第8章 鋼筋混凝土構(gòu)件的變形、裂縫及混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性教材

第8章混凝土構(gòu)件的變形及裂縫寬度驗(yàn)算一、引言結(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)生過大的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.截面抗彎剛度的特點(diǎn)鋼筋混凝土純彎段截面抗彎剛度的特點(diǎn)：M

0

1

2IIIIII*隨著彎矩增大B不斷降低*短期荷載效應(yīng)時(shí)的撓度對(duì)應(yīng)短期剛度Bs*長期荷載效應(yīng)時(shí)的撓度對(duì)應(yīng)長期剛度Bl(徐變、裂縫的不斷發(fā)展等等)恒+活恒+活載中的恒載部分與荷載形式、支承條件有關(guān)的系數(shù)§8.1鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的撓度驗(yàn)算2.短期剛度Bs解析剛度法就平均應(yīng)變而言符合平截面假定短期荷載效應(yīng)2.短期剛度Bs解析剛度法裂縫截面處的應(yīng)力和應(yīng)變MsAsh0h0

1

cs

cs

0h0As

ss平均應(yīng)變2.短期剛度Bs解析剛度法GB50010采用的就是上述公式，且有，于是：⒈裂縫截面處內(nèi)力臂長度系數(shù)h

對(duì)常用的混凝土強(qiáng)度等級(jí)及配筋率，可以近似取h=0.87⒉裂縫間縱向受拉鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù)y

系數(shù)y的物理意義就是反映裂縫間受拉混凝土對(duì)縱向受拉鋼筋應(yīng)變的影響程度。當(dāng)y<0.2時(shí)，取y=0.2；當(dāng)y>1時(shí)，取y=1；對(duì)直接承受重復(fù)荷載的構(gòu)件，取y=1。式中當(dāng)rte<0.01時(shí)，取rte<0.01。8.1.3參數(shù)的表達(dá)式⒊系數(shù)z⒋短期剛度Bs的計(jì)算公式取h=0.87，則有式中，當(dāng)時(shí)，取計(jì)算。在荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合作用下，受壓鋼筋對(duì)剛度的影響不大，計(jì)算時(shí)可不考慮，如需估計(jì)其影響，可在式中加入，即參數(shù)的表達(dá)式3.荷載長期作用下的剛度恒+活中“恒”基本概念flMlfs活中“活”Ms+3.荷載長期作用下的剛度定義：變形系數(shù)法GB50010（采用荷載標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)）（采用荷載準(zhǔn)永久組合時(shí)）4.受彎構(gòu)件的撓度計(jì)算最小剛度原則PPhl0BsM由不同的《規(guī)范》根據(jù)具體的情況確定

“最小剛度原則”就是在簡支梁全跨長范圍內(nèi)，可都按彎矩最大處的截面彎曲剛度，亦即按最小的截面彎曲剛度，用材料力學(xué)方法中不考慮剪切變形影響的公式來計(jì)算撓度。按“規(guī)范”要求，撓度驗(yàn)算應(yīng)滿足最小剛度原則與撓度計(jì)算⒈影響短期剛度Bs的因素⑴彎矩Mk對(duì)Bs的影響是隱含在q中的。⑵具體計(jì)算表明，r增大，Bs也略有增大。⑶截面形狀對(duì)Bs有所影響。當(dāng)有受拉翼緣時(shí)，都會(huì)使Bs有所增大。⑷在常用配筋率r=1%~2%的情況下，提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)提高Bs的作用不大。⑸當(dāng)配筋率和材料給定時(shí)，截面有效高度h0對(duì)截面彎曲剛度的提高作用最顯著。⒉配筋率對(duì)承載力和撓度的影響配筋率加大對(duì)提高截面彎曲剛度并不顯著。一個(gè)構(gòu)件不能盲目地用增大配筋率的方法來解決撓度不滿足的問題。應(yīng)通過驗(yàn)算予以保證。對(duì)受彎構(gòu)件撓度驗(yàn)算的討論⒊跨高比建議設(shè)計(jì)時(shí)可選用下列跨高比：對(duì)采用HRB335級(jí)鋼筋配筋的簡支梁，當(dāng)允許撓度為l0/200，l0/h在20～10的范圍內(nèi)采用。當(dāng)永久荷載所占比重大時(shí)，取較小值；當(dāng)用HPB235級(jí)或HRB400級(jí)鋼筋配筋時(shí)，分別取較大值或較小值；當(dāng)允許撓度為l0/250或l0/300時(shí)，l0/h取值應(yīng)相應(yīng)減少些；當(dāng)為整體肋形梁或連續(xù)梁時(shí)，則取值可大些。⒋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件變形限值⑴保證建筑的適用功能要求；⑵防止對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生不良影響；⑶防止對(duì)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)傷不良影響；⑷保證人們的感覺在可接受程度之內(nèi)?！?.2鋼筋混凝土構(gòu)件裂縫寬度計(jì)算1.分類施工期間產(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.成因§8.2鋼筋混凝土構(gòu)件裂縫寬度計(jì)算施工期間的裂縫因施工程序不當(dāng)而造成的受力裂縫施工中的受力裂縫樓板裂縫§8.2鋼筋混凝土構(gòu)件裂縫寬度計(jì)算使用期間的裂縫----鋼筋銹蝕引起的裂縫§8.2鋼筋混凝土構(gòu)件裂縫寬度計(jì)算使用期間的裂縫----溫度（氣溫）變化引起的裂縫溫度區(qū)段氣溫升高時(shí)

T§8.2鋼筋混凝土構(gòu)件裂縫寬度計(jì)算使用期間的裂縫----地基不均勻沉降引起的裂縫§8.2鋼筋混凝土構(gòu)件裂縫寬度計(jì)算使用期間的裂縫----外部環(huán)境引起的裂縫凍融循環(huán)作用堿骨料反應(yīng)鹽類腐蝕外部環(huán)境酸類腐蝕§8.2鋼筋混凝土構(gòu)件裂縫寬度計(jì)算使用期間的裂縫----荷載引起的裂縫斜裂縫！！垂直裂縫！縱向裂縫?。?！拉、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§8.2鋼筋混凝土構(gòu)件裂縫寬度計(jì)算裂縫寬度的控制裂縫的控制等級(jí)嚴(yán)格要求不出現(xiàn)裂縫一級(jí)二級(jí)三級(jí)一般要求不出現(xiàn)裂縫可以出現(xiàn)裂縫但要驗(yàn)算裂縫的寬度C由不同的《規(guī)范》根據(jù)具體的情況確定橫向受力裂縫寬度的計(jì)算

1.粘結(jié)滑移理論以軸心受拉為例C*基本假定：開裂后，裂縫處混凝土退出工作，鋼筋和混凝土之間發(fā)生滑移，混凝土回縮至圖中虛線的位置*裂縫寬度=裂縫間鋼筋和混凝土之間的變形差值先求出裂縫間距橫向受力裂縫寬度的計(jì)算

1.粘結(jié)滑移理論裂縫的間距l(xiāng)

l

m

s（s）

sm

c（c

）

cmAs粘結(jié)應(yīng)力的傳遞長度裂縫數(shù)量增加至一定數(shù)量時(shí)不再增加，但寬度不斷變化橫向受力裂縫寬度的計(jì)算

1.粘結(jié)滑移理論裂縫的間距

m

s(s)l

l

sm

c(c)

cml（s+s）As

sAs

c=ftl（s+s）As

sAs

m橫向受力裂縫寬度的計(jì)算

1.粘結(jié)滑移理論裂縫的間距

m

s(s)l

l

sm

c(c)

cml（s+s）As

sAs

c=ftl（s+s）As

sAs

m裂縫的平均間距橫向受力裂縫寬度的計(jì)算

1.粘結(jié)滑移理論裂縫的間距bhbfbf’bh0.5hhf’hf為了和受彎構(gòu)件相統(tǒng)一，定義：有效配筋率有效受拉面積于是，對(duì)軸拉和受彎構(gòu)件，平均裂縫間距的公式可統(tǒng)一寫成：橫向受力裂縫寬度的計(jì)算

1.粘結(jié)滑移理論裂縫的寬度裂縫處鋼筋的應(yīng)變C設(shè)稱為裂縫間鋼筋應(yīng)力不均勻系數(shù)，則有裂縫處鋼筋的應(yīng)力橫向受力裂縫寬度的計(jì)算

2.無滑移理論認(rèn)為混凝土開裂后，混凝土與鋼筋之間無相對(duì)滑移，裂縫的發(fā)展寬度與裂縫量測點(diǎn)距最近一根鋼筋表面的距離c直接相關(guān)。*Broms（美）Base（英）等人通過試驗(yàn)得出：C橫向受力裂縫寬度的計(jì)算

3.粘接滑移與無滑移理論的結(jié)合上述兩種理論和實(shí)際情況均有一定的差距，為此將二者結(jié)合起來，按下述公式進(jìn)行計(jì)算分析：C各系數(shù)由試驗(yàn)分析確定裂縫寬度的實(shí)用計(jì)算方法

1.半理論半經(jīng)驗(yàn)的方法《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010）《水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》所采用的方法裂縫寬度的實(shí)用計(jì)算方法

1.半理論半經(jīng)驗(yàn)的方法平均裂縫間距

te<0.01時(shí)，取te=0.01c<20時(shí)，取c=20；c>65時(shí)，取c=65受彎kl=1.0；軸拉kl=1.1光圓，取0.7；變形，取1.0裂縫寬度的實(shí)用計(jì)算方法

1.半理論半經(jīng)驗(yàn)的方法平均裂縫寬度kw=0.85裂縫寬度的實(shí)用計(jì)算方法

1.半理論半經(jīng)驗(yàn)的方法裂縫的最大寬度由裂縫的統(tǒng)計(jì)特性，按95%的保證率考慮到長期荷載下，混凝土徐變影響導(dǎo)致裂縫繼續(xù)擴(kuò)大，取擴(kuò)大系數(shù)為1.5裂縫寬度的實(shí)用計(jì)算方法

2.以數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析為基礎(chǔ)的計(jì)算方法《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8.3.1延性概念結(jié)構(gòu)、構(gòu)件或截面的延性是指從屈服開始到達(dá)到最大承載力或達(dá)到以后而承載力還沒有顯著下降期間的變形能力。即延性是反映構(gòu)件的后期變形能力。“后期”是指從鋼筋開始屈服進(jìn)入破壞階段直到最大承載能力（或下降到最大承載能力的85％）時(shí)的整個(gè)過程。延性要求的目的：⑴滿足抗震方面的要求；⑵防止脆性破壞；⑶在超靜定結(jié)構(gòu)中，適應(yīng)外界的變化；⑷使超靜定結(jié)構(gòu)能充分的進(jìn)行內(nèi)力重分布?！?.3混凝土構(gòu)件的截面延性受彎構(gòu)件延性的基本概念延性Mu

My

yMO

u反映截面、構(gòu)件、結(jié)構(gòu)鋼筋屈服以后的變形能力以截面為例：用延性系數(shù)表示截面的延性8.3.2受彎構(gòu)件的截面曲率延性系數(shù)受彎構(gòu)件延性的基本概念

y

cu

u1

u2As1As2

cu

yAs1As2

y1

y2結(jié)構(gòu)的延性取決于構(gòu)件的延性取決于截面的延性取決于配筋量⒉影響因素⑴縱向受拉鋼筋配筋率r增大，延性系數(shù)減小。⑵受壓鋼筋配筋率r’增大，延性系數(shù)可增大。⑶混凝土極限亞應(yīng)變ecu增大，則延性系數(shù)提高。⑷混凝土強(qiáng)度等級(jí)提高，而鋼筋屈服強(qiáng)度適當(dāng)降低，也可使延性系數(shù)有所提高。提高截面曲率延性系數(shù)的措施主要有：⑴限制縱向受拉鋼筋的配筋率，一般不應(yīng)大于2.5%；受壓區(qū)高度x≤(0.25~0.35)h0；⑵規(guī)定受壓鋼筋和受拉鋼筋的最小比例，一般使A’s/As保持0.3~0.5；⑶在彎矩較大的區(qū)段適當(dāng)加密箍筋。8.3.2受彎構(gòu)件的截面曲率延性系數(shù)

影響偏心受壓構(gòu)件截面曲率延性系數(shù)的兩個(gè)綜合因素是和受彎構(gòu)件相同的，其差別主要是偏心受壓構(gòu)件存在軸向壓力，致使受壓區(qū)的高度增大，截面曲率延性系數(shù)降低較多。軸壓比是影響偏心受壓構(gòu)件截面曲率延性系數(shù)的主要因素之一。偏心受壓構(gòu)件配筋率的大小，對(duì)截面曲率延性系數(shù)的影響較大。如采用密排的封閉箍筋或在矩形、方形箍內(nèi)附加其他形式的箍筋（如螺旋形、井字形等構(gòu)成的復(fù)式箍筋）以及采用螺旋箍筋，都能有效地提高受壓區(qū)混凝土的極限壓應(yīng)變值，從而增大截面曲率延性。8.3.3偏心受壓構(gòu)件截面曲率延性的分析8.4.1耐久性的概念與主要影響因素⒈混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性

耐久性是指結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)，在正常維護(hù)條件下，不需要進(jìn)行大修和加固，而滿足正常使用和安全功能要求的能力。耐久性設(shè)計(jì)依據(jù)主要是結(jié)構(gòu)的環(huán)境類別、設(shè)計(jì)使用年限及考慮對(duì)混凝土材料的基本要求。⒉影響耐久性能的主要因素Ⅰ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、外加劑等；Ⅱ外部因素：環(huán)境溫度、濕度、CO2含量、侵蝕性介質(zhì)等。§8.4混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性碳化是混凝土中性化的形式，是指大氣中的二氧化碳(CO2)不斷向混凝土內(nèi)部擴(kuò)散，并與其中的堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，使混凝土的PH值降低。碳化對(duì)混凝土本身無害，其主要是當(dāng)碳化至鋼筋表面，氧化膜被破壞是形成鋼筋銹蝕的必要條件，同時(shí)含氧水份侵入是鋼筋銹蝕的充分條件，從而加劇混凝土開裂，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。碳化影響因素有：環(huán)境因素和材料本身的性質(zhì)?；炷恋奶蓟瘡臉?gòu)件表面開始向內(nèi)發(fā)展，到保護(hù)層完全碳化，所需要的時(shí)間與碳化速度、混凝土保護(hù)層厚度、混凝土密實(shí)性以及覆蓋層情況等因素有關(guān)。減小碳化的措施：⑴合理設(shè)計(jì)混凝土的配合比；⑵提高混凝土的密實(shí)度、抗?jié)B性；⑶規(guī)定鋼筋保護(hù)層的最小厚度；⑷采用覆蓋面層。8.4.2混凝土的碳化鋼筋銹蝕是影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的最關(guān)鍵問題,它是一個(gè)電化學(xué)過程，因此銹蝕主要取決于氧氣通過混凝土保護(hù)層向鋼筋表面的陰極的擴(kuò)散速度，而這種擴(kuò)散速度主要取決于混凝土的密實(shí)度。氧氣和水份是鋼筋銹蝕必要條件。鋼筋銹蝕對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)損傷過程：坑蝕→環(huán)蝕→暴筋→結(jié)構(gòu)失效。防止鋼筋銹蝕的主要措施：⑴混凝土本身要降低水灰比，保證密實(shí)度，具有足夠的保護(hù)層厚度，嚴(yán)格控制含氯量。⑵采用覆蓋層，防止CO2、O2、Cl－的滲入。⑶在海工結(jié)構(gòu)、強(qiáng)腐蝕介質(zhì)中的混凝土結(jié)構(gòu)中，可采用鋼筋阻銹劑、防腐蝕鋼筋、環(huán)氧涂層鋼筋、鍍鋅鋼筋、不銹鋼鋼筋等。⑷對(duì)鋼筋采用陰極防護(hù)法。8.4.3鋼筋的銹蝕⒈耐久性設(shè)計(jì)的目的和基本原則耐久性概念設(shè)計(jì)的目的是指在規(guī)定的設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)，在正常維護(hù)下，必須保持適合于使用，滿足既定功能的要求。耐久性概念設(shè)計(jì)的基本原則是根據(jù)結(jié)構(gòu)的環(huán)境類別和設(shè)計(jì)使用年限進(jìn)行設(shè)計(jì)。⒉混凝土結(jié)構(gòu)