第8章 正常使用极限状态验算.ppt

第8章钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 安全性 适用性 耐久性 结构的功能要求 结构的极限状态 承载能力极限状态 正常使用极限状态 第34567章 第8章 结构构件达到影响正常使用或耐久性能的某项规定限值 超过该极限状态 结构就不满足预定的适用性或耐久性要求 正常使用极限状态 正常使用极限状态验算可能成为设计中控制情况 一般只对持久状况进行验算 正常使用极限状态验算的可靠度要求较低 一般要求 1 0 2 0 材料强度和荷载采用标准值 水口规范中 还不考虑结构重要性系数 正常使用极限状态的验算内容 1 正常使用的抗裂验算或裂缝宽度验算 2 正常使用的挠度验算 钢筋混凝土结构构件一般都是首先进行承载力计算以确定构件的截面尺寸与配筋 因此变形 裂缝等正常使用极限状态的计算内容属于验算性质 如何同时保证承载能力极限状态与正常使用极限状态 影响外观 产生不安全感缩短混凝土碳化到达钢筋的时间 钢筋提早锈蚀侵蚀环境中 加速钢筋锈蚀水头较大时 产生水力劈裂现象 一般混凝土结构都是带裂缝工作的 裂缝对混凝土结构有以下不利影响 裂缝控制等级 一 轴心受拉构件 钢筋与混凝土变形协调 即将开裂时 c ft s sEs tuEs Esft Ec Eft 为满足目标可靠指标要求 引进拉应力限制系数 ct ft改用ftk 靠增加钢筋提高抗裂能力是不经济 不合理的 Nk 由荷载标准值计算的轴向力 ftk 砼轴心抗拉强度标准值 ct 砼拉应力限制系数 ct 0 85 A0 换算截面面积 A0 Ac EAs E 钢筋和砼的弹性模量比 E Es Ec As为钢筋截面面积 Ac为砼截面面积 二 受弯构件 受弯构件正截面即将开裂时 应力处于第I阶段末 受拉区近似假定为梯形 塑化区占受拉区高度的一半 利用平截面假定 根据力和力矩的平衡 求出Mcr 更方便的是在保持Mcr相等的条件下 将受拉区梯形应力图折换成直线分布应力图 受拉边缘应力为 mft m为截面抵抗矩的塑性系数 换算后可直接用弹性体的材料力学公式进行计算 A0 Ac EAs EAs 把钢筋换算为同位置的砼截面面积 EAs和 EAs W0 换算截面A0对受拉边缘的弹性抵抗矩 y0 换算截面重心轴至受压边缘的距离 I0 换算截面对其重心轴的惯性矩 为满足目标可靠指标的要求 引用拉应力限制系数 荷载和材料强度均取用标准值 各种截面的值见附录五表4 三 偏心受拉构件 把钢筋换算为砼截面面积 将应力折换成直线分布 引入 采用迭加原理 用材料力学公式进行计算 为偏心受拉构件的截面抵抗矩塑性系数 偏心受拉构件抗裂验算公式 e0 轴向拉力的偏心距 三 偏心受拉构件 四 偏心受压构件 8 2裂缝开展宽度验算 一 裂缝的成因和对策 拉应力超过了混凝土的抗拉强度 裂缝 1 由荷载引起的裂缝 一般总是与主拉应力方向大致垂直 最先发生在荷载效应较大和混凝土抗拉能力最薄弱处 弯矩 轴拉 偏拉 压 剪力 扭矩 和弯矩共同作用 垂直裂缝或正截面裂缝 斜裂缝 由荷载引起的裂缝主要通过合理的配筋来控制正常使用条件下的裂缝不致过宽 2 由非荷载因素引起的裂缝 温度变化 混凝土收缩 基础不均匀沉降 冰冻 钢筋锈蚀 二 裂缝宽度计算理论概述 1 半经验半理论公式 2 数理统计公式 粘结滑移理论 无滑移理论 综合理论 为我国规范采用 通过对大量试验资料的分析 选出影响裂缝宽度的主要参数 进行数理统计后得出 三 裂缝开展机理及计算理论 荷载很小时 未出现裂缝 在纯弯段各个截面的拉应力大致相同 当达到混凝土的抗拉强度时 达到将裂未裂的状态 第一阶段末 在混凝土最薄弱截面处出现第一批裂缝 一条或几条 钢筋应力和应变有突变 混凝土回缩 所以裂缝一旦出现就会有一定的宽度 a 1 裂缝出现前后的应力状态 a b ct s lcr 两者之间有相对滑移 直到共同变形 通过粘结应力的作用 混凝土又逐渐承受拉力 拉力从零到最大 一定距离后 两者应力恢复到开裂前的状态 一定距离后 混凝土拉应力又达到最大 又可能产生新的裂缝 裂缝出现后 沿构件长度方向 钢筋与砼的应力随裂缝位置变化 中和轴随裂缝位置呈波浪形起伏 由于砼质量不均 裂缝间距有疏有密 最大间距可为平均间距的1 3 2倍 裂缝出现有先有后 荷载超过开裂荷载50 以上时 裂缝间距才趋于稳定 裂缝开展宽度有大有小 实际设计应考虑最大裂缝宽度 平均裂缝宽度 m 乘以扩大系数 最大裂缝宽度 max 2 平均裂缝宽度 m 钢筋重心处裂缝宽度wm等于两条相邻裂缝之间钢筋与砼伸长之差 sm cm 分别为裂缝间钢筋及砼的平均应变 lcr 裂缝间距 砼的拉伸变形极小 略去不计 裂缝截面钢筋应变 s最大 非裂缝截面钢筋应变减小 钢筋的平均应变 sm比裂缝截面钢筋应变 s小 用受拉钢筋应变不均匀系数 表示裂缝间因砼承受拉力对钢筋应变的影响 sm s 裂缝宽度主要取决于裂缝截面钢筋应力 裂缝间距lcr和纵向受拉钢筋应变不均匀系数 1 值 对轴拉构件 2 lcr值 m lcr范围内纵向受拉钢筋与砼的平均粘结应力 u 纵向受拉钢筋截面总周长 u n d n和d为钢筋的根数和直径 脱离体两端拉力差由粘结力平衡 Ate 有效受拉砼截面面积 粘结滑移理论推求出的lcr与钢筋直径d及有效配筋率 As Ate有关 无滑移理论认为保护层厚度c是影响构件表面裂缝宽度的主要因素 综合理论既考虑c的影响 也考虑d及的影响 3 值 1 反映裂缝间受拉混凝土参与工作的程度 越大 钢筋受力越均匀 混凝土参与受拉作用越小随着荷载增大 值越来越大 试验常数 3 最大裂缝宽度 max 考虑构件受力特征和荷载长期作用的综合影响系数 对受弯构件和偏心受压构件 取 2 1 对偏心受拉构件 取 2 4 对轴心受拉构件 取 2 7 水工砼结构设计规范 的裂缝宽度验算公式 c 最外排纵向受拉筋外缘至拉区底边的距离 mm c 65mm时 取c 65mm d 受拉钢筋直径 mm 用不同直径时 改用换算直径4As u u为钢筋总周长 te 纵向受拉钢筋的有效配筋率 te As Ate te 0 03时 取 te 0 03 As 拉区纵向钢筋截面面积 受弯 偏拉及大偏压 取拉区纵筋面积 全截面受拉的偏拉 取拉应力大一侧的钢筋面积 轴拉 取全部纵筋面积Ate 有效受拉砼截面面积 sk 按荷载标准值计算的纵向受拉筋应力 Ate的取值 受弯 偏拉及大偏压 Ate 2ab a为As重心至截面受拉边缘的距离 b为矩形截面的宽度 有受拉翼缘的倒T形及工形截面 b为受拉翼缘宽度 轴拉 取2als ls为沿截面周边配置的受拉钢筋重心连线的总长度 钢筋应力 sk sk 偏心受拉 大偏心受压 受弯 轴心受拉 构件形式 使用裂缝宽度公式时应注意的问题 1 只适用于常见的梁 柱构件 2 只适用于外力不随结构变形而改变的情况 3 只能用于配置带肋钢筋的构件 4 验算时 荷载应采用标准值 最大值 某些结构可变荷载很大却很少出现 最大裂缝宽度应乘以一个小于1的系数 5 不可减小层厚度以减小最大裂缝宽度 6 对的偏心受压构件 裂缝宽度很小 可不进行验算 四 裂缝控制措施 采用细而密的带肋钢筋 可使裂缝间距及裂缝宽度减小 适当增加受拉区纵筋配筋量 采用更合理的结构外形 减小高应力区范围 降低应力集中程度 在应力集中区局部增配钢筋 在受拉区混凝土中设置或掺加钢纤维 在混凝土表面涂敷或设置防护面层等 解决荷载裂缝问题的最根本的方法是采用预应力钢筋混凝土结构 一 截面抗弯刚度及特点 匀质弹性材料梁的跨中最大挠度 S 与荷载形式 支承条件有关的参数 M 最大弯矩 l0 计算跨度 EI 截面抗弯刚度 E 材料弹性模量 I 截面惯性矩 对于匀质弹性材料梁 抗弯刚度EI是一个常数 M f成正比 对于钢筋混凝土材料梁 仍用上述公式计算挠度 但抗弯刚度B不再是常量 8 3受弯构件变形验算 钢筋混凝土梁抗弯刚度B EI的特点 1 荷载较小 裂缝出现前 第 阶段 2 出现裂缝到受拉钢筋临近屈服 第 阶段 3 受拉钢筋屈服到混凝土压坏 第 阶段 1 钢筋混凝土受弯构件的抗弯刚度B EI随弯矩M增大而减小 2 由于混凝土徐变等影响 B随时间增大而减小 所以既要考虑荷载短期效应 还要考虑荷载长期效应 分别用Bs和B来表示 二 受弯构件的短期刚度Bs 接近于匀质弹性材料梁 实际挠度比按弹性公式算得的数值偏大 这是因为受拉区发生塑性 实际弹性模量E有所降低 而截面并未削弱 所以将换算截面的EI稍加修正即可 不出现裂缝的构件 出现裂缝的构件 矩形 T形及工形截面构件的短期刚度 纵向拉筋的配筋率 受压翼缘面积与腹板有效面积的比值 受拉翼缘面积与腹板有效面积的比值 三 受弯构件的抗弯刚度B 荷载长期作用下挠度增加的主要原因是混凝土的徐变和收缩 长期荷载下 压区砼徐变使挠度随时间增大 砼收缩引起梁刚度降低 挠度增大 考虑荷载长期作用对梁挠度影响的方法 考虑砼徐变及收缩的影响计算长期刚度 或直接计算荷载长期作用产生的挠度增长和自由收缩引起的翘曲 试验结果确定荷载长期作用的挠度增大系数 采用 值计算长期刚度 值为荷载长期作用的挠度与即时产生的挠度的比值 我国水工规范采用第二种方法 根据对受弯构件长期挠度观测结果 为受压筋和受拉筋的配筋率 当时 当时 当 为中间值 按直线内插 抗弯刚度 四 受弯构件的挠度验算 用B代替材料力学公式中的EI 即可求得受弯构件的挠度 如某受弯构件 各处M不同 因此全长范围内的抗弯刚度也不同 支座处的弯矩小 抗弯刚度大 如何取用M值计算抗弯刚度 最小刚度原则 取同号弯矩区段内弯矩最大截面的抗弯刚度作为该区段的抗弯刚度 对于简支梁 可取跨中截面的抗弯刚度 对于等截面的连续构件 抗弯刚度可取跨中截面和支座截面刚度的平均值 增加截面高度增加纵向钢筋的面积选用合理的截面 如T形或工形等 配置一定受压钢筋提高混凝土强度等级 如果最大挠度超过规范的限值 则可采取 合理有效的措施是增大截面的高度 8 4混凝土结构的耐久性要求 耐久性作为混凝土结构可靠性的三大功能指标之一 越来越受到工程设计的重视 结构的耐久性设计也成为结构设计的重要内容之一 导致水工混凝土结构耐久性失效的原因主要有 混凝土的低强度风化 碱 骨料反应 渗漏溶蚀 冻融破坏 水质侵蚀 冲刷磨损和空蚀 混凝土的碳化与钢筋锈蚀 由荷载 温度 收缩等原因产生的裂缝以及止水失效等引起渗漏病害的加剧等 一 耐久性的概念 二 混凝土结构耐久性的要求 1 混凝土结构所处的环境类别 水工钢筋混凝土结构所处的环境划分为5个类别 详见附录1 2 保证耐久性的技术措施及构造要求 1 混凝土原材料的选择和施工质量控制 2 混凝土耐久性的基本要求 最低强度等级 最小水泥用量 最大水灰比 最大氯离子含量 最大碱含量 3 钢筋的混凝土保护层厚度 4 混凝土的抗渗等级 5 混凝土的抗冻等级 6 混凝土的抗化学侵蚀要求 7 结构型式与配筋 抗渗等级分为W2 W4 W6 W8 W10 W12六级 抗渗等级分为F400 F300 F250 F150 F100 F50七级 正常使用极限状态验算时 荷载应取值 材料强度应取值 计算适筋梁的开裂时的弯矩时 应以 为依据 A 第一阶段末B 第二阶段末C 第三阶段始D 第三阶段末 可以减小钢筋混凝土受弯构件裂缝宽度的措施为 A 增大钢筋直径B 提高混凝土强度等级C 提高钢筋强度等级D 增加钢筋用量 混凝土保护层的作用是和 结构的功能要求为 钢筋混凝土梁在正常使用时 A 通常是带裂缝工作的B 一旦出现裂缝 裂缝贯通全截面C 一旦出现裂缝 沿全长混凝土与钢筋间的粘结力丧尽D 由于配置了钢筋 所以一般不会出现裂缝 标准 标准 A D 保护钢筋不过早锈蚀 保护钢筋和混凝土的可靠粘结 安全 适用 耐久 A 结构可靠指标 增大 其失效概率pf将 结构构件超过承载能力极限状态后 说明其功能要求的不够 钢筋混凝土梁的抗弯刚度EI不是常量 随着荷载弯矩的增加而 钢筋混凝土受弯构件的抗弯刚度EI A 恒定不变B 不是常量 随荷载的增大而增大C 不是常量 随时间的增长而减小D 不是常量 但因变化量小可按常量计算 正常配筋的钢筋混凝土梁从加载到破坏 正截面应力状态经历了哪几个阶段 每个阶段的主要特点是什么 减小 安全性 减小 C 计算适筋的受弯构件的变形和裂缝宽度的应力阶段是 A 第 a阶段B 第 阶段C 第 a阶段D 第 阶段 B 将承载能力极限状态和正常使用极限状态的设计表达式相比 A 正常使用极限状态表达式中无需荷载分项系数B 承载能力极限状态表达式中无需荷载分项系数C 正常使用极限状态表达式中需要材料强度分项系数D 承载能力极限状态表达式中无需结构重要性系数 按照结构的功能要求 结构的极限状态可以分为 不是混凝土保护层的作用 A 保护钢筋不发生锈蚀B 保证钢筋和混凝土的粘结C 保证结构构件的耐久性要求D 保护混凝土不被腐蚀 某结构因材料强度被超过而发生破坏 这时结构不能满足 的功能要求 A 安全性B 适用性C 耐久性D 稳定性 在钢筋混凝土适筋梁正截面受弯性能试验中 当 时 标志着梁由第 阶段进入第 阶段 A 受拉钢筋屈服B 受拉区混凝土开裂C