ch10钢筋混凝土结构的适用性及耐久性

第10章钢筋混凝土结构的适用性及耐久性,10.1受弯构件的挠度控制10.2混凝土构件裂缝宽度计算,10.1受弯构件的挠度控制,10.1.1挠度控制的目的和要求,对钢筋混凝土受弯构件进行挠度控制的目的基于以下三方面的考虑：1）功能要求结构产生过大的变形将损害甚至使构件完全丧失其使用功能。2）非结构构件的损坏构件过度变形引起的最普遍的一类问题。3）外观要求构件出现明显下垂的挠度会让使用者产生不安全感。规范的规定根据工程经验，规定受弯构件的最大挠度计算值不应超过表10-1的挠度限值。表中括号中的数值适用于使用上对挠度有较高要求的构件。为构件的计算跨度。悬臂构件的挠度限值按表中相应数值乘2取用。,10.1受弯构件的挠度控制,10.1.2受弯构件刚度的试验研究分析,材料力学中，匀质弹性材料梁的跨中挠度为,式中S与荷载类型和支承条件有关的系数；EI梁截面的抗弯刚度。,由于是匀质弹性材料，所以当梁截面的尺寸确定后，其抗弯刚度即可确定且为常量，挠度f与M成线性关系。,随荷载的增加而减少，即M越大，抗弯刚度越小。验算变形时，截面抗弯刚度选择在曲线第阶段（带裂缝工作阶段）确定；随配筋率的降低而减少。对于截面尺寸和材料都相同的适筋梁，小，变形大；截面抗弯刚度小些；沿构件跨度，弯矩在变化，截面刚度也在变化，即使在纯弯段刚度也不尽相同，裂缝截面处的小些，裂缝间截面的大些；随加载时间的增长而减小。构件在长期荷载作用下，变形会加大，在变形验算中，除了要考虑短期效应组合，还应考虑荷载长期效应的影响，故有长期刚度Bl和短期刚度Bs。,对钢筋混凝土构件，由于材料的非弹性性质和受拉区裂缝的开展，梁的抗弯刚度不是常数而是变化的，其主要特点如下：,1）钢筋应变es沿梁长呈波浪形变化，es的峰值在开裂截面处，在裂缝中间截面es（两裂缝之间）最小。钢筋平均应变钢筋应变不均匀系数：它反映了拉区混凝土参与受力的程度。2）压区混凝土的应变ec沿纯弯段也是非均匀分布的，开裂截面ec大，裂缝之间ec小，但其波动幅度比钢筋应变的波动幅度小得多。峰值应变ec与平均应变ec差别不大，可取ec=ec。3）由于裂缝的影响，截面的中和轴高度xn也呈波浪形变化，平均中和轴高度为xn，该截面称为“平均截面”。实测的平均应变沿截面高度的分布表明，平均应变的es、ec符合平截面假定，沿截面高度为直线分布。,对钢筋混凝土受弯构件，通过记录的试验现象，裂缝趋于稳定以后，钢筋及混凝土的应变分布具有以下的特征：,10.1.3短期刚度Bs,短期刚度是指钢筋混凝土受弯构件在荷载短期效应组合下的刚度值（以Nmm2计）。,参数h、z和y的确定,1.开裂截面内力臂系数h,试验和理论分析表明，在短期弯矩Mk(0.60.8)Mu范围，裂缝截面的相对受压区高度变化很小，内力臂的变化也不大。对常用的混凝土强度和配筋情况，其值在0.830.93之间波动。规范为简化计算，取0.87。,参数h、z和y的确定,2.受压边缘混凝土平均应变综合系数z,T形截面梁,矩形截面梁,参数h、z和y的确定,3.受拉钢筋应变不均匀系数y,10.1.3短期刚度Bs,短期刚度是指钢筋混凝土受弯构件在荷载短期效应组合下的刚度值（以Nmm2计）。对矩形、T形、工字形截面受弯构件，短期刚度的计算公式为,式中f受压翼缘的加强系数；,当hf0.2h0时，取hf=0.2h0。,钢筋的弹性模量Es和混凝土Ec弹性模量的比值；纵向受拉钢筋的配筋率，；钢筋应变不均匀系数，是裂缝之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。该系数按下列公式计算,并规定0.21.0,式中按有效受拉混凝土面积计算的纵向受拉钢筋配筋率，。,有效受拉混凝土面积。对受弯构件，近似取,按荷载短期效应组合计算的裂缝截面处纵向受拉钢筋的应力，根据使用阶段（阶段）的应力状态及受力特征计算:,对受弯构件,式中：Mk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。,10.1.4长期刚度Bl,长期刚度Bl是指考虑荷载长期效应组合时的刚度值。在荷载的长期作用下，由于受压区混凝土的徐变以及受拉区混凝土不断退出工作，即钢筋与混凝土间粘结滑移徐变、混凝土收缩，致使构件截面抗弯刚度降低，变形增大，故计算挠度时必须采用长期刚度Bl。规范建议采用荷载长期效应组合挠度增大的影响系数来考虑荷载长期效应对刚度的影响。长期刚度按下式计算：,式中：Mq按荷载长期效应组合下计算的弯矩值，即按永久荷载标准值与可变荷载准永久值计算。,式中分别为受压及受拉钢筋的配筋率。,此处反映了在受压区配置受压钢筋对混凝土受压徐变和收缩起到一定约束作用，能够减少构件在长期荷载作用下的变形。上述适用于一般情况下的矩形、T形、工字形截面梁，值与温湿度有关，对干燥地区，值应酌情增加1525。对翼缘位于受拉区的T形截面，值应增加20。,10.1.5受弯构件变形验算,（1）变形验算目的与要求,其主要从以下几个方面考虑：保证结构的使用功能要求；防止对结构构件产生不良影响；防止对非结构构件产生不良影响；保证使用者的感觉在可接受的程度之内。因此，对受弯构件在使用阶段产生的最大变形值f必须加以限制，即,受弯构件变形验算目的主要是用以满足适用性。,ff,其中f为挠度变形限值。,混凝土结构构件变形和裂缝宽度验算属于正常使用极限状态的验算，与承载能力极限状态计算相比，正常使用极限状态验算具有以下二个特点：,考虑到结构超过正常使用极限状态对生命财产的危害远比超过承载能力极限状态的要小，因此其目标可靠指标值要小一些，故规范规定变形及裂缝宽度验算均采用荷载标准值和材料强度的标准值。,由于可变荷载作用时间的长短对变形和裂缝宽度的大小有影响，故验算变形和裂缝宽度时应按荷载短期效应组合值并考虑荷载长期效应的影响进行。,10.1.6受弯构件变形计算方法,为了简化计算，规范在挠度计算时采用了“最小刚度原则”，即：在同号弯矩区段采用最大弯矩处的截面抗弯刚度（即最小刚度）作为该区段的抗弯刚度，对不同号的弯矩区段，分别取最大正弯矩和最大负弯矩截面的刚度作为正负弯矩区段的刚度。,理论上讲，按Bmin计算会使挠度值偏大,但实际情况并不是这样。因为在剪跨区段还存在着剪切变形，甚至出现斜裂缝，它们都会使梁的挠度增大，而这是在计算中没有考虑到的，这两方面的影响大致可以相互抵消，亦即在梁的挠度计算中除了弯曲变形的影响外，还包含了剪切变形的影响。,受弯构件变形验算按下列步骤进行：,计算荷载短期效应组合值Ms和荷载长期效应组合值Ml；按下列式子计算:,计算长期刚度Bl按式：,计算短期刚度Bs按式:,用Bl代替材料力学位移公式中的EI，计算出构件的最大挠度，并按式进行验算。,ff,10.2混凝土构件裂缝宽度计算,国内外学者先后提出了以下理论来解释裂缝开展的机理：,1.这一理论认为裂缝控制主要取决于钢筋和混凝土之间的粘结性能，当裂缝出现后，钢筋与混凝土之间的粘结发生局部破坏，这时，在裂缝处钢筋与混凝土之间的变形不再协调，出现相对滑移。*轴心受拉构件*影响因素是：荷载水平、混凝土强度、配筋率、粘结强度,1.粘结滑移理论2.无滑移理论3.综合理论,这一理论认为，在通常允许的裂缝宽度范围内，钢筋与混凝土之间的粘结力并不破坏，相对滑移很小，致使钢筋表面处裂缝宽度要比构件表面裂缝宽度小得多。按此理论，表面裂缝宽度是由钢筋至构件表面混凝土的应变梯度控制的，因此钢筋保护层厚度是影响裂缝宽度的主要因素，而截面配筋率和钢筋直径对裂缝的间距和宽度影响很小。,前面所述两个理论都对揭示混凝土受拉裂缝的规律作出了贡献。它们对于裂缝主要影响因素的分析和取舍各有侧重，都有一定试验结果支持。但它们的计算形式和计算结果差别很大，又都不能完全解释所有的试验现象和数据。故研究者将有滑移理论和无滑移理论结合起来，既考虑了构件表面至钢筋的距离对裂缝宽度的重大作用，又修正钢筋界面上相对滑移和裂缝宽度为零的假设，计入粘结滑移的影响，得出一般的计算公式。,10.2混凝土构件裂缝宽度计算,10.2.1裂缝产生的原因,裂缝是工程结构中常见的一种作用效应，裂缝按其形成的原因可分为两大类：一类是由荷载作用引起的裂缝；另一类是由变形因素引起的裂缝，如温度变化、材料收缩以及地基不均匀沉降引起的裂缝，由于变形因素引起的裂缝计算因素很多，不易准确把握，故此处裂缝宽度计算的裂缝主要是指荷载原因引起的裂缝。,荷载的作用产生裂缝广义荷载产生的裂缝（收缩徐变、沉降）施工过程中产生裂缝（养护、水化反应、骨料、下沉、泌水）使用环境产生的裂缝（冻融、干燥收缩）,10.2混凝土构件裂缝宽度计算,10.2.2裂缝宽度验算的目的和要求,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。,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，对允许出现裂缝的钢筋混凝土构件，裂缝宽度必须加以限制，要求使用阶段最大裂缝宽度小于允许裂缝宽度。即,而且，沿裂缝深度裂缝宽度不相等，要验算的裂缝宽度则是指受拉钢筋重心水平处构件侧表面上的混凝土的裂缝宽度。需要进行裂缝宽度验算的构件包括：受弯构件、轴心受拉构件、偏心受拉构件、偏心受压构件。,10.2.3裂缝特性,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。而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；,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；裂缝宽度与荷载作用时间长短有关。,10.2.4裂缝宽度的计算,1）最大裂缝宽度计算方法,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。规范要求计算的max具有95的保证率。,(1)裂缝间距(2)平均裂缝宽度(3)最大裂缝宽度,构件受力特征系数；,轴心受拉构件：偏心受拉构件：,受弯构件和偏心受压构件：,c混凝土保护层厚度，当c20mm时，取c=20mm,deq纵向受拉钢筋的等效直径（mm）。,各种构件正截面最大裂缝宽度计算公式为:,2）裂缝截面处钢筋应力sk的计算,受弯构件sk计算按式：,轴心受拉构件,式中Ns、As分别为按荷载短期效应组合计算的轴向拉力值和受拉钢筋总截面面积。,偏心受拉构件。大小偏心受拉构件sk按下式计算:,式中e轴向拉力作用点至受压区或受拉较小边纵筋合力点的距离，yc截面重心至受压或较小受拉边缘的距离。,偏心受压构件。偏心受压构件sk按下式计算:,式中：z纵向受拉钢筋合力点至截面受压区合力点的距离，且不大于0.87h0。,f意义同前。,式中：eNs至受拉钢筋As合力点的距离，e=sh0+ys，此处ys为截面重心至纵向受拉筋合力点的距离，s是指第阶段的偏心距增大系数，近似取,裂缝宽度的验算是在满足构件承载力前提下进行的，因而截面尺寸、配筋率等均已确定，验算中可能会出现裂缝宽度不能满足规范要求的情况，此时可采取的措施是选择直径较小的钢筋，或宜采用变形钢筋，必要时还可适当增加配筋率。由公式可知，Wmax主要与钢筋应力sk，有效配筋率te及钢筋直径有关，根据sk，te及d三者的关系，规范给出了钢筋混凝土构件不需作裂缝宽度验算的最大钢筋直径图表，通常裂缝宽度的控制在实际工程中是用控制钢筋最大直径来满足。,10.3混凝土构件的延性,10.3.1延性概念,结构、构件或截面延性是指从屈服开始到达到最大承载力或达到以后而承载力还没有显著下降期间的变形能力。即延性是反映构件的后期变形能力。,“后期”是指从钢筋开始屈服进入破坏阶段直到最大承载能力（或下降到最大承载能力的85）时的整个过程。,延性要求的目的：满足抗震方面的要求；防止脆性破坏；在超静定结构中，适应外界的变化；使超静定结构能充分的进行内力重分布。,截面的延性用延性系数来表达，计算时采用平截面假设。延性系数表达式：,10.3.2截面的延性的计算及影响因素,10.3.3受弯构件延性的因素和提高截面延性的措施,影响因素主要包括：纵向钢筋配筋率、混凝土极限压应变、钢筋屈服强度及混凝土强度等。即极限压应变以及受压区高度kh0和两个综合因素。,提高截面延性的措施有:限制纵向受拉钢筋的配筋率；规定受压钢筋和受拉钢筋的最小比例；在弯矩较大区段适当加密箍筋。,10.4混凝土结构的耐久性,耐久性是指结构在设计使用年限内，在正常维护条件下，不需要进行大修和加固满足，而满足正常使用和安全功能要求的能力。耐久性极限状态：不满足设计使用年限内所预定的使用功能的状态是耐久性极限状态的下限。结构的使用寿命是耐久性极限状态的上限。,10.4.1耐久性的概念及其影响因素,耐久性设计依据主要是结构的环境类别、设计使用年限及考虑对混凝土材料的基本要求。,10.4混凝土结构的耐久性,10.4.1耐久性的概念及其影响因素,影响混凝土耐久性的因素,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。,混凝土的冻融循环混凝土的碱集料反应侵蚀性介质的腐蚀混凝土的碳化钢筋锈蚀,若不满足将会发生这些现象,10.4.2耐久性设计,1.耐久性设计的目的及基本原则,耐久性概念设计的目的是指在规定的设计使用年限内，在正常维护下，必须保持适合于使用，满足既定功能的要求。,耐久性概念设计的基本原则是根据结构的环境类别和设计使用年限进行设计。,规定最小保护层厚度；满足混凝土的基本要求；控制最大水灰比、最小水泥用量、最低强度等级、最大氯离子含量