鋼筋混凝土構(gòu)件的裂縫和變形解析課件

1、本章重點分析受彎構(gòu)件豎向彎曲裂縫的出現(xiàn)和開展過程； 受彎構(gòu)件裂縫寬度的驗算； 受彎構(gòu)件截面剛度計算與變形驗算。 混凝土結(jié)構(gòu)設計原理 第8章 鋼筋混凝土構(gòu)件的裂縫、變形和耐久性研制單位：湖南大學高等教育出版社高等教育電子音像出版社本章重點分析受彎構(gòu)件豎向彎曲裂縫的出現(xiàn)和開展過程； 受彎構(gòu)件裂縫寬度的驗算； 受彎構(gòu)件截面剛度計算與變形驗算。 了解不同環(huán)境條件下結(jié)構(gòu)耐久性對材 料的要求。8.1概 述構(gòu)件的裂縫寬度和撓度驗算是屬于正常使用極限狀態(tài)。撓度過大影響使用功能，不能保證適用性，而裂縫寬度過大，則同時影響使用功能和耐久性。裂縫荷載引起的裂縫：非荷載引起的裂縫：材料收縮、溫度變化、混凝土碳化后引起

2、鋼筋銹蝕、地基不均勻沉降。(80%)與構(gòu)件受力的受力特征有關(guān)。(20%)NkNkNkNkNkNke0e0Tk(a)(b)(c)(e)(d)TkMkMk圖8-1 荷載裂縫類型(a) 軸心受拉 (b) 偏心受拉 (c) 偏心受壓 (d) 受彎 (e) 受扭通常，裂縫寬度和撓度一般可分別用控制最大鋼筋直徑和最大跨高比來控制，只有在構(gòu)件截面尺寸小，鋼筋應力高時進行驗算。為防止溫度應力過大引起的開裂，規(guī)定了伸縮縫之間的最大間距。為防止由于鋼筋周圍砼過快的碳化失去對鋼筋的保護作用，出現(xiàn)銹脹引起的沿鋼筋縱向的裂縫，規(guī)定了鋼筋的混凝土保護層的最小厚度。非荷載引起的裂縫 與承載能力極限狀態(tài)設計相比，正常使用極限

3、狀態(tài)設計的目標可靠度可以相對較低。 C結(jié)構(gòu)構(gòu)件達到正常使用要求所規(guī)定的變形、應力、裂縫寬度和自振頻率等的限值。 裂縫寬度和變形的驗算表達式如下： SC 81S 正常使用極限狀態(tài)荷載組合的效應設計值;式中82荷載效應的標準組合為：83荷載效應的準永久組合為：在進行荷載效應計算時，荷載組合有兩種情況：8.2裂縫寬度驗算裂縫的控制等級分為三級，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行裂縫寬度的驗算。8.2.1 驗算公式84- 按荷載準永久組合并考慮長期作用影響計算的最 大裂縫寬度；-最大裂縫寬度的限值。8.2.2 wmax的計算方法規(guī)范的思路：得到最大裂縫寬度wmax若干假定根據(jù)裂縫出現(xiàn)機理建立理論公式，計算出平均裂

4、縫寬度wm按試驗資料確定擴大系數(shù)1. 裂縫的出現(xiàn)和開展當c ftk，在某一薄弱環(huán)節(jié)第一條裂縫出現(xiàn)，由于鋼筋和砼之間的粘結(jié)，砼應力逐漸增加至 ftk 出現(xiàn)第二批裂縫，一直到裂縫之間的距離近到不足以使粘結(jié)力傳遞至砼達到 ftk 裂縫出現(xiàn)完成。出現(xiàn)：當荷載繼續(xù)增加到Nk，在一個裂縫間距范圍內(nèi)由鋼筋與砼應變差的累積量，即形成了裂縫寬度。開展：2. 平均裂縫寬度wm圖8-2Ncr+N211Ncr+N 分布ftksmss(b)(c)(d)(e)123ftkNkNk(a) 裂縫寬度等于裂縫間距范圍內(nèi)鋼筋和混凝土的變形差 ； 粘結(jié) 滑移理論： 我國規(guī)范是建立在粘結(jié)滑移理論和無滑移理論的基礎上，結(jié)合大量試驗結(jié)果

5、得到的半理論半經(jīng)驗公式。 構(gòu)件表面裂縫寬度主要是由鋼筋周圍的混凝土回縮形成的 ； 無滑移理論：圖8-3式中：sm = s c 0.85lcr+cmlcrlcr+smlcrmm(a)cscmsmssc分布s分布(c)(b)圖8-48586 平均裂縫間距l(xiāng)cr：cs 最外層縱向受拉鋼筋外邊緣至受拉區(qū)底邊的距離(mm)：當cs65時，取cs=65 ；deq 縱向受拉鋼筋的等效直徑（mm）； 式中： 與受力特性有關(guān)的系數(shù)軸心受拉 =1.1受彎、偏心受壓 =1.0偏拉 =1.05i 縱向受拉鋼筋的表面特征系數(shù)光面 =0.7變形 =1.0hh/2bbfhfh/2hbbbfhfh/2hhfbfh/2hbhf

6、bf(a)(b)(c)(d)te 截面的有效配筋率，te = As / Ate圖8-5ni 第i種縱向受拉鋼筋的根數(shù) ；(0.2 1.0)87 鋼筋應力不均勻系數(shù) ：Ate倒T形截面圖8-60.87h0h0NqsqAsMqCsqAsee0eNqh0asAsAsese0AsAsqAsCCcZsqAsNq(a)(b)(c)(d)CsqAssqAs 裂縫截面處鋼筋應力 sq：88軸心受拉：89受 彎：810偏心受拉：811偏心受壓：As受拉區(qū)縱向鋼筋截面面積，對軸拉構(gòu)件，As取全部縱向鋼 筋截面面積；對偏心受拉構(gòu)件，As取受拉邊較大的縱向鋼 筋截面面積；對受彎構(gòu)件和偏心受壓構(gòu)件，As取受拉區(qū)縱 向鋼

7、筋截面面積；e 軸拉力作用點至受壓區(qū)或受拉較小邊縱向鋼筋合力點的距 離；e 軸壓力作用點至縱向受拉鋼筋合力點的距離z 縱向受拉鋼筋合力點至截面受壓區(qū)合力點之間的距離；s使用階段的軸向壓力偏心距增大系數(shù)，當 時，可取 s=1.0；ys 截面重心至縱向受拉鋼筋合力點的距離； 受壓翼緣截面面積與腹板有效截面面積的 比值； 受壓區(qū)翼緣的寬度、高度；在（8-10）式 中當 時，取 ； 按荷載準永久組合計算的軸向力值、彎矩 值。wmax = s l wm偏心受拉軸心受拉cr=2.7cr=2.4受彎、偏壓cr=1.93. 最大裂縫寬度 wmax擴大系數(shù)荷載長期效應裂縫擴大系數(shù)構(gòu)件受力特征系數(shù)812wmax

8、= 0.85s l cr裂縫寬度驗算的注意事項 ：（1） 對于直接承受吊車荷載但不需作疲勞驗算的吊車梁，由于滿載的概率很小，吊車最大荷載作用時間很短暫，所以計算出的最大裂縫寬度可乘以系數(shù)0.85。（2）對 的偏心受壓構(gòu)件，可不驗算裂縫寬度。（3）當 時，應取 。（4）按上述有關(guān)公式計算的最大裂縫寬度均指受拉鋼筋截面重心水平處的構(gòu)件側(cè)表面裂縫寬度。要把它換算為構(gòu)件底面的裂縫寬度，須乘系數(shù) 。（5）前述的裂縫寬度計算公式只適用于外荷載產(chǎn)生的正截面裂縫。（6）不能為了滿足裂縫控制的要求而任意減小保護層厚度。8.2.3 減小裂縫寬度的措施 優(yōu)先選擇變形鋼筋； 選擇直徑較小的鋼筋； 增加鋼筋用量。 當計

9、算裂縫寬度超過裂縫寬度的限值時，從最大裂縫計算公式可知，常見的減小裂縫寬度的措施有：鋼筋混凝土梁的撓度與彎矩的關(guān)系是非線性的。8.3受彎構(gòu)件撓度計算圖8-7BEI(a)Maf0(b)EIBEI(B)M0Bs 荷載準永久組合下的受彎構(gòu)件的短期剛度B 按荷載準永久組合并考慮荷載長期作用影響的抗彎剛度B 鋼筋混凝土梁的撓度計算對于簡支梁承受均布荷載作用時，其跨中撓度：用材料力學的公式：1. 短期剛度 Bs的計算rMsocoaacsash0Msbblcr圖8-8816式中： 撓度增大系數(shù)。 = 2.0 0.4 / Bs 短期剛度按式(8-16)計算。8172. 長期剛度 B的計算式中：3. 最小剛度原

10、則：受彎構(gòu)件在正常使用狀態(tài)下，剛度沿長度是變化的。取同一彎矩符號區(qū)段內(nèi)最小剛度作為等剛度，按材力的方法計算。B1minBBminMBminMlmaxBAgk+qk(a)(b)+gk+qkBminBmin(a)(b)圖8-9圖8-104.撓度的計算的步驟 計算出荷載效應標準組合下的彎矩Mk和準永久組合 下的彎矩Mq。 計算短期剛度Bs。 計算長期剛度B 將算得的B代替結(jié)構(gòu)力學位移公式中的彈性剛度EI， 計算結(jié)構(gòu)構(gòu)件由荷載產(chǎn)生的最大撓度 驗算撓度 提高剛度的有效措施 h0 或As 增加混凝土的耐久性是指在正常維護的條件下，在預計的使用時期內(nèi)，在指定的工作環(huán)境中保證結(jié)構(gòu)滿足既定功能要求。8.4耐久性

11、設計 耐久性設計涉及面廣，影響因素多，主要考慮以下幾個方面：（1）確定結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境類別；（2）提出對混凝土材料的耐久性基本要求；（3）確定構(gòu)件中鋼筋的混凝土保護層厚度；（4）不同環(huán)境條件下的耐久性技術(shù)措施；（5）提出結(jié)構(gòu)使用階段的檢測與維護要求。 影響混凝土耐久性的因素很多，有內(nèi)部和外部二個方面。外部因素主要是環(huán)境條件，包括溫度、濕度、CO2含量、侵蝕性介質(zhì)等。對工作環(huán)境分類可使設計者針對不同的環(huán)境種類采用相應的對策。 8.4（一）結(jié)構(gòu)工作環(huán)境分類混凝土結(jié)構(gòu)的環(huán)境類別環(huán)境類別條件一室內(nèi)干燥環(huán)境；無侵蝕性靜水浸沒環(huán)境二a室內(nèi)潮濕環(huán)境；非嚴寒和非寒冷地區(qū)的露天環(huán)境；非嚴寒和非寒冷地區(qū)與無侵蝕性的

12、水或土壤直接接觸的環(huán)境；嚴寒和寒冷地區(qū)的冰凍線以下與無侵蝕性的水或土壤直接接觸的環(huán)境8.4環(huán)境類別條 件二b干濕交替環(huán)境；水位頻繁變動環(huán)境；嚴寒和寒冷地區(qū)的露天環(huán)境；嚴寒和寒冷地區(qū)冰凍線以上與無侵蝕性的水或土壤直接接觸的環(huán)境三a嚴寒和寒冷地區(qū)冬季水位變動區(qū)環(huán)境；受除冰鹽影響環(huán)境；海風環(huán)境三b鹽漬土環(huán)境；受除冰鹽作用環(huán)境；海岸環(huán)境四海水環(huán)境五受人為或自然的侵蝕性物質(zhì)影響的環(huán)境注：1 室內(nèi)潮濕環(huán)境是指構(gòu)件表面經(jīng)常處于結(jié)露或濕潤狀態(tài)的環(huán)境； 2 嚴寒和寒冷地區(qū)的劃分應符合現(xiàn)行國家標準民用建筑熱工設計規(guī)范GB 50176的有關(guān)規(guī)定； 3 海岸環(huán)境和海風環(huán)境宜根據(jù)當?shù)厍闆r，考慮主導風向及結(jié)構(gòu)所處迎風、背

13、風部位等因素的影響，由調(diào)查研究和工程經(jīng)驗確定； 4 受除冰鹽影響環(huán)境是指受到除冰鹽鹽霧影響的環(huán)境；受除冰鹽作用環(huán)境是指被除冰鹽溶液濺射的環(huán)境以及使用除冰鹽地區(qū)的洗車房、停車樓等建筑。 5 暴露的環(huán)境是指混凝土結(jié)構(gòu)表面所處的環(huán)境。8.4（二）結(jié)構(gòu)耐久性等級 耐久性設計的目標是要保證結(jié)構(gòu)的使用年限，也稱為設計使用壽命。設計使用壽命與結(jié)構(gòu)的重要性有關(guān)，重要建筑設計壽命長一些。級特別重要建筑結(jié)構(gòu)設計使用年限100年級一般建筑結(jié)構(gòu)設計使用年限50年級易于替換的結(jié)構(gòu)構(gòu)件設計使用年限25年級臨時性建筑結(jié)構(gòu)設計使用年限5年按照中國的實際情況，可以把設計使用年限等級分為四級：8.4（三）對混凝土的基本要求1.

14、設計使用年限為50年的結(jié)構(gòu)混凝土應符合下表的規(guī)定。環(huán)境等級最大水膠比最低強度等級最大氯離子含量（%）最大堿含量（kg/m3)一0.60C200.30不限制二a0.55C250.203.0二b0.50(0.55)C30(C25)0.15三a0.45(0.50)C35(C30)0.15三b0.40C400.10注:1 氯離子含量系指其占膠凝材料總量的百分比; 2 預應力構(gòu)件混凝土中的最大氯離子含量為0.06%;其最低混凝土強度等級宜按表中的規(guī)定提高兩 個等級; 3 素混凝土構(gòu)件的水膠比及最低強度等級的要求可適當放松; 4 有可靠工程經(jīng)驗時,二類環(huán)境中的最低混凝土強度等級可降低一個等級; 5 處于嚴

15、寒和寒冷地區(qū)二b、三a類環(huán)境中的混凝土應使用引氣劑，并可采用括號中的有關(guān)參數(shù)； 6 當使用非堿活性骨料時，對混凝土中的堿含量可不作限制。 8.42. 混凝土結(jié)構(gòu)及構(gòu)件尚應采取下列耐久性技術(shù)措施：（1）預應力混凝土結(jié)構(gòu)中的預應力筋應根據(jù)具體情況采取表面防護、孔道灌漿、加大混凝土表面處理等有效措施；（2）有抗?jié)B要求的混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土的抗?jié)B等級應符合有關(guān)標準的要求；（3）嚴寒和寒冷地區(qū)的潮濕環(huán)境中，結(jié)構(gòu)混凝土應滿足抗凍要求，混凝土抗凍等級應符合有關(guān)標準的要求；（4）處于二、三類環(huán)境中的懸臂構(gòu)件宜采用懸臂梁-板的結(jié)構(gòu)形式，或在其上表面增設防護層；（5）處于二三類環(huán)境中的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其表面的預埋件、吊車鉤、連接件等金屬部件應采取可靠的防銹措施；（6）處在三類環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件，可采用阻銹劑、環(huán)氧樹脂涂層鋼筋或其他具有耐腐蝕性能的鋼筋、采取陰極保護措施或采用可更換的構(gòu)件等措施。8.43. 一類環(huán)境中，設計使用年限為100年的結(jié)構(gòu) 混凝土應符合下列規(guī)定：（1）鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的最低混凝土強度等級為C30，預應力混凝土結(jié)構(gòu)的最低混凝土強度等級為C40；（2）混凝土中的最大氯離子含量為0.06%（3）宜使用非堿活性骨料；當使用堿活性骨料時，混凝土中的最大堿含量為3.0kg/m3；（4）混凝