《裂縫和變形》PPT課件.ppt

1、第9章 鋼筋混凝土構件的裂縫、變形和耐久性,9.1 概述 9.2 裂縫寬度驗算 9.3 受彎構件撓度驗算 9.4 耐久性設計,9.1 概述,第9章 鋼筋混凝土構件的裂縫、變形和耐久性,耐久性結構在所處的工作環(huán)境中，在設計使用年限內，在正常維護條件下不需要進行大修就能完成預定功能的能力。如混凝土不發(fā)生嚴重風化、腐蝕、脫落，鋼筋不發(fā)生銹蝕等。,適用性是結構在正常使用荷載作用下具有良好的工作性能，如不產生影響使用的過大撓度或振幅，不產生讓使用者感到不安的裂縫等。,安全性是結構在設計使用期限內，應能承受正常施工、正常使用時可能出現的各種作用的能力。在作用（如地震）或偶然事件（如爆炸）發(fā)生時及發(fā)生后，結

2、構能保持整體穩(wěn)定，不致發(fā)生連續(xù)倒塌。,結構的 功能,承載能力極限狀態(tài),正常適用極限狀態(tài),第9章 鋼筋混凝土構件的裂縫、變形和耐久性,對于結構的正常使用極限狀態(tài)，應當使用荷載的標準值和準永久值，材料強度采用標準值。 正常使用極限狀態(tài)主要驗算構件的裂縫寬度以及變形（剛度）。 驗算時應當考慮短期效應組合以及長期效應組合兩種情況。,正常使用極限狀態(tài)的計算表達式：,荷載效應的標準組合：,荷載效應的頻遇組合：,荷載效應的準永久組合：,第9章 鋼筋混凝土構件的裂縫、變形和耐久性,9.2 裂縫寬度驗算,裂縫,荷載引起的裂縫：,非荷載引起的裂縫：,占20% ct ft 計算wmax wmax,材料收縮、溫度變化

3、、混凝土碳化后引起鋼筋銹蝕、地基不均勻沉降。（占80%）,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)定了最大伸縮縫之間的間距。, 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,第9章 鋼筋混凝土構件的裂縫、變形和耐久性,9.2.1 驗算公式,裂縫控制：規(guī)范根據對結構構件裂縫的不同要求，將裂縫控制分為三個等級： 一級：嚴格要求不出現裂縫的構件；按荷載標準組合計算時，構件受拉邊緣混凝土不應產生拉應力。

4、 二級：一般要求不出現裂縫的構件；按荷載標準組合計算時，構件受拉邊緣混凝土不應大于混凝土抗拉強度標準值；而按荷載準永久組合計算時，構件受拉邊緣混凝土不宜出現拉應力，有可靠經驗時可適當放松； 三級：允許出現裂縫的構件；按荷載標準組合并考慮長期作用影響計算時，構件的最大裂縫寬度應滿足附表規(guī)定的限值。,鋼筋混凝土構件的裂縫控制等級均為三級：,第9章 鋼筋混凝土構件的裂縫、變形和耐久性,9.2.1 wmax計算方法 1 建筑工程規(guī)范關于wmax的計算方法,N,N,(a),(b),(c),(d),Ncr,Nk,Nk,Ns,1,1,第9章 鋼筋混凝土構件的裂縫、變形和耐久性,在裂縫出現前，混凝土和鋼筋的應

5、變沿構件的長度基本上是均勻分布的。 當混凝土的拉應力達到抗拉強度時，首先會在構件最薄弱截面位置出現第一條（批）裂縫。 裂縫出現瞬間，裂縫截面位置的混凝土退出受拉工作，應力為零，而鋼筋拉應力應力產生突增Dss= ft /r，配筋率越小，Dss就越大。 由于鋼筋與混凝土之間存在粘結，隨著距裂縫截面距離的增加，混凝土中又重新建立起拉應力sc，而鋼筋的拉應力則隨距裂縫截面距離的增加而減小。,第9章 鋼筋混凝土構件的裂縫、變形和耐久性,當距裂縫截面有足夠的長度 l 時，混凝土拉應力sc增大到 ft，此時將出現新的裂縫。 如果兩條裂縫的間距小于粘結應力傳遞長度，混凝土拉應力不可能達到 ft，因此將不會出現

6、新的裂縫，裂縫出現完成。 從第一條（批）裂縫出現到裂縫全部出齊為裂縫出現階段，該階段的荷載增量并不大，主要取決于混凝土強度的離散程度。 裂縫間距的計算公式即是以該階段的受力分析建立的。,第9章 鋼筋混凝土構件的裂縫、變形和耐久性,裂縫出齊后，隨著荷載的繼續(xù)增加，砼回縮，鋼筋不斷伸長，在一定區(qū)段由鋼筋與砼應變差的累積量，即形成了裂縫寬度。這是裂縫寬度計算的依據。 粘結滑移理論認為裂縫寬度是由于鋼筋與混凝土之間的粘結破壞，出現相對滑移，引起裂縫處混凝土的回縮引起的。,(b),(a),(c),(d),(e),第9章 鋼筋混凝土構件的裂縫、變形和耐久性, 平均裂縫寬度m,式中： c = 0.85， s

7、m = sk,c分布,s分布,(a),(c),(b),第9章 鋼筋混凝土構件的裂縫、變形和耐久性, 平均裂縫間距l(xiāng)cr的計算, 與受力特性有關的系數，軸心受拉 =1.1，受彎、偏心受壓 =1.0，偏心受拉 =1.05。 c 最外層縱向受拉鋼筋外邊緣至受拉區(qū)底邊的距離（保護層厚度），20c65。 縱向受拉鋼筋的相對粘結特征系數，光面鋼筋 =0.7，變形鋼筋 =1.0。 deq受拉區(qū)縱向鋼筋的等效直徑。 te 截面的縱向鋼筋有效配筋率,第9章 鋼筋混凝土構件的裂縫、變形和耐久性,Ate=,矩形、T形截面 倒T形截面、工字形截面,第9章 鋼筋混凝土構件的裂縫、變形和耐久性, 裂縫截面鋼筋應力sk的計

8、算,0.87h0,h0,Nk,skAs,Mk,C,skAs,(a)軸心受拉,(b)受彎,軸心受拉：,受 彎：,第9章 鋼筋混凝土構件的裂縫、變形和耐久性,e,e0,e,Nk,h0as,As,As,e,nse0s,As,As,sAs,C,Cc,z,skAs,Nk,(c)偏心受拉,(d)偏心受壓,C,skAs,sAs,偏心受拉：,偏心受壓：,第9章 鋼筋混凝土構件的裂縫、變形和耐久性, 鋼筋應力不均勻系數的計算,(0.2 1.0),由于鋼筋與混凝土間存在粘結應力，隨著距裂縫截面距離的增加，裂縫間混凝土逐漸參與受拉工作，鋼筋應力逐漸減小，因此鋼筋應力沿縱向的分布是不均勻的。 裂縫截面處鋼筋應力最大，

9、裂縫中間鋼筋應力最小，其差值反映了混凝土參與受拉工作的大小。 鋼筋應力不均勻系數y 是反映裂縫間混凝土參加受拉工作程度的影響系數。,第9章 鋼筋混凝土構件的裂縫、變形和耐久性, 最大裂縫寬度wmax,短期荷載的影響：在荷載短期效應組合作用下，取實測裂縫寬度wt與上述計算的平均裂縫寬度wm的比值為荷載短期效應裂縫擴大系數ts。大量裂縫測量結果統計表明，ts的概率密度分布基本為正態(tài)分布。根據可靠概率95%的要求，對軸心受拉和偏心受拉構件，ts=1.9，對受彎和偏心受壓構件，ts =1.66。 長期荷載的影響：由于混凝土的滑移徐變和拉應力的松弛以及混凝土的收縮等因素，使裂縫隨時間推移逐漸增大。長期荷

10、載下裂縫的擴大系數t l =1.5。,第9章 鋼筋混凝土構件的裂縫、變形和耐久性,當配筋率r相同時，鋼筋直徑越細，裂縫間距越小，裂縫寬度也越小，也即裂縫的分布和開展會密而細，這是控制裂縫寬度的一個重要原則。,受彎和偏心受壓構件：acr =1.51.660.85=2.1 偏心受拉構件：acr =1.51.90.851.05=2.4 軸心受拉構件：acr =1.51.90.851.1=2.7,2 公路橋涵規(guī)范關于wmax的計算方法,第9章 鋼筋混凝土構件的裂縫、變形和耐久性,9.3 受彎構件撓度驗算,9.3.1 驗算公式,9.3.2 af,max的計算方法 1 建筑工程受彎構件af,max的計算方

11、法 鋼筋混凝土受彎構件撓度計算的特點,材料力學中均布荷載：,對于彈性均質材料截面，EI為常數，M-af 關系為直線。由于混凝土開裂、彈塑性應力-應變關系和鋼筋屈服等影響，鋼筋混凝土適筋梁的M-af 關系不再是直線， EI不再為常數。,鋼筋混凝土梁的撓度與彎矩的作用是非線性的。,(a),(b),第9章 鋼筋混凝土構件的裂縫、變形和耐久性, 短期剛度Bs的計算,式中：,第9章 鋼筋混凝土構件的裂縫、變形和耐久性,p215,Mk 荷載短期效應組合算得的彎矩。(恒載活載) 標準值。,Mq 荷載長期效應組合算得的彎矩。(恒載活載q) 標準值。, 撓度增大系數。 = 2.0 0.4 /,Bs 短期剛度。,

12、第9章 鋼筋混凝土構件的裂縫、變形和耐久性, 長期剛度B的計算, 受彎構件撓度的計算,取同一彎矩符號區(qū)段內最小剛度作為其等效剛度，視構件為等剛度梁按材力的方法計算。 “最小剛度剛度原則”,提高剛度的有效措施 h0,或As 即增加,第9章 鋼筋混凝土構件的裂縫、變形和耐久性,2 公路橋涵工程受彎構件af,max的計算方法,第9章 鋼筋混凝土構件的裂縫、變形和耐久性,8.4 耐久性設計, 耐久性是指結構在預定設計工作壽命期內，在正常維護條件下，不需要進行大修和加固而滿足正常使用和安全功能要求的能力。 混凝土結構的耐久性極限狀態(tài)，是指經過一定使用年限后，結構或結構某一部分達到或超過某種特定狀態(tài)，以致

13、結構不能滿足預定功能的要求。 但經過簡單修補、維修，費用不大，可恢復使用要求的情況，可以認為沒有達到耐久性極限狀態(tài)。 只有當嚴重超出正常維修允許范圍時，結構的使用壽命才終止。 對于一般建筑結構，設計工作壽命為50年，重要的建筑物可取100年。,碳化,影響混凝土結構耐久性的因素：,內部因素： 混凝土強度 滲透性 保護層厚度 水泥品種 標號和用量 外加劑等,外部因素： 環(huán)境溫度 濕度 CO2含量 侵蝕性介質等,第9章 鋼筋混凝土構件的裂縫、變形和耐久性,1 混凝土的凍融破壞, 混凝土水化結硬后，內部有很多毛細孔。在澆筑混凝土時，為得到必要的和易性，往往會比水泥水化所需要的水多些。 多余的水份滯留在

14、混凝土毛細孔中。低溫時水份因結冰產生體積膨脹，引起混凝土內部結構破壞。 反復凍融多次，就會使混凝土的損傷累積達到一定程度而引起結構破壞。 防止混凝土凍融破壞的主要措施是降低水灰比，減少混凝土中多余的水份。 冬季施工時，應加強養(yǎng)護，防止早期受凍，并摻入防凍劑等。,第9章 鋼筋混凝土構件的裂縫、變形和耐久性,2 混凝土的堿集料反應, 混凝土集料中的某些活性礦物與混凝土微孔中的堿性溶液產生化學反應稱為堿集料反應。 堿集料反應產生的堿-硅酸鹽凝膠，吸水后會產生膨脹，體積可增大34倍，從而混凝土的剝落、開裂、強度降低，甚至導致破壞。 引起堿集料反應有三個條件： 混凝土的凝膠中有堿性物質。這種堿性物質主要

15、來自于水泥，若水泥中的含堿量（Na2O，K2O）大于0.6%以上時，則會很快析出到水溶液中，遇到活性骨料則會產生反應； 骨料中有活性骨料，如蛋白石、黑硅石、燧石、玻璃質火山石、安山石等含SiO2的骨料； 水分。堿骨料反應的充分條件是有水分，在干燥環(huán)境下很難發(fā)生堿骨料反應。,第9章 鋼筋混凝土構件的裂縫、變形和耐久性,3 侵蝕性介質的腐蝕,硫酸鹽腐蝕：硫酸鹽溶液與水泥石中的氫氧化鈣及水化鋁酸鈣發(fā)生化學反應，生成石膏和硫鋁酸鈣，產生體積膨脹，使混凝土破壞。硫酸鹽除在一些化工企業(yè)存在外，海水及一些土壤中也存在。當硫酸鹽的濃度（以SO2的含量表示）達到2時，就會產生嚴重的腐蝕。 酸腐蝕：混凝土是堿性材

16、料，遇到酸性物質會產生化學反應，使混凝土產生裂縫、脫落，并導致破壞。酸不僅存在于化工企業(yè)，在地下水，特別是沼澤地區(qū)或泥炭地區(qū)廣泛存在碳酸及溶有CO2的水。此外有些油脂、腐植質也呈酸性，對混凝土有腐蝕作用。 海水腐蝕：在海港、近海結構中的混凝土構筑物，經常收到海水的侵蝕。海水中的NaCl、MgCl2、MgSO4、K2SO4等成分，尤其是Cl-和硫酸鎂對混凝土有較強的腐蝕作用。在海岸飛濺區(qū)，受到干濕的物理作用，也有利于Cl-和SO4的滲入，極易造成鋼筋銹蝕。,第9章 鋼筋混凝土構件的裂縫、變形和耐久性,4 混凝土的碳化, 混凝土中堿性物質（Ca(OH)2）使混凝土內的鋼筋表明形成氧化膜，它能有效地

17、保護鋼筋，防止鋼筋銹蝕。 但由于大氣中的二氧化碳（CO2）與混凝土中的堿性物質發(fā)生反應，使混凝土的Ph值降低。其他物質，如SO2、H2S，也能與混凝土中的堿性物質發(fā)生類似的反應，使混凝土的Ph值降低，這就是混凝土的碳化。 當混凝土保護層被碳化到鋼筋表面時，將破壞鋼筋表面的氧化膜，引起鋼筋的銹蝕。此外，碳化還會加劇混凝土的收縮，可導致混凝土的開裂。 因此，混凝土的碳化是混凝土結構耐久性的重要問題。 混凝土的碳化從構件表面開始向內發(fā)展，到保護層完全碳化，所需要的時間與碳化速度、混凝土保護層厚度、混凝土密實性以及覆蓋層情況等因素有關。,第9章 鋼筋混凝土構件的裂縫、變形和耐久性,5 環(huán)境因素 碳化速

18、度主要取決于空氣中的CO2濃度和向混凝土中的擴散速度。空氣中的CO2濃度大，混凝土內外CO2濃度梯度也愈大，因而CO2向混凝土內的滲透速度快，碳化反應也快。 空氣濕度和溫度對碳化反應速度有較大影響。因為碳化反應要產生水份向外擴散，濕度越大，水份擴散越慢。當空氣相對濕度大于80%，碳化反應的附加水份幾乎無法向外擴散，使碳化反應大大降低。 而在極干燥環(huán)境下，空氣中的CO2無法溶于混凝土中的孔隙水中，碳化反應也無法進行。 試驗表明，當混凝土周圍介質的相對濕度為50%75%時，混凝土碳化速度最快。環(huán)境溫度越高，碳化的化學反應速度越快，且CO2向混凝土內的擴散速度也越快。,第9章 鋼筋混凝土構件的裂縫、

19、變形和耐久性,6 材料因素 水泥是混凝土中最活躍的成分，其品種和用量決定了單位體積中可碳化物質的含量，因而對混凝土碳化有重要影響。 單位體積中水泥的用量越多，會提高混凝土的強度，又會提高混凝土的抗碳化性能。 水灰比也是影響碳化的主要因素。在水泥用量不變的條件下，水灰比越大，混凝土內部的孔隙率也越大，密實性就越差，CO2的滲入速度越快，因而碳化的速度也越快。 水灰比大會使混凝土孔隙中游離水增多，有利于碳化反應。 混凝土中外加摻合料和骨料品種對碳化也有一定的影響。,第9章 鋼筋混凝土構件的裂縫、變形和耐久性,7 施工養(yǎng)護條件 混凝土攪拌、振搗和養(yǎng)護條件影響混凝土的密實性，因而對碳化有較大影響。此外

20、，養(yǎng)護方法與齡期對水泥的水化程度有影響，進而影響混凝土的碳化。所以保證混凝土施工質量對提高混凝土的抗碳化性能十分重要。 8 覆蓋層,不同飾面材料的碳化深度比,第9章 鋼筋混凝土構件的裂縫、變形和耐久性,9 鋼筋銹蝕 鋼筋銹蝕是影響鋼筋混凝土結構耐久性的最關鍵問題。,第9章 鋼筋混凝土構件的裂縫、變形和耐久性, 當混凝土未碳化時，由于水泥的高堿性，鋼筋表面形成一層致密的氧化膜，阻止了鋼筋銹蝕電化學過程。 當混凝土被碳化，鋼筋表面的氧化膜被破壞，在有水份和氧氣的條件下，就會發(fā)生銹蝕的電化學反應。 鋼筋銹蝕產生的鐵銹（氫氧化亞鐵Fe(OH)3），體積比鐵增加26倍，保護層被擠裂，使空氣中的水份更易進

21、入，促使銹蝕加快發(fā)展。 氧氣和水份是鋼筋銹蝕必要條件，混凝土的碳化僅是為鋼筋銹蝕提供了可能。 當構件使用環(huán)境很干燥（濕度40%），或完全處于水中，鋼筋的銹蝕極慢，幾乎不發(fā)生銹蝕。 而裂縫的發(fā)生為氧氣和水份的浸入創(chuàng)造了條件，同時也使混凝土的碳化形成立體發(fā)展。,第9章 鋼筋混凝土構件的裂縫、變形和耐久性, 但近年來的研究發(fā)現，銹蝕程度與荷載產生的橫向裂縫寬度無明顯關系，在一般大氣環(huán)境下，裂縫寬度即便達到0.3mm，也只是在裂縫處產生銹點。 這是由于鋼筋銹蝕是一個電化學過程，因此銹蝕主要取決于氧氣通過混凝土保護層向鋼筋表面的陰極的擴散速度，而這種擴散速度主要取決于混凝土的密實度。 裂縫的出現僅是使裂縫處鋼筋局部脫鈍，使銹蝕過程得以開始，但它對銹蝕速度不起控制作用。 因此，防止鋼筋銹蝕最重要的措施是在增加混凝土的密實性和混凝土的保護層厚度。此外，還可采用涂面層、鋼筋阻銹劑、涂層鋼筋等措施來防止鋼筋的銹蝕。,第9章 鋼筋混凝土構件的裂縫、變形和耐久性,鋼筋銹蝕引起混凝土結構損傷過程：首先在裂縫寬度較大處發(fā)生個別點的