8-裂缝和变形(钢筋混凝土结构课件)

第9章钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性§9.1概述§9.2裂缝宽度验算§9.3受弯构件挠度验算§9.4耐久性设计§9.1概述第9章钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性耐久性—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。适用性—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。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。结构的功能承载能力极限状态正常适用极限状态第9章钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性•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。正常使用极限状态的计算表达式：荷载效应的标准组合：CS荷载效应的频遇组合：荷载效应的准永久组合：QiknicikQGkkSSSS21QikniqikQGkSSSS211ffQikniqiGkSSS1q第9章钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性§9.2裂缝宽度验算裂缝荷载引起的裂缝：非荷载引起的裂缝：占20%ctft计算wmax[wmax]材料收缩、温度变化、混凝土碳化后引起钢筋锈蚀、地基不均匀沉降。（占80%）通常，裂缝宽度和挠度一般可分别用控制最大钢筋直径和最大跨高比来控制，只有在构件截面尺寸小，钢筋应力高时进行验算。为防止温度应力过大引起的开裂，规定了最大伸缩缝之间的间距。为防止由于钢筋周围砼过快的碳化失去对钢筋的保护作用，出现锈胀引起的沿钢筋纵向的裂缝，规定了钢筋的混凝土保护层的最小厚度。非荷载引起的裂缝第9章钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性9.2.1验算公式裂缝控制：《规范》根据对结构构件裂缝的不同要求，将裂缝控制分为三个等级：一级：严格要求不出现裂缝的构件；按荷载标准组合计算时，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；按荷载标准组合计算时，构件受拉边缘混凝土不应大于混凝土抗拉强度标准值；而按荷载准永久组合计算时，构件受拉边缘混凝土不宜出现拉应力，有可靠经验时可适当放松；三级：允许出现裂缝的构件；按荷载标准组合并考虑长期作用影响计算时，构件的最大裂缝宽度应满足附表规定的限值。limmaxww钢筋混凝土构件的裂缝控制等级均为三级：第9章钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性9.2.1wmax计算方法1建筑工程规范关于wmax的计算方法ftkNN(a)(b)(c)(d)sskct=ftkNcrNkNkNs11max第9章钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性★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Ds=ft/r，配筋率越小，Ds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c，而钢筋的拉应力则随距裂缝截面距离的增加而减小。第9章钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性★当距裂缝截面有足够的长度l时，混凝土拉应力c增大到ft，此时将出现新的裂缝。★如果两条裂缝的间距小于粘结应力传递长度，混凝土拉应力不可能达到ft，因此将不会出现新的裂缝，裂缝出现完成。★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。第9章钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性★裂缝出齐后，随着荷载的继续增加，砼回缩，钢筋不断伸长，在一定区段由钢筋与砼应变差的累积量，即形成了裂缝宽度。这是裂缝宽度计算的依据。粘结－滑移理论认为裂缝宽度是由于钢筋与混凝土之间的粘结破坏，出现相对滑移，引起裂缝处混凝土的回缩引起的。Ncr+DN211Ncr+DNw1w2w3ftkNkNksmsk(b)(a)(c)(d)(e)第9章钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性⑴平均裂缝宽度mcr0csmd)(llwcrsskccrssmccrsmsmcmcrcmsmm1)(lElEllw式中：c=0.85，sm=sklcr+cmlcrlcr+smlcrwmwmckcmsmskc分布s分布(a)(c)(b)第9章钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性⑵平均裂缝间距lcr的计算)08.09.1(teeqcrdclr－与受力特性有关的系数，轴心受拉=1.1，受弯、偏心受压=1.0，偏心受拉=1.05。c－最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区底边的距离（保护层厚度），20c65。－纵向受拉钢筋的相对粘结特征系数，光面钢筋=0.7，变形钢筋=1.0。deq－受拉区纵向钢筋的等效直径。rte–––截面的纵向钢筋有效配筋率iiiiieqdndnd2testeAArter第9章钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性hh/2bbfhfh/2hbbbfhfh/2hhfbfh/2hbhfbf(a)(b)(c)(d)Ate=5.0bh)(5.0ffhbbbh矩形、T形截面倒T形截面、工字形截面第9章钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性⑶裂缝截面钢筋应力sk的计算0.87h0h0NkskAsMkCskAs(a)轴心受拉(b)受弯skskAN轴心受拉：受弯：s0ksk87.0AhM第9章钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性ee0eNkh0–asAsAsense0sAsAssAsCCczskAsNk(c)偏心受拉(d)偏心受压CskAssAs)(s0skskahAeN偏心受拉：偏心受压：zAzeNsksk)(020f]))(1(12.087.0[hehzs0syee2000s)(/400011hlhe第9章钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性⑷钢筋应力不均匀系数的计算65.01.1sktetksksmrf(0.21.0)由于钢筋与混凝土间存在粘结应力，随着距裂缝截面距离的增加，裂缝间混凝土逐渐参与受拉工作，钢筋应力逐渐减小，因此钢筋应力沿纵向的分布是不均匀的。裂缝截面处钢筋应力最大，裂缝中间钢筋应力最小，其差值反映了混凝土参与受拉工作的大小。钢筋应力不均匀系数是反映裂缝间混凝土参加受拉工作程度的影响系数。第9章钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性⑴最大裂缝宽度wmax短期荷载的影响：在荷载短期效应组合作用下，取实测裂缝宽度wt与上述计算的平均裂缝宽度wm的比值为荷载短期效应裂缝扩大系数s。大量裂缝测量结果统计表明，s的概率密度分布基本为正态分布。根据可靠概率95%的要求，对轴心受拉和偏心受拉构件，s=1.9，对受弯和偏心受压构件，s=1.66。长期荷载的影响：由于混凝土的滑移徐变和拉应力的松弛以及混凝土的收缩等因素，使裂缝随时间推移逐渐增大。长期荷载下裂缝的扩大系数l=1.5。)08.09.1(maxteeqsskclsmlsdcEwwr)08.09.1(maxteeqsskcrdcEwr第9章钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性当配筋率r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。)08.09.1(maxteeqsskcrdcEwr受弯和偏心受压构件：acr=1.5×1.66×0.85=1.9偏心受拉构件：acr=1.5×1.9×0.85×1.05=2.4轴心受拉构件：acr=1.5×1.9×0.85×1.1=2.72公路桥涵规范关于wmax的计算方法第9章钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性§9.3受弯构件挠度验算9.3.1验算公式lim,max,ffaa9.3.2af,max的计算方法1建筑工程受弯构件af,max的计算方法⑴钢筋混凝土受弯构件挠度计算的特点EIlMEIlqgakkk2040f485)(3845材料力学中均布荷载：对于弹性均质材料截面，EI为常数，M-f关系为直线。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-f关系不再是直线，EI不再为常数。钢筋混凝土梁的挠度与弯矩的作用是非线性的。21EI2(a)(b)Maf0EI(B)M0第9章钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性rMkoDcoaaDcDsash0Mkbblcr⑵短期刚度Bs的计算EIMr1rMEI1sBMrhrk0smcm11fE20sss5.3162.015.1rhAEBr0fff)(bhhbbrc20kcmEbhMss0ksmEAhM式中：第9章钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性p215skk)1(BMMMBqMk－荷载短期效应组合算得的弯矩。(恒载＋活载)－标准值。Mq－荷载长期效应组合算得的弯矩。(恒载＋活载q)－标准值。－挠度增大系数。=2.00.4r'/rBs－短期刚度。第9章钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性⑶长期刚度B的计算B1minBBminMBminMlmaxBAgk+qk(a)(b)－+gk+qkBminBmin(a)(b)⑷受弯构件挠度的计算取同一弯矩符号区段内最小刚度作为其等效刚度，视构件为等刚度梁按材力的方法计算。－“最小刚度刚度原则”•提高刚度的有效措施h0•或As即增加r第9章钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性2公路桥涵工程受弯构件af,max的计算方法第9章钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性§8.4耐久性设计◆耐久性是指结构在预定设计工作寿命期内，在正常维护条件下，不需要进行大修和加固而满足正常使用和安全功能要求的能力。◆混凝土结构的耐久性极限状态，是指经过一定使用年限后，结构或结构某一部分达到或超过某种特定状态，以致结构不能满足预定功能的要求。◆但经过简单修补、维修，费用不大，可恢复使用要求的情况，可以认为没有达到耐久性极限状态。◆只有当严重超出正常维修允许范围时，结构的使用寿命才终止。◆对于一般建筑结构，设计工作寿命为50年，重要的建筑物可取100年。碳化影响混凝土结构耐久性的因素：内部因素：混凝土强度渗透性保护层厚度水泥品种标号和用量外加剂等外部因素：环境温度湿度CO2含量侵蚀性介质等第9章钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性1混凝土的冻融破坏◆混凝土水化结硬后，内部有很多毛细孔。在浇筑混凝土时，为得到必要的和易性，往往会比水泥水化所需要的水多些。◆多余的水份滞留在混凝土毛细孔中。低温时水份因结冰产生体积膨胀，引起混凝土内部结构破坏。◆反复冻融多次，就会使混凝土的损伤累积达到一定程度而引起结构破坏。◆防止混凝土冻融破坏的主要措施是降低水灰比，减少混凝土中多余的水份。◆冬季施工时，应加强养护，防止早期受冻，并掺入防冻剂等。第9章钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性2混凝土的碱集料反应◆混凝土集料中的某些活性矿物与混凝土微孔中的碱性溶液产生化学反应称为碱集料反应。◆碱集料反应产生的碱-硅酸盐凝胶，吸水后会产生膨胀，体积可增大3~4倍，从而混凝土的剥落、开裂、强度降低，甚至导致破坏。◆引起碱集料反应有三个条件：⑴混凝土的凝胶中有碱性物质。这种碱性物质主要来自于水泥，若水泥中的含碱量（Na2O，K2O）大于0.6%以上时，则会很快析出到水溶液中，遇到活性骨料则会产生反应；⑵骨料中有活性骨料，如蛋白石、黑硅石、燧石、玻璃质火山石、安山石等