鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之九混凝土構(gòu)件的使用性能

電子教案

適用專(zhuān)業(yè)：土木工程（路橋方向）

湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院舒小娟鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第九章混凝土構(gòu)件的使用性能概述換算截面應(yīng)力計(jì)算受彎構(gòu)件的裂縫及最大裂縫寬度驗(yàn)算受彎構(gòu)件變形驗(yàn)算混凝土結(jié)構(gòu)耐久性9.0概述結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠性本章的主要內(nèi)容具有足夠的承載力和變形能力安全性適用性耐久性在使用荷載下不產(chǎn)生過(guò)大的應(yīng)力、裂縫和變形在一定時(shí)期內(nèi)維持其安全性和適用性的能力1.計(jì)算內(nèi)容9.0概述與承載能力極限狀態(tài)比較，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)使用階段的計(jì)算特點(diǎn)：1.受彎構(gòu)件、大偏心受壓、受扭構(gòu)件計(jì)算圖式以帶裂縫工作階段為基礎(chǔ)，軸壓、偏壓構(gòu)件以正常使用不開(kāi)裂階段為基礎(chǔ)。2.在使用荷載下不產(chǎn)生過(guò)大的應(yīng)力、裂縫和變形，以驗(yàn)算為主。3.正常使用的荷載效應(yīng)組合中，汽車(chē)可不計(jì)入沖擊系數(shù)，取短期效應(yīng)和長(zhǎng)期效應(yīng)進(jìn)行驗(yàn)算。2.計(jì)算特點(diǎn)MIIctsAss<y短期組合設(shè)計(jì)值頻遇值系數(shù)永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值準(zhǔn)永久值系數(shù)長(zhǎng)期組合設(shè)計(jì)值9.1受彎構(gòu)件換算截面平截面假定鋼筋應(yīng)變等于同一水平線(xiàn)的混凝土應(yīng)變1.基本假定彈性體假定MIIctsAss<yxc<xcrεs=εcεc’h0混凝土受壓區(qū)應(yīng)力分布近似認(rèn)為三角形分布—應(yīng)力應(yīng)變彈性關(guān)系忽略混凝土拉應(yīng)力9.1受彎構(gòu)件換算截面換算截面概念將鋼筋等效為同一水平線(xiàn)處混凝土面積2.換算截面計(jì)算求解xc高度—即求解換算截面形心位置壓區(qū)對(duì)中和軸的靜矩xcbh0Asxcbh0αEsAs拉區(qū)對(duì)中和軸的靜矩=應(yīng)9.1受彎構(gòu)件換算截面2.換算截面計(jì)算xcbh0Asxcbh0αEsAs開(kāi)裂換算截面的面積開(kāi)裂換算截面慣性矩9.1受彎構(gòu)件換算截面T梁全截面換算截面概念2.換算截面計(jì)算求解xc高度混凝土部分對(duì)中和軸的靜矩截面不開(kāi)裂，鋼筋等效為混凝土鋼筋（扣除所占混凝土面積后）對(duì)中和軸的靜矩=應(yīng)xcbf’h0Asbxch0αEsAsbf’b全截面換算截面面積9.2受彎構(gòu)件應(yīng)力計(jì)算1.短暫狀況正應(yīng)力驗(yàn)算受拉鋼筋重心處應(yīng)力施工階段的結(jié)構(gòu)受力圖式與使用階段會(huì)有很大不同，因而需要進(jìn)行驗(yàn)算。xch0αEsAsbf’b施工階段圖式使用階段圖式受壓區(qū)邊緣混凝土壓應(yīng)力施工階段混凝土軸壓標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度施工階段臨時(shí)彎矩鋼筋抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值MkMk9.4受彎構(gòu)件的變形與剛度9.4.1受彎構(gòu)件剛度計(jì)算就平均應(yīng)變而言符合平截面假定，其曲率為：短期效應(yīng)組合彎矩使用階段過(guò)大的變形影響結(jié)構(gòu)正常使用，變形驗(yàn)算為正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算的重要內(nèi)容。對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件，《公路橋規(guī)》規(guī)定計(jì)算變形時(shí)的抗彎剛度為：*沿梁長(zhǎng)剛度為變化值，簡(jiǎn)化為不變的剛度，稱(chēng)為等效剛度受彎構(gòu)件撓度驗(yàn)算*撓度計(jì)算方法:等截面梁按等效剛度，采用結(jié)構(gòu)力學(xué)中的圖乘法求解，變截面采用積分公式計(jì)算或近似采用分段圖乘法計(jì)算?！豆窐蛞?guī)》短期效應(yīng)組合并考慮作用長(zhǎng)期效應(yīng)影響的長(zhǎng)期撓度值計(jì)算式：簡(jiǎn)支梁長(zhǎng)期影響系數(shù)《公路橋規(guī)》短期效應(yīng)組合并考慮作用長(zhǎng)期效應(yīng)影響的長(zhǎng)期撓度值驗(yàn)算式：《公路橋規(guī)》預(yù)拱度設(shè)置：9.2構(gòu)件裂縫控制施工期間產(chǎn)生的裂縫和使用期間產(chǎn)生的裂縫按裂縫的產(chǎn)生時(shí)間龜裂、橫向裂縫（與構(gòu)件軸線(xiàn)垂直）、縱向裂縫、斜裂縫、八字裂縫、X形交叉裂縫等按裂縫的產(chǎn)生原因非受力因素產(chǎn)生的裂縫和受力因素產(chǎn)生的裂縫按裂縫的形態(tài)裂縫的分類(lèi)與成因1.裂縫的分類(lèi)裂縫的分類(lèi)與成因固體下沉，表面泌水而引起的。大風(fēng)、高溫使水分從混凝土表面快速蒸發(fā)引起的（龜裂）。塑性裂縫混凝土的收縮受到約束后產(chǎn)生的裂縫溫度裂縫大體積混凝土中由于混凝土水化作用產(chǎn)生的水化熱使內(nèi)外混凝土產(chǎn)生溫度差。約束收縮裂縫施工期間的裂縫2.裂縫的成因因施工程序而造成的受力裂縫施工中的受力裂縫先澆段先澆段合龍段裂縫的分類(lèi)與成因使用期間的裂縫----鋼筋銹蝕引起的裂縫使用期間的裂縫----溫度（氣溫）變化引起的裂縫使用期間的裂縫----地基不均勻沉降引起的裂縫裂縫的分類(lèi)與成因使用期間的裂縫----外部環(huán)境引起的裂縫使用期間的裂縫----荷載引起的裂縫斜裂縫?。〈怪绷芽p！縱向裂縫！?。±?、彎、剪、扭、粘結(jié)等引起的裂縫目前，只有在拉、彎狀態(tài)下混凝土橫向裂縫寬度的計(jì)算理論比較成熟。這也是下面所要介紹的主要內(nèi)容橫向受力裂縫寬度的計(jì)算理論1.粘結(jié)滑移理論認(rèn)為裂縫控制主要取決于鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)性能，一個(gè)裂縫區(qū)段內(nèi)，鋼筋伸長(zhǎng)和混凝土伸長(zhǎng)之差即為平均裂縫寬度，混凝土表面寬度與鋼筋處裂縫寬度一樣。裂縫的寬度裂縫處鋼筋的平均應(yīng)變裂縫間鋼筋應(yīng)力不均勻系數(shù)ms(s)llsmc(c)cm裂縫平均間距α≈1橫向受力裂縫寬度的計(jì)算理論認(rèn)為混凝土開(kāi)裂后，混凝土與鋼筋之間相對(duì)滑移可忽略不計(jì)，鋼筋表面裂縫寬小于混凝土表面寬，鋼筋保護(hù)層厚度是影響裂縫寬度的主要因素。*Broms（美）Base（英）等人通過(guò)試驗(yàn)得出：2.無(wú)滑移理論C3.綜合理論最大裂縫寬度與平均裂縫寬度的擴(kuò)大系數(shù)上述兩種理論和實(shí)際情況均有一定的差距，為此將二者結(jié)合起來(lái)，按下述公式進(jìn)行計(jì)算分析。9.2.2橫向受力裂縫寬度的計(jì)算理論4.數(shù)理統(tǒng)計(jì)法影響裂縫寬度的主要因素混凝土強(qiáng)度等級(jí)（抗拉強(qiáng)度），很小鋼筋保護(hù)層厚度c受拉鋼筋應(yīng)力σss鋼筋直徑d受拉鋼筋配筋率ρ鋼筋外形C1直接作用性質(zhì)C2構(gòu)件受力性質(zhì)C3鋼筋表面形狀系數(shù)變形鋼筋=1；光圓鋼筋=1.4荷載作用的系數(shù)：短期靜力荷載=1；長(zhǎng)期或重復(fù)作用=1.5構(gòu)件受力特征系數(shù)：受彎構(gòu)件=1.0；大偏壓構(gòu)件=0.9；偏心受拉構(gòu)件=1.1；軸心受拉構(gòu)件=1.29.2.3《公路橋規(guī)》橫向受力裂縫寬度計(jì)算公式《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》采用的方法受拉鋼筋的總周長(zhǎng)鋼筋表面形狀系數(shù)：變形鋼筋=1；光圓鋼筋=1.4作用長(zhǎng)期影響系數(shù)構(gòu)件受力特征系數(shù)：板式受彎構(gòu)件=1.15；其他受彎構(gòu)件=1.0；偏壓構(gòu)件=0.9；偏心受拉構(gòu)件=1.1；軸心受拉構(gòu)件=1.29.幼2.半4《形公宿路橋井規(guī)》裂縫寬堂度限值C由不同棄的《規(guī)喝范》根冒據(jù)具體光的情況借確定荷載作用條件環(huán)境條件最大容許裂縫寬度（mm）短期組合考慮長(zhǎng)期效應(yīng)Ⅰ類(lèi)、Ⅱ類(lèi)0.2Ⅲ類(lèi)、Ⅳ類(lèi)0.15《公泄路橋蜜規(guī)》早裂縫躍寬度蒜限值箱要求9.扶4麗混凝雁土結(jié)汪構(gòu)的腥耐久瓦性耐久當(dāng)性是指結(jié)牢構(gòu)在設(shè)籍計(jì)使用喝年限內(nèi)俊，在正界常維護(hù)糞條件下坐，不需律要進(jìn)行去大修和倉(cāng)加固，潛而滿(mǎn)足犯正常使倦用和安領(lǐng)全功能問(wèn)要求的掛能力。9.4怒.1曠耐久性幸的概念搶及其影胡響因素耐久清性設(shè)計(jì)依潤(rùn)據(jù)主要是贏結(jié)構(gòu)的幻玉環(huán)境類(lèi)恭別、設(shè)歇計(jì)使用跨年限及竭考慮對(duì)跌混凝土品材料的逼基本要掠求。影響因素：內(nèi)部因素：混凝土強(qiáng)度、滲透性、保護(hù)層厚度、水泥品種、標(biāo)號(hào)和用量、外加濟(jì)等；外部因素：環(huán)境溫度、濕度、CO2含量、侵蝕性介質(zhì)等?；炷磷竦奶蓟蓟抢@混凝土攪中性化威的形式謹(jǐn)，是指忽大氣中臉的二氧慕化碳（直CO2）不斷郵向混凝貿(mào)土內(nèi)部缸擴(kuò)散，箏并與其那中的堿微性物質(zhì)啊發(fā)生反公應(yīng)，使珠混凝土賊的PH懇值降低南。碳化克對(duì)混凝均土本身匪無(wú)害，懂但碳化輛至鋼筋些表面氧販化膜被斤破壞形粥成鋼筋情銹蝕的扮必要條近件，同蔽時(shí)含氧衛(wèi)水份侵偉入形成套鋼筋銹擺蝕的充運(yùn)分條件泥，從而襯加劇混丑凝土開(kāi)站裂，導(dǎo)狡致結(jié)構(gòu)浙破壞。9.4乏.2務(wù)常見(jiàn)混長(zhǎng)凝土結(jié)俯構(gòu)耐久恰性問(wèn)題鋼筋拐的銹涼蝕鋼筋銹溫蝕是影途響鋼筋把混凝土侮結(jié)構(gòu)耐欠久性的仙最關(guān)鍵繪問(wèn)題,擴(kuò)它是桶一個(gè)電死化學(xué)過(guò)開(kāi)程，因潛此銹蝕悟主要取字決于氧販氣通過(guò)侄混凝土標(biāo)保護(hù)層偶向鋼筋供表面的掘陰極的福擴(kuò)散速蘿度，而佛這種擴(kuò)歸散速度政主要取登決于混私凝土的后密實(shí)度柏。氧氣總和水份喪是鋼筋久銹蝕必尖要條件塑。鋼筋銹匙蝕損傷仙過(guò)程：坑蝕環(huán)蝕暴筋結(jié)構(gòu)失稍效混凝土米凍融破庫(kù)壞在嚴(yán)罪寒地炸區(qū)，潮濕鵝或飽落和的賽混凝居土受哭到凍喜融循畝環(huán)的嫂作用電?；煸Ｄ翗惆l(fā)生零凍融要破壞善與混蹦凝土渴內(nèi)部東孔隙拋密切爬相關(guān)蒙，一耗般認(rèn)虹為，堆混凝索土中股水泥扔漿體遍中的乘水是蝕以堿惹溶液而的形滾式存賽在，啦因此轎，混靜凝土涌溶液誰(shuí)結(jié)冰甚的冰白點(diǎn)比鹽普通爬水的碗冰點(diǎn)核低，擊混凝述土內(nèi)沙部孔倒隙中水的水旦在低煮于零孫度的赤情況寺下才字能結(jié)報(bào)冰，籠體積喚膨脹達(dá)約9繳%，痕對(duì)毛陰細(xì)孔業(yè)臂約稠束形爹成膨千脹壓理力，兩使內(nèi)邊部結(jié)脅構(gòu)疏戚松，仔毛細(xì)炭孔徑充愈小棵，孔驗(yàn)隙中緞水的通冰點(diǎn)辟愈低肉。當(dāng)醋混凝藥土處摧于飽屆水狀證態(tài)時(shí)橡，毛幼細(xì)孔伴中的搞水結(jié)遭冰，才膠凝逃孔中犁的水攀處于交過(guò)冷嗎狀態(tài)叫，這慕樣使戰(zhàn)得膠蜓凝孔嘩中的垂水向笑毛細(xì)剃孔中凱冰的葬界面也處滲去透，岡于是島在毛謎細(xì)孔摔中又鞏產(chǎn)生提一種乖滲透約壓力渣。由靈此可碰見(jiàn)，結(jié)處于醒飽水河狀態(tài)螞的混如凝土余受凍膜時(shí)，盤(pán)其毛應(yīng)細(xì)孔轟臂同骨時(shí)承鵝受膨完脹和虛滲透泉兩種劇壓力窯。當(dāng)宇這兩懶種壓戚力共義同作圓用結(jié)貍果超茫過(guò)混蠶凝土折的抗侵拉強(qiáng)湖度時(shí)黎，混鋪凝土陣就會(huì)薦開(kāi)裂可。在駁反復(fù)渡凍融到循環(huán)摔作用豈下，邊混凝檢土中炊的裂顛縫會(huì)街貫通傾，其躺強(qiáng)度躺也會(huì)酷降低珠。9.4晉.2密常見(jiàn)混宵凝土結(jié)升構(gòu)耐久肝性問(wèn)題水泥中螞的堿和敗骨料中附的活性螺氧化硅應(yīng)發(fā)生化感學(xué)反應(yīng)披，生成愛(ài)堿-硅找酸凝膠戒并吸水屯產(chǎn)生膨硬脹壓力址，致使評(píng)混凝土沖開(kāi)裂的醉現(xiàn)象稱(chēng)鳥(niǎo)為堿-欣骨料反幣應(yīng)?；烀媚林械軌A-骨芹料反應(yīng)得分3種彈情況：門(mén)堿-硅刪反應(yīng)，怖堿-碳儉酸鹽反檢應(yīng)，堿死-硅酸定鹽反應(yīng)同。堿-還骨料反數(shù)應(yīng)通常吧進(jìn)行得創(chuàng)很慢，盞因此，咱由堿-員骨料反恨應(yīng)引起捆的破壞衰往往要姓經(jīng)過(guò)若扇干年后扎才會(huì)出旱現(xiàn)。但個(gè)是，一測(cè)旦由于貫堿-骨藝料膨脹設(shè)反應(yīng)破刪壞的混鳥(niǎo)凝土將聰是無(wú)法越修復(fù)的等。9.上4.匆2漸常見(jiàn)勉混凝放土結(jié)懸構(gòu)耐顫久性尾問(wèn)題混凝土珍堿集料配反應(yīng)侵蝕刪性介禾質(zhì)腐販蝕1）稼硫酸揀鹽腐垂蝕2）酸頑腐蝕3）?；蛩g4）雙鹽類(lèi)心結(jié)晶沖型腐焦蝕9.券4.令2好常見(jiàn)蒙混凝努土結(jié)當(dāng)構(gòu)耐爆久性井問(wèn)題機(jī)械磨自損1.古耐久性瀉設(shè)計(jì)的策目的及抗基本原撈則耐久性盆概念設(shè)犁計(jì)的目的階：是指塑在規(guī)龍定的享設(shè)計(jì)郵使用逢年限費(fèi)內(nèi)，袖預(yù)期長(zhǎng)的自勉然壞心境化負(fù)學(xué)和凱物理唱作用肥，以禮及正期常維搖護(hù)下寒，應(yīng)巾能滿(mǎn)宵足正結(jié)常使賢用，資滿(mǎn)足搬既定攤功能額的要兼求。耐久性砌概念設(shè)尖計(jì)的基本原燈則是根據(jù)德結(jié)構(gòu)的炒環(huán)境類(lèi)啄別和設(shè)積計(jì)使用芝年限進(jìn)盛行設(shè)計(jì)嶄。耐久性策設(shè)計(jì)基嬌本要求橋梁結(jié)立構(gòu)的環(huán)粘境類(lèi)別死見(jiàn)表9設(shè)-1。橋梁結(jié)槐構(gòu)設(shè)計(jì)政基準(zhǔn)期歲為10劈燕0年。2.?；C耐久培性的措腸施混凝臭土碳照化對(duì)矛混凝汽土結(jié)買(mǎi)構(gòu)耐深久性庸影響更主要叫使混父凝土再堿度騎降低救，最漂終造表成鋼搶筋銹屠蝕，于因此頃，必夾須減悠小、蒜延緩逼混凝立土的清碳化壇，足流夠的霜混凝新土保征護(hù)層龜厚度觀是最集簡(jiǎn)單銷(xiāo)有效悲的方間法。旬對(duì)于凝耐久覆性要祖求較芳高的純重要露結(jié)構(gòu)蔬構(gòu)件乳以及找受沿典海環(huán)孔境侵腳蝕的腫承重蝕，當(dāng)逃處于釀露天鼓或室擇內(nèi)高懇溫環(huán)種境時(shí)灘，混僚凝土早最小王保護(hù)叔層厚您度應(yīng)耽增加耳5m飯m~奏10廳mm拼。此潑外，憂(yōu)提高秧混凝辯土密嚼實(shí)度房誠(chéng)、增至強(qiáng)抗減滲性怨、對(duì)袍混凝符土采綠用覆呆蓋面梳層等冶措施凈可減條緩或棍隔離繡CO平2向冷混凝筍土內(nèi)標(biāo)部滲壩透，梁大大嫂提高撕混凝碧土抗彩碳化后能力睜。耐久性曲設(shè)計(jì)基雕本要求裂縫塵控制裂縫過(guò)笨寬易造貪成鋼筋資銹蝕，止對(duì)于由搞荷載作渾用引起擔(dān)的裂縫宰，規(guī)定京最大裂風(fēng)縫寬度逢限值，胞并進(jìn)行狀裂縫寬掘度驗(yàn)算介。這是輕指荷載稅作用下址產(chǎn)生的鍵橫向裂珍縫寬度角而言。翻對(duì)于不御是由荷瀉載作用慌而是由魚(yú)其他原蓄因產(chǎn)生氧的裂縫低，應(yīng)針純對(duì)不同敢情況采蛇取相應(yīng)懸措施。規(guī)定逗混凝煙土保眨護(hù)層盤(pán)最小虜厚度2.保網(wǎng)證耐久取性的措老施預(yù)防堿揚(yáng)-骨料傘膨脹反賽應(yīng)的必俘要條件基是：①滴選擇非沒(méi)活性骨偽料；②永控制水貨泥含堿扣量(包擺括外加緒劑和摻率合料引悲入的堿得)；③咳防止外寬界水分輝滲入混扭凝土。昂三個(gè)條批件滿(mǎn)足爛一個(gè)即債不會(huì)發(fā)稼生堿-秤骨料膨朝脹反應(yīng)剩。但是方，有時(shí)拼要滿(mǎn)足術(shù)其中任摟何一個(gè)蒸條件都純是不可摩能的，運(yùn)或者是廳很不經(jīng)濫濟(jì)的。吐這時(shí)就愿應(yīng)該采鳥(niǎo)取其他錘措施。鳳摻加引域氣劑，齡使砂漿蘆中含有迅大量均購(gòu)勻分布野的微小銜氣泡，朽堿-硅嘉酸凝膠斯能嵌進(jìn)盜分散的哈孔隙中拴，從而君降低腫銅脹壓和妖滲透壓垃。但是李，對(duì)于艷活性較內(nèi)高的骨收料和高眠堿水泥貪，引氣版不能作坦為防止赴堿-骨目料膨脹襯反應(yīng)破延壞的有姑效措施蘆。試驗(yàn)忙表明，任砂漿的積最優(yōu)含團(tuán)氣量約呆為10旁%，引肌氣量過(guò)輛少達(dá)不享到抑制醬效果。習(xí)但是，竄這么高根的含氣輔量，混夢(mèng)凝土的街強(qiáng)度將艘會(huì)降低受25%豬～40挺%，因前此，這約種方法想不適合扶于配制用強(qiáng)度較傘高的混活凝土。耐久性座設(shè)計(jì)基氏本要求抑制堿-骨料辛反應(yīng)2.保放證耐久迫性的措洗施