混凝土受拉裂缝与刚度.pptx

11 11 受拉裂缝受拉裂缝 12 12 弯曲刚度和变形弯曲刚度和变形11.1 裂缝的成因及控制11.2 构件的开裂内力11.3 裂缝机理分析 （粘结滑移法，无滑移法，综合分析）11.4 裂缝宽度的计算一、裂缝的成因 荷载作用 非荷载因素11.111.1裂缝的成因及控制裂缝的成因及控制裂缝有规律，一般在拉应力最大处先开裂，且垂直主拉应力方向发展。钢筋位置处裂缝短而窄，稍远处裂缝更宽。收缩裂缝随机分布钢筋锈蚀裂缝沿钢筋分布结构附加应力（环境湿度变化，混凝土变 形受到周围结构约束，不均匀沉降引起）二.裂缝对结构的使用性能和耐久性的不利影响1.钢筋锈蚀，降低结构的耐久性 混凝土开裂使构件中的局部钢筋直接与周围介质接触，对于露天结构和处在潮湿环境，甚至含酸、氯介质的侵蚀环境中，钢筋表层将逐渐氧化而发生锈蚀，并往内部发展。钢筋锈蚀物比原体积增大，很易将周围混凝土保护层涨裂，形成纵向裂缝，甚至表层脱落，使钢筋加速锈蚀。钢筋的受力面积因锈蚀而逐渐减小，纵向裂缝破坏了钢筋和混凝土的粘结力，都使构件的承载力减小，影响结构的安全度。2.降低结构的抗渗（水、气）性，甚至造成渗漏，严重 影响一些水工结构和容器结构的阻水性能。3.降低结构的刚度，增大变形量，影响非结构性建筑部件的使用性能和观瞻。4.裂缝的显现和发展，及室内非结构材料的局部损伤，使人心理上产生不安全感。为此，必须对钢筋混凝土结构在使用期间的裂缝状态加以控制。各国进行了大量的试验和理论研究，以及对实际工程裂缝状况的调研和统计，内容包括构件开裂时的内力值、裂缝的发展过程和机理、裂缝的间距和宽度、钢筋锈蚀的发展过程和影响因素、裂缝对结构使用性能的影响等。在此基础之上，建立了构件的抗裂和裂缝的计算方法，以及相应的裂缝控制要求。但比较成熟的方法还只是限于承受轴拉和弯矩的构件，下面将做介绍。因为施工、构造和环境条件等所引起的裂缝，一般在设计中采取适当的措施，施工中采用合理的工艺和技术加以解决或改善。至于受压裂缝，一般不允许在使用阶段出现，设计时应严格限制。三、设计混凝土构件时的裂缝等级 一级抗裂：严格不裂，短期荷载作用下不出现拉应力 二级抗裂：一般不裂，短期荷载下截面的拉应力小于混凝土抗拉 强度的一部分，长期荷载作用下不出现拉应力。三级抗裂：可以开裂，对裂缝宽度进行控制，计算最大裂缝宽度必须小于裂缝宽度允许值。已知构件的界面尺寸和材料，确定其开裂时的内力（轴力和弯矩），是验算构件是否出现裂缝和计算开裂构件的裂缝间距和宽度所必须的。先讨论素混凝土梁的开裂弯矩。临近混凝土开裂前，梁的截面保持平截面变形。假设混凝土的最大拉应变达二倍轴心受拉峰值应变 时，即将开裂。此时拉区应力分布和轴心受拉应力应变曲线相似，压区混凝土应力很小，接近三角形分布。将截面应力图简化为拉区梯形，如下：11.2 11.2 构件的开裂内力构件的开裂内力 最大拉应力值为 和压区三角形最大压应力为 ，建立水平力的平衡方程：可得受压区高度为 ，顶面最大压力为 ，得开裂弯矩：，如果按弹性材料计算，即假设应力图为直线分布，素混凝土开裂时得名义弯曲抗拉强度为 ，它与混凝 土轴心抗拉强度得比值成为截面抵抗矩塑性影响系数 不同截面形式有不同的 ，一般在1.25-2.0之间。截面高度对该系数影响较大，规范建议对 进行如下修正：式中h得取值为 。钢筋混凝土梁，受拉区临开裂时的应变值很小，压区应力接近于三角形，拉区改用名义弯曲抗拉强度 后，可以用换算截面法计算开裂弯矩。梁内的受拉和受压钢筋，按弹性模量比 换算成等效面积 和 ，看作均质弹性材料计算换算截面面积 、中和轴位置和受压区高度x，及惯性矩 和受拉边缘的截面抵抗矩 等。在截面内力作用下，受拉边缘混凝土的应力为：即可利用抗裂等级公式验算裂缝的出现。也可使 确定构件的开裂弯矩和轴力。试验结果表明，这样计算的误差不大，其他一些设计规范采用了同样的方法，限制混凝土的拉应力或开裂内力。对于轴心受拉构件，临开裂时的轴力按前式的要求限制混凝土出现裂缝时，在轴力N作用下的混凝土拉应力取：钢筋混凝土出现受拉裂缝后，裂缝的数量逐渐增多，间距减小，宽度加大。由于影响混凝土裂缝发展的因素众多，以及混凝土的非匀质性和材性的离散度较大，裂缝的开展和延伸又一定的随机性，使构件表面的裂缝状况变异性大，对其准确的认识和分析的难度也大，出现了多种不同的观点和相应的计算方法。11.3.1 粘结滑移法粘结滑移法 最早从钢筋混凝土轴心受拉杆的试验研究中心提出了粘结滑移法，以后的研究遵循其基本概念加以补充和修正。11.311.3裂缝机理分析裂缝机理分析 拉杆受力后，临近开裂前，混凝土和钢筋的应变值相等，应力分别为 ，。二者沿轴线均为常值，粘结应力 ，如图中的点划线,无相对滑移。当构件的最薄弱截面上出现首批裂缝（如图中），裂缝间距很大。裂缝截面混凝土退出工作 ，全部轴力都由钢筋承担，应力突增至 ，裂缝两侧局部发生滑移。此时钢筋和混凝土的应力沿轴线发生变化。在二者的界面产生相应的粘结应力分布，见实线。离裂缝一段距离（）之外，混凝土的应力仍维持 。相应的钢筋应力和粘结应力也都和裂缝出现之前相同。这段长度称为粘结长度或应力传递长度。据平衡条件得：裂缝间距的分析计算裂缝间距的分析计算在裂缝两侧各 范围内，混凝土的应力 ，一般不会再出现裂缝。而在此粘结长度范围之外的各截面都由可能出现第二批裂缝，同样也发生在薄弱截面。裂缝出现后，钢筋和混凝土的应力及粘结应力沿轴线的变化与裂缝出现时相似。如果裂缝的间距小于 ，其间混凝土的拉应力必为 ，一般不再出现裂缝。可见相邻裂缝间距离的最小值为 ，而最大值为 。试件的实际裂缝间距有较大的离散性，平均间距约为：根据上述分析，混凝土受拉裂缝的间距主要取决于混凝土的抗拉强度、钢筋的配筋率与直径，以及二者的平均粘结应力等。试验中还发现不同强度等级的混凝土，其 比值的变化幅度小，可近似取为一常数；当 很大时，裂缝间距趋于一常值；变形钢筋比光圆钢筋的粘结应力高，平均裂缝间距约小30。因此，受拉裂缝平均间距的计算式修正为：上述是轴心受拉杆的试验结果，受弯构件的 受拉区裂缝，同样可用上述方法推导裂缝平 均间距的公式。它与上式形式一样，式中参 数值不同。粘结滑移法假设构件开裂后横贯截面的裂缝宽度相同，即在钢筋附近和构件表面的裂缝宽度相等。所以裂缝宽度应该是裂缝间距范围内钢筋和混凝土的受拉伸长差。二者的应变（应力）沿轴线分布不均匀，若平均应变分别为 和 ，则平均的裂缝宽度为：引入裂缝间钢筋的应变的不均匀系数：一般情况下，混凝土的平均拉应变远小于钢筋的拉应变（），可以忽略不计。故裂缝平均宽度的计算式简化为：裂缝宽度的计算裂缝宽度的计算 前面的粘结滑移法认为：混凝土受拉裂缝的间距和宽度主要取决于钢筋的配筋率与直径 ，以及二者的平均粘结应力 等。这些结论与下面的试验有很大出入。相同弯矩下量测各钢筋重心位置的表面裂缝宽度相差较小：0.208/0.196=1.061,0.191/0.178=1.073光圆钢筋和变形钢筋梁的裂缝宽度比较小：1.09-1.17相同的轴拉力作用下量测相应位置的表面裂缝宽度相差很大：0.239/0.094=2.5411.3.2 11.3.2 无滑移法无滑移法通过进一步的试验研究受拉裂缝，得出了一些重要结论：裂缝表面是一个规则的曲面。裂缝宽度沿截面发生显著变化，在钢筋周界处的宽度最小，构件表面的裂缝宽度最大。这样粘结滑移法假设裂缝两侧为平行的平面及裂缝宽度沿截面宽度等宽不符。钢筋周界处的裂缝宽度很小，表面钢筋和混凝土的相对滑移很小。构件的受拉裂缝，除了表面上垂直与钢筋轴线、间距和宽度都大的裂缝外，还有自钢筋表面横肋处向外延伸的内部裂缝。钢筋周围混凝土的变形状况复杂。上述试验以及其他更多的试验都提出了对粘结滑移法的质疑，并构成了无滑移法的基础。它认为截面的配筋率和钢筋的直径对裂缝的间距和宽度影响很小；假设裂缝截面在钢筋和混凝土界面处的相对滑移很小，可以忽略，即此处裂缝宽度为零；构件表面裂缝的宽度随该点至钢筋的距离（或保护层厚度）成正比增大。文献1115分析了不同截面形状的轴心受拉杆和受弯梁的试验数据（图117a）,建议的计算式为：平均裂缝间距：表面裂缝平均宽度：裂缝的最大宽度：文献1112，1113进行大量梁试验，量测到试件表面裂缝宽度的变化（图117a）,建议的计算式为：变形钢筋：光圆钢筋：无滑移法把构件表面至钢筋的距离作为影响裂缝间距和宽度的最主要因素。更多试验表明：它对于c=15-80mm范围内的裂缝相符较好，也能解释拉杆和梁腹部离钢筋较远处的裂缝更宽的现象。对于 计算的裂缝宽度偏小50，对于 偏高，且c越大，偏高越多。11.3.3 11.3.3 综合分析综合分析粘结滑移法粘结滑移法影响裂缝宽度间距的因素：钢筋附近和构件表面裂缝等宽度。无滑移法无滑移法影响裂缝宽度间距因素的：钢筋界面上相对滑移和裂缝宽度相对为零。综合得出 综合已有研究成果，可对混凝土受拉裂缝的机理分析加以概括，以轴力受拉构件为例说明：受拉和受弯的混凝土构件，在使用荷载作用下的裂缝宽度，各国参照已有的试验研究结果和分析提出了多种计算方法。虽然所取的主要因素一致，但计算式的形式各异，计算结果也有差别。1.我国设计规范中的计算公式和方法如下：构件受力后出现裂缝，在稳定阶段的 裂缝平均间距取：最大裂缝宽度：把式 及上式带入得：受弯构件的实测 随弯矩变化，其经验回归式为：将开裂弯矩用抗拉强度表示，计算裂缝处的弯矩用截面上钢筋的配筋比和拉应力表示，并作简化后得：11.411.4 裂缝宽度的计算裂缝宽度的计算2.模式规范CEB-FIP MC90中，混凝土构件受拉裂缝的计算主要基于粘结-滑移法，给出了钢筋有效约束范围的裂缝宽度计算式。当裂缝间距趋于稳定时，钢筋和混凝土的应变差为：裂缝的最大宽度按下式计算：受弯构件的裂缝宽度也可用上述公式进行计算，只是截面上混凝土受拉有效面积的取法不同。3.美国规范对于控制受弯构件的裂缝宽度采用了更简单直接的计算。经过对大量实测数据的统计，梁底面裂缝的最大宽度的回归式取：12.1 构件的变形及其控制12.2 截面刚度计算12.3 变形计算12 12 弯曲刚度和变形弯曲刚度和变形12.1.1 变形对结构的影响 结构的使用期限内，各种荷载的作用都将产生相应的变形。钢筋混凝土结构的材料主体是混凝土，和钢结构相比，它的强度低，故构件截面尺寸大，使用阶段的应变小，而且构件的节点和相互连接的整体性强，因而混凝土结构的整体刚度大，绝对变形小，实际工程中很少因变形过大而发生问题。但是随着混凝土结构的发展，出现一些新的情况。例如水泥质量和强度的提高，混凝土配制工艺的改进，使工程中采用的钢筋混凝土强度等级有较大的提高；高强钢筋的采用降低了配筋率，使用阶段的应变增加；结构的跨度加大或柱子的高度增加；为了减轻结构自重采用多种空心或箱型截面、薄壁杆件等等。这些因素都使得结构在使用荷载作用下的变形增大，特别是混凝土开裂后，以及荷载长期作用下混凝土发生徐变后，过大的变形可能影响结构的使用性能，甚至安全性。12.112.1构件的变形及其控制构件的变形及其控制构件变形过大对结构工程产生的不良影响：1.改变结构的内力或承载力。2.妨碍建筑物的使用功能3.引起相连建筑部件的损伤4.人们心里的不安全感 所以在设计混凝土结构时就应该对使用阶段的构件最大变形进行验算，并按允许值加以限制。在超静定结构的内力分析时，为了建立变形协调条件，必须获知构件的刚度值及其变化，才能求解未知力。12.1.2 12.1.2 截面刚度和构件变形截面刚度和构件变形构件变形计算：钢筋混凝土构件在荷载作用下，各截面的弯矩值不等，其截面的刚度或曲率必随之变化。荷载增大后弯矩值相应的增大，各截面刚度值和其分布又有变化。所以准确地计算构件的变形，必须计及各截面刚度的非线性分布和变化。一般的就算方法如下：若构件的挠度曲线为 根据曲率的定义，近似的数学表达式为：将式 代入上式，分别进行一次和二次积分，即可得到构件的变形，包括转角和挠度的计算式：所以已知构件的荷载，支座条件以及截面的形状和材料性能后，可以确定弯矩和刚度的变化，并计算积分常数，得到所需的变形值。由于截面刚度的非线性变化，一般需要将构件分成若干小段，进行数值积分运算。已知钢筋混凝土构件的截面形状、尺寸和配筋，以及钢筋和混凝土的应力应变关系后，可用截面分析的一般方法（第十五章）计算得弯矩曲率的全过程曲线，或截面刚度值的变化规律。这样的计算结果比较准确，但必须由计算机来实现，一般只用于结构受力性能的全过程分析。在工程实践中，最经常需要解决的有关问题是：验算构件在使用荷载作用下的挠度值，或者为超静定结构的内力分析提供构件的截面刚度等，一般不需要进行变形的全过程分析，因而可采用简单的实用计算方法。这类计算法的共同点是：构件的应力状态为拉区混凝土已经开裂，但钢筋尚未屈服；裂缝间混凝土和钢筋仍保持部分粘结着，存在受拉刚化效应；采用平均应变符合平截面假定。但各种方法处理方式和计算公式各不相同。12.2 12.2 截面刚度计算截面刚度计算 在钢筋和混凝土应用的早期，构件的承载力和变形的验算都引用当时已经成熟的匀质弹性材料，其主要原则是将截面上的钢筋，通过弹性模量比值的折算，得到等效的匀质材料换算截面，推倒并建立相应的计算公式.钢筋混凝土的受弯构件和偏心受压（拉）构件，在受拉区裂缝出现的前后有不同的换算面积（如下图），需分别进行计算。12.2.112.2.1有效惯性矩法有效惯性矩法1.1.开裂前截面的换算惯性矩开裂前截面的换算惯性矩 构件出现裂缝前，全截面混凝土受力（压或拉）。拉区钢筋的面积为其换算面积为 ,其中 。除了钢筋原位置的面积外，需在截面同一高度处增设附加面积 ，以此构成的换算混凝土截面与原钢筋混凝土的截面力学性能等效。换算截面的总面积为 受压区高度由拉压区对中和轴的面积矩相等的条件确定：换算截面的惯性矩为 故开裂前的截面刚度为 换算截面的这些几何特性，不仅用于计算构件的截面刚度和变形，也可用于验算构件的开裂和疲劳应力等。2.2.裂缝截面的换算惯性矩裂缝截面的换算惯性矩构件出现裂缝后，假设裂缝截面混凝土力完全退出工作，只有钢筋承受拉力，钢筋的换算面积 置于相同的截面高度。得到换算混凝土截面如图:对此裂缝截面的受压区高度用同样的方法确定：裂缝换算截面的惯性矩为 裂缝截面刚度为 显然，这是沿构件轴线各截面惯性矩中的最小值，也是钢筋屈服前裂缝裂缝惯性矩中的最小值。2.2.有效惯性矩有效惯性矩：钢筋混凝土梁的截面刚度或惯性矩随弯矩值的增大而减小。混凝土开裂前的刚度为其上限值，钢筋的屈服、受拉混凝土完全退出工作后的刚度是其下限值。在计算构件变形的使用阶段（），弯矩曲率关系比较稳定，刚度值变化幅度小，在工程中可取近似值进行计算。过去曾采用的最简单方法是对构件的平均截面刚度取为一常值美国的设计规范中规定，计算构件挠度 时采用截面的有效惯性矩值在 间进行插入：12.2.2 刚度解析法 一钢筋混凝土梁的纯弯段，在弯矩作用下出现裂缝，进入裂缝稳定发展阶段后，裂缝的间距大致均匀。各截面的实际应变分布不再符合平截面假定，中和轴的位置受裂缝的影响成为波浪形，裂缝截面处的受压区高度为最小值。各截面的顶面混凝土压应变和受拉钢筋应变也因此变成波浪形变化。构件的截面平均刚度可按下述步骤建立计算式：l 几何（变形）条件 试验证明，截面的平均应变仍符合线性分布，截面的平均曲率可用式，顶面混凝土的压应变的变化幅度较小，近似取 ，钢筋的平均拉应变则取：l物理（本构）关系 梁在使用阶段，顶面混凝土的压应力和受拉钢筋的应力可按下式计算：l 力学（平衡）方程 忽略截面上拉区混凝土的应力，建立裂缝截面的两个平衡方程：得截面平均刚度（割线值）为：裂缝截面的力臂系数 ，因为构件使用阶段的弯矩水平变化不大，裂缝发展相对稳定，其值约为 ，配筋率高者其值偏低，计算时近似取其平均值为：将 统称为混凝土受压边缘的平均应变综合系数，其值随弯矩的增大而减小，在使用阶段内基本稳定，其弯矩值对其影响不大，而主要取决于配筋率。根据实验结果得到矩形截面梁的回归分析式为：，对于双筋梁和工形截面构件，其右侧改为 得到构件截面平均刚度的最终计算公式为：若取 时 ，得到刚度的最大值：12.2.3 12.2.3 受拉刚化效应修正法受拉刚化效应修正法l混凝土开裂前：l混凝土受拉开裂 并完全退出工作：l受拉钢筋屈服后：考虑到混凝土收缩和徐变的影响、钢筋和混凝土粘结状况的差别，以及荷载性质的不同等因素，构件的可能开裂弯矩低于计算值。12.2.3 12.2.3 受拉刚化效应修正法受拉刚化效应修正法l构件的截面平均曲率，在混凝土受拉刚化效应的作用下，如图中实线所示，按弯矩值分三段分别计算：12.3.1 一般计算方法 用各种方法获得构件的截面弯矩-平均曲率关系，或者截面平均刚度的变化规律后，就可按照前面讲的方法计算构件的非线性变形。更简便而经常的方法是应用虚功原理进行计算。12.3 12.3 变形计算变形计算根据虚功原理，虚梁上外力对实梁变形做的功，等于虚梁内力对实梁上相应变形所做功的总和。忽略轴力和剪力产生的变形。12.3.2 实用计算方法 如果在工程中只需要验算构件的变形是否符合规范要求，可以采用更简单实用的计算方法。荷载长期作用下，混凝土的徐变等因素使挠度增大，也可用简单的方法进行计算。1.1.截面刚度分布截面刚度分布 荷载作用下，构件的截面弯矩沿轴线变化。截面的平均刚度或曲率相应地有更复杂的变化，这是准确地计算钢筋混凝土构件变形的主要困难。如果将简支梁的截面刚度取为常值，例如取最大弯矩截面计算所得的最小截面刚度，梁的曲率分布和弯矩图相似，用虚功原理计算就很简单。还可以直接查用等截面构件的弹性变形计算式。这一简化使构件的变形值偏大，但一般不超过10%,已被多数设计规范所采纳。连续梁和框架梁等构件，在梁的跨间常有正负弯矩区并存。各设计规范采用了不同的简化假设：文献【1-1】建议按同号弯矩分段，各段内的截面刚度取为常值，分别按该段的最大弯矩值计算；文献【1-11】建议截面刚度沿全跨长取为常值，按各段最大弯矩分别计算有效惯性矩后取其平均值。如果构件正负弯矩区的截面特征相差悬殊时，例如连续的T行构件，文献【12-4】仍建议截面刚度沿全跨长取为常值，但须按加权平均法计算构件的平均有效惯性矩。2.2.荷载长期作用荷载长期作用 钢筋混凝土构件在荷载作用下，除了及时产生变形外，当荷载持续作用时，变形还将不断地增长。关于钢筋混凝土梁在长期荷载作用下的挠度，国内外已有不少试验实测资料。由于试件和试验条件的差别，试验结果有一定离散度。若构件在荷载长期作用下趋于稳定的挠度值为W1,相同荷载即使产生的挠度Ws，其比值称为长期荷载的挠度增大系数 表12-1中给出了我国的有关实验结果。受压区配设钢筋或有翼缘的梁有利于减小混凝土的徐变，梁的长期挠度减小；拉区有翼缘的梁，其长期挠度稍有增加。国外对钢筋混凝土构件进行长期荷载试验，给出了接近的试验结果，其平均值为 。关于受压钢筋对挠度的影响，则给出了更大的折减率。除了上述的实用计算方法外，一般设计规范中都给出了能够满足感度要求、不须进行变形验算的构件最大跨高比，或最小截面高度。