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1、fAAA钢筋混凝土构件的变形、裂缝及混凝土结构的耐久性 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望一、引言结构构件的可靠性本章的主要内容具有足够的承载力和变形能力安全性适用性耐久性在使用荷载下不产生过大的裂缝和变形在一定时期内维持其安全性和适用性的能力1.截面抗弯刚度的特点钢筋混凝土纯弯段截面抗弯刚度的特点：M012IIIIII*随着弯矩增大B不断降低*短期荷载效应时的挠度对应短期刚度Bs*长期荷载效应时的挠度对应长期刚度Bl(徐变、裂缝的不断发展等等)恒+活
2、恒+活载中的恒载部分与荷载形式、支承条件有关的系数8.1 钢筋混凝土受弯构件的挠度验算钢筋混凝土受弯构件的挠度验算2.短期刚度Bs解析刚度法就平均应变而言符合平截面假定短期荷载效应2.短期刚度Bs解析刚度法裂缝截面处的应力和应变MsAsh0h01cscs0h0Asss平均应变2.短期刚度Bs解析刚度法GB50010采用的就是上述公式，且有 ，于是：裂缝截面处内力臂长度系数 对常用的混凝土强度等级及配筋率，可以近似取=0.87裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数y 系数y的物理意义就是反映裂缝间受拉混凝土对纵向受拉钢筋应变的影响程度。当y1时，取y=1；对直接承受重复荷载的构件，取y=1。式中 当r
3、te0.01时，取rte0.01。8.1.3 参数的表达式参数的表达式系数z短期刚度Bs的计算公式取=0.87，则有式中，当 时，取 计算 。在荷载效应的标准组合作用下，受压钢筋对刚度的影响不大，计算时可不考虑，如需估计其影响，可在 式中加入 ，即 参数的表达式参数的表达式3.荷载长期作用下的刚度恒+活中“恒”基本概念flMlfs活中“活”Ms+3.荷载长期作用下的刚度定义：变形系数法GB50010（采用荷载标准组合时）（采用荷载准永久组合时）4.受弯构件的挠度计算最小刚度原则PPhl0BsM由不同的规范根据具体的情况确定 “最小刚度原则”就是在简支梁全跨长范围内，可都按弯矩最大处的截面弯曲刚
4、度，亦即按最小的截面弯曲刚度，用材料力学方法中不考虑剪切变形影响的公式来计算挠度。按“规范”要求，挠度验算应满足最小刚度原则与挠度计算最小刚度原则与挠度计算影响短期刚度Bs的因素弯矩Mk对Bs的影响是隐含在q中的。具体计算表明，r增大，Bs也略有增大。截面形状对Bs有所影响。当有受拉翼缘时，都会使Bs有所增大。在常用配筋率r=1%2%的情况下，提高混凝土强度等级对提高Bs的作用不大。当配筋率和材料给定时，截面有效高度h0对截面弯曲刚度的提高作用最显著。配筋率对承载力和挠度的影响 配筋率加大对提高截面弯曲刚度并不显著。一个构件不能盲目地用增大配筋率的方法来解决挠度不满足的问题。应通过验算予以保证
5、。对受弯构件挠度验算的讨论对受弯构件挠度验算的讨论跨高比 建议设计时可选用下列跨高比：对采用HRB335级钢筋配筋的简支梁，当允许挠度为l0/200，l0/h在2010的范围内采用。当永久荷载所占比重大时，取较小值；当用HPB235级或HRB400级钢筋配筋时，分别取较大值或较小值；当允许挠度为l0/250或l0/300时，l0/h取值应相应减少些；当为整体肋形梁或连续梁时，则取值可大些。混凝土结构构件变形限值保证建筑的适用功能要求；防止对结构构件产生不良影响；防止对非结构构件产伤不良影响；保证人们的感觉在可接受程度之内。8.2 钢筋混凝土构件裂缝宽度计算钢筋混凝土构件裂缝宽度计算1.分类施工
6、期间产生的裂缝和使用期间产生的裂缝按裂缝的产生时间龟裂、横向裂缝（与构件轴线垂直）、纵向裂缝、斜裂缝、八字裂缝、X形交叉裂缝等按裂缝的产生原因非受力因素产生的裂缝和受力因素产生的裂缝按裂缝的形态裂缝的分类与成因固体下沉，表面泌水而引起的。大风、高温使水分从混凝土表面快速蒸发引起的（龟裂）。塑性裂缝混凝土的收缩受到约束后产生的裂缝温度裂缝大体积混凝土中由于混凝土水化作用产生的水化热使内外混凝土产生温度差。约束收缩裂缝施工期间的裂缝2.成因8.2 钢筋混凝土构件裂缝宽度计算钢筋混凝土构件裂缝宽度计算施工期间的裂缝因施工程序不当而造成的受力裂缝施工中的受力裂缝楼板裂缝8.2 钢筋混凝土构件裂缝宽度计
7、算钢筋混凝土构件裂缝宽度计算使用期间的裂缝-钢筋锈蚀引起的裂缝8.2 钢筋混凝土构件裂缝宽度计算钢筋混凝土构件裂缝宽度计算使用期间的裂缝-温度（气温）变化引起的裂缝温度区段气温升高时T8.2 钢筋混凝土构件裂缝宽度计算钢筋混凝土构件裂缝宽度计算使用期间的裂缝-地基不均匀沉降引起的裂缝8.2 钢筋混凝土构件裂缝宽度计算钢筋混凝土构件裂缝宽度计算使用期间的裂缝-外部环境引起的裂缝冻融循环作用碱骨料反应盐类腐蚀外部环境酸类腐蚀8.2 钢筋混凝土构件裂缝宽度计算钢筋混凝土构件裂缝宽度计算使用期间的裂缝-荷载引起的裂缝斜裂缝！垂直裂缝！纵向裂缝！拉、弯、剪、扭、粘结等引起的裂缝目前，只有在拉、弯状态下混
8、凝土横向裂缝宽度的计算理论比较成熟。这也是下面所要介绍的主要内容8.2 钢筋混凝土构件裂缝宽度计算钢筋混凝土构件裂缝宽度计算裂缝宽度的控制裂缝的控制等级严格要求不出现裂缝一级二级三级一般要求不出现裂缝可以出现裂缝但要验算裂缝的宽度C由不同的规范根据具体的情况确定横向受力裂缝宽度的计算 1.粘结滑移理论以轴心受拉为例C*基本假定：开裂后，裂缝处混凝土退出工作，钢筋和混凝土之间发生滑移，混凝土回缩至图中虚线的位置*裂缝宽度=裂缝间钢筋和混凝土之间的变形差值先求出裂缝间距横向受力裂缝宽度的计算 1.粘结滑移理论裂缝的间距llms（s）smc（c）cmAs粘结应力的传递长度裂缝数量增加至一定数量时不再
9、增加，但宽度不断变化横向受力裂缝宽度的计算 1.粘结滑移理论裂缝的间距m s(s)llsmc(c)cml（s+s）AssAsc=ftl（s+s）AssAsm横向受力裂缝宽度的计算 1.粘结滑移理论裂缝的间距m s(s)llsmc(c)cml（s+s）AssAsc=ftl（s+s）AssAsm裂缝的平均间距横向受力裂缝宽度的计算 1.粘结滑移理论裂缝的间距bhbfbfbh0.5hhfhf为了和受弯构件相统一，定义：有效配筋率有效受拉面积于是，对轴拉和受弯构件，平均裂缝间距的公式可统一写成：横向受力裂缝宽度的计算 1.粘结滑移理论裂缝的宽度裂缝处钢筋的应变C设 称为裂缝间钢筋应力不均匀系数，则有裂
10、缝处钢筋的应力横向受力裂缝宽度的计算 2.无滑移理论认为混凝土开裂后，混凝土与钢筋之间无相对滑移，裂缝的发展宽度与裂缝量测点距最近一根钢筋表面的距离c直接相关。*Broms（美）Base（英）等人通过试验得出：C横向受力裂缝宽度的计算 3.粘接滑移与无滑移理论的结合上述两种理论和实际情况均有一定的差距，为此将二者结合起来，按下述公式进行计算分析：C各系数由试验分析确定裂缝宽度的实用计算方法 1.半理论半经验的方法混凝土结构设计规范（GB50010）水工钢筋混凝土结构设计规范所采用的方法裂缝宽度的实用计算方法 1.半理论半经验的方法平均裂缝间距te0.01时，取te=0.01c65时，取c=65
11、受弯kl=1.0；轴拉kl=1.1光圆，取0.7；变形，取1.0裂缝宽度的实用计算方法 1.半理论半经验的方法平均裂缝宽度kw=0.85裂缝宽度的实用计算方法 1.半理论半经验的方法裂缝的最大宽度由裂缝的统计特性，按95%的保证率考虑到长期荷载下，混凝土徐变影响导致裂缝继续扩大，取扩大系数为1.5裂缝宽度的实用计算方法 2.以数理统计分析为基础的计算方法公路钢筋混凝土及预应力桥涵设计规范采用的方法受拉钢筋的总周长8.3.1 延性概念 结构、构件或截面的延性是指从屈服开始到达到最大承载力或达到以后而承载力还没有显著下降期间的变形能力。即延性是反映构件的后期变形能力。“后期”是指从钢筋开始屈服进入
12、破坏阶段直到最大承载能力（或下降到最大承载能力的 85）时的整个过程。延性要求的目的：满足抗震方面的要求；防止脆性破坏；在超静定结构中，适应外界的变化；使超静定结构能充分的进行内力重分布。8.3 混凝土构件的截面延性混凝土构件的截面延性受弯构件延性的基本概念延性延性MuMyyMOu反映截面、构件、结构钢筋屈服以反映截面、构件、结构钢筋屈服以后的变形能力后的变形能力以截面为例：用延性系数表示截面的延性以截面为例：用延性系数表示截面的延性8.3.2 受弯构件的截面曲率延性系数受弯构件的截面曲率延性系数受弯构件延性的基本概念ycuu1u2As1As2cuyAs1As2y1y2结构的结构的延性延性取决
13、于构件的构件的延性延性取决于截面的截面的延性延性取决于配筋量配筋量影响因素纵向受拉钢筋配筋率r增大，延性系数减小。受压钢筋配筋率r增大，延性系数可增大。混凝土极限亚应变cu增大，则延性系数提高。混凝土强度等级提高，而钢筋屈服强度适当降低，也可使延性系数有所提高。提高截面曲率延性系数的措施主要有：限制纵向受拉钢筋的配筋率，一般不应大于2.5%；受压区高度x(0.250.35)h0；规定受压钢筋和受拉钢筋的最小比例，一般使As/As保持0.30.5；在弯矩较大的 区段适当加密箍筋。8.3.2 受弯构件的截面曲率延性系数受弯构件的截面曲率延性系数 影响偏心受压构件截面曲率延性系数的两个综合因素是和受
14、弯构件相同的，其差别主要是偏心受压构件存在轴向压力，致使受压区的高度增大，截面曲率延性系数降低较多。轴压比是影响偏心受压构件截面曲率延性系数的主要因素之一。偏心受压构件配筋率的大小，对截面曲率延性系数的影响较大。如采用密排的封闭箍筋或在矩形、方形箍内附加其他形式的箍筋（如螺旋形、井字形等构成的复式箍筋）以及采用螺旋箍筋，都能有效地提高受压区混凝土的极限压应变值，从而增大截面曲率延性。8.3.3 偏心受压构件截面曲率延性的分析偏心受压构件截面曲率延性的分析8.4.1 耐久性的概念与主要影响因素混凝土结构的耐久性 耐久性耐久性耐久性耐久性是指结构在设计使用年限内，在正常维护条件下，不需要进行大修和
15、加固，而满足正常使用和安全功能要求的能力。耐久性设计依据设计依据设计依据设计依据主要是结构的环境类别、设计使用年限及考虑对混凝土材料的基本要求。影响耐久性能的主要因素内部因素：混凝土强度、渗透性、保护层厚度、水泥品种、标号和用量、外加剂等；外部因素：环境温度、湿度、CO2含量、侵蚀性介质等。8.4 混凝土结构的耐久性混凝土结构的耐久性碳化是混凝土中性化的形式，是指大气中的二氧化碳(CO2)不断向混凝土内部扩散，并与其中的碱性物质发生反应，使混凝土的PH值降低。碳化对混凝土本身无害，其主要是当碳化至钢筋表面，氧化膜被破坏是形成钢筋锈蚀的必要条件，同时含氧水份侵入是钢筋锈蚀的充分条件，从而加剧混凝
16、土开裂，导致结构破坏。碳化影响因素有：环境因素和材料本身的性质。混凝土的碳化从构件表面开始向内发展，到保护层完全碳化，所需要的时间与碳化速度、混凝土保护层厚度、混凝土密实性以及覆盖层情况等因素有关。减小碳化的措施：合理设计混凝土的配合比；提高混凝土的密实度、抗渗性；规定钢筋保护层的最小厚度；采用覆盖面层。8.4.2 混凝土的碳化混凝土的碳化钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性的最关键问题,它是一个电化学过程，因此锈蚀主要取决于氧气通过混凝土保护层向钢筋表面的阴极的扩散速度，而这种扩散速度主要取决于混凝土的密实度。氧气和水份是钢筋锈蚀必要条件。钢筋锈蚀对混凝土结构损伤过程：坑蚀环蚀暴筋结构失效。防
17、止钢筋锈蚀的主要措施：混凝土本身要降低水灰比，保证密实度，具有足够的保护层厚度，严格控制含氯量。采用覆盖层，防止CO2、O2、Cl的渗入。在海工结构、强腐蚀介质中的混凝土结构中，可采用钢筋阻锈剂、防腐蚀钢筋、环氧涂层钢筋、镀锌钢筋、不锈钢钢筋等。对钢筋采用阴极防护法。8.4.3 钢筋的锈蚀钢筋的锈蚀耐久性设计的目的和基本原则 耐久性概念设计的目的目的目的目的是指在规定的设计使用年限内，在正常维护下，必须保持适合于使用，满足既定功能的要求。耐久性概念设计的基本原则基本原则基本原则基本原则是根据结构的环境类别和设计使用年限进行设计。混凝土结构使用环境类别 我国规定的环境类别共五类。混凝土结构的设计
18、使用年限 不同结构的耐久性极限状态应赋予不同的定义，一般可分为三类：不允许钢筋锈蚀时，混凝土保护层完全碳化；允许钢筋锈蚀一定量值；承载力开始下降。8.4.4 耐久性设计耐久性设计结构设计技术措施未经技术鉴定及设计许可，不能改变结构的使用环境，不得改变结构的用途。对于结构中使用环境较差的构件，易设计成可更换或易更换的构件。宜根据环境类别，规定维护措施及检查年限；对重要的结构，宜在与使用环境类别相同的适当位置设置供耐久性检查的专用构件。对于暴露在侵蚀性环境中的结构构件，其受力钢筋可采用环氧涂层带肋钢筋，预应力筋有防护措施。对混凝土材料的要求钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C30，预应力混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C40；混凝土中氯离子含量不得超过水泥用量的0.06%；宜使用非碱活性骨料；混凝土保护层厚度应适当增加；在使用过程中要定期维护。保证耐久性的技术措施及构造要求保证耐久性的技术措施及构造要求施工要求 要重视施工质量，加强养护，防止过早受荷等。混凝土保护层最小厚度 混凝土保护层最小厚度是从保证钢筋与混凝土共同工作，满足对受力钢筋的有效锚固以及保证耐久性的要求为依据的。纵向受力钢筋及预应力钢筋、钢丝、钢绞线的混凝土保护层厚度是指从钢筋外缘到混凝土外边缘的距离，它不应小于钢筋的公称直径。保证耐久性的技术措施及构造要求保证耐久性的技术措施及构造要求