水工钢筋混凝土结构学第八章 PPT课件

第八章钢筋砼构件正常使用极限状态验算 8 1概述 第八章钢筋砼构件正常使用极限状态验算第 节概述 结构的极限状态分为两类 承载能力极限状态 结构或构件达到最大承载力或不适应承载的过大变形 超过该极限状态 结构就不能满足预定的安全性要求 对各种结构构件都应进行该极限状态设计 采用荷载设计值及材料强度设计值 荷载效应采用基本组合及偶然组合 1 二 正常使用极限状态超过该极限状态 结构就不满足预定的适用性和耐久性要求 产生过大的变形 影响正常使用和外观 不安全感 不能正常使用等 产生过宽的裂缝 对耐久性有影响或者产生人们心理上不能接受的感觉 钢筋锈蚀 不安全感 漏水等 产生过大的振动影响使用 结构设计首先要满足承载能力的要求 以保证结构安全使用 然后按正常使用极限状态进行校核 以保结构的适用性及耐久性 第八章钢筋砼构件正常使用极限状态验算 8 1概述 2 三 正常使用极限状态设计表达式结构构件不满足正常使用极限状态对生命财产的危害性比不满足承载能力极限状态的要小 其相应的目标可靠指标 b 值要小些 故称正常使用极限状态验算 并在验算时采用荷载标准值 和材料强度标准值 结构系数 d 1 0 设计状况系数 1 0 按荷载效应的短期组合及长期组合分别验算 第八章钢筋砼构件正常使用极限状态验算 8 1概述 3 一 短期组合 0Ss Gk Qk fk ak c1 二 长期组合 0Sl Gk Qk fk ak c2c1 c2 结构的功能限值 裂缝宽度或挠度 Ss Sl 短期组合及长期组合时的功能函数 fk 材料强度的标准值 可变荷载标准值的长期组合系数 参照有关荷载规范规定及工程经验取用 第八章钢筋砼构件正常使用极限状态验算 8 1概述 4 第八章钢筋砼构件正常使用极限状态验算 8 1概述 正常使用极限状态 结构构件达到影响正常使用或耐久性能的某项规定限值 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 验算内容 抗裂验算 裂缝宽度验算及变形验算 抗裂验算范围 承受水压的轴拉 小偏拉及发生裂缝后引起严重渗漏构件 裂缝宽度验算范围 一般钢筋砼构件 变形验算范围 严格限制变形的构件 最大裂缝宽度容许值根据环境类别及长 短期组合确定 变形容许值根据构件类型及长 短期组合确定 5 第八章钢筋砼构件正常使用极限状态验算 8 2抗裂验算 第二节抗裂验算 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 tmaxEs Esft Ec Eft 6 第八章钢筋砼构件正常使用极限状态验算 8 2抗裂验算 Ns Nl 由荷载标准值按荷载效应短期组合及长期组合计算的轴向力 ftk 砼轴心抗拉强度标准值 ct 砼拉应力限制系数 短期组合 ct 0 85 长期组合 ct 0 70 Ao 换算截面面积 Ao Ac EAs E Es Ec As为钢筋截面面积 Ac为砼截面面积 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 7 第八章钢筋砼构件正常使用极限状态验算 8 2抗裂验算 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 8 第八章钢筋砼构件正常使用极限状态验算 8 2抗裂验算 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 9 第八章钢筋砼构件正常使用极限状态验算 8 2抗裂验算 Ao 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 10 第八章钢筋砼构件正常使用极限状态验算 8 2抗裂验算 Ms Ml 由荷载标准值按荷载效应短期组合及长期组合计算的弯矩值 为满足目标可靠指标的要求 引用拉应力限制系数 ct 荷载和材料强度均取用标准值 11 第八章钢筋砼构件正常使用极限状态验算 8 2抗裂验算 m是受拉区为梯形的应力图形 按抗裂弯矩相等的原则 折算成直线应力图形时 相应受拉边缘应力比值 m值与假定的受拉区应力图形有关 各种截面的 m值见附录五表4 m值还与截面高度h 配筋率和受力状态有关 m值随h值的增大而减小 乘以考虑截面高度影响的修正系数 其值不大于1 1 h以mm计 当h 3000mm 取h 3000mm 12 第八章钢筋砼构件正常使用极限状态验算 8 2抗裂验算 双筋工字形换算截面特征值 13 第八章钢筋砼构件正常使用极限状态验算 8 2抗裂验算 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 偏拉 采用迭加原理 用材料力学公式进行计算 14 第八章钢筋砼构件正常使用极限状态验算 8 2抗裂验算 随应变梯度加大 塑性影响系数加大 轴拉构件应变梯度为零 轴拉 1 偏拉随平均拉应力 的大小 按线性规律在1与 m之间变化 0时 受弯 偏拉 m ft时 轴拉 偏拉 1 15 第八章钢筋砼构件正常使用极限状态验算 8 2抗裂验算 eO 轴向拉力的偏心距 短期组合 长期组合 16 第八章钢筋砼构件正常使用极限状态验算 8 2抗裂验算 四 偏心受压构件 偏压大于 m 为简化计算并偏于安全取 偏压 m 17 第八章钢筋砼构件正常使用极限状态验算 8 3裂缝开展宽度的验算 第三节裂缝开展宽度的验算 一 裂缝的成因及对策砼结构中存在拉应力是产生裂缝的必要条件 主拉应力达到砼抗拉强度时 不立即产生裂缝 当拉应变达到极限拉应变etu时才出现裂缝 裂缝分荷载和非荷载因素引起的两类 非荷载因素如温度变化 砼收缩 基础不均匀沉降 塑性坍落 冰冻 钢筋锈蚀及碱一骨料化学反应等都能引起裂缝 水工钢筋砼结构中 大部分裂缝由非荷载因素引起 18 第八章钢筋砼构件正常使用极限状态验算 8 3裂缝开展宽度的验算 一 荷载作用引起的裂缝裂缝宽度计算限于由弯矩 轴心拉力 偏心拉 压 力等引起的垂直裂缝 正截面裂缝 剪力或扭矩引起的斜裂缝计算没有在规范中反映 其他原因引起裂缝没有简便方法计算 对策 合理配筋 控制钢筋应力不过高 钢筋直径不过粗 19 第八章钢筋砼构件正常使用极限状态验算 8 3裂缝开展宽度的验算 二 非荷载因素引起的裂缝1 温度变化引起的裂缝温度变化产生变形即热胀冷缩 变形受到约束 就产生裂缝 对策 设伸缩缝 减小约束 允许自由变形 大体积砼 内部温度大 外周温度低 内外温差大 引起温度裂缝 减小温度差 分层分块浇筑 采用低热水泥 埋置块石 预冷骨料 预埋冷却水管等 20 第八章钢筋砼构件正常使用极限状态验算 8 3裂缝开展宽度的验算 2 砼收缩引起的裂缝砼在空气中结硬产生收缩变形 产生收缩裂缝 对策 设伸缩缝 降低水灰比 配筋率不过高 设置构造钢筋使收缩裂缝分布均匀 加强潮湿养护 3 基础不均匀沉降引起的裂缝对策 构造措施及设沉降缝等 4 砼塑性坍落引起的裂缝对策 控制水灰比 采用适量减水剂 不漏振 不过振 避免泌水现象 在砼终凝前抹面压光 21 第八章钢筋砼构件正常使用极限状态验算 8 3裂缝开展宽度的验算 5 冰冻引起的裂缝水在结冰时体积增加 孔道中水结冰会使砼胀裂 6 钢筋锈蚀引起的裂缝钢筋锈蚀是电化学反应 钢筋生锈体积膨胀 产生顺筋裂缝 导致砼保护层剥落 影响结构耐久性 对策 提高砼的密实度和抗渗性 适当地加大保护层厚度 7 碱一骨料化学反应引起的裂缝砼孔隙中水泥的碱性溶液与活性骨料 含活性SiO2 化学反应生成碱一硅酸凝胶 遇水膨胀 使砼胀裂 对策 限制活性骨料含量 高砼的密实度和采用较低的水灰比 22 第八章钢筋砼构件正常使用极限状态验算 8 3裂缝开展宽度的验算 钢筋锈蚀过程 23 第八章钢筋砼构件正常使用极限状态验算 8 3裂缝开展宽度的验算 钢筋锈蚀过程 24 二 受力裂缝的开展宽度计算理论概述建立能包括各种因素的计算公式十分困难 数理统计的经验公式 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 半理论半经验公式 为我国 规范 采用 从力学模型出发推导出理论计算公式 用试验资料确定公式中系数 理论又可分为三类 粘结滑移理论 无滑移理论 综合理论 8 3裂缝开展宽度的验算 第八章钢筋砼构件正常使用极限状态验算 25 第八章钢筋砼构件正常使用极限状态验算 8 3裂缝开展宽度的验算 粘结滑移理论裂缝开展是由于钢筋和砼之间不再保持变形协调而出现相对滑移造成的 在一个裂缝区段 裂缝间距lcr 内 钢筋与砼伸长之差是裂缝开展宽度 lcr越大 越大 lcr取决于钢筋与砼之间的粘结力大小及分布 影响裂缝宽度的因素除钢筋应力 s外 主要是钢筋直径d与配筋率 的比值 砼表面的裂缝宽度与内部钢筋表面处是一样的 26 第八章钢筋砼构件正常使用极限状态验算 8 3裂缝开展宽度的验算 无粘结滑移理论假定裂缝开展后 砼截面在局部范围内不再保持为平面 钢筋与砼之间的粘结力不破坏 相对滑移忽略不计表面裂缝宽度是受从钢筋到构件表面的应变梯度控制的 与保护层厚度c大小有关 综合理论建立在前两种理论基础上 既考虑保护层厚度c的影响 也考虑钢筋可能出现的滑移 27 第八章钢筋砼构件正常使用极限状态验算 8 3裂缝开展宽度的验算 一 裂缝开展前后的应力状态根据粘结滑移理论对纯弯区段的裂缝加以讨论 裂缝出现前 拉区钢筋与砼共同受力 沿构件长度方向 各截面受力相同 砼拉应力达到抗拉强度时 最弱截面出现第一条裂缝 裂缝截面砼不再承受拉力 转由钢筋承担 裂缝截面钢筋应力突增 钢筋应变突变 28 第八章钢筋砼构件正常使用极限状态验算 8 3裂缝开展宽度的验算 受粘结作用影响 砼不能自由回缩到无应力状态 距裂缝越远 砼承担的拉应力越大 钢筋拉应力越小 距裂缝截面有足够的长度时 砼拉应力sc增大到ft 将出现新的裂缝 荷载增加 应力大于砼实际抗拉强度的地方又出现第二条裂缝 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 29 第八章钢筋砼构件正常使用极限状态验算 8 3裂缝开展宽度的验算 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 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 实际设计考虑的是最大宽度 二 平均裂缝宽度 m荷载达到抗裂弯矩Mcr时 出现第一条裂缝 裂缝截面砼拉应力为零 钢筋应力突增 应力达到ft处 发生第二条裂缝 把问题理想化 裂缝是等间距的 同时发生的 荷载增加只加大裂缝宽度 不产生新的裂缝 各条裂缝宽度 在同一荷载下相等 30 第八章钢筋砼构件正常使用极限状态验算 8 3裂缝开展宽度的验算 钢筋重心处裂缝宽度 m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 31 第八章钢筋砼构件正常使用极限状态验算 8 3裂缝开展宽度的验算 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 s 裂缝间距lcr和钢筋应变不均匀系数 也是两个重要的参数 32 第八章钢筋砼构件正常使用极限状态验算 8 3裂缝开展宽度的验算 1 s值 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 33 第八章钢筋砼构件正常使用极限状态验算 8 3裂缝开展宽度的验算 粘结滑移理论推求出的lcr与钢筋直径d及有效配筋率 te 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 te的影响 34 第八章钢筋砼构件正常使用极限状态验算 8 3裂缝开展宽度的验算 3 值 sm s 反映裂缝间受拉砼参与工作的程度 1 越小 砼参与承受拉力的程度越大 越大 砼承受拉力的程度越小 1 砼脱离工作 影响 的因素除钢筋应力外 还与砼抗拉强度 配筋率 钢筋与砼的粘结性能 荷载作用的时间和性质等有关 准确计算十分复杂 根据试验资料给出半理论半经验计算公式 试验常数 35 第八章钢筋砼构件正常使用极限状态验算 8 3裂缝开展宽度的验算 三 最大裂缝宽度 max砼质量不均匀 裂缝间距有疏有密 宽度有大有小 用最大宽度衡量是否超过允许值 荷载长期作用下裂缝宽度有所增长 包括长期荷载影响在内的最大裂缝宽度取平均宽度之两倍 三 水工砼结构设计规范 的裂缝宽度验算公式矩形 T形及工形截面的钢筋砼受拉 受弯和偏心受压构件 按荷载效应的短期组合 并考虑部分荷载的长期作用的影响 及长期组合的最大裂缝宽度 36 第八章钢筋砼构件正常使用极限状态验算 8 3裂缝开展宽度的验算 1 构件受力特征系数 受弯和偏压 1 1 0 偏拉 1 1 15 轴拉 1 1 3 2 钢筋表面形状系数 变形钢筋 2 1 0 光面钢筋 2 1 4 3 荷载长期作用影响系数 短期组合 3 1 5 长期组合 3 1 6 37 第八章钢筋砼构件正常使用极限状态验算 8 3裂缝开展宽度的验算 Ate 有效受拉砼截面面积 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 全截面受拉的偏拉 取拉应力较大一侧钢筋的相应有效受拉砼截面面积 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 38 第八章钢筋砼构件正常使用极限状态验算 8 3裂缝开展宽度的验算 c 最外排纵向受拉筋外缘至拉区底边的距离 mm c 20mm c 20mm c 65mm 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 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 ss sl 短期及长期组合计算的纵向受拉筋应力 偏压构件当e0 h0 0 55时 裂缝宽度小 不必验算 39 第八章钢筋砼构件正常使用极限状态验算 8 3裂缝开展宽度的验算 纵向受拉钢筋应力 一 轴拉构件 Ns Nl 由荷载标准值按短期及长期组合计算的轴向拉力值 二 受弯构件 Ms Ml 由荷载标准值按短期及长期组合计算的弯矩值 40 影响裂缝宽度的主要因素是钢筋应力 钢筋的直径 外形 砼保护层厚度及配筋率也是较重要的因素 砼强度对裂缝宽度无显著影响 普通钢筋砼结构中 不宜采用高强钢筋 采用细而密 变形钢筋 可使裂缝间距及裂缝宽度减小 砼保护层越厚 表面裂缝宽度越大 钢筋不易锈蚀 解决荷载裂缝问题的最有效方法是采用预应力钢筋砼 第八章钢筋砼构件正常使用极限状态验算 8 3裂缝开展宽度的验算 设计时要求 最大裂缝宽度允许值 见附录五表1 取值主要考虑结构构件的耐久性和使用者心理 当不满足上述要求 41 第八章钢筋砼构件正常使用极限状态验算 8 4变形验算 第四节变形验算 材料力学 匀质弹性材料梁 挠度计算公式 l0 EI 梁的计算跨度和截面抗弯刚度 抗弯刚度EI体现了截面抵抗弯曲变形的能力 匀质弹性材料EI为常数 M f关系为直线 42 刚度是反映力与变形之间的关系 第八章钢筋砼构件正常使用极限状态验算 8 4变形验算 43 第八章钢筋砼构件正常使用极限状态验算 8 4变形验算 1 裂缝出现前 M f接近直线 2 出现裂缝后 出现转折点A 砼塑性发展 变形模量降低 截面开裂 抗弯刚度降低 3 钢筋屈服 出现第二个转折点C 截面刚度急剧降低 由于砼开裂 弹塑性应力 应变关系和钢筋屈服等影响 钢筋砼适筋梁的M f关系不再是直线 44 第八章钢筋砼构件正常使用极限状态验算 8 4变形验算 钢筋砼梁 用抗弯刚度B代替EI B随M增大而减小 刚度B确定后可用材料力学公式计算梁的挠度 水工规范对钢筋砼梁抗弯刚度采用简化计算方法 一 受弯构件的短期刚度Bs 一 不出现裂缝的构件实际挠度比按弹性体算得的数值大 砼受拉发生塑性 实际弹模降低 截面未削弱 I值不受影响 将刚度EI修正可反映不出现裂缝的钢筋砼梁工作情况 45 第八章钢筋砼构件正常使用极限状态验算 8 4变形验算 刚度EI用Bs值代替 Bs 不出现裂缝的钢筋砼受弯构件的短期刚度 Ec 砼的弹模 I0 换算截面对其重心轴的惯性矩 0 85 考虑砼出现塑性时弹模降低的系数 46 第八章钢筋砼构件正常使用极限状态验算 8 4变形验算 二 出现裂缝的构件短期刚度以材料力学梁的挠度公式为基础 根据试验 以 E 为主要参数进行回归分析 Bs与 E 为线性关系 矩形 T形及工形截面构件的短期刚度 纵向拉筋的配筋率 f 受压翼缘面积与腹板有效面积的比值 f 受拉翼缘面积与腹板有效面积的比值 47 第八章钢筋砼构件正常使用极限状态验算 8 4变形验算 二 受弯构件的长期刚度Bl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 拉区钢筋较多而压区很少或未配 压区砼自由收缩 梁上部缩短 拉区砼收缩受钢筋约束 砼受拉 可出现裂缝 影响砼徐变和收缩的因素如受压钢筋的配筋率 加荷龄期 荷载的大小及持续时间等对长期挠度的增长有影响 48 第八章钢筋砼构件正常使用极限状态验算 8 4变形验算 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 49 第八章钢筋砼构件正常使用极限状态验算 8 4变形验算 规范采用第 种方法 值按下式计算 为受压筋和受拉筋的配筋率 As bho As bho 0 2 0 1 6 为中间值 按直线内插 翼缘位于拉区的倒T形截面 挠度增大系数 乘以1 2 50 第八章钢筋砼构件正常使用极限状态验算 8 4变形验算 Bs 短期刚度 Ms Ml 由荷载标准值按短期及长期组合计算的弯矩值 考虑荷载长期作用对挠度增大的影响系数 矩形 T形及工形截面受弯构件的