钢筋混凝土构件裂缝宽度验算剖析.ppt

第九章 混凝土构件的变形裂缝及耐久性,钢筋混凝土受弯构件的挠度验算 钢筋混凝土构件裂缝宽度验算 混凝土构件的截面延性 混凝土结构的耐久性,二、钢筋混凝土构件裂缝宽度验算,（一）裂缝宽度验算的目的和要求 （二）裂缝的出现和开展 （三）裂缝宽度的计算与验算,1、外观要求 从外观要求考虑，裂缝过宽将给人以不安全感，同时也影响对结构质量的评价。满足外观要求的裂缝宽度限值，与人们的心理反应、裂缝开展长度、裂缝所处位置，乃至光线条件等因素有关，这方面尚待进一步研究，目前有提出可取0.250.3mm。,（一）裂缝宽度验算的目的和要求,2、耐久性要求 根据国内外的调查及试验结果，耐久性所要求的裂缝宽度限值，应着重考虑环境条件及结构构件的工作条件。,3、构件裂缝控制等级 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。,（二）裂缝的出现和开展,1、裂缝产生的原因 2、开裂前构件中的应力 3、开裂后的裂缝对构件中应力的影响 4、产生多条裂缝后构件中应力,荷载引起的裂缝：,变形因素引起的裂缝： （非荷载）,与力的作用方式有关，当ct ftk ，构件开裂。,由材料收缩、温度变化、钢筋锈蚀、地基不均匀沉降等引起。,计算要求max lim,由构造措施来保证。,引起裂缝的原因可以是荷载因素和变形因素,1、裂缝产生的原因,由荷载引起的裂缝情况如图所示。,1、裂缝产生的原因, 为防止温度应力过大引起的开裂，规定了伸缩缝之间的最大间距。, 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,1、裂缝产生的原因,（1）拉力很小，构件处于弹性阶段； （2）钢筋和混凝土的应变相等，钢筋拉应力s是混凝土的拉应力ct的aE倍；,2、开裂前构件中的应力,（3）钢筋和混凝土间的粘结没有被破坏，沿构件各截面钢筋和混凝土拉应力大致相同； （4）混凝土是非均质材料，沿构件各截面，混凝土的实际抗拉强度是变化的。,2、开裂前构件中的应力,（1）随着构件所受的拉力逐渐增加， a-a截面处混凝上拉应力超过其抗拉强度时，首先在此处出现第一条裂缝。,3、开裂后的裂缝对构件中应力的影响,假定其中a-a截面处的抗拉强度最小，即为最弱的截面,（2）在裂缝出现截面，钢筋和混凝土所受到的拉应力将发生突然变化，开裂的混凝土不再承受拉力，拉应力降低到零，原来由混凝土承担的拉力转移由钢筋承担，所以裂缝截面的钢筋应力就突然增大。,3、开裂后的裂缝对构件中应力的影响,假定其中a-a截面处的抗拉强度最小，即为最弱的截面,（3）在开裂前混凝土有一定弹性，开裂后受拉张紧的混凝土向裂缝截面两边回缩，混凝土和钢筋有产生相对滑移的趋势。,3、开裂后的裂缝对构件中应力的影响,假定其中a-a截面处的抗拉强度最小，即为最弱的截面,（4）由于钢筋与混凝土之间存在粘结作用，混凝土的回缩受到钢筋的约束，困而随着离裂缝截面距离的加大，回缩逐渐减小，亦即混凝土仍处在一定的张紧状态，当达到某一距离处，混凝土和钢筋的拉应变相同，两者的应力又恢复到未裂前状态。,3、开裂后的裂缝对构件中应力的影响,假定其中a-a截面处的抗拉强度最小，即为最弱的截面,4、产生多条裂缝后构件中应力,（1）当拉力稍增加时，在混凝上拉应力大于抗拉强度的截面又将出现第二条裂缝。第二条裂缝总在离首批裂缝截面外一定距离的截面出现，这是因为靠近裂缝两边混凝土的拉应力较小，总小于混凝上的抗拉强度，故靠近裂缝两边的混凝土不会开裂。,4、产生多条裂缝后构件中应力,（2）钢筋和混凝土的应力是随着裂缝位置而变化，呈波浪形起伏,各裂缝之间的间距大体相等，各裂缝先后出现，最后趋于稳定，不再出现新裂缝。,4、产生多条裂缝后构件中应力,（3）再继续增加拉力时，只是使原有的裂缝延伸与开展，拉力越大，裂缝越宽。当两条裂缝的间距较大时，随着拉力的增加，在两条裂缝之间还有可能出现新的裂缝。,4、产生多条裂缝后构件中应力,（4）如果混凝土的材料性能（抗拉强度）很不均匀，则裂缝的间距有疏有密；但混凝土材料接近均质的材料，裂缝的分布基本上是均匀的。,（三）裂缝宽度的计算与验算,1、平均裂缝间距的计算 2、平均裂缝宽度的计算 3、最大裂缝宽度及其验算,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退化，出现相对滑移，引起裂缝处混凝土的回缩而引起的。 粘结退化-相对滑移-混凝土的回缩 无滑移理论：构件表面裂缝宽度主要是由钢筋周围的混凝土回缩形成的，其决定性因素是构件表面到最近钢筋的距离。 综合：裂缝宽度与裂缝间距及混凝土保护层厚度有关。,裂缝宽度的影响因素,1、平均裂缝间距的计算,取开裂处传递长度l内的钢筋混凝土为隔离体,取传递长度l内的钢筋为隔离体,1、平均裂缝间距的计算,取,1、平均裂缝间距的计算,（1）ft/m的影响：混凝土和钢筋间的粘结强度大致与混凝土抗拉强度成正比例关系，且可取ft/m为常数。 （2）dte的影响：与混凝土保护层厚度c有较大的关系。 （3）钢筋表面特征的影响：用带肋变形钢筋时比用光圆钢筋的平均裂缝间距要小些，对此可用钢筋的等效直径deq代替d,deq 纵向受拉钢筋的等效直径(mm) ； ni, di分别为受拉区第i种纵向钢筋的根数，公称直径（mm），vi为第i种纵向钢筋的相对粘结特性系数，光圆钢筋vi=0.7，带肋钢筋i=1.0,裂缝间距主要取决于有效配筋率te，钢筋直径d及其表面形状。此外，还与混凝土保护层厚度c有关。,1、平均裂缝间距的计算,2、平均裂缝宽度的计算,裂缝开展宽度 我国混凝土设计规范定义的裂缝开展宽度是指受拉钢筋重心水平处构件侧表面上混凝土的裂缝宽度。试验表明，沿裂缝深度，裂缝宽度是不相等的，钢筋表面处裂缝宽度大约只有构件混凝土表面裂缝宽度的1/51/3。,平均裂缝宽度wm 平均裂缝宽度wm等于构件裂缝区段内钢筋的平均伸长与相应水平处构件侧表面混凝土平均伸长的差值,2、平均裂缝宽度的计算,2、平均裂缝宽度的计算,令,c裂缝间混凝土自身伸长对裂缝宽度的影响系数，试验研究表明，系数虽然与配筋率、截面形状和混凝土保护层厚度等因素有关，但在一般情况下，变化不大，且对裂缝开展宽度的影响也不大，为简化计算，对受弯、轴心受拉、偏心受力构件，均可近似取,sm纵向受拉钢筋的平均拉应变 ctm与纵向受拉钢筋相同水平处侧表面混凝土的平均拉应变,2、平均裂缝宽度的计算,令,裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数是裂缝间钢筋的平均应变与裂缝截面钢筋应变之比，它反映了裂缝间混凝土受拉对纵向钢筋应变的影响程度。愈小，裂缝间混凝土协助钢筋抗拉作用愈强。可近似表达为：,当0.2时，取=0. 2；当1时，取=1； 对直接承受重复荷载的构件，取=1,A：裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数的取值,2、平均裂缝宽度的计算,A：裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数的取值,按有效受拉混凝土截面面积计算的纵向受拉钢筋配筋率te,当te0.01时，te=0.0l,2、平均裂缝宽度的计算,sq是指按荷载效应的准永久组合计算的凝土构件裂缝截面处纵向受拉钢筋的应力。对于受弯、轴心受拉、偏心受拉以偏心受压构件，sq均可按裂缝截面处力的平衡条件求得。,对受弯构件,式中 M s按荷载短期效应组合计算的弯矩值，即按全部永久荷载及可变荷载标准值求得的弯矩标准值。,B：裂缝截面处的钢筋应力,2、平均裂缝宽度的计算,对轴心受压构件,式中 Nk 按荷载效应的标准组合计算的轴向拉应力值； As 受拉钢筋总截面面积 。,B：裂缝截面处的钢筋应力,2、平均裂缝宽度的计算,对偏心受压构件（ l0/h 14 ）,z纵向受拉钢筋合力点至受压区合力点的距离，且h00.87；的计算较为复杂，为简便起见，近似地取,B：裂缝截面处的钢筋应力,2、平均裂缝宽度的计算,f受压翼缘的加强系数；,当hf0.2h0时，取hf=0.2h0。,Nk 按荷载标准组合计算的轴向压力值； e N至受拉钢筋As合力点的距离；,对偏心受压构件（ l0/h14 ）,当偏心受压构件的l0/h14时，还应考虑侧向挠度的影响，e=se0+ys。,B：裂缝截面处的钢筋应力,2、平均裂缝宽度的计算,此处，ys为截面重心至纵向受拉钢筋合力点的距离，s是指使用阶段的轴向压力偏心距增大系数，可近似地取,当l0/h14时，取s=1.0。,对偏心受拉构件,B：裂缝截面处的钢筋应力,2、平均裂缝宽度的计算,近似取大偏心受拉构件的截面内力臂长度h0=h0-as，则大小偏心受拉构件的sk计算可统一由下式表达,e轴向拉力作用点至受压区或受拉较小边纵向钢筋合力点的距离； yc截面重心至受压或较小受拉边缘的距离。,3、最大裂缝宽度及其验算,（1）钢筋混凝土构件裂缝的特性 （2）最大裂缝宽度的计算 （3）最大裂缝宽度的验算,由于混凝土的不均匀性、荷载的可变性以及截面尺寸偏差等因素的影响，裂缝的出现、分布和开展宽度具有很大的随机性。但它们又具有一定的规律，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。 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。,（1）钢筋混凝土构件裂缝的特性,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；,（1）钢筋混凝土构件裂缝的特性,裂缝宽度与荷载作用时间长短有关。,规范采用了一个半理论半经验的方法，即根据裂缝出现和开展的机理，先确定具有一定规律性的平均裂缝间距和平均裂缝宽度，然后对平均裂缝宽度乘以根据统计求得的扩大系数来确定最大裂缝宽度max。 对“扩大系数”，主要考虑两种情况，一是荷载短期效应组合下裂缝宽度的不均匀性；二是荷载长期效应组合的影响下，最大裂缝宽度会进一步加大。,根据规范，在矩形、T形、倒T形和I形截面的钢筋混凝土受拉、受弯和偏心受压构件及预应力混凝土轴心受拉和受弯构件中，按荷载效应的标准组合并考虑长期作用影响的最大裂缝宽度(mm)可按下列公式计算：,（2）最大裂缝宽度的计算,（2）最大裂缝宽度的计算,构件受力特征系数,钢筋应变不均匀系数,裂缝截面处的钢筋应力sq,cs 最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区底边的距离(mm)：当c20时，取c20；当c65时，取c65,deq 受拉区纵向钢筋的等效直径,te-按有效受拉混凝土截面面积计算的纵向受拉钢筋配筋率；在最大裂缝宽度计算中，当te0.01时，取te=0. 01,As-受拉区纵向非预应力钢筋截面面积； Ap-受拉区纵向预应力钢筋截面面积；,一级和二级抗裂要求的构件，一般要采用预应力；而普通的钢筋混凝土构件抗裂要求为三级，阶段都是带裂缝工作的。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。因此，对允许出现裂缝的