第9章-钢筋混凝土构件的变形、裂缝和结构耐久性

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,9,章 钢筋混凝土构件的,变形、裂缝和结构耐久性,第一节：概述,第二节：,钢筋混凝土构件裂缝宽度验算,第三节：,钢筋混凝土受弯构件的挠度验算,9,1,概述,安全性,适用性,耐久性,结构功能,承载力,极限状态,正常使用,极限状态,本章主要讲述的是正常使用极限状。,安全性,是结构在设计使用期限内，应能承受正常施工、正常使用时可能出现的各种作用的能力。在作用（如地震）或偶然事件（如爆炸）发生时及发生后，结构能保持整体稳定，不致发生连续倒塌。,安全性是通过,承载力的计算,和,构造措施,来保证的，前面几章对,拉、压、弯、剪、扭及其复合受力状态,的承载力计算公式和相应的构造措施做了系统介绍。,拉,弯,压,剪,扭,简单受,力状态,偏心受拉,偏心受压,复合受,力状态,剪扭,弯扭,弯剪扭,压弯剪扭,适用性,结构的适用性是通过,正常使用极限状态,的验算来满足的，包括,裂缝和变形的验算,。通过计算使裂缝宽度和变形不超过规范规定的限值。,是结构在正常使用荷载作用下具有良好的工作性能，如不产生影响使用的过大挠度或振幅，不产生让使用者感到不安的裂缝等。,结构构件不满足正常使用极限状态的危害性要小，其相应的,可靠指标,值相对要求较小，故裂缝宽度及变形的计算时采用,荷载标准值,和,材料强度的标准值,。,为了方便，验算裂缝宽度及变形时，只按,荷载效应的标准组合并考虑长期作用的影响,进行计算,。,构件的变形及裂缝宽度都随时间而增大，对于正常使用极限状态，应按荷载效应的,标准组合,及,准永久组合,分别加以验算。,耐久性,结构在所处的工作环境中，在设计使用年限内，在正常维护条件下不需要进行大修就能完成预定功能的能力。如混凝土不发生严重风化、腐蚀、脱落，钢筋不发生锈蚀等。,耐久性是通过满足,耐久性规定与规范限值,(,如混凝土保护层最小厚度、最低混凝土强度等级等,),实现的。混凝土结构应根据,使用环境类别,和,设计使用年限,进行耐久性设计。,9,2,钢筋混凝土构件裂缝宽度验算,裂缝,裂缝,微观裂缝,宏观裂缝,变形引起的裂缝,荷载引起的裂缝,裂缝宽度验算主要指的是荷载引起的裂缝。,裂缝宽度,是指,受拉钢筋重心水平处构件侧表面上的混凝土的裂缝宽度,。,试验量测表明，沿裂缝深度，裂缝宽度是不相等的，由于受到钢筋的约束，近钢筋处回缩变形小，构件表面处回缩大。,裂缝特点,1,在使用荷载作用下，对于工作在正常使用阶段的受弯构件来讲，处于受弯全过程的第,阶段，此时,:,裂缝基本,“,出齐,”,，即裂缝的分布处于,稳定状态,。,由于材料的不均匀性以及截面尺寸的偏差等因素的影响，裂缝的出现具有某种程度的,偶然性,，因而裂缝出现的间距和宽度是不均匀的。,平均裂缝间距和平均裂缝宽度是有规律性的，平均裂缝宽度与最大裂缝宽度之间也具有一定的,规律性,。,2,当荷载长期作用时,由于混凝土的滑移徐变和拉应力的松驰，将导致裂缝间受拉混凝土不断退出工作，使裂缝开展,宽度增大,；,混凝土的收缩使裂缝间混凝土的长度缩短，这也会引起裂缝的进一步开展。,裂缝控制等级,结构构件正截面的裂缝控制分为,三级,。裂缝控制等级的划分应符合下列规定：,一级,严格要求不出现裂缝的构件，按荷载效应标准组合计算时，构件受拉边缘混凝土不应产生拉应力；,二级,一般要求不出现裂缝的构件，按荷载效应标准组合计算时，构件受拉边缘混凝土拉应力不应大于混凝土抗拉强度标准值；,三级,允许出现裂缝的钢筋混凝土构件，按荷载效应准永久组合计算时，构件的最大裂缝宽度不应超过表,9-1,规定的最大裂缝宽度限值。,对于预应力混凝土结构构件，处于一类环境时，可允许开裂，应进行最大裂缝宽度的验算；处于二、三类环境时，不允许出现裂缝，应分别以二级及一级裂缝控制等级验算；,钢筋混凝土构件的裂缝控制等级,均为三级,，即钢筋混凝土构件均需进行裂缝宽度验算予以保证。,平均裂缝间距,裂缝出现后，开裂截面砼向裂缝两侧回缩，在回缩的那一段长度,l,中，砼与钢筋之间有相对滑移，产生粘结应力,。,通过粘结应力的作用，随着离裂缝截面距离的增大，钢筋拉应力逐渐传递给混凝土而减小，砼拉应力由零逐渐增大，距离裂缝,l,处，粘结应力消失图,(c),，砼和钢筋又具有相同的拉伸应变，各自的应力又趋于均匀分布。,平均裂缝间距,令,乘以,1.5,混凝土和钢筋间的,u,、,cr,、,，均与混凝土抗拉强度基本成正比例关系，故可取,f,t,/,m,为常数。,平均裂缝间距与混凝土保护层有一定关系。应适当考虑混凝土保护层厚度的影响。,钢筋表面特征同样影响平均裂缝间距，对此可用钢筋（带肋）的等效直径,d,eq,代替,d,。,当混凝土保护层厚度,c,不大于,65,mm,时，对配置带肋钢筋混凝土构件的平均裂缝间距可按下列公式计算。,平均裂缝宽度,w,m,等于,平均裂缝间距,内钢筋与相应水平处构件侧表面混凝土伸长的差值,设裂缝间纵向受拉钢筋的拉应变不均匀系数为,，在荷载效应的准永久组合下，钢筋并未达到屈服，采用其,弹性模量,。,令,分析表明，,c,与配筋率,te,、混凝土保护层厚度,c,等有关，但变化幅度不大。为简化计算，对轴心受拉、受弯及偏心受力构件，可统一取,c,=0.85,。,裂缝处的钢筋应力,轴心受拉构件,矩形、,T,形、倒,T,形和,I,形截面偏心受拉构件,大小偏心受拉构件的,sq,计算可统一由下式表达,受弯构件,为了简化计算，对矩形、,T,形和,I,形截面受弯构件,对受压区合力点取矩，得,矩形、,T,形、倒,T,形和,I,形截面偏心受压构件,对于偏心受压构件，,的计算较为复杂，为简便起见，近似地取,f,受压翼缘增强系数，等于受压翼缘截面面积与腹板有效截面面积的比值,对受压区合力点取矩，得,e,轴向压力作用点至纵向受拉钢筋合力点的距离,偏心构件的的,l,0,/h,14,时，还需考虑侧向挠度的影响，引入偏心距增大系数,s,，可近似地取：,确定最大裂缝宽度的方法,裂缝间距和裂缝宽度的分散性比较大，在构件中的最大裂缝宽度要比平均裂缝宽度大得多。,w,max,s,可由平均裂缝宽度乘以,s,求得。,长期荷载作用下，受拉区混凝土将产生收缩、滑移徐变，受压区混凝土也将产生徐变，因此，裂缝宽度亦将不断增大。,w,max,可由,w,max,s,乘以,l,求得，,l,=1.5,。,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,。,最大裂缝宽度的计算,综合参数,c,、,s,、,l,、,的影响，引入构件受力特征系数,cr,=,c,s,l,表示。,规范,规定对矩形、,T,形、倒,T,形和,I,形截面的受拉、受弯和偏心受压构件，按荷载效应的准永久组合的最大裂缝宽度可按下列公式计算,te,按有效受拉混凝土截面面积计算的纵向钢筋配筋率；,当,te,0.01,，取,te,=0.01,矩形截面及,T,形截面,倒,T,形截面,此处应特别注意，,T,形截面和倒,T,形截面的受拉区是不同的,。,最大裂缝宽度限值,(1),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。,(2),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,，因缺少锈蚀的充分条件，不至锈蚀或虽有轻微锈蚀但不会影响承载力，因此裂缝宽度限值可放宽些。,不过，这时还应,按构件的工作条件加以区分,。例如，屋架、托架等主要屋面承重结构构件，以及需作疲劳验算的吊车梁等构件，均应从严控制裂缝宽度,(,见表,9-1),。,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。,最大裂缝宽度验算,应满足：,对于直接承受吊车荷载但不需作疲劳验算的吊车梁,可将计算出的最大裂缝宽度乘以系数,0.85,。,对于由荷载以外诸因素引起的裂缝，,都不包括在内,。,对,e,0,/,h,0,0.55,的偏心受压构件 ，均能符合,w,lim,的要求，规定,不必验算,。,对于斜裂缝宽度，当配置受剪承载力所需的腹筋后，使用阶段的裂缝宽度一般小于,0.2mm,，故,不必验算,。,最大裂缝宽度均系指受拉钢筋截面,重心水平处的构件侧表面裂缝宽度,。,9,3,钢筋混凝土受弯构件的挠度验算,截面抗弯刚度的概念,由材料力学知，匀质弹性材料梁的跨中挠度可以表示为,或,在材料力学中，当梁的截面形状、尺寸和材料已知时，梁的截面抗弯刚度,EI,是,常数,。,在钢筋混凝土受弯构件中，由于混凝土的裂缝和塑性变形影响，其刚度是,变化的,。由,EI,=,M,/,知，截面抗弯刚度就是使截面产生单位曲率需要施加的弯矩值。混凝土受弯构件的刚度等于弯矩,M,和曲率,的比值,。,在使用荷载作用下，处于带裂缝工作状态。由于钢筋混凝土是不匀质的非弹性材料，从图,9-8,中可以看出，该阶段,M,与,间为,非线性关系,，即曲率,比,M,增加的快。故刚度随,M,增大而降低。,而且沿构件的截面抗弯刚度也是,不均匀分布,的。,此时，构件截面短期刚度与用材料力学弹性体公式表达的抗弯刚度,EI,已大不相同,。,荷载长期作用时，由于受压混凝土的徐变和收缩，使混凝土的压应变随时间的增长而增大；,裂缝间受拉区混凝土的应力松弛，受拉区混凝土与钢筋之间的粘结滑移徐变，裂缝向上延伸，导致受拉混凝土随时间不断退出工作，钢筋拉应变随时间增大，构件的挠度也就不断地增长，也就是说，,截面的刚度将随荷载的长期作用而降低,。,验算变形时，应按荷载效应的准永久组合计算。用长期刚度,B,代替，可得钢筋混凝土简支梁跨中挠度验算公式,荷载效应的标准组合作用下受弯构件的截面抗弯刚度，简称为,短期刚度,，记作,B,s,。,短期刚度,混凝土结构设计中，用到截面抗弯刚度的有两种情况,。,是指预应力混凝土受弯构件，它包括要求不出现裂缝的构件,(,可近似地把混凝土开裂前的,M,-,曲线视为直线，,是指带裂缝工作的钢筋混凝土受弯构件。此处,主要讲述钢筋混凝土受弯构件的截面抗弯刚度,。,构件出现裂缝后，沿构件轴长，其受拉钢筋及受压混凝土的应变分布是,不均匀的,，在裂缝截面处最大，裂缝间为曲线变化,(,图,),。,钢筋混凝土受弯构件,B,s,计算公式的建立,截面刚度则是裂缝截面处最小，裂缝中间截面处最大。,这种各截面刚度的,不均匀分布,给挠度计算带来了困难,。,此中的关键是得出平均曲率的表达式,由于构件的挠度是反映沿构件跨长变形的综合效应，因此，可以通过,平均刚度,加以表征。,截面抗弯刚度是使截面产生单位曲率需要施加的弯矩值，利用,平均曲率,有,几何关系,在,平均裂缝间距,内，各水平纤维的平均应变沿梁截面高度的变化符合,平截面假定,OABCDE,：,平均曲率的表达式,！,的表达式,？,物理关系,工作在第,阶段的受弯构件，钢筋采用钢筋的,弹性模量,，而混凝土采用其,变形模量,。,钢筋应变：,裂缝处,的表达式,！,混凝土应变：,平均裂缝间距内,钢筋：,混凝土：,引入,应变不均匀系数,平衡关系,对受压区合力点取矩，得,裂缝处,受拉钢筋的重心取矩，得,受压面积为,bx,0,=,0,bh,0,，平均压应力,cq,为了简化计算，令,短期刚度,B,s,的一般表达式,取,参数的讨论,裂缝截面处内力臂系数,h,0,是纵向受拉钢筋合力点至受压区合力点的距离，,是内力臂系数,。,式中，,M,q,、,E,s,、,h,0,、,A,s,为已知值，,sq,可根据变形量测求得，因此，,值即可算出。前面讲过，为了简化计算，对矩形、,T,形和,I,形截面受弯构件。,裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数,系数,=,sm,/,sk,。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，而此时砼参与工作的程度越小。反之,值越小，砼参与工作的程度越大；,如果,=1,，裂缝间受拉砼全部退出工作。,系数,的物理意义就是,反映裂缝间受拉砼对纵向受拉钢筋应变的影响程度,。,系数,反映了裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀的程度，,值越小，应变越不均匀；反之，,值越大，应变越均匀；当,=1,时，应变完全均匀；当然,值不可能大于,1,。,的大小还与,te,有关。当,te,较小时，说明参与受拉的混凝土相对面积大些，对纵向受拉钢筋应变的影响程度也相应大些，因而,就小些。,从受力角度看，所受弯矩越大，构件开裂越严重，刚度,B,s,越低，其影响实际隐含在,中，若其他条件相同，,M,k,增大时,sq,亦增大，因而,增大，,B,s,则相应的减小。,值还受到截面尺寸的影响，即,随截面高度的增加而增大。,采用一个综合的系数,以代替多个分离的系数，便于通过试验直接验证。,受压区边缘混凝土综合影响系数,如果是,T,形截面，,还与受压翼缘面积有关，其影响用受压翼缘加强系数,f,表示,受弯构件刚度,B,计算挠度时必须采用,按荷载效应的准永久组合并考虑荷载效应的长期作用影响,的长期刚度,B,。,对翼缘位于受拉区的倒,T,形截面，,规范,建议,应增大,20%,。,最小刚度原则,“,最小刚度原则,”,就是在简支梁全跨长范围内，按,最小的截面抗弯刚度,，计算挠度。当构件上存在正、负弯矩时，可分别取同号弯矩区段内,M,max,处截面的最小刚度计算挠度。,挠度验算,采用最小刚度作为本段刚度，使结果偏大；,材料力学的挠度公式,，未计剪跨段的剪切变形，和斜裂缝的不利影响，使挠度计算值偏小。,一个偏大，一个偏小，大致可以相互抵消，误差不大。,最小刚度原则,按照,“,最小刚度原则,”,，对于连续梁或框架梁，由于其跨间弯矩变号，,每一跨就成为二阶或三阶的变刚度梁,。,为简化计算，,规范,规定：当计算跨度内的支座截面抗弯刚度不大于跨中截面刚度的两倍或不小于跨中截面抗弯刚度的二分之一时，该跨也可按等刚度构件进行计算，其构件刚度可取跨中最大弯矩截面刚度。此时可以采用,等刚度梁,进行计算。,(1),保证建筑的使用功能要求,混凝土构件的变形限值,(2),防止对非结构构件产生不良影响,吊车梁的挠度过大会妨碍吊车的正常运行；楼板挠度过大会影响精密仪表的使用；屋面构件和挑檐的挠度过大会造成积水和渗漏等,。,防止结构构件变形过大会使门窗等活动部件不能正常开关，防止非结构构件如隔墙及天花板的开裂、压碎或其它形式的损坏等。,(3),保证人们的感觉在可接受的程度之内,防止厚度较小或跨度太大的单块板站上人后产生过大的颤动或明显下垂引起的不安全感。防止在可变引起的振动对人的不良感觉等。,对于简支梁，跨间为同号弯矩，可采用,材料力学公式,计算。对于连续梁或框架梁，其跨间弯矩变号，可按,弹性结构力学,方法计算,表中,l,0,为构件的计算跨度,计算悬臂构件的挠度限值时，其,计算跨度,l,0,按实际悬臂长度的,2,倍取用,。,表中括号内数值适用于使用上对挠度有较高要求的构件,。,B,s,对挠度的影响,如果挠度验算不符合要求，可增大截面高度或减小构件跨度，选择合适的配筋率,。同时选择合适的水灰比和水泥用量等因素。,配筋率,的影响,选择合适的配筋率,截面形状的影响,受拉翼缘受压翼缘都会使,B,s,有所增大。,混凝土强度等级的影响,提高,B,s,的作用不大,。,截面有效高度,h,0,的影响,提高,B,s,的作用不大。,B,对挠度的影响,跨度,l,0,对挠度的影响,凡是影响混凝土徐变和收缩的因素都将导致刚度的降低，挠度将增大。,l,0,越大，,f,越大。选定足够的截面高度或较小的跨高比,l,0,/h,