混凝土结构设计原理变形和裂缝PPT学习教案

1、会计学1混凝土结构设计原理混凝土结构设计原理 变形和裂缝变形和裂缝第九章 裂缝宽度和变形的验算 1、保证建筑使用功能的要求。 2、防止对结构构件产生不良影响。 3、防止对非结构构件产生不良影响。 4、保证使用者的感觉在可接受的程度之内。f flimfP第1页/共77页第九章 裂缝宽度和变形的验算受弯构件的挠度限值构 件 类 型 挠度限值（以计算跨度 l0计算） 吊车梁：手动吊车 电动吊车 l0/500 l0/600 屋盖、楼盖及楼梯构件 ： 当 l0 9m 时 l0/200(l0/250) l0/250(l0/300) l0/300(l0/400) 第2页/共77页第九章 裂缝宽度和变形的验算

2、fP244853845lEIMEIqlf23121481lEIMEIPlf22lSlEIMSfEIMMEI 可见， EIM第3页/共77页第九章 裂缝宽度和变形的验算M0弹性梁钢筋混凝土适筋梁McrMyMu中和轴随荷载的增加而减小；随时间的增加而减小；沿构件跨度是变化的。随配筋率的增加而增加；Mktg=BsBs =0.85EcI0Bs = tg= Mk /第4页/共77页第九章 裂缝宽度和变形的验算（在荷载效应标准组合作用下的刚度称短期刚度BS）fEssshAEB5 . 3162 . 015. 120ksMB 由前述可知：第5页/共77页第九章 裂缝宽度和变形的验算lm-cm lmlm+sm

3、lmrlm( cm +sm)lmMkMkh0由三角形相似得01hrcmsm由数学可知01hrcmsmcmsmkshMB0中和轴第6页/共77页0hAMsksk第九章 裂缝宽度和变形的验算wckckx0 h0skAsCh0Mk0hAEMEsskssksksm202020bhEMbhEMbhEMEckckcckccckcckccmwxwx200bhMkckwx（由右图可得）裂缝截面第7页/共77页第九章 裂缝宽度和变形的验算将代入公式 后得：cmsmkshMB0 EssshAEB20第8页/共77页1、 -开裂截面的内力臂系数 试验表明，当Mk =（0.50.7）Mu时， 内力臂的变化也不大， 值

4、在0.830.93之间波动。 规范取 =0.87。第九章 裂缝宽度和变形的验算第9页/共77页 反映了裂缝间混凝土参与受拉工作的程度。ss钢筋应变砼应变第九章 裂缝宽度和变形的验算第10页/共77页sssss-1平均应变sDs裂缝截面应变sMcrMy 可表示为Mcr / Mk的函数另外， s与作用弯矩Mk成正比第九章 裂缝宽度和变形的验算)(ss-与Mcr近似成正比)(ss-（由右图可知： 与Ds近似成正比 而Ds又与Mcr近似成正比s- sMk第11页/共77页1.01.0-kcrMM11 . 1当 1.0时，取 =1.0；对直接承受重复

5、荷载的构件，取 =1.0。第九章 裂缝宽度和变形的验算第12页/共77页Mcr、 MkhfhbbbhMctkffcr)(5 . 0 8 . 0-ftkbchbfhf第九章 裂缝宽度和变形的验算0hAMsskkskAsh0第13页/共77页-kcrMM11 . 1及Mcr、 Mk代入teffshbbbhA-)(5 . 0sktetkf65. 01 . 1-并近似取c/ =0.67，h/h0=1.1后得第九章 裂缝宽度和变形的验算令第14页/共77页对轴心受拉构件：取构件截面面积；对受弯、偏压、偏拉构件：取Ate=0.5bh+(bf-b)hf。0.5h0.5h第九章 裂缝宽度和变形的验算skskA

6、hM087. 0testeAA te为以有效受拉砼截面面积 计算的受拉钢筋配筋率第15页/共77页3、-受压区边缘混凝土平均应变综合系数 试验表明，当Mk =（0.50.7）Mu时， 系数 的变化很小，规范取：fEE5 . 3162 . 00)(bhhbbfff- f -受压翼缘加强系数第九章 裂缝宽度和变形的验算第16页/共77页fEssshAEB5 . 3162 . 015. 120第九章 裂缝宽度和变形的验算将参数 、 代入 后得 EssshAEB20第17页/共77页 受压区混凝土的徐变； 受拉区混凝土的应力松弛； 钢筋与混凝土间粘结滑移徐变； 混凝土收缩等会导致梁的刚度减小、挠度增大

7、。第九章 裂缝宽度和变形的验算按荷载效应标准组合并考虑荷载长期作用影响的刚度。第18页/共77页-4 . 00 . 2skqkBMMMB-) 1(第九章 裂缝宽度和变形的验算：-考虑荷载长期作用对挠度增大的影响系数。对翼缘位于受拉区的倒T形截面， 应增加20%。第19页/共77页第九章 裂缝宽度和变形的验算1由M、B、1/r间的关系有SqBMr11SqkBMMr-21BMrrrk2111skqkBMMMB-) 1(第20页/共77页第九章 裂缝宽度和变形的验算直接应用公式用结构力学的方法。fqBqlf43845如均布荷载作用下：虚功原理法（单位力法）等第21页/共77页第九章 裂缝宽度和变形的

8、验算最小刚度原则忽略剪切变形， 只考虑弯曲变形。 在等截面构件中，假定同号弯矩区段的刚度相等，并取用该弯矩区段内最大弯矩处的刚度。中和轴 若某跨的刚度满足 ，则该跨可按等刚度计算，且刚度取跨中最大弯矩截面的刚度。弯矩图第22页/共77页第九章 裂缝宽度和变形的验算（1）增大截面尺寸；（2）施加预应力；（3）改变截面形状，如增加受压翼缘；（4）增加配筋量和提高混凝土强度等级 对提高 的效果不明显。增大截面高度和施加预应力为最有效的措施。第23页/共77页视带裂缝的受弯构件为等刚度的构件,短期挠度 f s )(a)(b)(c第九章 裂缝宽度和变形的验算第24页/共77页crscrscrBBMMMM

9、BB02201-第九章 裂缝宽度和变形的验算0WfMtkcr0095.0IEBCcrCcrIEB第25页/共77页第九章 裂缝宽度和变形的验算002WS第26页/共77页桥规的长期挠度：fl = f s C40以下混凝土时： = 1.6 C40C80混凝土时： = 1.451.35消除结构自重产生的长期挠度后的限值为：梁式桥主梁的最大挠度 l / 600;梁式桥主梁的悬臂端的挠度 l / 300;第九章 裂缝宽度和变形的验算limfffsl第27页/共77页第九章 裂缝宽度和变形的验算当fl l/1600时，可不设预拱度；当fl l/1600时，应设置预拱度。QGww21D第28页/共77页第

10、九章 裂缝宽度和变形的验算2、影响l、w大小的本质因素1、l越大、w越大（2）接触周长 As不变时，直径小、根数多，则周长大，可减小l、w； 增大As ，则可减小s、加大接触周长，从而减小l、w。（3）保护层厚度C： C越大，则l、 w越大（1）粘结强度 光圆钢筋：粘结强度小，则l、w大； 变形钢筋：粘结强度大，则l、w小。第29页/共77页第九章 裂缝宽度和变形的验算第一选直径小的变形钢筋；第二增加配筋；加大截面尺寸或提高混凝土强度等级的效果非常有限。3、减小w的措施：第30页/共77页（以轴心受拉构件为例）N1=0NcrAB第九章 裂缝宽度和变形的验算第31页/共77页N2=NcrAB第九

11、章 裂缝宽度和变形的验算第32页/共77页Nk N3NcrAB混凝土实际强度Cll2ll为通过粘结应力 的积累可使砼达到ft 的长度。第九章 裂缝宽度和变形的验算第33页/共77页NkN4 N3 NcrABClmlm第九章 裂缝宽度和变形的验算第34页/共77页ABClmlm第九章 裂缝宽度和变形的验算第35页/共77页：混凝土和钢筋的应变沿构件的长度基本上是均匀分布的。：当构件最薄弱截面的混凝土达到抗拉强度时。：裂缝截面的混凝土退出工作，应力为零；而钢筋拉应力突增Ds；配筋率越小，Ds就越大。（以下9款与前面图示分析一致，大致说一下即可）第九章 裂缝宽度和变形的验算第36页/共77页：随着距

12、裂缝截面距离的增加，混凝土中的拉应力c逐渐增加；而钢筋中的拉应力则逐渐减小。：距裂缝截面 处，混凝土拉应力c增大到 时，将出现新的裂缝。第九章 裂缝宽度和变形的验算第37页/共77页9.2 裂缝宽度验算：从第一条（批）裂缝出现到裂缝全部出齐为裂缝出现阶段，该阶段是裂缝间距计算的依据。：如果裂缝间的距离小于2 l，则不会出现新的裂缝。裂缝间距最终将稳定在（l 2 l）之间，平均间距可取1.5 l。第九章 裂缝宽度和变形的验算第38页/共77页9.2 裂缝宽度验算：裂缝出齐后，荷载继续增加，混凝土回缩，钢筋伸长，两者间的变形差产生裂缝宽度，这也是裂缝宽度计算的依据。裂缝的出现、分布、开展以及裂缝间

13、距和宽度具有很大的离散性； 二是裂缝间距和宽度的统计平均值具有一定的规律性。第九章 裂缝宽度和变形的验算第39页/共77页认为钢筋与砼间有粘结、有滑移；裂缝宽度是裂缝间距范围内钢筋与混凝土的变形差所造成。认为开裂后钢筋与砼间仍保持可靠粘结，无相对滑动，沿裂缝深度存在应变梯度，保护层越厚，表面裂缝越宽综合了上述两种理论中影响裂缝宽度的主要因素，并在统计回归的基础上建立了实用的计算公式。粘结滑移理论无滑移理论裂缝综合理论第九章 裂缝宽度和变形的验算第40页/共77页9.2 裂缝宽度验算tetmAflu 5.15.1ssmtetmAAuAfllluAAmssss-21c=0c=fts1s2ms1s2

14、mtemdKl1temtdf83第九章 裂缝宽度和变形的验算tetssssAfAA-21第41页/共77页9.2 裂缝宽度验算，钢筋直径越细，裂缝间距越小， 裂缝宽度也越小， 这是控制“裂缝宽度”的一个重要原则。，裂缝间距与混凝土保护层厚度c 有关， 因此对上式修正如下:temdKl1第九章 裂缝宽度和变形的验算teeqmdKcKl12iiiiieqdndnd2其中 第42页/共77页9.2 裂缝宽度验算mctmmsmmllw-msmctmsml )1 (-钢筋应变砼应变第九章 裂缝宽度和变形的验算85. 0)1 (-smctmsskssmE第43页/共77页msskmlEw85. 0第九章

15、裂缝宽度和变形的验算第44页/共77页按荷载效应标准组合计算的裂缝截面处 纵向受拉钢筋的应力。skskAN第九章 裂缝宽度和变形的验算第45页/共77页0sskskahAeN-skskAhM087. 0大偏心受拉构件内力臂近似取h0-as第九章 裂缝宽度和变形的验算第46页/共77页zAzeNsksk-020)1 (12. 087. 0hehzf-0)(bhhbbfff-当hf 0.2h0时，取hf =0.2h0且z 0.87h02000400011hlhes当l0/h14时，取s =1.0第九章 裂缝宽度和变形的验算第47页/共77页（1）实测表明，裂缝宽度分布具有很大的离散性。（2）令实测

16、裂缝宽度wi平均裂缝宽度wm统计表明， 的概率密度分布基本符合正态分布。 1.000.100.050.00 2.0第九章 裂缝宽度和变形的验算第48页/共77页面积为0.05，即具有95%的保证率。 1.000.100.050.00 2.0msmwww)645. 11 (maxs荷载标准组合下的裂缝扩大系数统计表明：对受弯、偏压构件s =1.66; 对轴拉、偏拉构件s =1.9。第九章 裂缝宽度和变形的验算第49页/共77页9.2 裂缝宽度验算混凝土的滑移徐变、受拉区混凝土的应力松弛。混凝土的收缩。荷载变动及环境温度的变化。wmax= l swm根据长期观测结果， 第九章 裂缝宽度和变形的验算

17、第50页/共77页)08. 09 . 1 (maxteeqsskcrdcEwcr 构件受力特征系数。 对受弯和偏压构件cr=2.1；对偏拉构件cr2.4 ；对轴拉构件cr2.7 。sktetkf65. 01 . 1-iiiiieqdndnd2testeAA对e0 /h0 0.55的偏压构件，可不验算裂缝宽度。第九章 裂缝宽度和变形的验算第51页/共77页 确定最大裂缝宽度限值对钢筋混凝土结构：一类环境 二、三类环境求最大裂缝宽度求te testeAA求 sk先求内力标准值（Mk 或 Nk），再求sk 。第九章 裂缝宽度和变形的验算第52页/共77页)08. 09 . 1 (maxteeqssk

18、crdcEw求验算条件 若不满足，怎么办？第二增加配筋；也可施加预应力； 加大截面尺寸、提高砼强度等级的效果非常有限。第一减小钢筋直径、应用变形钢筋；第九章 裂缝宽度和变形的验算求sktetkf65. 01 . 1-第53页/共77页是受拉钢筋位置处的裂缝宽度， 通常只有构件表面裂缝宽度的1/51/3。受拉钢筋对离它越远的混凝土的约束作用越小。第九章 裂缝宽度和变形的验算第54页/共77页是以7.5d为半径的圆的范围。 约束区内的裂缝密而细， 约束区外的裂缝疏而宽。第九章 裂缝宽度和变形的验算第55页/共77页)1028. 030(321dEcccWsssfkc1 钢筋表面形状系数。 对光面钢

19、筋c1=1.4，带肋钢筋c1=1.0； c2 荷载长期效应影响系数。 c2=1+0.5Nl / Ns c3 与构件受力性质有关的系数。 板式受弯构件c3=1.15，其它受弯构c3=1.0， 轴心受拉构件 c3=1.2， 偏心受拉构c3=1.1， 偏心受压构件 c3=0.9，第九章 裂缝宽度和变形的验算第56页/共77页d 纵向受拉钢筋的直径。 纵筋配筋率。 =As / bh0+ (bf - b)hf 。 当0.02时，取=0.02； 当0.006时，取=0.006； 对于轴拉构件 按全部受拉钢筋面积As的一半计算。ss开裂截面钢筋应力，计算公式同建工规范的sk第九章 裂缝宽度和变形的验算第57

20、页/共77页 对钢筋混凝土构件：类、类环境 类、类环境第九章 裂缝宽度和变形的验算第58页/共77页第九章 裂缝宽度和变形的验算9.4 混凝土结构的耐久性 是指结构在设计规定的使用年限内， 在正常维护下不需要进行大修和加固， 即能满足正常使用和安全功能要求的能力。9.4.1 耐久性的概念与主要影响因素1、概念9.3 混凝土构件的截面延性第59页/共77页第九章 裂缝宽度和变形的验算2、主要影响因素内部因素： 混凝土强度 密实性 水泥用量 水灰比 氯离子 碱含量 外加剂用量 保护层厚度等外部因素：环境温度 环境湿度 CO2含量 侵蚀性介质等是影响耐久性的最主要综合因素。混凝土碳化钢筋锈蚀第60页

21、/共77页第九章 裂缝宽度和变形的验算Highway Bridge in Service New York State, US第61页/共77页贵州铝厂柱开胀第九章 裂缝宽度和变形的验算第62页/共77页青海化工厂桥柱第63页/共77页青海化工厂桥面护栏第64页/共77页9.4.2 混凝土的碳化（1）混凝土中碱性物质（Ca(OH)2）的作用：使混凝土内的钢筋表明形成氧化膜，它能有效地保护钢筋，防止钢筋锈蚀。（2）混凝土碳化的概念：大气中的CO2与混凝土中的碱性物质发生反应，使混凝土的PH值降低，这就是混凝土的碳化。（3）碳化引起的危害：当碳化达到钢筋表面时，将破坏钢筋表面的氧化膜，引起钢筋的锈

22、蚀。第九章 裂缝宽度和变形的验算第65页/共77页第九章 裂缝宽度和变形的验算（b）材料因素（a）环境因素CO2浓度：CO2浓度大，碳化反应快。环境湿度：相对湿度为50%70%时，碳化速度快。 环境温度： 环境温度交替变化，碳化速度快，水泥用量：水泥用量多，抗碳化性能高。水灰比：水灰比大，碳化速度快。保护层：保护层厚，碳化到钢筋表面的时间长。（c）施工养护条件：混凝土的密实性。（4）影响混凝土碳化的因素第66页/共77页第九章 裂缝宽度和变形的验算（5）减小混凝土碳化的措施（a）合理设计混凝土的配合比、 规定水泥用量的低限值、水灰比的高限值；（b）提高混凝土的密实性、抗渗性；（c）规定钢筋保护

23、层的最小厚度；（d）采用水泥砂浆、涂料等覆盖面层；第67页/共77页1、钢筋锈蚀的充要条件 必要条件 表面氧化膜破坏 充分条件 含氧水分的侵入9.4.3 钢筋锈蚀第九章 裂缝宽度和变形的验算2、钢筋锈蚀的电化学反应 钢筋表面的氧化膜被破坏后， 在有水份和氧气的条件下，就会发生电化学锈蚀。4、钢筋锈蚀过程：先点后面3、钢筋锈蚀的危害 锈蚀产生的铁锈（Fe(OH)3），体积膨胀26倍， 引起保护层被挤裂，促使锈蚀加快发展。第68页/共77页第九章 裂缝宽度和变形的验算5、防止钢筋锈蚀的主要措施（1）降低水灰比； 保证密实度、保护层厚度； 控制氯含量。 （2）采用覆盖层，防止CO2、O2、CL侵入；

24、 （3）采用防腐钢筋或在钢筋表面涂抹防腐材料； （4）对钢筋采用阴极保护法。第69页/共77页第九章 裂缝宽度和变形的验算9.4.4 耐久性设计1、耐久性设计的目的和基本原则在规定的使用年限内，在正常维护下，保持适于使用，满足既定功能的要求。目的：基本原则：结构使用的环境类别设计使用年限进行设计根据第70页/共77页2、混凝土结构使用的环境类别混混凝凝土土结结构构的的环环境境类类别别GB50010-2002表表3.4.1 环环境境类类别别 条条 件件 一一 室室内内正正常常环环境境 a 室室内内潮潮湿湿环环境境；非非严严寒寒和和非非寒寒冷冷地地区区的的露露天天环环境境；与与无无侵侵蚀蚀性性的的

25、水水或或土土壤壤直直接接接接触触的的环环境境 二二 b 严严寒寒和和寒寒冷冷地地区区的的露露天天环环境境；与与无无侵侵蚀蚀性性的的水水或或土土壤壤直直接接接接触触的的环环境境 三三 使使用用除除冰冰盐盐的的环环境境； 严严寒寒和和寒寒冷冷地地区区冬冬季季水水位位变变动动的的环环境境；滨滨海海室室外外环环境境 四四 海海水水环环境境 五五 受受人人为为或或自自然然的的侵侵蚀蚀性性物物质质影影响响的的环环境境 第九章 裂缝宽度和变形的验算第71页/共77页3、混凝土结构的设计使用年限第九章 裂缝宽度和变形的验算一般为50年，重要的可为100年。（1）耐久性极限状态的三类定义 及其相应的设计使用年限“T”（a）不允许钢筋锈蚀，混凝土保护层完全碳化；T=t1（b）允许钢筋锈蚀一定量值；T=t1 +t2（c）承载力开始下降； T=t1 +t2 +t3（2） t1 、t2 、t3的概念t1 保护层完全碳化，钢筋表面氧化膜被破坏所需的时间；t2 氧化膜被破坏至钢筋锈蚀一定量所需的时间；t3 （ t1 +t2 ）后至构件承载力开始下降所需的时间；第72页/共77页第九章 裂缝宽度和变形的验算结构混凝土耐久性的基本要求结构混凝土