钢筋混凝土构件的变形裂缝及混凝土结构的耐久性

*,砼结构基本原理第9章,第9章 钢筋混凝土构件的变形、裂缝,及混凝土结构的耐久性,9.0 概述,一.变形和裂缝问题的性质：,正常使用极限状态(适用性）,。,二.变形和裂缝问题与承载力极限状态的关系：前者必要时验算，承载力极限状态在任何情况下必须计算。,三.对正常使用极限状态可靠性的要求比对承载力极限状态可靠性的要求低些，因此前者验算时取材料强度和荷载的标准值，后者计算时取取材料强度和荷载的设计值。,四.为考虑抗震要求，结构应具备一定的延性。,五.对结构应根据设计使用年限进行耐久性概念设计。,1,河北工程大学土木工程学院 孙克,适用性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。,2,河北工程大学土木工程学院 孙克,9.1 钢筋混凝土受弯构件的挠度验算,零.问题的提出,1.挠度验算的要求：满足公式（9-22）即f0.2,h,0,时，取,h,f,=0.2,h,0,。,13,河北工程大学土木工程学院 孙克,（4）短期刚度的计算式：公式（9-16）,14,河北工程大学土木工程学院 孙克,四.受弯构件（长期）刚度,1.荷载长期作用下刚度降低的原因：徐变,2.（长期）刚度 ：,长期刚度,B,是指考虑荷载长期效应组合时的刚度值。,按公式（9-20）计算，其实质是将短期刚度修正（折减）后得到的。,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：,M,q,按荷载长期效应组合下计算的弯矩值，,按永久荷载标准值与可变荷载准永久值计算。,15,河北工程大学土木工程学院 孙克,五.最小刚度原则与挠度计算,1.问题的提出：,（1）前述刚度是指梁的平均刚度（或纯弯段）的计算方法，工程设计计算时如何使用此方法值得讨论。,（2）前述刚度未考虑靠近支座处刚度减小的幅度（若仅考虑弯矩）要小些和剪切变形的影响（将减小刚度）。,16,河北工程大学土木工程学院 孙克,（受弯构件变形计算方法）,规范在挠度计算时采用了,“最小刚度原则”,：,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。,根据此刚度计算出的挠度最大。,2.解决问题的办法：采用最小刚度原则,3.最小刚度原则,17,河北工程大学土木工程学院 孙克,18,河北工程大学土木工程学院 孙克,若验算结果,六、对受弯构件挠度验算的讨论,1.影响短期刚度的因素,(1),由计算公式（9-16）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；,(2)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；,(3),在受压区配置一定数量的受压钢筋,；,提高截面抗弯刚度,（4）Mk,2.配筋率对承载力和挠度的影响：在适筋范围内，提高配筋率能提高承载力，但提高刚度不明显，有时甚至加大挠度，见图（9-9）；,f ,f,:则如下,19,河北工程大学土木工程学院 孙克,受弯构件变形验算按下列具体步骤进行：,计算荷载短期效应组合值,M,k,和荷载长期效应组合值,M,l,；按下列式子计算:,计算短期刚度,B,s,:,4.挠度计算步骤,（1）根据最小刚度原则确定所求刚度；,（2）代入材料力学公式计算挠度；,（3）满足公式（9-22）的要求。,20,河北工程大学土木工程学院 孙克,受弯构件变形验算按下列步骤进行：,计算长期刚度,B,：,用,B,代替材料力学公式,中的,EI,，计,算出构件的最大挠度，并按式,进行验算。,f,f,21,河北工程大学土木工程学院 孙克,3.跨高比：一般讲，跨度越大则挠度越大；梁高越大，挠度越小；可选择适当的跨高比，可控制挠度；,4.混凝土结构构件变形限值：规范根据有关要求规定的具体数值，见附表5-1。,22,河北工程大学土木工程学院 孙克,9.2 钢筋混凝土构件裂缝宽度验算,一.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。,9.2.3 裂缝特性,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；,23,河北工程大学土木工程学院 孙克,二.裂缝宽度验算的,目的和要求,1）.,目的,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。,2）.,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。,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。,24,河北工程大学土木工程学院 孙克,三.裂缝的出现、分布和开展,1.裂缝的出现：混凝土达到其抗拉强度后产生塑性变形，达到其极限拉伸变形后即开裂；理论上讲，混凝土抗拉强度是相等的，但是，由于混凝土材料的离散性，总存在某薄弱处，此处强度最低，因此在该处混凝土将首先开裂，如图9-12（a）；,25,河北工程大学土木工程学院 孙克,2.裂缝的分布：,裂缝截面处混凝土产生滑移并退出工作，钢筋应力突增；离开裂缝截面一段长度（称为“传递长度”）,后，混凝土与钢筋又能共同工作；当弯矩增大时，有可能在大于传递长度的部位出现新的裂缝，直到裂缝“出齐”，一般讲，,受弯构件受拉区两条裂缝之间的平均间距为1.5倍的传递长度，,见图9-12（b）；,3.裂缝的开展：,由于裂缝截面处混凝土的不断回缩、钢筋的不断伸长，裂缝宽度将加大,；一般讲，受拉钢筋表面处混凝土的裂缝宽度大约为构件受拉区表面处混凝土裂缝跨度的1/51/3；,4.根据上述原理可进行裂缝宽度的计算，由于考虑了混凝土与钢筋的滑移，所以求出的,裂缝宽度是指钢筋表面处的,，此即我国规范的基本计算原理。,5.我国规范的,思路,：,平均裂缝间距 平均裂缝宽度 最大裂缝宽度,26,河北工程大学土木工程学院 孙克,四.平均裂缝间距,1.根据试验有关系：,平均裂缝间距=1.5传递长度,；,2.传递长度的求解：由图9-14，由脱离体的平衡条件可得到平均裂缝间距的理论计算公式（9-27）；,3.考虑钢筋外形和混凝土保护层的影响，可得到平均裂缝间距的经验公式（9-29）；,图9-14,27,河北工程大学土木工程学院 孙克,28,河北工程大学土木工程学院 孙克,五.平均裂缝宽度,1.平均裂缝宽度计算式（,具体思路如下,）,（1）计算原理：平均裂缝宽度=平均裂缝间距范围内钢筋的伸长减去同一纵向纤维处混凝土的伸长，见图9-15；,（2）根据上述原理可导出表达式（9-30）；,（3）根据试验，对公式（9-30）修正后可得经验公式（9-32），此式与裂缝截面处钢筋应力、等因素有关。,推导如下页：,2.裂缝截面处的钢筋应力计算,对于受弯构件，裂缝截面处钢筋的应力可根据适筋梁第II阶段的应力图形求得，即公式（9-33），其余构件裂缝截面处的钢筋应力可同理计算，如公式（9-34）（轴拉构件）、（9-35）（偏拉构件）和（9-36）（偏压构件）。,推导如下页：,29,河北工程大学土木工程学院 孙克,30,河北工程大学土木工程学院 孙克,六.最大裂缝宽度及其验算,1.确定最大裂缝宽度的方法,（1）原则：最大裂缝宽度=扩大系数*平均裂缝宽度,（2）扩大系数考虑了裂缝宽度不均匀性、应力松弛和徐变。,2.最大裂缝宽度的计算,（1）根据试验结果分析可得计算公式为（9-40）式；,（2）式中各符号的意义见书上的说明；,（3）公式（9-40）求得的最大裂缝宽度具有95%的保证率。,推到如下,31,河北工程大学土木工程学院 孙克,各种构件正截面最大裂缝宽度计算公式为,:,规范要求计算的,max,具有,95,的保证率。,最大裂缝宽度及其验算,符号意义同前，当裂缝宽度验算时,0.01时,取,=0.01；,32,河北工程大学土木工程学院 孙克,构件受力特征系数；,轴心受拉构件：偏心受拉构件,：,受弯构件和偏心受压构件：,c,混凝土保护层厚度，当,c,65mm时，取,c,=65mm,；,d,eq,纵向受拉钢筋的等效直径,（mm）,33,河北工程大学土木工程学院 孙克,裂缝截面处钢筋应力,sk,的计算,:,受弯构件,sk,计算按式,：,轴心受拉构件,式中,N,s,、,A,s,分别为按荷载短期效应组合计算的轴向拉力值和受拉钢筋总截面面积。,34,河北工程大学土木工程学院 孙克,3.最大裂缝宽度的验算条件,（1）按公式（9-40）求得的最大裂缝宽度小于或等于裂缝宽度限制数值，即公式（9-41）；,（2）分析公式（9-40）可知，减小裂缝宽度的主要措施（在已满足承载力要求的前提下）是减小钢筋的直径；,（3）不需要进行裂缝宽度验算的钢筋直径可查有关表格。,4.最大裂缝宽度的限制数值见附表5-3，一般为0.20.3mm。,35,河北工程大学土木工程学院 孙克,9.3 混凝土构件的延性,一.延性概念,1.延性的基本定义：构件从钢筋（或构件、截面）屈服至达到承载力极限状态期间的变形能力。,即延性是反映构件的后期变形能力。,2.要求构件具备延性的目的,（1）吸能、抗震；,（2）防止脆性破坏；,（3）适应非直接荷载的作用（如地基不均匀沉降和温差）；,（4）使超静定结构能充分发生内力重分布；,3.延性的描述指标：延性系数,36,河北工程大学土木工程学院 孙克,二.受弯构件的截面曲率延性系数,1.受弯构件截面曲率延性系数表达式,（1）受弯构件的延性用曲率延性系数表达；,（2）曲率延性系数的物理意义：截面达到承载力极限状态时的曲率与截面受拉钢筋开始屈服的曲率之比；,（3）根据平截面假定和上述两种状态的应力图形可推出截面曲率延性系数为公式（9-44）。,截面的延性的计算,37,河北工程大学土木工程学院 孙克,截面的延性的计算,截面的延性用延性系数来表达，计算时采用,平截面假定,。,受弯构件截面曲率延性系数表达式：,38,河北工程大学土木工程学院 孙克,2.影响因素,1）.影响因素主要包括：纵向钢筋配筋率、混凝土极限压应变、钢筋屈服强度及混凝土强度等。即极限压应变 以及受压区高度,kh,0,和 两个综合因素。,3.提高截面曲率延性系数的措施有,:,（1）纵向受拉钢筋配筋率增大，延性系数减小，限制纵向受拉钢筋的配筋率，一般不应大于2.5%；如图9-19；,（2）受压钢筋配筋率或混凝土极限压应变增大，延性系数增大；受压区高度 规定受压钢筋和受拉钢筋的最小比例，一般保持为,（3）混凝土强度提高且采用软钢，延性系数提高。,（4）在弯矩较大区段适当加密箍筋。,cu,e,39,河北工程大学土木工程学院 孙克,三、偏压构件截面曲率延性的分析,和受弯构件相同点,：,影响因素-纵向钢筋配筋率、混凝土极限压应变、钢筋屈服强度及混凝土强度等。即极限压应变 以及受压区高度,kh,0,和 两个综合因素。,和受弯构件,不同点：N,（1）轴压比,相同的混凝土极限压应变，,轴压比越大，,截面受压区高度越大，,截面曲率延性系数越小。,应限制轴压比。,（2）配箍率,配箍率高，,混凝土极限压应变值增大，使,截面曲率延性系数提高。,图（9-20）,40,河北工程大学土木工程学院 孙克,9.4 混凝土结构的耐久性,概念：耐久性,指在设计使用年限内，在正常维护下，必须保持适合于使用，而不需要进行维修加固。,9.4.1 耐久性的概念及其影响因素,耐久性,设计依据,主要是,结构的环境类别、设计使用年限及考虑对混凝土材料的基本要求,。,影响因素,：,内部因素：,混凝土强度、密实性、渗透性、保护层