ch10-钢筋混凝土结构的适用性与耐久性

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,10,章 钢筋混凝土结构的适用性及耐久性,10.1,受弯构件的挠度控制,10.2,混凝土构件裂缝宽度计算,10.1,受弯构件的挠度控制,10.1.1,挠度控制的目的和要求,对钢筋混凝土受弯构件进行挠度控制的目的基于以下三方面的考虑：,1,）功能要求,结构产生过大的变形将损害甚至使构件完全丧失其使用功能。,2,）非结构构件的损坏,构件过度变形引起的最普遍的一类问题。,3,）外观要求,构件出现明显下垂的挠度会让使用者产生不安全感。,规范,的规定,根据工程经验，规定受弯构件的最大挠度计算值不应超过表,10-1,的挠度限值。表中括号中的数值适用于使用上对挠度有较高要求的构件。为构件的计算跨度。悬臂构件的挠度限值按表中相应数值乘,2,取用。,10.1,受弯构件的挠度控制,10.1.2,受弯构件刚度的试验研究分析,材料力学中，匀质弹性材料梁的跨中挠度为,2,0,EI,Ml,S,f,=,式中,S,与荷载类型和支承条件有关的系数；,EI,梁截面的抗弯刚度。,由于是匀质弹性材料，所以当梁截面的尺寸确定后，其抗弯刚度即可确定且为常量，挠度,f,与,M,成线性关系。,随,荷载,的增加而减少，即,M,越大，抗弯刚度越小。验算变形时，截面抗弯刚度选择在曲线第,阶段,（,带裂缝工作阶段,）,确定；,随,配筋率,的降低而减少。对于截面尺寸和材料都相同的适筋梁，,小，变形大；截面抗弯刚度小些；,沿构件跨度，,弯矩,在变化，截面刚度也在变化，即使在纯弯段刚度也不尽相同，裂缝截面处的小些，裂缝间截面的大些；,随,加载时间,的增长而减小。构件在长期荷载作用下，变形会加大，在变形验算中，除了要考虑短期效应组合，还应考虑荷载长期效应的影响，故有长期刚度,B,l,和短期刚度,B,s,。,对钢筋混凝土构件，由于材料的非弹性性质和受拉区裂缝的开展，梁的抗弯刚度不是常数而是变化的，其主要特点如下：,1,）钢筋应变,e,s,沿梁长呈波浪形变化，,e,s,的峰值在开裂截面处，在裂缝中间截面,e,s,（两裂缝之间）最小。,钢筋平均应变,钢筋应变不均匀系数,：它反映了拉区混凝土参与受力的程度。,2,）压区混凝土的应变,e,c,沿纯弯段也是非均匀分布的，开裂截面,e,c,大，裂缝之间,e,c,小，但其波动幅度比钢筋应变的波动幅度小得多。峰值应变,e,c,与平均应变,e,c,差别不大，可取,e,c,=,e,c,。,3,）由于裂缝的影响，截面的中和轴高度,x,n,也呈波浪形变化，平均中和轴高度为,x,n,，该截面称为“平均截面”。实测的平均应变沿截面高度的分布表明，平均应变的,e,s,、,e,c,符合平截面假定，沿截面高度为直线分布。,对钢筋混凝土,受弯构件,，通过记录的试验现象，裂缝趋于稳定以后，钢筋及混凝土的应变分布具有以下的特征：,10.1.3,短期刚度,B,s,短期刚度是指钢筋混凝土受弯构件在荷载短期效应组合下的刚度值（以,Nmm,2,计）。,参数,h,、,z,和,y,的确定,1.,开裂截面内力臂系数,h,试验和理论分析表明，在短期弯矩,M,k,(0.60.8),M,u,范围，裂缝截面的相对受压区高度,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，其值在,0.830.93,之间波动。,规范,为简化计算，取,0.87,。,参数,h,、,z,和,y,的确定,2.,受压,边缘混凝土平均应变综合系数,z,T,形截面梁,矩形截面梁,参数,h,、,z,和,y,的确定,3.,受拉,钢筋应变不均匀系数,y,10.1.3,短期刚度,B,s,短期刚度是指钢筋混凝土受弯构件在荷载短期效应组合下的刚度值（以,Nmm,2,计）。对,矩形、,T,形、工字形截面受弯构件，短期刚度的计算公式为,式中,f,受压翼缘的加强系数；,当,h,f,0.2,h,0,时，取,h,f,=0.2,h,0,。,钢筋的弹性模量,E,s,和混凝土,E,c,弹性模量的比值；,纵向受拉钢筋的配筋率，；,钢筋应变不均匀系数，是裂缝之间钢筋的平均应变与裂缝截面钢筋应变之比，它反映了裂缝间混凝土受拉对纵向钢筋应变的影响程度。,愈小，裂缝间混凝土协助钢筋抗拉作用愈强。该系数按下列公式计算,并,规定,0.2,1.0,式中,按有效受拉混凝土面积计算的纵向受拉,钢筋配筋率，,。,有效受拉混凝土面积。对受弯构件，近似取,按荷载短期效应组合计算的裂缝截面处纵向受拉钢筋的应力，根据使用阶段,（,阶段,）,的应力状态及受力特征计算,:,对,受弯构件,式中,：,M,k,按荷载短期效应组合计算的弯矩值，即按全部永久荷载及可变荷载标准值求得的弯矩标准值。,0,0.87,k,sk,s,M,A h,s,=,10.1.4,长期刚度,B,l,长期刚度,B,l,是指考虑荷载长期效应组合时的刚度值。在荷载的长期作用下，由于受压区混凝土的徐变以及受拉区混凝土不断退出工作，即,钢筋与混凝土间,粘结滑移徐变,、混凝土,收缩，,致使构件截面抗弯刚度降低，变形增大，故计算挠度时必须采用长期刚度,B,l,。,规范,建议采用荷载长期效应组合挠度增大的影响系数,来考虑荷载长期效应对刚度的影响。长期刚度按下式计算：,式中：,M,q,按荷载长期效应组合下计算的弯矩值，即按永久荷载标准值与可变荷载准永久值计算。,式,中,分别为受压及受拉钢筋的配筋率。,此处反映了在受压区配置受压钢筋对混凝土受压徐变和收缩起到一定约束作用，能够减少构件在长期荷载作用下的变形。上述,适用于一般情况下的矩形、,T,形、工字形截面梁，,值与温湿度有关，对干燥地区，,值应酌情增加,15,25,。对翼缘位于受拉区的,T,形截面，,值应增加,20,。,10.1.5,受弯构件变形验算,（,1,）变形验算,目的,与,要求,其主要从以下几个方面考虑：,保证结构的使用功能要求；,防止对结构构件产生不良影响；,防止对非结构构件产生不良影响；,保证使用者的感觉在可接受的程度之内。,因此，,对受弯构件在使用阶段产生的最大变形值,f,必须加以限制，即,受弯构件变形验算目的主要是用以满足,适用性,。,f,f,其中,f,为挠度变形限值。,混凝土结构构件变形和裂缝宽度验算属于正常使用极限状态的验算，与承载能力极限状,态计算相比，正常使用极限状态验算具有以下二个,特点,：,考虑到结构超过正常使用极限状态对生命财产的危害远比超过承载能力极限状态的,要小，因此其目标可靠指标,值要小一些，故,规范,规定变形及裂缝宽度验算均采用,荷载标准值,和,材料强度的标准值,。,由于可变荷载作用时间的长短对变形和裂缝宽度的大小有影响，故验算变形和裂缝宽度时应按,荷载短期效应组合值,并,考虑,荷载长期效应,的,影响,进行。,10.1.6,受弯构件变形计算方法,为了简化计算，,规范,在挠度计算时采用了,“最小刚度原则”,，即：在同号弯矩区段采用最大弯矩处的截面抗弯刚度,（,即最小刚度,）,作为该区段的抗弯刚度，对不同号的弯矩区段，分别取最大正弯矩和最大负弯矩截面的刚度作为正负弯矩区段的刚度。,理论上讲，按,B,min,计算会使挠度值偏大,但实际情况并不是这样。因为在剪跨区段还存在着剪切变形，甚至出现斜裂缝，它们都会使梁的挠度增大，而这是在计算中没有考虑到的，这两方面的影响大致可以相互抵消，亦即在梁的挠度计算中除了弯曲变形的影响外，还包含了剪切变形的影响。,受弯构件变形验算按下列步骤进行：,计算荷载短期效应组合值,M,s,和荷载长期效应组合值,M,l,；,按下列式子计算,:,计算长期刚度,B,l,按式,：,计算短期刚度,B,s,按式,:,用,B,l,代替材料力学位移公式,中的,EI,，,计,算出构件的最大挠度，并按式,进行验算。,f,f,若验算结果 ，从短期刚度计算公式可知，增大截面高度是提高截面抗弯刚度、减小构件挠度的最有效措施；若构件截面受到限制不能加大时，可考虑增大纵向受拉钢筋的配筋率或提高混凝土强度等级，但作用并不显著，对某些构件还可以充分利用纵向受压钢筋对长期刚度的有利影响，在受压区配置一定数量的受压钢筋，另外，采用预应力混凝土构件也是提高受弯构件刚度的有效措施。实际工程中，往往采用控制跨高比的方法来满足变形条件的要求。,f ,f,10.2,混凝土构件裂缝宽度计算,国内外学者先后提出了以下理论来解释裂缝开展的机理：,1.,这一理论认为裂缝控制主要取决于钢筋和混凝土之间的,粘结性能,，当裂缝出现后，钢筋与混凝土之间的粘结发生局部破坏，这时，在裂缝处钢筋与混凝土之间的变形不再协调，出现相对滑移。,*轴心受拉构件,*影响因素是：荷载水平、混凝土强度、配筋率、粘结强度,1.,粘结,滑移理论,2.,无滑移理论,3.,综合理论,这一理论认为，在通常允许的裂缝宽度范围内，钢筋与混凝土之间的粘结力并不破坏，相对滑移很小，致使钢筋表面处裂缝宽度要比构件表面裂缝宽度小得多。按此理论，表面裂缝宽度是由钢筋至构件表面混凝土的应变梯度控制的，因此钢筋保护层厚度是影响裂缝宽度的主要因素，而截面配筋率和钢筋直径对裂缝的间距和宽度影响很小。,前面所述两个理论都对揭示混凝土受拉裂缝的规律作出了贡献。它们对于裂缝主要影响因素的分析和取舍各有侧重，都有一定试验结果支持。但它们的计算形式和计算结果差别很大，又都不能完全解释所有的试验现象和数据。,故研究者将有滑移理论和无滑移理论结合起来，既考虑了构件表面至钢筋的距离对裂缝宽度的重大作用，又修正钢筋界面上相对滑移和裂缝宽度为零的假设，计入粘结滑移的影响，得出一般的计算公式。,10.2,混凝土构件裂缝宽度计算,10.2.1,裂缝产生的原因,裂缝是工程结构中常见的一种作用效应，裂缝按其形成的原因可分为两大类：一类是由荷载作用引起的裂缝；另一类是由变形因素引起的裂缝，如温度变化、材料收缩以及地基不均匀沉降引起的裂缝，由于变形因素引起的裂缝计算因素很多，不易准确把握，故此处裂缝宽度计算的裂缝主要是指荷载原因引起的裂缝。,荷载的作用产生裂缝,广义荷载产生的裂缝（收缩徐变、沉降）,施工过程中产生裂缝（养护、水化反应、骨料、下沉、泌水）,使用环境产生的裂缝（冻融、干燥收缩）,10.2,混凝土构件裂缝宽度计算,10.2.2,裂缝宽度验算的目的和要求,构件裂缝控制等级共分为三级：,一级为严格要求不出现裂缝；,二级为一般要求不出现裂,缝；,三级为允许出现裂缝。,一级和二级抗裂要求的构件，一般要采用预应力；而普通的钢筋混凝土构件抗裂要求为三级，阶段都是带裂缝工作的。当裂缝宽度较大时，一是会引起钢筋锈蚀，二是使结构刚度减少、变形增加，在使用从而影响结构的耐久性和正常使用，同时给人不安全感。因此，对允许出现裂缝的钢筋混凝土构件，裂缝宽度必须加以限制，要求使用阶段最大裂缝宽度小于允许裂缝宽度。,即,而且，沿裂缝深度裂缝宽度不相等，要验算的裂缝宽度则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。需要进行裂缝宽度验算的构件包括：受弯构件、轴心受拉构件、偏心受拉构件、偏心受压构件。,一类,室内正常环境,二,a,类,室内潮湿环境，露天的、与水土接触的环境（非寒冷地区）,二,b,类,露天的、与水土接触的环境（寒冷地区）,三类,使用除冰盐的环境，寒冷地区水位变动区，滨海室外,四类,海水环境,五类,侵蚀性物质影响的环境,10.2.3,裂缝特性,由于混凝土的不均匀性、荷载的可变性以及截面尺寸偏差等因素的影响，裂缝的出现、分布和开展宽度具有很大的随机性。但它们又具有一定的规律，从平均意义上讲，裂缝间距和宽度具有以下特性：,裂缝宽度与裂缝间距密切相关。裂缝间距大裂缝宽度也大。裂缝间距小，裂缝宽度也,小。而裂缝间距与钢筋表面特征有关，变形钢筋裂缝密而窄，光圆钢筋裂缝疏而宽。在钢筋面积相同的情况下，钢筋直径细根数多，则裂缝密而窄，反之裂缝疏而宽；,裂缝间距和宽度随受拉区混凝土有效面积增大而增大，随混凝土保护层厚度增大而增大；,裂缝宽度随受拉钢筋用量增大而减小；,裂缝宽度与荷载作用时间长短有关。,10.2.4,裂缝宽度的计算,1,）,最大裂缝宽度计算方法,规范,采用了一个半理论半经验的方