混凝土结构设计原理课件(共11)9

1、第九章混凝土构件的变形及裂缝宽度验算9.1钢筋混凝土受弯构件的挠度验算9. 1. 1截面弯曲刚度的概念及其定义材料力学中，匀质弹性材料梁的跨中挠度为I £11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。由古星绽弹性材料，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。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： 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II阶段（带裂缝工作阶段）确定； 随配筋率Q的降低而减少。对于截面尺寸和材 料都

2、相问的适筋梁，卩小，变形大些；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， 婪四截面的大些； 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，还应考虑荷载的长期效应的影响，故有长 期刚度4和短期刚度妨O9.1. 2短期刚度场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Nnmi2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Bs =1.15 肖 + 0.2 +6力1 + 3.5/；受压翼缘的加强系数;当舛/>0.2方0时，取h/ >

3、;0.2/i0o%钢筋的弹性模量2和混凝土乓弹性模量的比值; P 纵向受拉钢筋的配筋率，p-孟屮钢筋应变不均匀系数，是裂缝之侖钢筋的平均应 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。肖愈小，裂缝间混凝土 协助钢筋抗拉作用愈强。该系数按F列公式计算肖= 1.1-0.65-Psk并规定 0.4</<1.0式中Pte 按有效受拉混凝土面积计算的纵向受拉A钢筋配筋率宀弋 O九有效受拉混凝土面积。对受弯构件,近似取Ate = 0.5bh + (bf -b)hfJ 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(II阶段)的应力状态 及

4、受力辅征计算：对受弯构件 b k 087小式中 Ms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。9.1.3长期刚度坊长期刚度坊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d o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：M炉-1) +陆严式中 M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。

5、式中P.P 分别为受压及受拉钢筋的配筋率。0 = 2.0-04-P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15%匚25%。对翼缘位于受拉区的T形截面，6 值应增加20%。9. 1.4受弯构件变形验算（1）变形验算目的与要求受弯构件变形验算目的主要是用以满足适用性。 其主要从以下几个方面考虑：1）保证结构的使用功能要求； 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

6、傍觉赳接受的程度之内。因此，对受弯构件在使用阶段产生的最人变形值/必须加以限制，即/ </其中门一为挠 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0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的影响进行。小有影响，故验算变形和裂缝宽度时应按jjii 组合值并考虑荷载9.1.5受弯构件变形计算方法为了简化计算，

7、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，按乞朋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 岀现斜裂缝，至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，述包含 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My和荷载长期效应组合值M/； 按下列式子计算： 计算长期刚度d

8、按式:MkMqO-Y) + MkSs = CG Gk + CQ Q" + £ Wei CQi Qiki=2n,=Cg Gr + 工匕/ CQi Qiki=2计算短期刚度优按式:E 一EA圧1.15"0.2+ + 3.5* 用d代替材料力学位移公式中的反，计 算出构件的最大挠度，并按式f<f进行验算。若验算结果/>/,从短期刚度计算公式可知， 增大截面高度是提高截面抗弯刚度、减小构件挠度的最 有效措施；若构件截面受到限制不能加大时，可考虑增 大纵向受拉钢筋的配筋率或提高混凝土强度等级，但作 用并不显著，对某些构件还可以充分利用纵向受压钢筋 对长期刚度的有

9、利影响，在受压区配置一定数量的受压 钢筋，另外，采用预应力混凝土构件也是提高受弯构件 刚度的有效措施。实际工程中，往往采用控制跨高比的 方法来满足变形条件的要求。9. 2混凝土构件裂缝宽度计算9. 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。9. 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 岀现裂缝，

10、二级为一般要求不出现裂缝，三级为允许岀 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，对允许岀现裂缝的钢筋混凝土构件，裂缝宽度必须加以限制, 裂缝宽度。即要求使用阶段最大裂缝宽度小于允许U < Wmax_ 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&g

11、t;> 0.55 L的大偏心受压构件。9. 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

12、缝宽度与荷载作用时间长短有关。9. 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®“以。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 篡的暑蛰g %的保证率。各种构件正截面最大裂缝宽度计算公式为：=a if/ (1.9c + 0.08 EsPte 式中 屮心6 符号意义同前，当裂缝宽度演算时Pte <

13、001时，取几=001；%构件受力特征系数；轴心受拉构件:% =2.7偏心受拉构件：cr =2.4受弯构件和偏心受压构件：acr 2.1c混凝土保护层厚度，当c<20mm时,取c=20mm纵向受拉钢筋的等效直径（mm） o陆O.87Av/io2）裂缝截面处钢筋应力#if：算受弯构件込k计算按式： 轴心受拉构件式中 他、4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。大小偏心受拉构件込比按下式计算：式中 J 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，R =勺+ y； 4a：y：截面重心至受压或较小受拉边缘的距离。 偏心受压构件。偏心受压构件兀k

14、按下式计算:J ：_ Ns(e -叭) 叭式中叭纵向受拉钢筋合力点至受压区合力点的距 离,也0)87,"近似取77 = 0.87-0.12(1-/)e 他至受拉钢筋企合力点的距离，e=rlso+ys?此 处儿为截面重心至纵向受拉筋合力点的距离，爪是指第II 阶段的偏心距增大系数，近似取4000勺 / hQy/意义同前。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，瘁主要与钢筋应力有效配筋 率Q “及钢筋直

15、径有关，根据。加Q “及丘者的关系, 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空制钢筋最大直径来满足。9. 3混凝土构件的延性9. 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：I. 满足抗震方面的要求；II. 防止脆性破坏；'III.在超静定结构中，适应外界的变化；IV.使超静定结构能充分的进行内力重分布。9.

16、3.2截面的延性的计算及影响因素截面的延性用延性系数来表达，计算时采用平截面假 设。延性吾数表达式：. 血 : (1灯他血益9. 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“也0和Xa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。9.4混凝土结构的耐久性9.4.1耐久性的概念及其影响因素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。耐久性设计依据主要

17、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。影响因素：I.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、 外加济等；II.外部因素：环境温度、湿度、CC)2含量、 侵蚀性介质等。9.4.2混凝土的碳化及钢筋的锈蚀混凝土的碳化及钢筋的锈蚀是影响混凝土结构耐久 性的最主要的综合因素。碳化是混凝土中性化的形式，是指大气中的二氧化 碳(CO2)不断向混凝土内部扩散，并与其中的碱性物 质发生反应，使混凝土的PH值降低。碳化对混凝土本身无害，其主要是当碳化至钢筋表 面，氧化膜被破坏形成钢筋锈蚀的必要条件，同时含氧 水份侵入形成钢筋锈蚀的充分条件，从而加剧混凝土开 裂，

18、O碳化影响因素有：环境因素和材料本身的性质。凝土的碳化从构件表面开始向内发展，到保护层完 全碳化，所需要的时间与碳化速度、混凝上保护层厚度 混凝土密实性以及覆盖层情况等因素有关。减小碳化措施有:a）合理设计混凝土的配合比；b）提高混凝土的密实度、抗渗性；c）规定钢筋保护层的最小厚度；d）采用覆盖面层。钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性的最关键问 题，它是一个电化学过程，因此锈蚀主要取决于氧气通 过混7疑土保辺童向钢筋表而的阴极的扩散速度,而这种 扩散速度主要取决于混凝土的密实度。氧气和水份是钢 筋锈蚀必要条件。钢筋锈蚀对混凝土结构损伤过程：坑蚀一环蚀一暴 筋一结构失效。防止钢筋锈蚀措施有：增加混凝土的密实性和混 凝土的保护层厚度，采用涂面层、钢筋阻锈剂、涂层 钢筋、对钢筋采用阴极防护法等。9. 4. 3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