挥学生的自主学习能力，调动学生学习的积极性。
二、教学改革探索
（一）课程教学内容的改革。水工钢筋混凝土结构含主讲教学学时70学时，课程设计1.5周，相对于教学内容，学时相对偏少。在对课程教学内容进行优化组织时，需综合“卓越计划”的要求以及该实际课时条件进行教学内容的调整改革。
1.强化基本原理内容，优化与相关课程知识的联系。构成水工钢筋混凝土结构课程的三部分内容中，基本构件部分包括钢筋混凝土结构材料性能、设计计算原理，以及拉、压、弯、剪、扭五大类基本构件和复合受力构件的受力机理、破坏形态、承载力计算和构造要求等内容，是本课程的基础内容，是学生学习后续的结构设计内容的基础和前提，也是夯实基础、拓宽专业口径的主要切入点之一，具有经验性和理论性强的特点。学生只有理解和把握了该内容的基本概念和基本原理，才能从源头上掌握钢筋混凝土结构的基本理论体系，从而为今后的工程灵活应用及工程创新打下坚实基础。因此，对课程教学内容的组织和优化，应确立基本概念和基本原理的核心地位，根据该部分知识的特点建立其理论主干线，并围绕主干线有序、有条理组织知识点，达到强化基本原理的目的。
同时，这些内容与概率统计理论、建筑材料、理论力学和材料力学等课程联系十分紧密，是以这些课程的知识为基础的。例如，设计计算原理讲授的极限状态设计法，其基于可靠度的设计表达式、荷载和材料强度的取值等，均以概率统计理论为基础；钢筋混凝土结构的钢筋（或型钢）、混凝土的力学性能与建筑材料课程的知识联系紧密；基本构件的受力分析、计算简图和平衡方程的建立则是理论力学、材料力学的基本原理的具体应用。因此，在本课程的教学计划中，在强化基本构件理论内容的同时，还需注重并合理组织与其他相关课程知识点的联系，并结合教学方法上的配套改革，综合实施教学内容的优化。
当然，由于教学学时的限制，在引进相关课程知识点的教学内容的组织上，必须注重引进或联系的方式。行之有效的方式，如将联系的知识点合理穿插于本课程的相关内容的教学中，即课堂插花方式，以及课前安排学生预习相关课程知识点、布置预习主题等，即课外延伸方式，这样不仅可以解决教学学时紧的问题，而且有利于发挥学生学习的积极性和主动性，提高学生的自主学习能力。
2.强化专业实践教学环节。为强化学生工程素质、工程技能和工程创新能力的培养，使学生能够在踏上工作岗位后很快进入角色，首先必须强化实践教学环节。作为富于实践性的专业基础课程，在水工钢筋混凝土结构教学内容中强化专业职业实践教学环节成为必然。这些专业职业实践教学环节，宜包括校内实践教学和校外企业工程实践环节两大部分。校内实践教学又可分为混凝土试验课教学环节、课程设计教学环节、钢筋混凝土结构主题的科学试验和研究环节，以及为满足各种职业资格考试（如注册建造师、注册土木工程师等考试）需要的、与该考试相关的钢筋混凝土结构知识的培训、混凝土结构专业设计软件实训等实践教学环节。校外企业工程实践环节主要有设计单位的工程设计实践环节、施工企业的工程施工实践环节、工程监控和检测的工程实践环节，等等。
（二）教学方式的改革。若改革和优化仅对教学内容进行，没有适当的教学组织形式、教学方法和技术配套跟进，将很难取得理想的教学成效和实现预期的培养目标。为达到强化基本原理和专业实践教学环节的教学内容的目的，以强化学生的工程能力和创新能力培养，采用讲授法与探究法有机结合、练习法与实验法有机结合、强化案例教学不失为可选和可行的教学方式。
1.讲授法与探究法有机结合，强化基本原理的教与学。水工钢筋混凝土结构课程内容繁杂，具有“六多”的特点，即概念多、原理多、公式多、参数多、条件多、构造多，且与多门课程的知识密切相关，内容综合性强，抽象难懂，初学者很难准确理解和把握，有必要先讲授，让学生对钢筋混凝土结构知识体系有所认识，然后再放手让学生探究学习。因此，在开始的前四章（包括钢筋混凝土结构材料性能、设计计算原理、受弯和受剪构件的承载力计算）的学习中，宜以讲授法为主，采用课堂讲授的方法给学生讲解基础性的基本概念和基本原理，使学生理解和掌握必备的钢筋混凝土结构基础知识，对钢筋混凝土结构的学习方法有所认识和感悟。讲授中，宜结合本课程的特点，以构件的“截面设计和截面承载力复核”为中心，以“试验研究―截面受力分析―破坏形态和破坏特征―基本假定―计算简图―公式推导―公式应用―总结”为主线，组织教学和展开讲解，并根据学生的实际情况、接受程度，采取启发式教学，突出重点和难点，因材施教。在第四章之后的内容的教学中，则可以采取讲授法和探究法相结合进行，并加大探究教学的比重。例如，对受压构件承载力计算的教学，有了受弯构件的知识基础，就可以分别以构件的破坏形态和破坏特征、受力分析和计算简图建立、界限破坏和界限受压区高度、承载力计算公式推导和公式应用为主题，放手让学生成为主体，观看轴心受压、偏心受压试件试验的视频，在老师的启发和引导下，主动地探索、分析、认识、构建和掌握上述主题的新知识，进而主动将原理和公式灵活应用于习题或工程实例的求解中，避免以继承为中心的教学模式的仅仅强调知识的记忆、模仿和反复练习带来的抑制学生的创新力的弊端，达到调动学生学习的主动性和积极性、培养和提高学生的动手能力和创新能力的目的。同时，学生通过主动学习构建的对知识的理解和掌握是自主的、本源性的，因此也是根深蒂固和融会贯通的，为今后的灵活工程应用和创新发展奠定了坚实基础，具有“可持续发展性”，达到了强化基本概念和原理的教与学的目的。
受限于教学学时，目前广西大学的水工钢筋混凝土结构课程仅开出了适筋梁的实验课，该实验从粘贴钢筋应变片―绑扎钢筋―浇筑混凝土―养护―刷白―划线―粘贴混凝土应变片―加载实验，全部由学生自主完成，而少筋梁和超筋梁的加载实验则是由老师主导完成。显然，实验的数量过少，不利于探究式教学的开展。采取的弥补措施有：一是组织学生现场观摩或参与研究生的构件实验。每年研究生都会进行大量的梁、柱、墙试件或结构体系的实验研究，实验室基本处在连续工作的状态中，这就给本科生的观摩学习提供了良机，部分同学甚至通过导师制培养机制直接参与到了实验研究中。另有部分同学通过各类本科生创新项目的申请立项，参与了实验研究创新实践。二是充分利用多媒体技术，组织学生观看结构实验的视频，并在观看后举行主题讨论活动，让学生探索构件的受力过程、截面的应力应变分布和破坏形态等。
2.强化解决工程实际问题的案例教学。在水工钢筋混凝土结构教学中，可强化的实践教学环节有校内、校外的多种实践教学环节。除了前面阐述的实验课教学环节、钢筋混凝土结构主题的科学实验环节之外，在该课程的课程设计和习题教学中，强化工程案例教学，也是强化实践教学、促进学生工程素养和工程能力提升的途径。通过案例教学并在其中强化对现行规范条文的学习和应用，有利于在理论知识和工程实际之间建立起联系的桥梁，促进实践教学与实际工作技能实现“无缝对接”。
案例教学的关键在于案例素材的组织。作为案例教学的核心，案例应具备工程背景性、典型性、启发性和实效性的特点，即案例应取材于实际工程，经精心筛选、比对后择优选用，具有代表性或一般性，能体现出同类构件或结构的工程特性，并可使案例教学取得实效。同时，应能提供从引入边界条件简化、建立内力计算简图的环节开始，逐步展开构件或结构的设计案例教学，启迪思路，并留给学生必要的多种设计方案的自主发挥空间。
《水工钢筋混凝土结构学》教材是高等学校水利类专业的经典教材，曾获原国家教委全国高校优秀教材奖和原水利电力部优秀教材一等奖。教材中，针对基本构件的截面设计和承载力复核编写的许多例题，均来源于实际工程，且问题的求解一般始于荷载分析和受力分析环节，十分有利于学生认识和了解工程实际状况，有利于将理论知识应用于求解工程实际问题的思路的构建，是实践教学与实际工作技能培养实现“无缝对接”的、很好的习题或案例素材组织形式。受教材启发，笔者选取了某水利枢纽工程的坝后式厂房坝段为工程实例，系统地将其坝顶人行道板、尾水平台板、厂房屋面板、吊车梁、屋面大梁集成为受弯、剪、扭构件案例，将厂房排架柱、启闭机排架柱、工作桥刚架柱等集成为偏心受压构件案例，应用于例题讲授和学生作业中，结果学生提出问题的现象增多了，课间讨论的现象增多了，激发了学生浓厚的学习和探究兴趣，也得到了学生的肯定。同时，为拓展学生的专业口径，在课程设计中，选取实际的工业厂房结构或较规则的低层建筑结构为题，促进学生对工业建筑和民用建筑结构的认识和了解，拓宽学生的专业视野。
总之，“卓越计划”下，水工钢筋混凝土结构教学内容的改革应以强化基本概念和基本原理、强化专业实践教学环节等为重点，并推行符合工程能力培养规律的教学方法，注重讲授法与探究法的有机结合、练习法与实验法的有机结合，强化案例教学环节。“卓越计划”培养模式下的水利水电工程教育教学改革是一项系统的工程，任重道远，课程的教学内容和教学方法的改革必须纳入到水利工程专业“卓越工程师”的总体培养方案和计划中，成为系统性的工程人才培养工程中结构得到优化的、起积极作用的“一根柱子”。
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【基金项目】2015年度广西高等教育本科教学改革工程立项项目（2015JGZ107）
【作者简介】蓝文武（1966-），男，广西都安人，广西大学土木建筑工程学院副教授，硕士生导师，研究方向：混凝土结构、组合结构和工程抗震研究。
关键词：钢筋混凝土结构；裂缝宽度；计算
Abstract:thisarticlefromthereinforcedconcretecrackwidth,thecalculationwiththebasictheory,basedontheconcretestructuredesignrules"(GBS0010-2002)andthewatersupplyanddrainageengineeringstructuresstructuredesignrules"(GB50069-2002)concretecrackwidthinthecomparisonofthecalculationmethod,thispaperexplainstheabovestandardintheplaceofthesimilaritiesanddifferencesofcrackwidth,andcombinedwithengineeringexample,theresultscalculatedtheanalysisandcomparison,waterandwastewaterengineeringtoexplorethereinforcedconcretestructurecrackwidth,thecalculationmodel.
Keywords:reinforcedconcretestructure;crackwidth;calculation
中图分类号：TU37文献标识码：A文章编号：
给水排水工程中的各种构筑物，使用时主要处于盛水或潮湿的环境下，因此在结构设计过程中防渗、防漏和耐久性是必须考虑的重要因素。为了确保结构具备良好的防渗、防漏性能，满足设计要求的耐久性，《给水排水工程构筑物结构设计规范》对在正常使用极限状态下钢筋混凝土构筑物构件的最大裂缝宽度限值做了严格的规定。最大裂缝宽度的计算就成为给水排水构筑物结构设计中十分重要的一个内容。随着新修订的《混凝土结构设计规范》(GB50010—2002)和《给水排水工程构筑物结构设计规范》(GB50069—2002)的颁布实施，两规范均对钢筋混凝土构件最大裂缝宽度计算模式进行了修订，本文将从钢筋混凝土裂缝宽度计算基本理论人手，对两种规范裂缝宽度验算模式进行比较，并结合具体的工程算例对计算结果进行比较分析，来探讨给水排水工程中钢筋混凝土结构裂缝宽度计算模式。
1裂缝宽度计算理论
1．1裂缝开展机制
由于混凝土抗拉强度很低，受拉性能较差，所以在荷载作用下极易开裂。由于受弯构件下部受拉钢筋与周围混凝土的受力情况类同轴心受拉构件，现以轴心受拉构件为例来研究裂缝开展机制。
最初混凝土受拉后，裂缝的形成是随机的。构件受力后，混凝土中拉应力超过几处薄弱截面混凝土的抗拉强度后就开裂，于是在裂缝处混凝土和钢筋之间产生滑移，混凝土应力为零，全部外力均由钢筋承受。在裂缝之间的混凝土仍能承受拉应力。这些拉应力是通过混凝土的黏结力从裂缝截面处的钢筋传递过去的。裂缝间的黏结应力分布情况及其大小就决定了裂缝之间钢筋和混凝土拉应力的分布。当外荷载继续增大时，在初始裂缝之间还可能形成新的裂缝，但裂缝间距只能缩短到一定限度为止。
1．2平均裂缝宽度计算
裂缝宽度是裂缝出现后，在两条裂缝之间受拉钢筋与相同水平处受拉混凝土伸长值的差值。因此，平均裂缝宽度即为该裂缝间钢筋平均伸长值与混凝土平均伸长值的差值，即
（1）
式中——平均裂缝宽度；
——纵向受拉钢筋截面重心水平处钢筋平均应变，；
——裂缝处钢筋的应变；
——裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数；
纵向受拉钢筋截面重心水平处混凝土平均应变；
——裂缝处受拉钢筋的应力；
——钢筋的弹性模量；
——混凝土自身伸长对裂缝宽度的影响系数，。
短期荷载作用下的最大裂缝宽度可由平均裂缝宽度乘以扩大系数求得，即
（2）
当考虑长期影响时，可再乘以长期影响扩大系数，即
（3）
1．3平均裂缝间距计算
假定两条初始裂缝位于截面A及C处，间距为，沿AB长度如能通过黏结力从钢筋中传递足够拉力到混凝土，使B处混凝土拉应力超过抗拉强度，则新裂缝在B处形成。可用下式表示
(4)
——有效受拉混凝土截面面积；
——混凝土开裂强度实测值；
——最小裂缝间距；
S——受拉钢筋横截面总周长；
——平均黏结应力。
从式(4)可知，当≥时，在B处会形成新裂缝，反之在B处不会形成新裂缝，说明裂缝间距在及之间变动，平均间距约为。
如果钢筋直径相同，，式中As是钢筋面积，d是钢筋直径，再用按混凝土受拉有效面积计算的配筋率代入（4），可得
（5）
试验表明，混凝土黏结强度大致与混凝土抗拉强度成正比。因此可取宁为常数，于是可得
(6)
式中是——经验系数。
在推导式(6)时，假定在即将出现裂缝的截面处，受拉区混凝土的拉应力是均匀的，然而实际的拉应力分布并不均匀。由于混凝土和钢筋的握裹，钢筋对受拉张紧的混凝土的回缩起着约束作用，离钢筋越远约束作用越小。因此，随着保护层厚度的增大，外表混凝土较靠近钢筋内芯混凝土所受的约束作用将越小。当出现第一条裂缝后，只有离开该裂缝较远处的外表混凝土拉应力才能增大到混凝土的抗拉强度，这时才可能出现第二条裂缝，亦即裂缝的间距和混凝土保护层的厚度有关。因此，在确定平均裂缝宽度时，必须考虑保护层厚度的影响。如果再计及钢筋表面特征因素u后，式(6)可变为
（7）
式中c——混凝土净保护层厚度；
k2——经验系数；
——与纵向钢筋表面特征有关的系数。
2两种规范裂缝宽度计算公式的比较
2.1《混凝土结构设计规范》(GB50010—2002)的算法
钢筋混凝土受拉、受压、受弯构件，按荷载效应的标准组合并考虑长期作用影响的最大裂缝宽度按下式计算：
（8）
（9）
（10）
2．2《给水排水工程构筑物结构设计规范》(GB50069—2002)的算法
受弯、大偏心受拉或受压构件的最大裂缝宽度，按下式计算：
（11）
（12）
关键词：钢筋混凝土结构半电池电位法钢筋锈蚀评价准则可靠性
1钢筋锈蚀对结构的影响
水工混凝土中钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性的一个重要问题，也是水工建筑物安全鉴定过程中经常遇到的问题。多年来，许多水利工程由于耐久性不良引起的工程损坏事例不断发生，由此带来的工程损失和处理费用也迅速增加，相应的经济损失已不可忽视。在水工建筑物安全鉴定过程中，常遇到大坝、水闸、渡槽、桥梁等钢筋混凝土结构因钢筋锈蚀引起的混凝土膨胀开裂，混凝土保护层脱落的现象很多，使得结构承载力下降，有些危及安全，必须引起高度重视。
钢筋锈蚀对钢筋混凝土结构性能的影响主要体现在三方面。其一，钢筋锈蚀直接使钢筋截面减小，从而使钢筋的承载力下降，极限延伸率减少；其二，钢筋锈蚀产生的体积比锈蚀前的体积大得多（一般可达2～3倍），体积膨胀压力使钢筋混凝土产生拉应力，发生顺筋开裂，使结构耐久性降低；其三，钢筋锈蚀使钢筋与混凝土之间的粘结力下降。因此，钢筋锈蚀对结构的承载力和适用性都造成了严重影响，由此带来的维修与加固费用也是相当昂贵的。为此，结合水工建筑物安全检测实践，开展了水工混凝土中钢筋锈蚀检测技术及应用研究，目的是为水工建筑物的安全评价提供科学的依据。
2检测原理及方法
2．1检测原理
关于混凝土中钢筋锈蚀状态的无损检测，目前，国内外只能进行定性测量，常用的方法是半电池电位法。钢筋在混凝土中锈蚀是一种电化学过程。此时，在钢筋表面形成阳极区和阴极区。在这些具有不同电位的区域之间，混凝土的内部将产生电流。钢筋和混凝土的电学活性可以看作是半个弱电池组，钢的作用是一个电极，而混凝土是电解质，这就是半电池电位检测法的名称来由。
半电池电位法是利用“Cu＋CuSO4饱和溶液”形成的半电池与“钢筋＋混凝土”形成为半电池构成一个全电池系统。由于“Cu＋CuSO4饱和溶液”的电位值相对恒定，而混凝土中钢筋因锈蚀产生的化学反应将引起全电池的变化。因此，电位值可以评估钢筋锈蚀状态。
2．2检测方法
检测前，首先配制Cu＋CuSO4饱和溶液。半电池电位法的原理要求混凝土成为电解质，因此必须对钢筋混凝土结构的表面进行预先润湿。采用95ml家用液体清洁剂加上19L饮用水充分混合构成的液体润湿海绵和混凝土结构表面。检测时，保持混凝土湿润，但表面不存有自由水。
将CANIN钢筋锈蚀测定仪的一端与混凝土表面接触，另一端与钢筋相连，当钢筋露出结构以外时，可以方便地直接连接。否则，需要首先利用钢筋定位仪的无损检测方法确定一根钢筋的位置，然后凿除钢筋保护层部分的混凝土，使钢筋外露，再进行连接。连接时要求打磨钢筋表面，除去锈斑。根据半电池电位法的测试原理，为了保证电路闭合以及钢筋的电阻足够小，测试前应该使用电压表检查测试区内任意两根钢筋之间的电阻小于1。
检测时，根据用钢筋定位仪测定的钢筋分布确定测线及测点，测点的间距为10～20cm。用CANIN钢筋锈蚀测定仪逐个读取每条测线上各测点的电位值，在至少观察5min时，电位读数保持稳定浮动不超过±0．02V时，即认为电位稳定，可以记录测点电位。
3评价准则
根据美国标准《混凝土中钢筋的半电池电位实验标准》（ANSI／ASMC76－80）和交通部公路研究院、中国建筑科学研究院等单位的研究成果以及大量的现场直观检查验证情况，混凝土中钢筋锈蚀状态判据如下：
（1）电位＞－150mV时，钢筋状态完好。
4应用实例
几年来，在水利工程结构安全无损检测中，应用CANIN钢筋锈蚀测定仪分别对华新套闸、新港水闸、前卫水闸、创建水闸、朱泖河套闸、大浦闸、小砾山排灌站等工程混凝土中钢筋锈蚀状态进行了无损检测。现将混凝土中钢筋锈蚀所处状态几种典型的检测结果分别介绍如下。
4．1处于完好状态的钢筋
朱泖河套闸下闸首左中墩上游面混凝土钢筋锈蚀电位测试结果见表1。在检测结构表面抽检了28个测点，电位范围－22mV～－136mV，平均电位－65．9mV，钢筋处于完好状态。测试后对某一检测点进行了凿除对比检查，检查结果为钢筋状态完好，未锈蚀。
4．2处于局部锈蚀、全面锈蚀状态的钢筋
华新套闸上闸首左下游门槽下游面混凝土钢筋锈蚀电位测试结果见表2。在检测结构表面抽检了27个测点，电位范围－150mV～－257mV，平均电位－195mV，钢筋基本处于局部锈蚀状态，部分处于全部锈蚀状态。测试结果与现场实测的混凝土碳化深度、钢筋保护层厚度变化规律基本一致，即混凝土碳化深度越深，钢筋保护层厚度越薄，则混凝土钢筋锈蚀电位负值越大。
关键词钢筋；混凝土；粘结作用
我国混凝土用钢筋的生产经历了三个阶段:五、六十年代仿前苏联生产光面等高肋钢筋(螺纹、人字纹)以及钢绞线(七股)；七、八十年代开发低合金钢筋及冷加工钢筋，生产月牙肋钢筋并发展冷拉钢筋及冷拔钢丝；九十年代以来采用国际标准生产各种中高强钢丝钢绞线，并扩大冷加工钢筋的范围(如冷轧带肋、冷轧扭螺旋肋钢筋等)。总体来说，我国混凝土结构用钢筋经历了由低强度向高强度发展的历程。
1.钢筋与混凝土的粘结作用
1.1粘结原理
钢筋混凝土是混凝土最重要的结构形式，钢筋和混凝土这两种在组成、结构和力学性能上迥然不同的材料能够共同工作，除了它们具有相近的线膨胀系数外，还有一个重要的原因，就是它们之间能良好地粘结。混凝土―钢筋粘结强度是确定钢筋混凝土中受拉钢筋锚固长度的一个重要技术参数，也是影响钢纤维混凝土增强、增韧、阻裂性能的重要因素。
钢筋与混凝土之间的粘结作用一般分为三种：附着粘结、摩擦粘结以及剪切粘结。附着粘结是指在钢筋和混凝土之间由于存在着附着力或毛细力而存在着粘附作用。这种粘附作用或附着作用取决于钢筋表面的粗糙度和清洁度，单是这种附着作用不足以形成良好的粘结，而且在钢筋产生很小的移动时就被破坏掉；摩擦粘结是当失去附着粘结时，如果垂直于钢筋作用有压力，则在产生极小的移动时，就会在钢筋和混凝土之间引起摩擦力，这种横向压力可由荷载或由混凝土的收缩或膨胀引起的横向作用的压应力产生。摩擦粘结只有在产生横向压力时才具有可靠的粘结作用；剪切粘结是只有当钢筋表面和混凝土之间形成的销栓状机械啮合的混凝土齿被剪断以后，混凝土内的钢筋才有可能滑动。剪切粘结是最有效和最可靠的粘结方式，为了充分利用这种粘结，通常在钢筋表面轧制肋条（竹节钢筋、螺纹钢筋、月牙形钢筋、冷轧带肋钢筋）来实现。在钢筋混凝土结构中，钢筋和混凝土两种性质完全不同的材料之所以能够共同工作，主要是依靠钢筋与混凝土间的粘结应力，实际上是两者接触面上的剪应力。这一力学关系就是其间的粘结作用。这种关系能使两种材料间相互传递力，实现互相弥补各自的缺点，发挥各自的优点。
1.2钢筋混凝土粘结影响因素
1.2.1混凝土强度和组成当混凝土强度提高时，它和钢筋的化学粘着力和机械咬合力随之增加，因而可以提高粘结强度。
1.2.2钢筋位置、受力方向与浇注方向平行浇注(即钢筋水平布置，浇注方向为垂直方向)时，直接位于钢筋下面的混凝土由于下沉及泌水，不能与钢筋紧密接触，使粘结强度降低。
1.2.3钢筋的直径和表面形状钢筋的粘结面积与截面周界长度成正比，而拉应力与截面积成反比，二者之比值(4/d)反映钢筋的相对粘结面积。
1.2.4钢筋周围的约束条件钢筋周围的约束条件，如混凝土保护层厚度、横向钢筋、纵向间距等均直接影响钢筋与混凝土之间的粘结强度。保护层厚度增大，可提高混凝土的劈裂抗力，因而使粘结强度提高。
1.2.5横向配筋的影响横向钢筋的存在延缓了径向内裂缝向试件表面发展，使开裂粘结应力较无横向配筋的高，劈裂到达试件表面以后，横向钢筋限制了裂缝的进一步发展，因此使极限粘结强度也有了较大提高。
2.不同钢筋混凝土组合的粘结特性分析
2.1普通混凝土与钢筋
粘结强度随着混凝土强度等级的提高而提高，变形钢筋的粘结强度fb主要取决于混凝土的抗拉强度ft。
由于混凝土与钢筋的胶结、摩擦和咬合作用都与混凝土的强度有关，故粘结强度受混凝土强度的影响很大。
2.2高强混凝土与钢筋
有关高强混凝土钢筋间粘结强度的试验研究报道甚少。由于高强和超高强混凝土普遍掺有高活性的矿物掺合料，因此掺合料对钢筋粘结力的影响是首先需要研究的一个重要问题。
钢筋混凝土结构中，采用高强混凝土，将有利于限制混凝土裂缝的宽度和发展，同时对钢筋的搭接、锚固等十分有利。
2.3型钢与混凝土
型钢-混凝土的粘结是指型钢表面与其周围混凝土之间的一种相互作用，通过传递剪力使二者之间的应力及变形协调，这正是型钢与混凝同工作的基础。
由于型钢混凝土构件中型钢的几何形状与受力性能的特殊性，粘结性能又表现出很大的特殊性和复杂性。与钢筋相比，型钢与混凝土的接触面积大，且为空间构件，截面形状相对复杂，型钢截面面积在总截面面积中所占比重较大，混凝土的握裹性能不同。就整个型钢表面而言，粘结强度因型钢的方向及位置不同而差别很大，型钢在水平放置时，粘结强度比垂直放置时要弱得多，这是因为钢材水平放置浇注混凝土时，由于新拌混凝土的体积变化引起下沉，将使型钢的下面聚集浮水、气泡，使型钢下侧产生空隙，导致粘结强度下降。同时，由于型钢的截面面积大，比的影响也比在钢筋混凝土中的影响要复杂，在受拉和受压这两种不同的受力情况下，粘结性能也因型钢的变形不同而表现出一定的差异。在梁、柱等构件中，由于受拉区和受压区的混凝土的开裂情况不同，型钢翼缘与混凝土的粘结性能也有较大差异。另外，型钢混凝土之间的粘结应力沿型钢锚固长度分布也是很复杂的，需要进行大量的考虑多因素的试验研究进行分析。
在使用荷载下，粘结应力沿锚固长度是呈指数分布的，随着荷载的增大，化学胶结力丧失殆尽，粘结应力沿锚固长度的分布趋于常数，并最终保持一定的残余粘结强度。
3.不同条件下钢筋与混凝土之间的粘结特性分析
3.1高温下钢筋混凝土
近年来，常有钢筋混凝土结构不同程度地受到高温(火灾)作用，因此，国内外学者对高温(火灾)作用下混凝土及钢筋的力学性能、热工性能、构件及结构在高温下的反应等问题进行了大量研究工作。高温下钢筋与混凝土之间粘结性能的退化研究同样也受到重视。
3.2冻融作用后钢筋混凝土
抗冻性一直是混凝土耐久性研究的主要方向然而受到技术条件的制约，前期的抗冻性研究大多关注于混凝土材料性能或基本力学性能随冻融作用的损伤机理、退化规律等方面，针对混凝土结构整体工作性能开展的研究却很少。
随着冻融循环作用次数的增加，钢筋与混凝土之间的粘结劈裂强度逐渐下降，且衰减速率大于基体混凝土的劈拉强度衰减速率。
4.结语
从前面可归纳、总结出影响粘结强度的主要因素有：混凝土强度和密度、浇注位置、保护层厚度、钢筋净间距、横向钢筋及横向压实力等
参考文献
关键词：混凝土保护层；钢筋锈蚀率；断裂力学；弹性力学；锈胀开裂
中图分类号：TU37文献标识码：A文章编号：
1研究背景
钢筋混凝土结构的耐久性失效最主要的表现形式为钢筋锈蚀引起的结构破坏。在美国，因各种锈蚀造成的损失为700多亿美元，其中混凝土中钢筋锈蚀造成的损失约占40%。钢筋锈蚀后其锈蚀产物的体积是原有体积的2-4倍，对钢筋周围的混凝土产生挤压，随着钢筋锈蚀程度的加剧，混凝土保护层受拉开裂。保护层一旦开裂将会加速钢筋的锈蚀，进一步加剧裂缝的扩展导致结构破坏，严重影响混凝土结构的耐久性，因此研究钢筋锈蚀引起的混凝土保护层开裂具有重要的工程实际意义。
现有的模型多以混凝土抗拉强度作为保护层开裂判断条件，很少考虑混凝土保护层中存在的初始裂纹和初始缺陷。实际上，受干缩、温度等因素的影响，在承受荷载之前混凝土内部，特别是骨料和水泥砂浆界面上就存在着初始裂纹。对于混凝土的开裂，断裂力学是一种有效工具。国内曾尝试利用无限介质中的孔边双裂纹模型来预测钢筋锈蚀的膨胀力,但其裂纹构型和混凝土基体无限介质假设与实际保护层尺寸和锈胀开裂试验现象之间还存有差别。本文以均匀锈胀开裂试验现象为依据根据保护层有限体中的应力分布和最终裂缝状态利用断裂力学和弹性理论建立混凝土保护层锈胀开裂时刻的锈胀力和临界锈蚀率预测模型。
2模型的建立
2.1混凝土锈胀开裂的断裂模型
研究海洋环境下混凝土中钢筋锈蚀的物理模型时指出:当钢筋间距较大时,混凝土保护层沿顺钢筋方向胀裂；当保护层厚度较大时，混凝土保护层沿着平行于钢筋层面方向开裂。根据均匀锈胀开裂的试验现象，假设内部混凝土界面上有钢筋锈胀力作用,保护层中有裂纹出现,初始裂纹与径向的夹角为,具体特征如图1所示。现利用断裂力学来建立混凝土保护层的锈胀开裂分析模型。
图1所示裂纹的起裂准则为
式中：KⅠC为混凝土的Ⅰ型断裂韧度；KⅠC为混凝土的Ⅱ型断裂韧度。
裂纹的Ⅰ、Ⅱ型应力强度因子为
式中：为作用在裂纹面上的等效正应力，是和函数；为关于倾斜角度和裂纹长度、钢筋中心到锈胀后混凝土与锈胀物之间界面距离、钢筋中心到混凝土保护层外缘距离的函数，；为等效剪切应力，是和函数；为与、、和有关的函数。
由式（1）及式（2）可得：给定值，当时，取得最小值，即此时的方位角为最易开裂的裂纹方位角，即在此方位角下裂纹扩展需要的膨胀力最小。因此对于混凝土开裂时钢筋锈胀力的讨论宜采用如图2所示的裂纹构型。
对于普通混凝土，骨料和水泥砂浆之间的界面为混凝土中的薄弱环节，现有研究认为可假设混凝土开裂先沿界面发展，当界面裂纹发展到一定长度后受水泥砂浆的束缚而停止扩展，随着荷载增加，满足一定的开裂扩展准则后，裂纹失稳扩展、串接而形成宏观裂缝。对于图2所示结构界面裂纹开始发生扩展的条件为
式中：由权函数法可得裂纹的应力强度因子，为混凝土界面相的断裂韧度。
此时所得的膨胀力认为是混凝土开始发生开裂的初始临界力，当界面裂纹发展到一定长度后，受水泥砂浆的束缚裂纹停止扩展，此时可得到其应力强度因子。
随着荷载的增加,当满足如下的开裂准则时混凝土中的裂纹发生失稳扩展:
式中：为混凝土的断裂韧度。
3影响因素分析
3.1混凝土保护层厚度的影响
图5为钢筋临界锈蚀率与混凝土保护层厚度之间的关系图。由图可以看出，随着保护层厚度的增加，混凝土保护层胀裂时刻所需的钢筋锈蚀率增大，这与现有的试验结果一致。说明适当增加混凝土保护层厚度有利于钢筋混凝土结构的耐久性。
3.2界面裂纹长度的影响
由图6可以看出，随着界面裂纹长度的增加，混凝土保护层胀裂时刻所需的钢筋锈蚀率减小，说明良好的混凝土界面有利于钢筋混凝土结构耐久性的提升。
3.3界面裂纹长度的影响
由图7可以看出，随着锈蚀产物膨胀率的增加，混凝土保护层胀裂时刻所需的钢筋锈蚀率减小。
3.4钢筋直径的影响
由图8可以看出，随着钢筋直径的增加，混凝土保护层胀裂时刻所需的钢筋锈蚀率减小，说明在一定的保护层厚度条件下选择小直径的钢筋有利于钢筋混凝土结构的耐久性。
3.5混凝土断裂韧度的影响
由图9可以看出，随着混凝土材料断裂韧度的增加，混凝土保护层胀裂时刻所需的钢筋锈蚀率增加，说明选择高性能高强混凝土材料有利于钢筋混凝土结构耐久性的提升。
4结论
混凝土材料的开裂总和裂纹的扩展有关，以均匀锈胀开裂现象为依据，利用断裂力学和弹性理论得到了混凝土保护层开裂时钢筋的膨胀力和均匀锈蚀率预测模型，其不仅考虑了混凝土和钢筋的实际变形情况，还考虑了混凝土界面中的原始裂纹和缺陷，及其在锈蚀膨胀作用下的起裂、扩展情况更为符合工程实际。对影响因素的计算分析表明，混凝土强度的提高、界面相的合理加强及混凝土保护层厚度的增大都有利于钢筋混凝土结构耐久性的提升。在一定的保护层厚度条件下，钢筋直径的变小对提升钢筋混凝土结构的耐久性有利。
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作者简介：
金凤伟（1984，男，助理工程师，主要从事施工管理工作，中国馆水利水电第五工程局有限公司）