钢筋混凝土构件的变形和裂缝宽度验算

《建筑结构》第八章钢筋混凝土构件的变形和裂缝宽度验算外观感觉裂缝过宽：钢筋锈蚀导致承载力降低，影响使用寿命耐久性—心理承受：不安全感，振动噪声对非结构构件的影响：门窗开关，隔墙开裂等振动、变形过大对其它结构构件的影响影响正常使用：如吊车、精密仪器适用性—承载能力极限状态安全性——结构的功能8.1概述《建筑结构》第八章钢筋混凝土构件的变形和裂缝宽度验算对于超过正常使用极限状态的情况，由于其对生命财产的危害性比超过承载力极限状态要小，因此相应的可靠度水平可比承载力极限状态低一些。正常使用极限状态的计算表达式为，Sk：作用效应标准值，如挠度变形和裂缝宽度，应根据荷载标准值和材料强度标准值确定。以受弯构件为例，在荷载标准值产生的弯矩可表示为，Msk=CGGk+CQQk由于活荷载达到其标准值Qk的作用时间较短，故Msk称为短期弯矩，其值约为弯矩设计值的50%~70%。由于在荷载的长期作用下，构件的变形和裂缝宽度随时间增长，因此需要考虑长期荷载的影响，长期弯矩可表示为，Mlk=CGGk+yqCQQkyq为活荷载准永久值系数kkRS《建筑结构》第八章钢筋混凝土构件的变形和裂缝宽度验算一、变形限值f≤[f][f]为挠度变形限值。主要从以下几个方面考虑：1、保证结构的使用功能要求。结构构件产生过大的变形将影响甚至丧失其使用功能，如支承精密仪器设备的梁板结构挠度过大，将难以使仪器保持水平；屋面结构挠度过大会造成积水而产生渗漏；吊车梁和桥梁的过大变形会妨碍吊车和车辆的正常运行等。2、防止对结构构件产生不良影响。如支承在砖墙上的梁端产生过大转角，将使支承面积减小、支承反力偏心增大，并会引起墙体开裂。3、防止对非结构构件产生不良影响。结构变形过大会使门窗等不能正常开关，也会导致隔墙、天花板的开裂或损坏。8.2受弯构件的变形验算《建筑结构》第八章钢筋混凝土构件的变形和裂缝宽度验算4、保证使用者的感觉在可接受的程度之内。过大振动、变形会引起使用者的不适或不安全感。受弯构件的挠度限值构件类型挠度限值（以计算跨度l0计算）吊车梁：手动吊车电动吊车l0/500l0/600屋盖、楼盖及楼梯构件：当l0≤7m时当7m≤l0≤9m时当l09m时l0/200(l0/250)l0/250(l0/300)l0/300(l0/400)注：1、表中括号内数值适用于使用上对挠度有较高要求的构件；2、悬臂构件的挠度限值按表中相应数值乘以系数2.0取用。《建筑结构》第八章钢筋混凝土构件的变形和裂缝宽度验算二、钢筋混凝土梁抗弯刚度的特点fEIMlEIqlf244853845均布：2lEIMSfEIM截面抗弯刚度EI体现了截面抵抗弯曲变形的能力，同时也反映了截面弯矩与曲率之间的物理关系。对于弹性均质材料截面，EI为常数，M-关系为直线。EIMlEIPlf23121481集中：2lSMEIEIM《建筑结构》第八章钢筋混凝土构件的变形和裂缝宽度验算（两端刚接）水平力-侧移：d312hEIV××（集中荷载）荷载-挠度：48f3lEIP×弯矩-曲率：EIM应力-应变：esE刚度是反映力与变形之间的关系：《建筑结构》第八章钢筋混凝土构件的变形和裂缝宽度验算由于混凝土开裂、弹塑性应力-应变关系和钢筋屈服等影响，钢筋混凝土适筋梁的M-关系不再是直线，而是随弯矩增大，截面曲率呈曲线变化。MyMsMcrEcI0BsMMMcrEcI00.85EcI0短期弯矩Msk一般处于第Ⅱ阶段，刚度计算需要研究构件带裂缝时的工作情况。该阶段裂缝基本等间距分布，钢筋和混凝土的应变分布具有以下特征：《建筑结构》第八章钢筋混凝土构件的变形和裂缝宽度验算sseeyccceey0hcseessMB《建筑结构》第八章钢筋混凝土构件的变形和裂缝宽度验算三、刚度公式的建立材料力学中曲率与弯矩关系的推导EIMyeye几何关系EEsees物理关系yIMs平衡关系EysEIM《建筑结构》第八章钢筋混凝土构件的变形和裂缝宽度验算1、几何关系：0hcsee2、物理关系：cccsssEEsese，0hCMs20bhMscs0hAMssss3、平衡关系：根据裂缝截面的应力分布scsch0ssAsCh00hTMs00hbhcs0hAsss《建筑结构》第八章钢筋混凝土构件的变形和裂缝宽度验算00000hAhTMhbhhCMssscsss20bhMscs0hAMssss3、平衡关系：根据裂缝截面的应力分布scsch0ssAsCh0ccceyessyeecccEsy20bhEMcscy20bhEMcsssEsy0hAEMsssy《建筑结构》第八章钢筋混凝土构件的变形和裂缝宽度验算ssBMyEssshAEB20ccceyecccEsy20bhEMcscy20bhEMcsssyeessEsy0hAEMsssy0hcsee0020hhAEMbhEMssscsy《建筑结构》第八章钢筋混凝土构件的变形和裂缝宽度验算四、参数、和y1、开裂截面的内力臂系数试验和理论分析表明，在短期弯矩Msk=（0.5~0.7）Mu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，值在0.83~0.93之间波动。《规范》为简化计算，取=0.87。2、受压区边缘混凝土平均应变综合系数根据试验实测受压边缘混凝土的压应变，可以得到系数的试验值。在短期弯矩Msk=（0.5~0.7）Mu范围，系数的变化很小，仅与配筋率有关。《规范》根据试验结果分析给出，fEE5.3162.00)(bhhbbfff受压翼缘加强系数《建筑结构》第八章钢筋混凝土构件的变形和裂缝宽度验算《建筑结构》第八章钢筋混凝土构件的变形和裂缝宽度验算3、钢筋应变不均匀系数ytesktkfsy65.01.10hAMsskskstesteAAte为以有效受拉混凝土截面面积计算的受拉钢筋配筋率。Ate为有效受拉混凝土截面面积，对受弯构件取fftehbbbhA)(5.0当y0.2时，取y=0.2；当y1.0时，取y=1.0；对直接承受重复荷载作用的构件，取y=1.0。《建筑结构》第八章钢筋混凝土构件的变形和裂缝宽度验算yEssshAEB20在短期弯矩Msk=（0.5~0.7）Mu范围，三个参数、和y中，和为常数，而y随弯矩增长而增大。该参数反映了裂缝间混凝土参与受拉工作的情况，随着弯矩增加，由于裂缝间粘结力的逐渐破坏，混凝土参与受拉的程度减小，平均应变增大，y逐渐趋于1.0，抗弯刚度逐渐降低。tesktkfsy65.01.1fEssshAEBy5.31615.120《建筑结构》第八章钢筋混凝土构件的变形和裂缝宽度验算五、长期荷载作用下的抗弯刚度在长期荷载作用下，由于混凝土的徐变，会使梁的挠度随时间增长。此外，钢筋与混凝土间粘结滑移徐变、混凝土收缩等也会导致梁的挠度增大。根据长期试验观测结果，长期挠度与短期挠度的比值q可按下式计算，q4.00.222)(lBMMSlBMSfslsslq2lBMSflsslsslBMMMB)1(q长期抗弯刚度《建筑结构》第八章钢筋混凝土构件的变形和裂缝宽度验算六、受弯构件的挠度变形验算◆由于弯矩沿梁长的变化的，抗弯刚度沿梁长也是变化的。但按变刚度梁来计算挠度变形很麻烦。◆《规范》为简化起见，取同号弯矩区段的最大弯矩截面处的最小刚度Bmin，按等刚度梁来计算◆这样挠度的简化计算结果比按变刚度梁的理论值略偏大。◆但靠近支座处的曲率误差对梁的最大挠度影响很小，且挠度计算仅考虑弯曲变形的影响，实际上还存在一些剪切变形，因此按最小刚度Bmin计算的结果与实测结果的误差很小。“最小刚度刚度原则”《建筑结构》第八章钢筋混凝土构件的变形和裂缝宽度验算•结构的极限状态:承载能力极限状态:安全性正常使用极限状态:使用性和耐久性•对于结构的正常使用极限状态，应当使用荷载的标准值和准永久值，材料强度采用标准值。•正常使用极限状态主要验算构件的裂缝宽度以及变形（刚度）。•验算时应当考虑短期效应组合以及长期效应组合两种情况。《建筑结构》第八章钢筋混凝土构件的变形和裂缝宽度验算荷载引起的裂缝宽度一、裂缝的出现、分布与开展8.3裂缝宽度计算《建筑结构》第八章钢筋混凝土构件的变形和裂缝宽度验算★在裂缝出现前，混凝土和钢筋的应变沿构件的长度基本上是均匀分布的。★当混凝土的拉应力达到抗拉强度时，首先会在构件最薄弱截面位置出现第一条（批）裂缝。★裂缝出现瞬间，裂缝截面位置的混凝土退出受拉工作，应力为零，而钢筋拉应力应力产生突增Dss=ft/，配筋率越小，Dss就越大。★由于钢筋与混凝土之间存在粘结，随着距裂缝截面距离的增加，混凝土中又重新建立起拉应力sc，而钢筋的拉应力则随距裂缝截面距离的增加而减小。★当距裂缝截面有足够的长度l时，混凝土拉应力sc增大到ft，此时将出现新的裂缝。《建筑结构》第八章钢筋混凝土构件的变形和裂缝宽度验算★如果两条裂缝的间距小于2l，则由于粘结应力传递长度不够，混凝土拉应力不可能达到ft，因此将不会出现新的裂缝，裂缝的间距最终将稳定在（l~2l）之间，平均间距可取1.5l。★从第一条（批）裂缝出现到裂缝全部出齐为裂缝出现阶段，该阶段的荷载增量并不大，主要取决于混凝土强度的离散程度。★裂缝间距的计算公式即是以该阶段的受力分析建立的。★裂缝出齐后，随着荷载的继续增加，裂缝宽度不断开展。裂缝的开展是由于混凝土的回缩，钢筋不断伸长，导致钢筋与混凝土之间产生变形差，这是裂缝宽度计算的依据。★由于混凝土材料的不均匀性，裂缝的出现、分布和开展具有很大的离散性，因此裂缝间距和宽度也是不均匀的。但大量的试验统计资料分析表明，裂缝间距和宽度的平均值具有一定规律性，是钢筋与混凝土之间粘结受力机理的反映。《建筑结构》第八章钢筋混凝土构件的变形和裂缝宽度验算9.3裂缝宽度的计算二、裂缝间距ctmAfluuAflmctctssssAfAA21ssluAAmssssss21dAfmctdfmt41《建筑结构》第八章钢筋混凝土构件的变形和裂缝宽度验算dfuAflmtmct41dKlm◆上式表明，当配筋率相同时，钢筋直径越细，裂缝间距越小，裂缝宽度也越小，也即裂缝的分布和开展会密而细，这是控制裂缝宽度的一个重要原则。◆但上式中，当d/趋于零时，裂缝间距趋于零，这并不符合实际情况。◆试验表明，当d/很大时，裂缝间距趋近于某个常数。该数值与保护层c和钢筋净间距有关，根据试验分析，对上式修正如下，dKcKlm12《建筑结构》第八章钢筋混凝土构件的变形和裂缝宽度验算对于受弯构件，可将受拉区近似作为一轴心受拉构件，根据粘结力的有效影响范围，取有效受拉面积Ate=0.5bh+(bf-b)hf，因此将式中配筋率的用以下受拉区有效配筋率替换后，即可用于受弯构件dKcKlm12ffstehbbbhA)(5.0temdKcKl12采用te后，裂缝间距可统一表示为，《建筑结构》第八章钢筋混凝土构件的变形和裂缝宽度验算根据试验资料统计分析，并考虑受力特征的影响，对于常用的带肋钢筋，《规范》给出的平均裂缝间距lm的计算公式为，受弯构件temdcl08.09.1轴心受拉构件)08.09.1(1.1temdclc——最外层纵向受拉钢筋外边缘到受拉区底边的距离（mm），当c20mm时，取c=20mm；d——钢筋直径（mm），当用不同直径的钢筋时，d改用换算直径4As/u，u为纵向钢筋