钢筋混凝土构件变形裂缝及混凝土结构耐久性.pptx

第第9章章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算8.1 概述概述 钢筋混凝土结构设计必须首钢筋混凝土结构设计必须首先满足承载能力极限先满足承载能力极限状态的要求状态的要求，以保证结构安全可靠；此外还应满足结，以保证结构安全可靠；此外还应满足结构正常使用极限状态对于构正常使用极限状态对于裂缝和变形控制裂缝和变形控制的要求，以的要求，以保证结构构件的适用、美观和耐久性。保证结构构件的适用、美观和耐久性。1第第9章章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.1.1 1抗裂验算抗裂验算 抗裂就是不允许混凝土开裂抗裂就是不允许混凝土开裂。规范要求在荷载效应。规范要求在荷载效应的短期组合和长期组合两种情况下，构件验算点拉应力不的短期组合和长期组合两种情况下，构件验算点拉应力不能超过由混凝土拉应力限制系数能超过由混凝土拉应力限制系数ctct控制的应力值。控制的应力值。8.1.2裂缝宽度验算裂缝宽度验算 一般的钢筋混凝土结构，总是带缝工作的。一般的钢筋混凝土结构，总是带缝工作的。但对于但对于一些构件需要进行裂缝宽度验算。规范要求在荷载效应的一些构件需要进行裂缝宽度验算。规范要求在荷载效应的短期组合（考虑部分荷载长期作用的影响）和长期组合两短期组合（考虑部分荷载长期作用的影响）和长期组合两种情况下构件的最大裂缝宽度不应超过允许值。种情况下构件的最大裂缝宽度不应超过允许值。2 8.1.4 可靠度水准可靠度水准 结构构件不满足结构构件不满足正常使用极限状态正常使用极限状态对生命财产的对生命财产的危害危害性性比不满足比不满足承载能力极限状态承载能力极限状态的要的要小小，其相应的目标可靠，其相应的目标可靠指标指标b b 值要小些，故称值要小些，故称正常使用极限状态验算正常使用极限状态验算，并在验算，并在验算时采用时采用荷载标准值荷载标准值、和、和材料强度标准值，结构系数材料强度标准值，结构系数 d=1.0。第第9章章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.1.3 变形验算变形验算 对于有严格限制变形要求的构件以及截面尺寸特别单对于有严格限制变形要求的构件以及截面尺寸特别单薄的装配式构件，就需要进行变形验算，要求在荷载效应的薄的装配式构件，就需要进行变形验算，要求在荷载效应的短期组合（考虑部分荷载长期作用的影响）和长期组合两种短期组合（考虑部分荷载长期作用的影响）和长期组合两种情况下，受弯构件最大挠度值不应超过允许值。情况下，受弯构件最大挠度值不应超过允许值。38.2.1 轴心受拉构件轴心受拉构件满足可靠指标的要求，满足可靠指标的要求，引入拉应力限制系数引入拉应力限制系数第第9章章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算8.2 抗裂验算抗裂验算对应荷载效应的对应荷载效应的长期组合长期组合对应荷载效应的对应荷载效应的短期组合短期组合图8-1 抗裂轴向力计算图48.2.2 受弯构件受弯构件第第9章章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算对应荷载效应的对应荷载效应的短期组合短期组合对应荷载效应的对应荷载效应的长期组合长期组合图8-2 受弯构件正截面即将开裂时实际 应力图形58.2.3 偏心受拉构件偏心受拉构件对应荷载效应的对应荷载效应的短期组合短期组合对应荷载效应的对应荷载效应的长期组合长期组合第第9章章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算6第第9章章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算8.2.4 偏心受压构件偏心受压构件对应荷载效应的对应荷载效应的短期组合短期组合对应荷载效应的对应荷载效应的长期组合长期组合7第第9章章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 一般情况混凝土的极限拉伸值一般情况混凝土的极限拉伸值tu=0.00010.00015，则混，则混凝土即将开裂时，根据应变协调决定的各构件中钢筋的拉应凝土即将开裂时，根据应变协调决定的各构件中钢筋的拉应力力s(0.00010.00015)2.01052030N/mm2。可见此时。可见此时钢筋的应力是很低的，即对于钢筋混凝土的抗裂能力而言，钢筋的应力是很低的，即对于钢筋混凝土的抗裂能力而言，钢筋所起的作用不大，所以用增加钢筋的办法来提高构件的钢筋所起的作用不大，所以用增加钢筋的办法来提高构件的抗裂能力既不经济，也是不合理的。抗裂能力既不经济，也是不合理的。提高构件抗裂能力可通提高构件抗裂能力可通过加大构件截面尺寸与提高混凝土的强度等级，但最根本的过加大构件截面尺寸与提高混凝土的强度等级，但最根本的方法是采用预应力混凝土结构。方法是采用预应力混凝土结构。88.3.1 裂缝的成因及对策裂缝的成因及对策荷载引起的裂缝荷载引起的裂缝非荷载引起的裂缝非荷载引起的裂缝拉力拉力弯矩弯矩剪力剪力扭矩扭矩垂直裂缝，正截面裂缝垂直裂缝，正截面裂缝主要裂缝成因主要裂缝成因Crack Width第第9章章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算8.3 裂缝开展宽度验算裂缝开展宽度验算91、温度变化引起的裂缝、温度变化引起的裂缝原因：热胀冷缩，且变形受到约束原因：热胀冷缩，且变形受到约束采取的措施：采取的措施：a.对混凝土分层分块；对混凝土分层分块；b.低热水泥；低热水泥；c.人工冷却人工冷却2、混凝土收缩引起的裂缝、混凝土收缩引起的裂缝原因：混凝土结硬时产生体积缩小，变形受到约束原因：混凝土结硬时产生体积缩小，变形受到约束采取的措施：采取的措施：a.设置伸缩缝；设置伸缩缝；b.改善水泥性能；改善水泥性能；c.降低水灰比；降低水灰比；d.加强养护。加强养护。3、基础不均匀沉降引起的裂缝、基础不均匀沉降引起的裂缝采取的措施：采取的措施：a.构造措施；构造措施；b.设置沉降缝；设置沉降缝；第第9章章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算104、混凝土塑性塌引起的裂缝、混凝土塑性塌引起的裂缝采取的措施：采取的措施：a.级配良好；级配良好；b.控制水灰比；控制水灰比；c.提高施工质量提高施工质量5、冰冻引起的裂缝、冰冻引起的裂缝6、钢筋锈蚀引起的裂缝、钢筋锈蚀引起的裂缝采取的措施：采取的措施：a.提高混凝土的密实性；提高混凝土的密实性；b.加大保护层厚度加大保护层厚度第第9章章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算7、碱骨料化学反应引起的裂缝、碱骨料化学反应引起的裂缝采取的措施：采取的措施：a采用优质骨料和低碱水泥；采用优质骨料和低碱水泥；b.提高密实性提高密实性118.3.2 受力裂缝的开展宽度计算理论受力裂缝的开展宽度计算理论计计算算理理论论半理论半经验公式我国建筑系统和水工系统规范半理论半经验公式我国建筑系统和水工系统规范数量统计公式美国、俄罗斯及我国港工规范数量统计公式美国、俄罗斯及我国港工规范裂缝开展机理粘结滑移理论粘结滑移理论无粘结滑移理论无粘结滑移理论综合理论综合理论第第9章章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算121、裂缝开展前后的应力状态、裂缝开展前后的应力状态aaacccbb(a)裂缝即将出现(b)第一批裂缝出现(c)裂缝的分布及开展第第9章章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算图8-3 裂缝开展前后的应力应变状态131)在裂缝出现前在裂缝出现前，混凝土和钢筋的应变沿构件的长度基本，混凝土和钢筋的应变沿构件的长度基本上是均匀分布的。上是均匀分布的。2)当受拉区外边缘的混凝土达到当受拉区外边缘的混凝土达到混凝土的极限拉应变时，混凝土的极限拉应变时，就处于即将出现裂缝的状态就处于即将出现裂缝的状态a阶段。阶段。3)当受拉区外边缘的混凝土在最薄弱截面位置达到其极限拉当受拉区外边缘的混凝土在最薄弱截面位置达到其极限拉应变应变e e0 0ct后，出现第一条（批）裂缝。后，出现第一条（批）裂缝。4)裂缝出现瞬间裂缝出现瞬间，裂缝截面位置的混凝土退出工作，应力，裂缝截面位置的混凝土退出工作，应力降低为零，而钢筋承担的拉力突然增加。降低为零，而钢筋承担的拉力突然增加。第第9章章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算14第第9章章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算5)裂缝出现后，混凝土向裂缝两侧回缩，但非自由，受到钢裂缝出现后，混凝土向裂缝两侧回缩，但非自由，受到钢筋的约束。混凝土与钢筋之间有相对滑移，产生粘结应力筋的约束。混凝土与钢筋之间有相对滑移，产生粘结应力t。由于粘结应力的存在由于粘结应力的存在，随着距裂缝截面距离的增加，钢筋，随着距裂缝截面距离的增加，钢筋拉应力逐渐传递给混凝土而减小，混凝土拉应力由裂缝处的拉应力逐渐传递给混凝土而减小，混凝土拉应力由裂缝处的零逐渐增大，达到零逐渐增大，达到l后，粘结应力消失，混凝土中又重新建后，粘结应力消失，混凝土中又重新建立起拉应力立起拉应力 ct。6)当距裂缝截面有足够的长度当距裂缝截面有足够的长度 l 时，混凝土拉应力时，混凝土拉应力 ct增大增大到到ft，此时将在离裂缝截面此时将在离裂缝截面l的另一薄弱截面处出现新的裂的另一薄弱截面处出现新的裂缝。缝。157)如果两条裂缝的间距小于如果两条裂缝的间距小于2 l，则由于粘结应力传递长度不则由于粘结应力传递长度不够，混凝土拉应力不可能达到够，混凝土拉应力不可能达到ft，因此将不会出现新的裂缝，因此将不会出现新的裂缝，裂缝的间距最终将稳定在（裂缝的间距最终将稳定在（l 2 l）之间，）之间，平均间距可取平均间距可取1.5 l。8)从第一条（批）裂缝出现到裂缝全部出齐为从第一条（批）裂缝出现到裂缝全部出齐为裂缝出现阶段裂缝出现阶段，该阶段的荷载增量并不大，主要取决于混凝土强度的离散程该阶段的荷载增量并不大，主要取决于混凝土强度的离散程度。度。9)裂缝间距裂缝间距的计算公式即是以该阶段的受力分析建立的。的计算公式即是以该阶段的受力分析建立的。第第9章章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算1610)裂缝出齐后，随着荷载的继续增加，裂缝宽度不断裂缝出齐后，随着荷载的继续增加，裂缝宽度不断开展。开展。裂缝的开展是由于混凝土的回缩，钢筋的伸裂缝的开展是由于混凝土的回缩，钢筋的伸长，导致钢筋与混凝土之间不断产生相对滑移的结长，导致钢筋与混凝土之间不断产生相对滑移的结果，果，这是裂缝宽度计算的依据。这是裂缝宽度计算的依据。11)在荷载长期作用下，由于在荷载长期作用下，由于混凝土的滑移徐变和拉应混凝土的滑移徐变和拉应力的松弛力的松弛，将导致裂缝间受拉混凝土不断退出工作，将导致裂缝间受拉混凝土不断退出工作，使使裂缝开展宽度增大裂缝开展宽度增大，混凝土的收缩使裂缝间混凝混凝土的收缩使裂缝间混凝土的长度缩短土的长度缩短，也会引起裂缝的进一步开展。，也会引起裂缝的进一步开展。第第9章章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算172.平均裂缝宽度平均裂缝宽度wm平均裂缝宽度平均裂缝宽度wm等于构件裂缝区段内钢筋的平均伸长与等于构件裂缝区段内钢筋的平均伸长与相应水平处构件侧表面混凝土平均伸长的差值相应水平处构件侧表面混凝土平均伸长的差值。忽略混凝土的拉伸变形忽略混凝土的拉伸变形受拉钢筋应变不均匀系数，反映了裂缝受拉钢筋应变不均匀系数，反映了裂缝间受拉混凝土参与工作的程度。间受拉混凝土参与工作的程度。第第9章章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算18以轴拉为例：以轴拉为例：1）2）第第9章章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算193）3.最大裂缝宽度最大裂缝宽度wmax第第9章章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算20第第9章章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算8.3.3 裂缝宽度验算裂缝宽度验算1验算要求验算要求wmaxwmax2减小裂缝宽度的方法减小裂缝宽度的方法适当减小钢筋直径，使钢筋在混凝土中均匀分布；适当减小钢筋直径，使钢筋在混凝土中均匀分布；采用与混凝土粘结较好的变形钢筋；采用与混凝土粘结较好的变形钢筋；适当增加配筋量（不够经济合理），以降低使用阶段的适当增加配筋量（不够经济合理），以降低使用阶段的钢筋应力。钢筋应力。对限制裂缝宽度而言最根本的方法也是采用预应力混凝土结构。对限制裂缝宽度而言最根本的方法也是采用预应力混凝土结构。21Deformation截面截面抗弯刚度抗弯刚度EI 体现了截面抵抗弯曲变形的能力体现了截面抵抗弯曲变形的能力对于弹性均质材料截面，对于弹性均质材料截面，EI为常数，为常数，M-f f 关系为直线。关系为直线。图8-4 梁的变形第第9章章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算8.4 变形验算变形验算22 由于混凝土开裂、弹塑性应力由于混凝土开裂、弹塑性应力-应变关系和钢筋屈服等影响，应变关系和钢筋屈服等影响，钢筋混凝土钢筋混凝土适筋梁适筋梁的的M-f f 关系不再是直线关系不再是直线，而是随弯矩增大，而是随弯矩增大，截面曲率呈曲线变化。截面曲率呈曲线变化。MyMuMcrEcI0Mf第第9章章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算图8-5 梁的M-f 关系238.4.1 受弯构件的短期刚度受弯构件的短期刚度Bs1.不出现裂缝的构件不出现裂缝的构件2.出现裂缝的构件出现裂缝的构件8.4.2 受弯构件的长期刚度受弯构件的长期刚度Bl刚度降低的原因：刚度降低的原因：混凝土的徐变混凝土的收缩混凝土的徐变混凝土的收缩影响因素：影响因素：受压钢筋的配筋率、加荷龄期、荷载的大小及持受压钢筋的配筋率、加荷龄期、荷载的大小及持续时间、温度和湿度、混凝土的养护时间续时间、温度和湿度、混凝土的养护时间第第9章章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算24荷载长期作用下的挠度增大系数荷载长期作用下的挠度增大系数：（1）对应于荷载效应的短期组合）对应于荷载效应的短期组合长期抗弯刚度长期抗弯刚度第第9章章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算25（2）对应于荷载效应的长期组合）对应于荷载效应的长期组合长期抗弯刚度长期抗弯刚度8.4.3 受弯构件的挠度计算受弯构件的挠度计算验算验算第第9章章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算26 3.提高刚度的方法提高刚度的方法 若验算挠度不能满足，则表示构件的抗弯刚度不足。若验算挠度不能满足，则表示构件的抗弯刚度不足。增加截面尺寸，提高混凝土强度等级，增加配筋量及选增加截面尺寸，提高混凝土强度等级，增加配筋量及选用合理的截面（如用合理的截面（如T T形或工形等形或工形等），都可提高构件刚度。），都可提高构件刚度。但但合理而有效的措施是适当增大截面的高度合理而有效的措施是适当增大截面的高度。采用预应。采用预应力混凝土结构也可有效提高构件刚度。力混凝土结构也可有效提高构件刚度。第第9章章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算27