混凝土构件的变形.doc

混凝土构件的变形、裂缝宽度验算和耐久性概念设计1混凝土构件裂缝形成的原因？答：目前，混凝土是抗压性能大大优于抗拉性能的材料。由于其极限拉伸变形很小，当混凝土构件受到弯矩、剪力、拉力和扭矩等荷载效应作用，或由于地基不均匀沉降、混凝土收缩和温度变化而产生的外加变形受到钢筋或其它构件约束，以及钢筋锈蚀体积膨胀时，混凝土中便产生拉应力，该拉应力超过其极限抗拉强度时就会开裂。同时，混凝土材料来源广泛，成分多样，施工工序繁多，养护硬化需要较长时间，受环境影响较大，混凝土自身构成机理，以及冻融和化学作用等也往往是混凝土开裂的原因。所以，钢筋混凝土构件截面在施工中和正常使用阶段难免出现荷载和非荷载因素导致的裂缝。2为什么要对混凝土构件进行裂缝宽度控制？答：对裂缝宽度进行控制的原因：（1）使用功能的要求有些使用上要求不出现渗漏的贮液（气）容器或输送管道，裂缝的存在会直接影响其使用功能，因此，要对其控制裂缝的出现。（2）建筑外观要求外观是评价混凝土质量的重要因素之一，裂缝过宽会影响建筑的外观，引起人们的不安全感。满足外观要求的裂缝宽度限值选取，取决于多种原因。调查表明，控制裂缝宽度在0.3mm以内，对外观没有显著影响，一般不会引起人们的特别注意。（3）耐久性要求这是控制裂缝最主要的原因。化学介质、气体和水分侵入裂缝，破坏了钢筋的钝化膜，会在钢筋表面发生电化学反应，引起钢筋锈蚀，使构件发生破坏，影响结构的使用寿命。3混凝土构件裂缝控制的标准如何？答：混凝土构件的裂缝控制统一划分成三级，分别用应力及裂缝宽度进行控制。一级：严格要求不出现裂缝的构件，按荷载效应标准组合进行计算时，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进行计算时，构件受拉边缘混凝土的拉应力不应超过混凝土的抗拉强度标准值ftk，按荷载效应准永久组合下进行计算时，构件受拉边缘混凝土不应产生拉应力；三级：允许出现裂缝的构件，最大裂缝宽度按荷载效应标准组合并考虑长期作用组合影响计算，并符合下列规定wmaxwlim 式中wmax在荷载效应的标准组合并考虑长期作用影响计算得到的最大裂缝宽度； wlim最大裂缝宽度限值，设计时应根据结构构件的具体情况按教材附表17选用。对普通钢筋混凝土构件一般按三级控制裂缝宽度。4为什么要对混凝土构件的挠度进行控制？答：对挠度的控制主要基于以下的原因：（1）结构构件挠度过大，会损坏其使用功能。如工业厂房中，吊车梁挠度过大会增加轨道与扣件间的磨损，甚至影响吊车正常运行，无法作业；屋面梁、板挠度过大会导致屋面积水，引起渗漏和附加挠度；楼面梁、板挠度随可变荷载的变化而变化，过大则被其支承的仪器、设备难以维持水平和稳定而影响正常使用。（2）梁、板挠度过大会使与之相连的脆性非承重墙（如用石膏板、灰砂砖等建造的隔断墙、填充墙）严重脱离、开裂、被压碎。（3）根据经验，日常生活中，人们心理上能够承受的最大挠度大致为l/250（l为构件的计算跨度），超过此限值就有可能引起用户的不安。（4）梁端转角过大将使梁底的应力分布曲线变化，改变其支承面积和支承反力的作用点，并可能危及砌体墙（或柱）的稳定，墙体产生沿楼板的水平裂缝。（5）构件挠度过大，在可变荷载作用下可能发生振动，出现动力效应，使结构内力增大，甚至发生共振。使构件的受力特征与静态假定不符。5混凝土构件挠度控制的标准如何？答：规范规定，采用正常使用极限状态，按荷载效应标准组合计算（包括了整个使用期内出现时间很短的荷载值），同时考虑长期作用的影响（只包括在整个使用期内出现时间很长的荷载值），所求得的最大挠度f不应超过允许值f，即规范规定的受弯构件挠度限值见教材附表15。规范规定，在验算正常使用极限状态时，材料的强度值应取其标准值。6在计算钢筋混凝土受弯构件的抗裂度时，可采用哪些基本假定？答：在计算钢筋混凝土受弯构件的抗裂度时，可采用下列基本假定：（1）截面应符合平截面假定，受拉区边缘纤维应变等于混凝土受弯极限拉应变tu；（2）受压区混凝土的应力-应变关系符合线性规律，所以受压区应力图形为三角形；（3）受拉区混凝土应力为均匀分布（亦即应力图形为矩形），其应力值等于混凝土抗拉强度标准值ftk；（4）相应于混凝土抗拉强度标准值ftk的受拉变形模量Ect=0.5Ec，亦即这时的混凝土极限拉应变为tu=2ftk/ Ec （9-3）式中Ec为混凝土弹性模量。（5）钢筋的应力-应变关系符合线性规律，即s=Ess。由于粘结力的存在，受拉钢筋的应变与周围同一水平处的混凝土的拉应变相等，可以近似取stu。7计算混凝土构件在使用荷载作用下的最大裂缝宽度有哪几种方法？规范以第几种方法为主？答：计算在使用荷载作用下的最大裂缝宽度，有几种方法，第一种先确定平均裂缝间距和平均裂缝宽度，而后乘以根据试验统计求得的“扩大系数”来确定最大裂缝宽度；第二种是直接给出最大裂缝间距来计算最大裂缝宽度；第三种是确定主要影响参数，根据数理统计，在一定的保证率条件下，给出最大裂缝宽度的计算公式。规范以第一种方法为主。8在长期荷载作用下，钢筋混凝土受弯构件的裂缝宽度不断增大的原因是什么？答：在长期荷载作用下，钢筋混凝土受弯构件的裂缝宽度不断增大的原因有如下：（1）混凝土的收缩，尤其是受拉混凝土的收缩是最主要的因素。（2）受拉混凝土和受拉钢筋的粘结滑移徐变，使受拉混凝土不断退出工作，从而使受拉钢筋平均应变随时间增大。受压混凝土徐变，使受压区高度不断增大，内力臂逐渐减小，从而引起受拉钢筋应力不断增大。9混凝土受弯构件的截面抗弯刚度与匀质弹性材料梁相比较有何特点？答：混凝土受弯构件与匀质弹性材料梁相比较，钢筋混凝土是不匀质的非弹性材料，因此混凝土受弯构件的截面抗弯刚度不为常数，其主要特点如下：（1）随着荷载的增大而减小；（2）随着配筋率r的降低而减小；（3）沿构件跨度，截面抗弯刚度是变化的；（4）随加载时间的增长而减小。10钢筋混凝土受弯构件受力变形与匀质线弹性材料梁相比有何特点？答：钢筋混凝土受弯构件受力变形与匀质线弹性材料梁相比，具有如下特点：(1) 受拉区混凝土开裂后，裂缝截面处全部拉力均由钢筋承担，混凝土退出工作（忽略裂缝尖端至中性轴间的微小拉力），而裂缝之间的混凝土仍参加工作。其拉力是由钢筋通过与混凝土交界面上的粘结剪应力t传来，距裂缝截面越远，通过t的累积传给混凝土的拉力越大，钢筋应力就越小，故即使在“纯弯段”（忽略自重）范围内，受拉钢筋的应变es(z)、受压区边缘混凝土应变ec(z)，中性轴位置x(z)、曲率1/f (z)和刚度B(z)仍然沿梁轴方向呈波浪形分布，其波峰分别位于裂缝截面或两裂缝之中间截面处。(2) 由于混凝土的抗拉强度较低，构件受拉区多有裂缝存在，并且开展到一定宽度，开裂前原为同一平面而开裂后部分混凝土受拉截面已劈裂为二，表明在裂缝附近钢筋和混凝土之间已经产生相对位移，且原来受拉张紧的混凝土开裂后回缩，材料应变发生突变，单就裂缝附近局部范围来说，这种现象是不符合材料力学中的平截面假定的。但大量试验结果表明，直到钢筋屈服前，在“纯弯段”内截面应变若采用跨越几条裂缝的长标距量测时，其平均应变大体上还是符合平截面假定的。(3) M-f关系呈曲线形。在混凝土开裂前，截面基本上处于弹性工作阶段，M与f大致为直线关系（0T）。一经开裂受拉区混凝土就基本退出工作，因而与开裂前相比，曲率随着M的增大而增长速度明显加快，刚度显著降低，在M-f曲线上出现一个鲜明的转折点。其转折角的大小主要取决于配筋率r，r越低，转折角越大，从前面的刚度特点中同样可知，也就是刚度的降低越多。开裂后，随着M的增加，由于受压区混凝土应变不断增大，受压区混凝土塑性性质表现地越来越明显，应力增长速度较应变增长速度要慢，故受压区应力图形将呈曲线变化，应力-应变关系已不符合虎克定律。并且在开裂截面附近的局部区域内，截面应变分布不符合平截面假定。这也说明了，开裂后，截面的中和轴位置不仅与截面的几何特征有关，而且与截面的应力分布和M大小有关。(4) 钢筋混凝土受弯构件在长期荷载作用下，变形随时间增长。11什么是“最小刚度原则“？答：沿钢筋混凝土梁长各截面的刚度是变值，这就给挠度计算带来了一定的复杂性。为了简化计算，在实用上，同一符号弯矩区段内，各截面的刚度均可按该区段的最小刚度（用Bmin表示）计算，亦即按最大弯矩处截面刚度计算。换句话说，也就是曲率f按M/Bmin计算。该计算原则通常称为最小刚度原则。12在长期荷载作用下，受弯构件挠度不断增长的原因是什么？其影响因素如何？何谓挠度增大系数？答：在长期荷载作用下，受弯构件挠度不断增长的原因有如下几方面：（1）受压混凝土发生徐变，使受压应变随时间增长而增大。同时，由于受压混凝土塑性变形的发展，使内力臂减小，从而引起受拉钢筋应力和应变的增长。（2）受拉混凝土和受拉钢筋间粘结滑移徐变，受拉混凝土的应力松弛以及裂缝向上发展，导致受拉混凝土不断退出工作，从而使受拉钢筋平均应变随时间增大。（3）混凝土收缩。当受压区混凝土收缩比受拉区大时，将使梁的挠度增大。上述因素中，受压混凝土的徐变是最主要的因素。影响混凝土徐变的因素，如受压钢筋的配筋率、加荷龄期和使用环境的温湿度等，都对长期荷载作用下挠度的增大有影响。在长期荷载作用下受弯构件挠度的增大用挠度增大系数来反映。挠度增大系数q为长期荷载作用下的挠度fl与短期荷载作用下的挠度fs的比值，即q=fl/fs。13何谓混凝土的耐久性？答：混凝土的耐久性是指在正常维护的条件下，在设计使用年限内，在指定的工作环境中保证结构满足规定的功能要求，而不需进行维修加固。14影响混凝土结构耐久性的因素主要有哪些？答：影响混凝土结构耐久性的因素主要有内部和外部两个方面。内部因素主要是指混凝土的强度、渗透性、保护层厚度、水泥品种、标号和用量以及外加剂用量等，外部因素则指环境温度、湿度、二氧化碳含量等。此外，设计不周、施工质量差或使用中维修不当等也会影响耐久性能。15混凝土结构耐久性能下降或耐久性能失效主要表现在哪几方面？答：混凝土结构耐久性能下降或耐久性能失效主要表现在如下几个方面。 （1）混凝土的碳化混凝土碳化是指大气中的二氧化碳与混凝土中的碱性物质发生反应使混凝土的碱性下降。其它物质如二氧化硫，硫化氢等也能与混凝土中的碱性物质发生类似反应，使混凝土中性化，即pH值下降。混凝土碳化对混凝土的主要危害表现在使混凝土中的钢筋保护膜受到破坏，引起钢筋锈蚀，从而影响承载力水平。混凝土的碳化是混凝土结构耐久性能失效的重要影响因素之一。减小、延缓混凝土的碳化，可有效地提高混凝土结构的耐久性能。（2）钢筋锈蚀钢筋表面氧化膜的破坏是使钢筋锈蚀的必要条件。这时，如果含氧水份侵入，钢筋就会锈蚀。因此，含氧水分侵入是钢筋锈蚀的充分条件。钢筋锈蚀严重时，体积膨胀，导致沿钢筋长度出现纵向裂缝，并使保护层剥落，从而使钢筋截面削弱，截面承载力降低，最终将使结构构件破坏或失效。钢筋锈蚀体积膨胀使混凝土保护层脱落，钢筋有效面积减小，导致承载力下降甚至引起结构破坏。因此，钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性能失效的关键因素。增大混凝土保护层厚度可以延缓钢筋的锈蚀，因为厚度大时，混凝土碳化及钢筋表面氧化膜被破坏的时间就越长。通常由于钢筋大面积的锈蚀才导致沿钢筋发生纵向裂缝，但纵向裂缝的出现将会加速钢筋的锈蚀。可以把大范围内出现沿钢筋的纵向裂缝作为判别混凝土结构构件寿命终结的标准。（3）混凝土冻融破坏混凝土水化结硬后内部有很多毛细孔。在浇筑混凝土时，为了得到必要的和易性，往往会比水泥水化所需要的水多一些。处于饱和水状态的混凝土受冻时，毛细孔中同时受到膨胀压力和渗透压力，使混凝土结构产生内部裂缝和损伤，经多次反复冻结、融化，损伤积累到一定程度就引起结构破坏。（4）混凝土的碱集料反应混凝土的集料中某些活性矿物与混凝土微孔中的碱性溶液发生化学反应称为碱集料反应。在我国，部分地区存在混凝土的碱集料反应，碱集料反应产生碱硅酸盐凝胶，并吸水膨胀，体积可增大34倍，从而引起混凝土剥落、开裂强度降低，甚至导致破坏。碱集料反应进展缓慢，需要多年才会造成结构破坏，所以是影响混凝土耐久性的因素之一。控制使用含活性成分的骨料，采用低碱水泥或掺入粉煤灰降低混凝土中的碱性，可以防止碱集料反应。（5）侵蚀性介质对混凝土的腐蚀：硫酸盐腐蚀、酸腐蚀、海水腐蚀以及盐类结晶型腐蚀等化学介质对混凝土的侵蚀，表现在有些化学物质侵入造成混凝土中一些成分被溶解，流失，引起裂缝，孔隙，松散破碎；有些化学物质与侵入混凝土中的一些成分反应生成体积膨胀的物质，引起混凝土结构破坏。如酸、碱溶液直接接触混凝土时将产生严重的腐蚀；海港及海堤混凝土结构中钢筋锈蚀严重；大气中的酸雨则大面积地影响着工程结构的耐久性。对此，应根据实际情况，采取相应的技术措施，防止或减少对混凝土结构的侵蚀。另外，在冬季施工时往往在混凝土中掺氯化钠，如果掺量控制不严，将造成钢筋锈蚀或严重锈蚀。大量工程调查表明如果混凝土中含氯化钠，即使在混凝土未碳化区内也有10钢筋发生严重锈蚀。因此必需严格禁止使用氯盐。（6）耐久性能下降或耐久性能失效的其它表现：如生物腐蚀，混凝土徐变等等。16减缓混凝土碳化和防止钢筋锈蚀的措施有哪些？答：减缓混凝土碳化和防止钢筋锈蚀的措施： （1）钢筋要有足够的保护层厚度在一般情况下，混凝土碳化达到钢筋表面需要一定的时间，即脱钝时间。显然，保护层厚度愈大，脱钝时间越长。如果脱钝时间超过建筑的设计使用年限，即可满足要求。因此规范对钢筋的保护层厚度作了下面的规定：纵向受力钢筋及预应力钢筋、钢丝、钢绞线的混凝土保护层厚度（从钢筋外边缘到混凝土外边缘的距离）不应小于钢筋的公称直径或并筋的等效直径，且应符合附表有关混凝土保护层最小厚度的规定。（2）合理设计混凝土的配合比首先，要有足够的水泥用量，一般不宜少于225kg/mm2，见表9.3的规定，以保持混凝土的碱性；同时，尽量降低水灰比，以减少游离水的量，对此可以采用减水剂，在满足施工要求的前途下，降低用水量；用优质掺和料，严格控制原材料的含盐量。（3）尽量提高混凝土的密实性，增强抗渗性对一般混凝土而言，设计、施工中要保证混凝土的密实性，保证振捣充分、密实，按规程要求仔细养护，经常保持新浇混凝土表面湿润，可采用养护液，覆盖养护材料等措施，以减少水分蒸发，避免出现表面裂缝。（4）控制混凝土掺和料的量混凝土中采用掺和料时，在满足强度条件的情况下，采用超量替代法设计配合比。（5）采用覆盖面层覆盖面层可以隔离混凝土表面与大气环境的直接接触，这对减小混凝土碳化十分有利，尤其是在不利甚至恶劣的环境条件下，效果明显；同时防止水、二氧化碳、氯离子和氧气的侵入，减少钢筋锈蚀。（6）采用钢筋阻锈剂，以防止氯盐的腐蚀；采用防腐蚀钢筋，其种类有：环氧涂层钢筋、镀锌钢筋、不锈钢钢筋等；对钢筋采用阴极保护法，包括牺牲阳极法和输入电流法等。17耐久性概念设计的目的和基本原则如何？答：耐久性概念设计的目的是指在规定的设计使用年限内，在正常维护情况下，必须保持适合使用，满足规定功能的要求。在此，要求在规定的设计使用年限内，混凝土结构应能在自然和人为环境的化学和物理作用下，不出现无法接受的承载力减小、使用功能降低和不能接受的外观破损等耐久性问题。所出现的问题通过正常的维护即可解决，而不能付出很大的代价。对临时性混凝土结构和大体积混凝土的内部可以不考虑耐久性设计。耐久性概念设计的基本原则是根据结构的环境分类和设计使用年限进行设计。18保证耐久性的技术措施及构造要求有哪些？答：保证耐久性的技术措施及构造要求：为保证混凝土结构的耐久性，根据环境类别和设计的使用年限，针对影象耐久性的主要因素，应从设计、材料和施工方面提出技术措施，并采取有效的构造措施。（1）结构设计技术措施1）未经技术坚定及设计许可，不能改变结构的使用环境，不得改变结构的用途。2）对于结构中使用环境较差的构件，宜设计成可更换或易更换的构件。3）宜根据环境类别，规定维护措施及检查年限；对重要的结构，宜在与使用环境类别相同的适当位置设置供耐久性检查的专用构件。4）对于暴露在侵蚀性环境中的结构构件，其受力钢筋可采用环氧涂层带肋钢筋，预应力筋应有保护措施。在此情况下宜采用高强度等级的混凝土。（2）对混凝土材料的要求用于一、二和三类环境中设计使用年限为50年的结构混凝土，应控制最大水灰比、最小水泥用量、最低强度等级、最大氯离子含量以及最大碱含量，符合附表18的要求。设计使用年限为100年且处于一类环境中的混凝土结构，应符合下列规定：1）钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C30，预应力混凝土结构的混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C40；2）混凝土中氯离子含量不得超过水泥重量的006；3）宜使用非碱活性骨料；当使用碱活性骨料时，混凝土中碱含量不应超过3.0kg/m3；对设计使用年限为100年且处于二类、三类环境中的混凝土结构应采取专门有效的措施。对于特殊结构，为防止碱集料集料反应，应对骨料及掺合料提出具体要求。处于寒冷及严寒环境中结构的混凝土，有抗渗要求的混凝土，均应遵照有关规范相应的等级要求。（3）施工要求混凝土的耐久性主要取决于它的密实性，除应满足上述对混凝土材料的要求外，还应高度重视对混凝土的施工质量，控制商品混凝土的各个环节，加强对商品混凝土的养护，防止过早受荷等。（4)混凝土保护层最小厚度混凝土保护层最小厚度是从保证钢筋与混凝土共同工作，满足对受力钢筋的有效锚固以及保证耐久性的要求为依据的。纵向受力钢筋及预应力钢筋、钢丝、钢绞线的混凝土保护层厚度是指从钢筋外缘到混凝土外边缘的距离，它不应小于钢筋的直径或等效直径，也不应小于骨料最大粒径的15倍，且应符合附表的规定。处于一类环境中的构件，主要从保证有效锚固及耐火性的要求加以确定的。处于二、三类环境中的构件，主要依据在设计使用年限混凝土保护层完全碳化确定的，它与混凝土等级有关。对于梁、柱构件，因棱角部分的混凝土双向碳化，且易产生沿钢筋的纵向裂缝，故保护层最小厚度要大些。对于设计使用年限为100年的房屋结构，表中混凝土保护层厚度应乘以系数1.4或采用表面防护、定期维修等措施。当钢筋直径或等效直径大于32mm时，应计算裂缝宽度，如不满足，应在保护层中配置表面钢筋网片。值得注意的是在确定保护层厚度时，不能一味增大厚度，因为增大厚度一方面不经济，另一方面使裂缝宽度较大，效果不好；较好的方法是采用防护覆盖层，并规定维修年限。