2012水工钢筋混凝土结构-第八章

1、第八章,钢筋混凝土构件正常 使用极限状态验算,1.了解考虑构件抗裂、变形、裂缝和耐久性的重要性； 2. 掌握建筑工程中钢筋混凝土抗裂、构件变形和裂缝宽度的验算方法； 3.熟悉减小构件变形和裂缝宽度以及增加结构构件耐久性的方法。,重 难 点,难点：钢筋混凝土构件抗裂、变形和裂缝宽度的验算,第八章 钢筋混凝土构件正常使用 极限状态验算,第一节 概述 第二节 抗裂验算 第三节 裂缝开展宽度的验算 第四节 变形验算,在正常维护下，结构构件具有足够的耐久性能，不发生风化和腐蚀现象,耐久性,在正常使用时结构具有良好的工作性能，不出现过大的变形和过宽的裂缝,适用性,能承受在正常施工和正常使用时可能出现的各种

2、作用，以及在偶然事件发生时及发生后，仍能保持必要的整体稳定性,安全性,结 构 的 功 能,第一节 概述,裂缝过宽：钢筋锈蚀导致承载力降低， 影响使用寿命 外观感觉,耐久性,影响正常使用：如吊车、精密仪器 对其它结构构件的影响 振动、变形过大 对非结构构件的影响:门窗开关,隔墙开裂等 心理承受：不安全感，振动噪声,适用性,超过正常使用极限状态的例子（如图）,结构超过正常使用极限状态实例,构件的开裂、裂缝宽度和挠度验算是属于正常使用极限状态。,挠度过大影响使用功能，不能保证适用性，而裂缝宽度过大，则同时影响使用功能和耐久性。,裂缝,荷载引起的裂缝：,非荷载引起的裂缝：,占20% ct ft 计算m

3、ax max,材料收缩、温度变化、混凝土碳化后引起钢筋锈蚀、地基不均匀沉降。(80%),通常，裂缝宽度和挠度一般可分别用控制最大钢筋直径和最大跨高比来控制，只有在构件截面尺寸小，钢筋应力高时进行验算。,为防止温度应力过大引起的开裂，规定了最大伸缩缝之间的间距。,为防止由于钢筋周围砼过快的碳化失去对钢筋的保护作用，出现锈胀引起的沿钢筋纵向的裂缝，规定了钢筋的混凝土保护层的最小厚度。,非荷载引起的裂缝,进行结构构件设计时，既要保证它们不超过承载能力极限状态，又要保证它们不超过正常使用极限状态。为此，要求对它们进行下列计算和验算：,（1）所有结构构件均应进行承载力（包括压屈失稳）计算；在必要时尚应进

4、行结构的倾覆和划移验算，处于地震区的结构，尚应进行结构构件抗震的承载力验算。,（3）对使用上需要控制变形值的结构构件，应进行变形验算。 （4）根据裂缝控制等级的要求，应对混凝土结构构件的裂缝情况进行验算。对叠合式受弯构件，尚应进行纵向拉力验算。,（2）对某些直接承受吊车的构件，应进行疲劳强度验算。,正常使用极限状态的一般验算公计式为：,式中 S正常使用极限状态的荷载效应组合值； C结构达到正常使用要求所规定的变形、裂缝宽度和应力限值。,裂缝控制等级：,一级：正常使用阶段严格要求不出现裂缝的构件 二级：正常使用阶段一般不出现裂缝的构件 三级：正常使用阶段容许出现裂缝的构件,一般钢筋混凝土构件正常

5、使用阶段是带裂缝工作的，控制等级为三级。若要使构件裂缝达到一级，二级要求，必须对其施加预应力，将其作成预应力钢筋混凝土构件。,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。,本章的内容： 1、抗裂验算； 2、裂缝宽度计算（含影响耐久性的因素）； 3、变形验算。,第二节 抗裂验算,一、轴心受拉构件,根据力的平衡条件可求得抗裂轴向拉力：,上式是截面即将发生裂缝时的计算公式。在正常使用极限状态验算时，还应满足目标可靠指标的要求，引入拉应力限制系数 ，并且混凝土抗拉强

6、度取用标准值ftk，荷载也用标准值，那么轴心受拉构件在荷载效应的短期组合和长期组合下，应按下面公式进行抗裂验算：,抗裂验算公式为:,用增加钢筋来提高构件的抗裂能力是极不经济的，构件的抗裂能力措施：靠加大构件的截面尺寸、提高混凝土强度等级，或采用预应力及在混凝土中掺入钢纤维。,二、受弯构件,由试验得知，受弯构件正截面在即将开裂的瞬间，其应力图形处于下图的应力阶段。此时受拉区边缘的应变达到混凝土极限拉伸值tu,受拉区应力分布为曲线形，具有明显的塑性特征，最大拉应力达到混凝土抗拉强度ft。由实验可知，此时混凝土仍接近于弹性状态，其应力分布图形为三角形，且应变符合平截面假定。 利用平截面假定，可以求得

7、混凝土边缘应力与受压区高度之间的关系，然后根据力与力矩的平衡条件，可以求解出截面抗裂弯矩Mcr 。,为了方便，采用等效换算的方法:在保持抗裂弯矩相等的条件下，将受拉区梯形应力图形折换成直线分布的应力图形。此时受拉边缘应力由ft折算为 。 称为截面抵抗矩的塑性系数。 对矩形截面，截面抵抗矩的塑性系数推导如下：,根据力的平衡条件可求得：,对应荷载效应的标准组合,三、偏心受拉构件,对应荷载效应的标准组合,四、偏心受压构件,对应荷载效应的标准组合,例1,第三节 裂缝开展宽度验算,一、裂缝的成因及对策,1、温度变化引起的裂缝,原因：热胀冷缩，且变形受到约束,采取的措施：a.对混凝土分层分块；b.低热水泥

8、； c. 人工冷却,2、混凝土收缩引起的裂缝,原因：混凝土结硬时产生体积缩小，变形受到约束,采取的措施：a.设置伸缩缝；b.改善水泥性能； c. 降低水灰比；d. 加强养护。,3、基础不均匀沉降引起的裂缝,采取的措施：a.构造措施；b.设置沉降缝；,4、混凝土塑性塌引起的裂缝,采取的措施：a.级配良好的骨料；b.控制水灰比； c.提高施工质量,5、冰冻引起的裂缝,6、钢筋锈蚀引起的裂缝,采取的措施：a.提高混凝土的密实性；b.加大保护层厚度,7、碱骨料化学反应引起的裂缝,采取的措施：a采用优质骨料和低碱水泥；b.提高密实性,二、受力裂缝的开展宽度计算理论,计算理论,半理论半经验公式我国建筑系统

9、和水工系统规范,数量统计公式美国、俄罗斯及我国港工规范,裂缝开展机理,粘结滑移理论,无粘结滑移理论,综合理论,（一）、裂缝开展前后的应力状态,(a)裂缝即将出现,(b)第一批裂缝出现,(c) 裂缝的分布及开展,在裂缝出现前，混凝土和钢筋的应变沿构件的长度基本上是均匀分布的。 当受拉区外边缘的混凝土达到混凝土的极限拉应变时，就处于即将出现裂缝的状态a阶段。,3)当受拉区外边缘的混凝土在最薄弱截面位置达到其极限拉应变e0ct后，出现第一条（批）裂缝。 4) 裂缝出现瞬间，裂缝截面位置的混凝土退出工作，应力降低为零，而钢筋承担的拉力突然增加。,5)裂缝出现后，混凝土向裂缝两侧回缩，但非自由，受到钢筋

10、的约束。混凝土与钢筋之间有相对滑移，产生粘结应力t。由于粘结应力的存在，随着距裂缝截面距离的增加，钢筋拉应力逐渐传递给混凝土而减小，混凝土拉应力由裂缝处的零逐渐增大，达到l后，粘结应力消失，混凝土中又重新建立起拉应力sct。,6) 当距裂缝截面有足够的长度 l 时，混凝土拉应力sct增大到ft，此时将在离裂缝截面l的另一薄弱截面处出现新的裂缝，如图(b)、(c)中的b-b截面处。,7) 如果两条裂缝的间距小于2 l，则由于粘结应力传递长度不够，混凝土拉应力不可能达到ft，因此将不会出现新的裂缝，裂缝的间距最终将稳定在（l 2 l）之间，平均间距可取1.5 l。 8)从第一条（批）裂缝出现到裂缝

11、全部出齐为裂缝出现阶段，该阶段的荷载增量并不大，主要取决于混凝土强度的离散程度。,9)裂缝间距的计算公式即是以该阶段的受力分析建立的。 10)裂缝出齐后，随着荷载的继续增加，裂缝宽度不断开展。裂缝的开展是由于混凝土的回缩，钢筋的伸长，导致钢筋与混凝土之间不断产生相对滑移的结果，这是裂缝宽度计算的依据。规范定义的裂缝宽度是指受拉钢筋重心水平处构件侧表面上混凝土的裂缝宽度。 11) 在荷载长期作用下，由于混凝土的滑移徐变和拉应力的松弛，将导致裂缝间受拉混凝土不断退出工作，使裂缝开展宽度增大，混凝土的收缩使裂缝间混凝土的长度缩短，也会引起裂缝的进一步开展。,2、平均裂缝宽度wm,平均裂缝宽度wm等于

12、构件裂缝区段内钢筋的平均伸长与相应水平处构件侧表面混凝土平均伸长的差值。,忽略混凝土的拉伸变形,受拉钢筋应变不均匀系数，表示裂缝间因混凝土受拉力而对钢筋应变所引起的影响，反映了裂缝间受拉混凝土参与工作的程度。,以轴拉为例：,1）,2）,3）由半经验半理论公式可得：,3、最大裂缝宽度wmax,三、水工混凝土结构设计规范的裂缝宽度验算公式,水工混凝土结构设计规范规定，对于使用上要求限制裂缝宽度的钢筋混凝土构件，按荷载效应的标准组合得求的最大裂缝宽度wmax，不应超过附录五表1规定的允许值。,式中各个符号含义见P213页。,试验表明，对于偏心受压构件，当e0/h00.55时，正常使用阶段，裂缝宽度较

13、小，均能符合要求，故可不必验算。 对直接承受重复荷载作用的水电站厂房吊车梁，卸载后裂缝可部分闭合，同时吊车满载的可能性也不打，所以可以将计算所得的最大裂缝宽度wmax乘以系数0.85 。,按荷载效应的短期组合及长期组合计算时的纵向受拉钢筋的应力由以下公式计算: (一)轴心受拉构件,(二) 受弯构件,(三)大偏心受压构件,(四)偏心受拉构件（矩形截面）,各种不同受力状态下，纵向受拉钢筋的应力求出后，按式（8-29）求得最大裂缝宽度，跟附录五表1规定的允许值进行比较，小于则满足裂缝宽度验算的要求，反之则不满足。应采取相应的措施：适当减小钢筋的直径；采用变形钢筋；适当增加配筋量，以减少钢筋直接。 最

14、根本的方法：采用预应力混凝土结构。,例2,一矩形截面简支梁，结构安全级别为二级，处于露天环境，bxh=250mmx600mm,计算跨度l0=7.2mm；混凝土采用C20级，纵向受拉钢筋采用二级，使用期间承受均布荷载，何载标准值为：永久荷载标准值gk=13KN/m（包括自重）；可变荷载标准值qk=7.2KN/m；可变何载标准值的长期组合系数0.5。求纵向受拉钢筋的截面面积，并验算最大裂缝开展宽度。,第三节 受弯构件变形验算,截面抗弯刚度EI 体现了截面抵抗弯曲变形的能力，同时也反映了截面弯矩与曲率之间的物理关系。 对于弹性均质材料截面，EI为常数，M-f 关系为直线。,由于混凝土开裂、弹塑性应力

15、-应变关系和钢筋屈服等影响，钢筋混凝土适筋梁的M-f 关系不再是直线，而是随弯矩增大，截面曲率呈曲线变化。,一、受弯构件的短期刚度Bs,1、不出现裂缝的构件,2、出现裂缝的构件,二、受弯构件的抗弯刚度B,刚度降低的原因,混凝土的徐变,混凝土的收缩,影响因素：受压钢筋的配筋率、加荷龄期、荷载的大小及持续时间、温度和湿度、混凝土的养护时间,荷载长期作用下的挠度增大系数：,（1）对应于荷载效应的标准组合,抗弯刚度,（2）对应于荷载效应的长期组合,长期抗弯刚度,三、受弯构件的挠度计算,验算,例3,一矩形截面简支梁，结构安全级别为二级，处于露天环境，bxh=200mmx500mm,计算跨度l0=5.6m

16、m；混凝土采用C20级，纵向受拉钢筋采用二级，由承载力计算已配置纵向受拉钢筋320，使用期间承受均布荷载，何载标准值为：永久荷载标准值gk=12.4KN/m（包括自重）；可变荷载标准值qk=8KN/m；可变何载标准值的长期组合系数0.5。验算该梁跨中扰度是否满足要求 。,一、结构耐久性的概念 导致水工钢筋混凝土耐久性失效的原因主要有： 1、混凝土的低强度风化；2、碱-骨料反应；3、渗漏溶蚀；4、冻融破坏；5、水质侵蚀；6、冲刷摩损；7、混凝土的碳化与钢筋锈蚀；8、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。,第四节 混凝土结构的耐久性要求,二、结构耐久性的要求 （一）环

17、境条件类别 水工新规范具体划分了建筑物所处环境条件的 类别，要求按不同类别满足不同的控制要求。共划 分为4类。 根据结构所处的环境条件类别提出相应的耐久 性要求。设计时可根据结构表层的保护措施的实际 情况及预期的施工质量控制水平将环境类别适当提 高或降低。但不应低于一类也不应高于四类。 临时性建筑物及大体积结构的内部混凝土可不提出耐久性要求。,（二）原材料的选择和施工质量的控制 正确选用原材料：对不同的地区和环境选用不同的材料； 混凝土的密实性会严重影响结构的耐久性，因此 混凝土的级配、拌和、运输、浇注、振捣和养护均应 严格按照施工规范的规定。 （三）混凝土最低强度等级 对有耐久性要求的结构，

18、混凝土强度等级不宜 过低，混凝土强度等级不宜低于下表所列数值。,（四）混凝土最大水灰比 钢筋混凝土与预应力混凝土结构的混凝土水灰比不宜大于下表所列数值；素混凝土结构的最大水灰比可按下表所列数值增大0.05。,（五）混凝土最小水泥用量 水泥用量影响混凝土的密实性和混凝土的碱性（抗碳化能力）的重要因素。为提高耐久性，混凝土的水泥用量不宜少于下表所列数值。,（六）混凝土抗渗性 水泥用量影响混凝土的密实性和混凝土的碱性（抗碳化能力）的重要因素。为提高耐久性，混凝土的水泥用量不宜少于下表所列数值。 对于有抗渗性要求的结构混凝土应满足有关抗渗等级的规定。 混凝土抗渗等级按28D龄期的标准试件测定混凝土抗渗

19、等级分为:W2、W4、W6、W8、W10和W12六级 根据建筑物开始承受水压力的时间也可利用60D或90D龄期的试件测定抗渗等级。 结构所需的混凝土抗渗等级应根据所承受的水头、水力梯度以及下游排水条件、水质条件和渗透水的危害程度等因素确定，并不得低于下表的规定值。,（七）混凝土的抗冻等级 混凝土抗冻等级按28天龄期的试件用快冻法测定分为六级。 对于有抗冻要求的结构应按下表根据气候分区、冻融循环次数、表面局部小气候条件、水分饱和程度、结构构件重要性和检修条件等选定抗冻等级。在不利因素较多时可选用提高一级的抗冻等级。 抗冻混凝土必须掺加引气剂。其水泥、掺合料、外加剂的品种和数量，水灰比，配比及含气量等应通过试