高等钢筋混凝土结构-7.裂缝

1、第七章 钢筋混凝土构件的裂缝,结构构件的可靠性,具有足够的承载力和变形能力,安全性,适用性,耐久性,在使用荷载下不产生过大的裂缝和变形,在一定时期内维持其安全性和适用性的能力,极限状态设计理论,承载能力极限状态,正常使用极限状态,混凝土结构的使用性能,控制裂缝,控制变形和振动,产生裂缝的原因,在混凝土结构中裂缝通常是由拉应力引起的。因混凝土的极限拉伸应变etu 随混凝土品种、配合比、添加剂、养护条件、加载速度、截面上的应力梯度等不同会发生变化。严格地说，只有当混凝土的拉伸应变et 达到某处混凝土的极限拉应变etu 时才会出现裂缝。,固体下沉，表面泌水而引起的。 大风、高温使水分从混凝土表面快速

2、蒸发引起的（龟裂）。,塑性裂缝,混凝土的收缩受到约束后产生的裂缝,约束收缩裂缝,施工期间的裂缝,混凝土收缩或温度变形受到约束产生的裂缝,大体积混凝土水化过程中发热量很大，内部温度较高，混凝土体积膨胀，内外温差很大，内部混凝土膨胀受到外部已硬化混凝土的约束，使构件表面混凝土受拉产生裂缝。,施工措施不当产生的裂缝,混凝土在浇筑、硬化过程中会产生下沉和泌水，当下沉受到阻挡时会产生内部的泌水，干燥后就会成为裂缝。,基础不均匀沉降产生的裂缝,基础不均匀下沉时会迫使墙体一起变形，在主拉应力作用下混凝土墙体也会开裂。,主拉应力,主拉应力,基础下沉,钢筋锈蚀产生的裂缝,温度裂缝,受力裂缝,拉、弯、剪、扭、粘结

3、等引起的裂缝,目前，只有拉、弯状态下混凝土横向裂缝宽度的计算理论比较成熟,钢筋混凝土受拉试件全过程试验,重要结论,*裂缝数量增加至一定数量时不再增加，但宽度不断变化,*开裂后刚度退化,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，裂缝间距和宽度也是不均匀的。但大量的试验统计分析表明，裂缝间距和宽度的平均值具有一定规律性。,如果两条裂缝的间距大于 2 l ,则在其间还会存在ct ft 的混凝土 区段，就会产生新的裂缝; 如果两条裂缝的间距小于 2 l ，则由于粘结应力传递长度不够，裂缝间混凝土处处ct ft ，因此将不会再出现新的裂缝。故裂缝间距最终将稳定在 l 2 l 之间

4、，可近似取裂缝的平均间距 l m =1. 5 l。,裂缝产生和开展过程中钢筋及混凝土的应力变化,1. 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； 2. 当构件最薄弱截面混凝土的拉应变t 达到极限拉应变tu 时，会出现 第一条裂缝； 3. 裂缝出现后，裂缝截面的混凝土立即退出受拉工作，拉应力st =0；裂缝两侧混凝土迅速回缩，使得裂缝一出现就有一定的宽度；,4.开裂后裂缝截面由于受拉混凝土退出工作，钢筋拉应力ss 突增，但钢筋与混凝土之间存在粘结，在裂缝两侧一定范围内就会产生粘结应力，随着离裂缝距离的增加，混凝土中又重新建立起拉应力st ，而裂缝截面突增的钢筋拉应力ss 也逐

5、渐恢复正常； 5. 当混凝土中拉应力st 增大到 ft 时，下一个最薄弱截面将可能出现新的裂缝； 6. 当钢筋接近屈服时，钢筋与混凝土之间会产生较大滑移，粘结应力基本丧失，裂缝间混凝土退出受拉工作，钢筋应力渐趋相等。,*从平均应变意义上，空气中的钢筋和混凝土中的钢筋的本构关系不同,裂缝宽度的计算理论粘结滑移理论,以轴心受拉为例,*基本假定就是：开裂后，裂缝处混凝土退出工作，钢筋和混凝土之间发生滑移，混凝土回缩至图中虚线的位置,*裂缝宽度=裂缝间钢筋和混凝土之间的变形差值,先求出裂缝间距,裂缝的间距,裂缝的间距,裂缝的间距,为了和受弯构件相统一，定义：,有效配筋率,有效受拉面积,于是，对轴拉和受

6、弯构件，平均裂缝间距的公式可统一写成：,裂缝宽度,裂缝处钢筋的应变,设 称为裂缝间钢筋应力不均匀系数，则有,裂缝处钢筋的应力,裂缝间距越小，裂缝宽度也越小； 钢筋直径越细，裂缝宽度也越小； 配筋率越大，裂缝宽度也越小； 采用变形钢筋，可减小裂缝宽度。,根据粘结-滑移理论， “裂缝宽度是裂缝间距范围内钢筋与混凝土的变形差”，宽裂缝对结构耐久性很不利，分布细而密的裂缝对结构耐久性较有利。这是控制裂缝宽度的一个重要原则。,无滑移理论,认为混凝土开裂后，混凝土与钢筋之间无相对滑移，裂缝的发展宽度与裂缝量测点距最近一根钢筋表面的距离c直接相关。,*Broms（美）Base（英）等人通过试验得出：,粘接滑

7、移与无滑移理论的结合,上述两种理论和实际情况均有一定的差距，为此将二者结合起来，按下述公式进行计算分析：,各系数由试验分析确定,统计分析法（Gergely-Lutz法）-美国规范ACI318-95）,对612个底面裂缝宽度和344个侧面裂缝宽度进行统计分析，得出：,使用荷载下钢筋的应力，ksi,半理论半经验的方法,混凝土结构设计规范（GB50010）,水工钢筋混凝土结构设计规范,所采用的方法,平均裂缝间距,te0.01时，取te=0.01,c65时，取c=65,受弯kl=1.0；轴拉kl=1.1,光圆，取0.7；变形，取1.0,平均裂缝宽度,kw=0.85,裂缝的最大宽度,由裂缝的统计特性，按

8、95%的保证率,考虑到长期荷载下，混凝土徐变影响导致裂缝继续扩大，取扩大系数为1.5,以数理统计分析为基础的计算方法,公路钢筋混凝土及预应力桥涵设计规范采用的方法,受拉钢筋的总周长,裂缝宽度的控制,裂缝的控制等级,严格要求不出现裂缝,一级,二级,三级,一般要求不出现裂缝,可以出现裂缝但要验算裂缝的宽度,由不同的规范根据具体的情况确定,关于裂缝计算的讨论： 1.最新的研究表明，现有的裂缝理论还很不完善，裂缝本身又有较大的离散性，计算结果误差较大； 2.目前只验算横向裂缝，但从长期来看，横向裂缝对结构耐久性的影响并不大，而纵向裂缝对结构耐久性的影响最大，却而又不会计算； 3.目前只验算混凝土表面的

9、裂缝宽度，而直接影响耐久性的是钢筋表面处的裂缝宽度，但还不会计算； 4.研究裂缝的主要目的是提高结构的耐久性，在裂缝计算理论尚不完善的情况下，提高结构的耐久性的有效措施是提高混凝土的密实性，适当加大混凝土保护层，以及合理的构造措施。 5.规范只反映现阶段人们的认识水平，有待逐年修改，更新，在裂缝计算方面还有很多工作要做。,除了用计算控制裂缝外，设计者更应当从构造上控制裂缝。 根据无滑移理论，钢筋表面与混凝土有可靠粘结。近年的研究表明，由于钢筋的匀质性，在钢筋周围一定范围内钢筋可有效约束混凝土的不均匀变形，这样，在宏观上就大大提高了混凝土的极限拉伸应变，通常把这个范围称为钢筋的约束区，研究表明钢筋约束区大约为钢筋周围7.5d 的范围。利用钢筋约束区的概念可以从构造上有