钢筋混凝土构件的裂缝和变形简化.ppt

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1、,第 8 章 钢筋混凝土构件裂缝宽度和挠度验算,第 8 章,混凝土结构设计原理,主 页,目 录,上一章,下一章,帮 助,本章重点,了解受弯构件竖向弯曲裂缝的出现和开展过程；,掌握受弯构件裂缝宽度的验算方法；,掌握受弯构件截面刚度计算与变形验算方 法。,构件的裂缝宽度和挠度验算属于正常使用极限状态。 挠度过大影响使用功能，不能保证适用性; 裂缝宽度过大，则同时影响使用功能和耐久性。,与承载能力极限状态设计相比，正常使用极限状 态设计的目标可靠度可以相对较低。,C 结构构件达到正常使用要求的规定限值、裂 缝宽度和变形限值。,荷载效应的标准组合为：,荷载效应的准永久组合为：,在进行荷载效应计算时，荷

2、载组合有两种情况：,裂缝,荷载引起的裂缝：与构件的受力特征有关(约占20%),非荷载引起的裂缝：由材料收缩、温度变化、钢筋锈蚀后体积增大、地基不均匀沉降等产生的裂缝(约占80%),为防止温度应力过大引起的开裂，规定了伸缩缝之间的最大间距。,为防止由于钢筋周围混凝土过快地碳化失去对钢筋的保护作用，出现锈胀引起的沿钢筋纵向的裂缝，规定了钢筋的混凝土保护层的最小厚度。,非荷载引起的裂缝,三、荷载产生的裂缝,裂缝形成的原因,荷载形成的裂缝,：按荷载效应标准组合计算时，构件受拉边缘混凝土的拉应力。,：按荷载效应准永久组合计算时，构件受拉边缘混凝土的拉应力。,：按荷载效应标准组合计算时，构件受拉边缘混凝土

3、的拉应力。,3-2,最大裂缝宽度限值,确定最大裂缝宽度限值，主要考虑两个方面： 外观要求：从外观要求考虑，裂缝过宽将给人以不安全感，同时也影响对结构质量的评价。 耐久性要求：裂缝对结构的耐久性是非常不利的。 处于室内正常环境，裂缝宽度限值可放宽些，但应按构件的工作条件加以区分: 直接受雨淋的构件，无围护结构的房屋中经常受雨淋的构件，经常受蒸汽或凝结水作用的室内构件（如浴室等），以及与土壤直接接触的构件（如基础等），都具备钢筋锈蚀的必要和充分条件，因而都应严格限制裂缝宽度。,最大裂缝宽度限值,结构构件的裂缝控制等级及最大裂缝宽度限值,8.2.2 wmax的计算方法,规范的思路：,得到最大裂缝宽度

4、wmax,若干假定,根据裂缝出现机理,建立理论公式，计算平均裂缝宽度wm,按试验资料确定扩大系数,裂缝的出现、分布与开展,2. 平均裂缝宽度wm,裂缝宽度等于裂缝间距范围内钢筋和混凝土的变形差 ；,粘结 - 滑移理论：,我国规范是建立在粘结滑移理论和无滑移理论的基础上，结合大量试验结果得到的半理论半经验公式。,无滑移理论,裂缝开展后，钢筋遇混凝土之间的粘结力并不破坏，故滑移很小可以忽略不计，钢筋处裂缝宽度要比构件表面裂缝宽度小很多。钢筋保护层厚度是影响裂缝宽度的主要因素。,式中：,sm = sk,c 取 0.85,钢筋应力不均匀系数,由于钢筋与混凝土间存在粘结应力，随着距裂缝截面距离的增加，裂

5、缝间混凝土逐渐参与受拉工作，钢筋应力逐渐减小，因此钢筋应力沿纵向的分布是不均匀的。 裂缝截面处钢筋应力最大，裂缝中间钢筋应力最小，其差值反映了混凝土参与受拉工作的大小。,随着荷载的增大，sm与sk间的差距逐渐减小，亦即值逐渐变大，裂缝间受拉混凝土逐渐退出工作，说明混凝土参与工作的程度减小。反之，值越小，说明混凝土参与工作的程度越大。因此，系数的物理意义就是反映裂缝间受拉区混凝土对纵向受拉钢筋应变的影响程度。,最大裂缝宽度在概率下的含义是具有95%保证率的相对最大裂缝宽度,由于混凝土的滑移徐变和拉应力的松弛，会导致裂缝间混凝土不断退出受拉工作，钢筋平均应变增大，使裂缝随时间推移逐渐增大。 混凝土

6、的收缩也使裂缝间混凝土的长度缩短，也引起裂缝随时间推移不断增大。 荷载的变动，环境温度的变化，都会使钢筋与混凝土之间的粘结受到削弱，也将导致裂缝宽度不断增大。,长期荷载的影响,根据长期观测结果，长期荷载下裂缝的扩大系数为l =1.5。,减小裂缝宽度的措施,当计算裂缝宽度超过裂缝宽度的限值时，从最大裂缝计算公式可知，常见的减小裂缝宽度的措施有：,受弯构件的挠度验算,保证结构的使用功能要求。结构构件产生过大的变形将影响甚至丧失其使用功能，如支承精密仪器设备的梁板结构挠度过大，将难以使仪器保持水平；屋面结构挠度过大会造成积水而产生渗漏；吊车梁和桥梁的过大变形会妨碍吊车和车辆的正常运行等。 防止对结构

7、构件产生不良影响。如支承在砖墙上的梁端产生过大转角，将使支承面积减小、支承反力偏心增大，并会引起墙体开裂。 防止对非结构构件产生不良影响。结构变形过大会使门窗等不能正常开关，也会导致隔墙、天花板的开裂或损坏。 保证使用者的感觉在可接受的程度之内。过大振动、变形会引起使用者的不适或不安全感。,截面抗弯刚度EI 体现了截面抵抗弯曲变形的能力，同时也反映了截面弯矩与曲率之间的物理关系。 对于弹性均质材料截面，EI为常数，既与弯矩无关，也不受时间影响。 M-f 关系为直线。,对匀质弹性材料梁,第十章 变形和裂缝宽度的计算,刚度公式的建立 材料力学中曲率与弯矩关系的推导,几何关系,物理关系,平衡关系,1

8、0.3 受弯构件的挠度验算,1、几何关系：,2、物理关系：,3、平衡关系：根据裂缝截面的应力分布,3、平衡关系：根据裂缝截面的应力分布,混凝土受压边缘平均应变综合系数,参数h、z 和y 1、开裂截面的内力臂系数h 试验和理论分析表明，在短期弯矩Msk=（0.50.7）Mu范围，裂缝截面的相对受压区高度x 变化很小，内力臂的变化也不大。对常用的混凝土强度和配筋情况，h 值在0.830.93之间波动。规范为简化计算，取h=0.87。 2、受压区边缘混凝土平均应变综合系数z 根据试验实测受压边缘混凝土的压应变，可以得到系数z 的试验值。在短期弯矩Msk=（0.50.7）Mu范围，系数z 的变化很小，

9、仅与配筋率有关。规范根据试验结果分析给出，,受压翼缘加强系数,3、钢筋应变不均匀系数y,rte为以有效受拉混凝土截面面积计算的受拉钢筋配筋率。 Ate为有效受拉混凝土截面面积，对受弯构件取,当y 1.0时，取y =1.0； 对直接承受重复荷载作用的构件，取y =1.0。,短期刚度Bs,长期荷载作用下的抗弯刚度 在长期荷载作用下，由于混凝土的徐变，会使梁的挠度随时间增长。此外，钢筋与混凝土间粘结滑移徐变、混凝土收缩等也会导致梁的挠度增大。根据长期试验观测结果，长期挠度与短期挠度的比值q 可按下式计算，,长期抗弯刚度,Mk 荷载效应标准组合计算的弯矩值；,Mq 荷载效应准永久组合计算的弯矩值；,沿

10、梁长的刚度和曲率分布,最小刚度原则就是在同一符号弯矩区段内最大弯矩Mmax 处的截面刚度Bmin作为该区段的刚度B以计算构件的挠度。,一方面按Bmin计算的挠度值偏大，另一方面，不考虑剪切变形的影响，对出现斜裂缝的情况，剪跨内钢筋应力大于按正截面的计算值，这些均导致挠度计算值偏小。上述两方面的影响大致可以互相抵消，对国内外约350根试验梁验算结果，计算值与试验值符合较好。因此，采用“最小刚度原则”是可以满足工程要求的。,最小刚度原则与挠度验算,取同一弯矩符号区段内最小刚度作为等刚度，按材料力学的方法计算。,提高受弯构件刚度的措施,增大构件截面有效高度是提高构件截面刚度最有效的措施 当截面高度及

11、其他条件不变时，如有受拉翼缘或受压翼缘，则Bs有所增大 增大受拉筋的配筋率，Bs 略有增大 当设计中构件的截面高度受到限制时，可考虑增加受拉钢筋配筋率、采用双筋截面等措施 采用高性能混凝土、对构件施加预应力等都是提高混凝土构件刚度的有效措施,混凝土结构的耐久性,混凝土结构应能在自然和人为环境的化学和物理作用下，满足在规定的设计工作寿命内不出现无法接受的承载力减小、使用功能降低和不能接受的外观破损等的耐久性要求。 耐久性是指结构在预定设计工作寿命期内，在正常维护条件下，不需要进行大修和加固满足，而满足正常使用和安全功能要求的能力。 对于一般建筑结构，设计工作寿命为50年，重要的建筑物可取100年

12、。 近年来，随着建筑市场化的发展，业主也可以对建筑的寿命提出更高要求。对于其它土木工程结构，根据其功能要求，设计工作寿命也有差别，如桥梁工程一般要求在100年以上。,世界上经济发达国家的工程建设大体上经历了三个阶段： 大规模建设； 新建与改建、维修并重； 重点转向既有建筑物的维修改造。 目前经济发达国家处于第三阶段，结构因耐久性不足而失效，或为保证继续正常使用而付出巨大维修代价，这使得耐久性问题变得十分重要。,我国50年代开始大规模建设的工程项目，由于当时经济基础薄弱，材料标准和设计标准都较低，除一些重要的工程项目目前需要继续维持其使用外，其它大部分工程已达到其使用寿命。 我国真正进入大规模建

13、设是在改革开放以后，因此国外发达国家在耐久性上所遇到的问题应引起我国工程技术人员的足够重视，避免重蹈发达国家的覆辙，对国家经济建设造成巨大浪费。,内部因素： 混凝土强度 渗透性 保护层厚度 水泥品种 标号和用量 外加剂等,外部因素： 环境温度 湿度 CO2含量 侵蚀性介质等,碳 化,影响混凝土结构耐久性的因素,1、混凝土的冻融破坏, 混凝土水化结硬后，内部有很多毛细孔。在浇筑混凝土时，为得到必要的和易性，往往会比水泥水化所需要的水多些。 多余的水份滞留在混凝土毛细孔中。低温时水份因结冰产生体积膨胀，引起混凝土内部结构破坏。 反复冻融多次，就会使混凝土的损伤累积达到一定程度而引起结构破坏。 防止

14、混凝土冻融破坏的主要措施是降低水灰比，减少混凝土中多余的水份。 冬季施工时，应加强养护，防止早期受冻，并掺入防冻剂等。,2、混凝土的碱集料反应, 混凝土集料中的某些活性矿物与混凝土微孔中的碱性溶液产生化学反应称为碱集料反应。 碱集料反应产生的碱-硅酸盐凝胶，吸水后会产生膨胀，体积可增大34倍，从而混凝土的剥落、开裂、强度降低，甚至导致破坏。 引起碱集料反应有三个条件： 混凝土的凝胶中有碱性物质。这种碱性物质主要来自于水泥，若水泥中的含碱量（Na2O，K2O）大于0.6%以上时，则会很快析出到水溶液中，遇到活性骨料则会产生反应； 骨料中有活性骨料，如蛋白石、黑硅石、燧石、玻璃质火山石、安山石等含

15、SiO2的骨料； 水分。碱骨料反应的充分条件是有水分，在干燥环境下很难发生碱骨料反应。,3、侵蚀性介质的腐蚀,硫酸盐腐蚀：硫酸盐溶液与水泥石中的氢氧化钙及水化铝酸钙发生化学反应，生成石膏和硫铝酸钙，产生体积膨胀，使混凝土破坏。硫酸盐除在一些化工企业存在外，海水及一些土壤中也存在。当硫酸盐的浓度（以SO2的含量表示）达到2时，就会产生严重的腐蚀。 酸腐蚀：混凝土是碱性材料，遇到酸性物质会产生化学反应，使混凝土产生裂缝、脱落，并导致破坏。酸不仅存在于化工企业，在地下水，特别是沼泽地区或泥炭地区广泛存在碳酸及溶有CO2的水。此外有些油脂、腐植质也呈酸性，对混凝土有腐蚀作用。 海水腐蚀：在海港、近海结

16、构中的混凝土构筑物，经常收到海水的侵蚀。海水中的NaCl、MgCl2、MgSO4、K2SO4等成分，尤其是Cl-和硫酸镁对混凝土有较强的腐蚀作用。在海岸飞溅区，受到干湿的物理作用，也有利于Cl-和SO4的渗入，极易造成钢筋锈蚀。,4、混凝土的碳化, 混凝土中碱性物质（Ca(OH)2）使混凝土内的钢筋表明形成氧化膜，它能有效地保护钢筋，防止钢筋锈蚀。 但由于大气中的二氧化碳（CO2）与混凝土中的碱性物质发生反应，使混凝土的Ph值降低。其他物质，如SO2、H2S，也能与混凝土中的碱性物质发生类似的反应，使混凝土的Ph值降低，这就是混凝土的碳化。 当混凝土保护层被碳化到钢筋表面时，将破坏钢筋表面的氧

17、化膜，引起钢筋的锈蚀。此外，碳化还会加剧混凝土的收缩，可导致混凝土的开裂。 因此，混凝土的碳化是混凝土结构耐久性的重要问题。 混凝土的碳化从构件表面开始向内发展，到保护层完全碳化，所需要的时间与碳化速度、混凝土保护层厚度、混凝土密实性以及覆盖层情况等因素有关。,5、钢筋锈蚀,钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性的最关键问题。,钢筋锈蚀产生体积膨胀可达原体积的数倍，使钢筋位置处的混凝土受到内压力而产生裂缝，并随之剥落。这种裂缝沿钢筋方向发展，且随着锈蚀的发展混凝土剥离产生空隙。,防止钢筋锈蚀最重要的措施是在增加混凝土的密实性和混凝土的保护层厚度。, 当混凝土未碳化时，由于水泥的高碱性，钢筋表面形成

18、一层致密的氧化膜，阻止了钢筋锈蚀电化学过程。 当混凝土被碳化，钢筋表面的氧化膜被破坏，在有水份和氧气的条件下，就会发生锈蚀的电化学反应。 钢筋锈蚀产生的铁锈（氢氧化亚铁Fe(OH)3），体积比铁增加26倍，保护层被挤裂，使空气中的水份更易进入，促使锈蚀加快发展。 氧气和水份是钢筋锈蚀必要条件，混凝土的碳化仅是为钢筋锈蚀提供了可能。 当构件使用环境很干燥（湿度40%），或完全处于水中，钢筋的锈蚀极慢，几乎不发生锈蚀。 而裂缝的发生为氧气和水份的浸入创造了条件，同时也使混凝土的碳化形成立体发展。,钢筋锈蚀引起混凝土结构损伤过程如下，首先在裂缝宽度较大处发生个别点的“坑蚀”，继而逐渐形成“环蚀”，同

19、时向裂缝两边扩展，形成锈蚀面，使钢筋有效面积减小。严重锈蚀时，会导致沿钢筋长度出现纵向裂缝，甚至导致混凝土保护层脱落，习称“暴筋”，从而导致截面承载力下降，直至最终引起结构破坏。,结构工作环境类别,混凝土结构的耐久性与结构工作的环境有密切关系。 同一结构在强腐蚀环境中要比一般大气环境中的使用寿命短。 对于不同环境，可以采取不同措施来保证结构使用寿命。 如在恶劣环境，一味增加混凝土保护层是不经济的，效果也不一定好。可在构件表面采用防护涂层。,1 最小保护层厚度： 为保证耐久性和钢筋的粘结力，对一、二、三类环境一般建筑结构（设计工作寿命50年），规范规定了最小混凝土保护层厚度。 对四、五类环境种的

20、建筑结构，应按专门规定考虑。 当对结构设计工作寿命有更高要求时（100年），混凝土保护层厚度应将表5-1的数值乘以1.4或采用表面防护，定期维修等措施。 2 混凝土的要求： 耐久性的另一个重要方面是混凝土密实性，因为密实性好对延缓混凝土的碳化和钢筋锈蚀有很大作用。 提高混凝土密实性主要是减小水灰比和保证水泥用量。 若混凝土种氯离子含量过大，则会对钢筋锈蚀有恶劣影响。,保证耐久性的措施,3 裂缝控制：裂缝的出现加快了混凝土的碳化，也是使钢筋开始锈蚀的主要条件。为保证混凝土结构的耐久性，必须对裂缝进行控制。规范根据结构构件所处环境类别，钢筋种类对腐蚀的敏感性，以及荷载作用时间，将裂缝控制分为三个等级。,4 其他措施 对于结构中使用环境较差的构件，宜设计成可更换或易更换的构件。 对于暴露在侵蚀性环境中的结构和构件，宜采用带肋环氧涂层钢筋，预应力钢筋应有防护措施。 采用有利提高耐久性的高强混凝土。,