水工钢筋混凝土结构分析.ppt

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1、第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.1 概 述 第八章第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 概概 述述在概述中将说明下面在概述中将说明下面5 5个问题：个问题：正常使用极限状态重要性正常使用极限状态重要性结构的极限状态分类结构的极限状态分类 正常使用极限状态可靠度小于承载能力极限状态正常使用极限状态可靠度小于承载能力极限状态抗裂验算与裂缝宽度验算之间的关系抗裂验算与裂缝宽度验算之间的关系要求抗裂的构件（绝大多数构件带裂缝工作）要求抗裂的构件（绝大多数构件带裂缝工作）第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.1 概 述1 1、正常使用极限

2、状态重要性、正常使用极限状态重要性:从钢筋混凝土设计理论看正常使用极限状态重要性。从钢筋混凝土设计理论看正常使用极限状态重要性。钢筋混凝土设计理论经历了三个阶段：钢筋混凝土设计理论经历了三个阶段：容许应力法容许应力法破损阶段法破损阶段法极限状态法极限状态法第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.1 概 述v容许应力法的缺陷容许应力法的缺陷假定混凝土为线性材料不符合实际。假定混凝土为线性材料不符合实际。容许应力取值依靠经验，曾多次提高。容许应力取值依靠经验，曾多次提高。无法用实验验证设计是否可靠。无法用实验验证设计是否可靠。无法得到总的可靠度概念。无法得到总的可靠度概念。无法得到正常使用

3、时的状态，如裂缝宽度与变形。无法得到正常使用时的状态，如裂缝宽度与变形。v破损阶段法的缺陷破损阶段法的缺陷无法了解正常使用阶段是否满足要求，裂缝与变形无法了解正常使用阶段是否满足要求，裂缝与变形。v极限状态法：极限状态法：分承载能力与正常使用二种极限状态：分承载能力与正常使用二种极限状态：承载能力极限状态破损阶段法承载能力极限状态破损阶段法正常使用极限状态抗裂与裂缝宽度、变形正常使用极限状态抗裂与裂缝宽度、变形第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.1 概 述从设计的控制条件看正常使用极限状态重要性。从设计的控制条件看正常使用极限状态重要性。一般，先进行承载能力极限状态的计算，确定钢筋

4、用一般，先进行承载能力极限状态的计算，确定钢筋用量；然后进行正常使用极限状态验算。量；然后进行正常使用极限状态验算。以受弯构件为例：以受弯构件为例：承载能力：承载能力：正截面抗弯：纵向受力钢筋正截面抗弯：纵向受力钢筋 斜截面抗剪：箍筋、弯起钢筋斜截面抗剪：箍筋、弯起钢筋 斜截面抗弯：有弯起钢筋时，斜截面抗弯：有弯起钢筋时，抵抗弯矩图抵抗弯矩图正常使用：正常使用：抗裂设计：抗裂验算抗裂设计：抗裂验算 限裂设计：裂缝宽度限裂设计：裂缝宽度 抗裂或限裂设计：变形验算抗裂或限裂设计：变形验算 8.1 概 述第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算但对水工混凝土结构，但对水工混凝土结构，正常使用极限状

5、态往往是控制正常使用极限状态往往是控制状态。举例：状态。举例：第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.1 概 述第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.1 概 述第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.1 概 述第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.1 概 述第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.1 概 述底块与中间块：底块与中间块：双面双向双面双向25200；上块：上块：竖向：竖向：20200水平：水平：15200但对水工混凝土结构，但对水工混凝土结构，正常使用极限状态往往是控制正常使用极限状态往往是控制状态。举例：状态。举例：v引水隧洞衬砌：在岩

6、石上开挖，衬砌是防止渗漏，减引水隧洞衬砌：在岩石上开挖，衬砌是防止渗漏，减小水阻力。小水阻力。第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.1 概 述第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.1 概 述2 2、结构的极限状态分为两类：、结构的极限状态分为两类：v承载能力极限状态承载能力极限状态：结构或构件达到最大承载力或不适应承载的过大变结构或构件达到最大承载力或不适应承载的过大变形。形。超过该极限状态，结构就不能满足预定的安全性要超过该极限状态，结构就不能满足预定的安全性要求。求。对各种结构构件都应进行该极限状态设计。对各种结构构件都应进行该极限状态设计。采用采用荷载设计值荷载设计值

7、及材料及材料强度设计值强度设计值。荷载效应采用荷载效应采用基本组合基本组合及及偶然组合偶然组合。第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.1 概 述v正常使用极限状态：正常使用极限状态：结构构件达到影响正常使用或耐久性能的某项规定限值。结构构件达到影响正常使用或耐久性能的某项规定限值。采用荷载标准值及材料强度标准值。采用荷载标准值及材料强度标准值。荷载效应采用标准组合。荷载效应采用标准组合。一般只对持久状况进行验算。一般只对持久状况进行验算。验算内容验算内容：抗裂验算、裂缝宽度验算及变形验算。：抗裂验算、裂缝宽度验算及变形验算。第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.1 概 述v

8、抗裂验算范围：抗裂验算范围：承受水压的轴拉、小偏拉构件承受水压的轴拉、小偏拉构件发生裂缝后引起严重渗漏构件。发生裂缝后引起严重渗漏构件。v裂缝宽度验算范围：裂缝宽度验算范围：一般钢筋混凝土构件。绝大多数构件是带裂缝工作的。一般钢筋混凝土构件。绝大多数构件是带裂缝工作的。v变形验算范围：变形验算范围：严格限制变形的构件。如：严格限制变形的构件。如：吊车梁，挠度过大时会妨碍吊车正常行驶；吊车梁，挠度过大时会妨碍吊车正常行驶；闸门顶梁，变形过大时会使闸门顶梁与胸墙底梁之间止闸门顶梁，变形过大时会使闸门顶梁与胸墙底梁之间止水失效。水失效。第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.1 概 述v裂缝

9、宽度验算的目的：裂缝宽度验算的目的：一般的钢筋混凝土构件总是带裂缝工作的。但过宽的裂一般的钢筋混凝土构件总是带裂缝工作的。但过宽的裂缝会产生下列不利影响：缝会产生下列不利影响：心理：心理：过宽的裂缝影响外观，并使人心理上产生不安全过宽的裂缝影响外观，并使人心理上产生不安全感；感；耐久性：耐久性：在裂缝处，缩短了混凝土碳化到达钢筋表面的在裂缝处，缩短了混凝土碳化到达钢筋表面的时间，导致钢筋提早锈蚀，影响结构的耐久性；时间，导致钢筋提早锈蚀，影响结构的耐久性；裂缝面水压：裂缝面水压：当水头较大时，渗入裂缝的水压会使裂缝当水头较大时，渗入裂缝的水压会使裂缝进一步扩展。进一步扩展。因此，而裂缝宽度验算

10、，根据使用要求使裂缝宽度小于因此，而裂缝宽度验算，根据使用要求使裂缝宽度小于相应的限值。相应的限值。第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.1 概 述v裂缝宽度限值的确定：裂缝宽度限值的确定：裂缝宽度限值理应根据下列因素取值：裂缝宽度限值理应根据下列因素取值：结构的功能要求结构的功能要求 环境条件对钢筋的腐蚀影响环境条件对钢筋的腐蚀影响 钢筋种类对腐蚀的敏感性钢筋种类对腐蚀的敏感性 荷载作用时间荷载作用时间 目前，混凝土规范规范考虑裂缝宽度限值的影响因素各目前，混凝土规范规范考虑裂缝宽度限值的影响因素各有侧重，具体规定并不完全一致。有侧重，具体规定并不完全一致。DL/T5057-200

11、9、SL191-2008根据环境类别，规定了最根据环境类别，规定了最大裂缝宽度限值，如附录五表大裂缝宽度限值，如附录五表1所列。所列。3 3、正常使用极限状态可靠度小于承载能力极限状态、正常使用极限状态可靠度小于承载能力极限状态承载能力极限状态：承载能力极限状态：计算计算正常使用极限状态：正常使用极限状态：验算验算v原因是：原因是：正常使用极限状态是在承载能力得到保证前提的正常使用极限状态是在承载能力得到保证前提的验验算算。正常使用极限状态不满足所造成的危害小于承载能。正常使用极限状态不满足所造成的危害小于承载能力极限状态。力极限状态。第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.1 概 述

12、v表现在：表现在：承载能力承载能力 正常使用正常使用荷载：设计值标准值荷载：设计值标准值 强度：设计值标准值强度：设计值标准值结构系数：结构系数：1.2 无无 （DL）设计状况系数：设计状况系数：1.0、0.95 无无 （DL）重要性系数：重要性系数：1.1、1.0、0.90 相同相同（DL）安全系数：安全系数：1.35、1.20、1.15 无无 （SL）第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.1 概 述4 4、抗裂验算与裂缝宽度验算之间的关系、抗裂验算与裂缝宽度验算之间的关系抗裂公式与裂缝宽度公式并不配套。抗裂公式与裂缝宽度公式并不配套。一个构件能满足抗裂验算，但裂缝宽度计算值也许会

13、一个构件能满足抗裂验算，但裂缝宽度计算值也许会很大。很大。对一般的抗裂构件，满足抗裂验算后，不必进行裂缝对一般的抗裂构件，满足抗裂验算后，不必进行裂缝宽度验算。宽度验算。对特别重要的抗裂构件，满足抗裂缝验算后，还须进对特别重要的抗裂构件，满足抗裂缝验算后，还须进行裂缝宽度验算。行裂缝宽度验算。所谓所谓“双控双控”。第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.1 概 述第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.2 抗裂验算 8.1 8.1 抗裂验算抗裂验算8.1.1 8.1.1 轴心受拉构件轴心受拉构件即将开裂时即将开裂时:c=ft；s=sEs=cEs=cEcEs/Ec=E ft第八章

14、 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.2 抗裂验算 为满足目标可靠指标要求，引进为满足目标可靠指标要求，引进拉应力限制系数拉应力限制系数ct，ft 改用改用 ftk:Nk由由荷载标准值计算得到的荷载标准值计算得到的轴向力；轴向力；ftk混凝土轴心抗拉强度混凝土轴心抗拉强度标准值标准值；ct混凝土拉应力限制系数，对荷载效应标准组混凝土拉应力限制系数，对荷载效应标准组 组合，组合，ct=0.85；Ao换算截面面积，换算截面面积，Ao=Ac+EAs，E=Es/Ec；第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.2 抗裂验算v混混凝凝土土即即将将开开裂裂时时钢钢筋筋的的拉拉应应力力2030N/m

15、m2，可可见见此此时时的的钢钢筋筋应应力力是是很很低低的的。用用增增加加钢钢筋筋面面积积的的方方法法来来提高构件的抗裂能力是极不合理的。提高构件的抗裂能力是极不合理的。v提高构件抗裂能力的措施主要有：提高构件抗裂能力的措施主要有：加大构件截面尺寸加大构件截面尺寸提高混凝土抗拉强度提高混凝土抗拉强度在局部混凝土中掺入钢纤维在局部混凝土中掺入钢纤维最根本的方法则是采用预应力混凝土构件最根本的方法则是采用预应力混凝土构件 第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.2 抗裂验算8.1.2 8.1.2 受弯构件受弯构件 受弯构件正截面即将开裂时，应力处于第受弯构件正截面即将开裂时，应力处于第I阶段

16、末。阶段末。受拉区近似假定为梯形，塑化区占受拉区高度的一半。受拉区近似假定为梯形，塑化区占受拉区高度的一半。利用平截面假定，根据力和力矩的平衡，求出利用平截面假定，根据力和力矩的平衡，求出Mcr。实际的实际的应力与应变图形应力与应变图形 假定的假定的应力图形应力图形 第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.2 抗裂验算 更方便的是在保持更方便的是在保持Mcr相等的条件下，将受拉区梯相等的条件下，将受拉区梯形应力图折换成直线分布应力图。换算后可直接用弹形应力图折换成直线分布应力图。换算后可直接用弹性体的性体的材料力学公式材料力学公式进行计算。进行计算。受弯构件抗裂验算方法受弯构件抗裂验算

17、方法应用材料力学公式应用材料力学公式材力公式适用于均质、线性材料。为能利用材力公材力公式适用于均质、线性材料。为能利用材力公式先进行二方面工作：式先进行二方面工作：将钢筋与混凝土二种材料的构件转化成均质材料。将将钢筋与混凝土二种材料的构件转化成均质材料。将钢筋转化成位置上钢筋转化成位置上E 倍的混凝土。倍的混凝土。第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.2 抗裂验算根据开裂弯矩不变的原则，引入塑性影响系数，将非根据开裂弯矩不变的原则，引入塑性影响系数，将非线性应力图形简化成线性应力图形。线性应力图形简化成线性应力图形。8.2 抗裂验算第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算根据平衡，

18、得极限方程：根据平衡，得极限方程：第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.2 抗裂验算将抗拉强度采用标准值，引入拉应力限制系数，来考将抗拉强度采用标准值，引入拉应力限制系数，来考虑可靠度。虑可靠度。Mk按荷载标准值计算得到的弯矩值。按荷载标准值计算得到的弯矩值。第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.2 抗裂验算 m值值与与假假定定的的受受拉拉区区应应力力图图形形有有关关，各各种种截截面面的的m值值见见附录五表附录五表4。m值还与截面高度值还与截面高度h有关。有关。根根据据h值值的的不不同同，对对m值值进进行行修修正正，乘乘以以考考虑虑截截面面高高度影响的修正系数，其值不大于度

19、影响的修正系数，其值不大于1.1。式中：式中：h以以mm计，当计，当h3000mm，取，取h=3000mm。第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.2 抗裂验算v工字形换算截面特征值工字形换算截面特征值第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.2 抗裂验算v单筋工字形换算截面特征值也可按下式计算：单筋工字形换算截面特征值也可按下式计算：第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.2 抗裂验算8.1.3 8.1.3 偏心受拉构件偏心受拉构件把钢筋换算为混凝土截面面积，引入把钢筋换算为混凝土截面面积，引入偏心受拉构件的截偏心受拉构件的截面抵抗矩塑性系数面抵抗矩塑性系数，用材料力学

20、公式进行计算，用材料力学公式进行计算：Mk按荷载标准值计算得到的弯矩值；按荷载标准值计算得到的弯矩值；Nk按荷载标准值计算得到的弯矩值。按荷载标准值计算得到的弯矩值。关键：关键：第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.2 抗裂验算应变梯度定义：应变梯度定义：应变随截面高度的变化率。应变随截面高度的变化率。轴轴拉拉构构件件应应变变梯梯度度为为零零，轴轴拉拉1，而而受受弯弯构构件件m1。说说明随应变梯度加大，塑性影响系数加大。明随应变梯度加大，塑性影响系数加大。应变梯度：应变梯度：轴拉构件偏拉构件受弯构件轴拉构件偏拉构件受弯构件塑性影响系数：塑性影响系数：1 轴拉轴拉 m第八章 钢筋混凝土

21、构件正常使用极限状态验算 8.2 抗裂验算假定假定：偏偏拉拉随随截截面面平平均均拉拉应应力力的的大大小小，按按线线性性规规律律在在1与与m之之间变化。间变化。=0时时（受受弯弯），偏偏拉拉=m；=ft时时（轴轴拉拉），偏偏拉拉=1。（用用设计表达式表达相当于设计表达式表达相当于ct ft）第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.2 抗裂验算，e0轴向拉力的偏心距。轴向拉力的偏心距。取：取：则：则：第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.2 抗裂验算8.1.4 8.1.4 偏心受压构件偏心受压构件关键：关键：第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.2 抗裂验算偏压偏压大于

22、大于m，为简化计算并偏于安全取，为简化计算并偏于安全取偏压偏压m。第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.2 抗裂验算v SL191-2008规规范范与与DL/T5057-2009规规范范的的抗抗裂裂验验算算公公式式形式相同。形式相同。v荷载效应荷载效应（Mk、Mk）计算方法不同的计算方法不同的。在在SL191-2008规规范范的的正正常常使使用用极极限限状状态态设设计计表表达达式式中中，不不考考虑虑结结构构重重要要性性系系数数。（Mk、Mk）就就是是荷荷载载标标准准值值产产生的内力总和。生的内力总和。DL/T5057-2009规规范范的的正正常常使使用用极极限限状状态态设设计计表表达

23、达式式中中，考考虑虑了了结结构构重重要要性性系系数数。（Mk、Mk）就就是是荷荷载载标标准准值产生的内力总和与结构重要性系数的乘积。值产生的内力总和与结构重要性系数的乘积。第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.2 抗裂验算v因而，两本规范所得结论会有所差异。因而，两本规范所得结论会有所差异。v从从概概念念上上讲讲，将将具具有有不不同同重重要要性性的的结结构构对对正正常常使使用用限限值要求的不同，放在荷载效应中来体现不尽合理。值要求的不同，放在荷载效应中来体现不尽合理。如如能能放放在在限限值值上上（如如拉拉应应力力限限制制系系数数的的大大小小、裂裂缝缝宽宽度限值的大小与挠度的大小）来体

24、现更为合理。度限值的大小与挠度的大小）来体现更为合理。第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.2 抗裂验算例题：例题：某某压压力力水水管管系系4级级水水工工建建筑筑物物，其其内内半半径径r=500mm，管管壁壁厚厚100mm，采采用用C25混混凝凝土土和和HRB335钢钢筋筋；水水管管内内水水压压力力标标准准值值pk=0.4kN/mm2，试试配配置置受受力力钢钢筋筋并并进进行行抗抗裂裂验算。验算。该该压压力力水水管管自自重重所所引引起起的的环环向向内内力力可可忽忽略略不不计计，由由附附录二表录二表2、表、表3、表、表5、表、表6查得：查得：Ec=2.8104N/mm2 fy=300N/

25、mm2Es=2.0105N/mm2 ftk=1.78N/mm2。第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.2 抗裂验算v按按SL191-2008SL191-2008规范规范配筋计算配筋计算4级水工建筑物级水工建筑物，K=1.15。压压力力水水管管承承受受内内水水压压力力时时为为轴轴心心受受拉拉构构件件，单单位位长长度度（1.0m）上的轴力设计值：）上的轴力设计值：管壁内、外管壁内、外层层各配各配10/12200，As=958mm2。图图8-7 管壁配筋图管壁配筋图第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.2 抗裂验算第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.2 抗裂验算v按按

26、SL191-2008SL191-2008规范规范抗裂验算抗裂验算 不满足抗裂要求，但差额仅不满足抗裂要求，但差额仅4%，工程上也可以认为满足要求。工程上也可以认为满足要求。第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.2 抗裂验算v按按DL/T5057-2009规范规范 配筋计算配筋计算4级水工建筑物级水工建筑物，0=0.9。d1.20、Q 1.20。单位长度（单位长度（1.0m）上的轴力设计值：）上的轴力设计值：管壁内、外管壁内、外层层各配各配10/12200，As=958mm2。第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.2 抗裂验算v按按DL/T5057-2009规范规范 抗裂验算

27、抗裂验算 满足抗裂要求满足抗裂要求 第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.2 抗裂验算v正常使用极限状态是否考虑结构重要性系数，工程界正常使用极限状态是否考虑结构重要性系数，工程界有争论。有争论。有人认为：抗裂或裂缝宽度验算主要与所处的环境条件有人认为：抗裂或裂缝宽度验算主要与所处的环境条件有关，挠度变形只与人的感觉和机器使用要求有关，与有关，挠度变形只与人的感觉和机器使用要求有关，与结构的安全级别无关。结构的安全级别无关。v 在国际主流混凝土结构设计规范及我国国标在国际主流混凝土结构设计规范及我国国标混凝土混凝土结构设计规范结构设计规范（GB50010-2002）中，在正常使用极限

28、）中，在正常使用极限状态验算时，都不考虑结构重要性系数状态验算时，都不考虑结构重要性系数。第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.2 抗裂验算v荷载标准值是设计基准期内可能遇到的最大值，在荷载标准值是设计基准期内可能遇到的最大值，在DL/T5057-2009规范中，规范中，对对级安全级别的构件级安全级别的构件在正常在正常使用极限状态验算时将荷载效应乘了使用极限状态验算时将荷载效应乘了0.9，就相当实际承，就相当实际承受荷载小于标准值。受荷载小于标准值。有人认为是不合适的，保证率过低。有人认为是不合适的，保证率过低。第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.3 裂缝开展宽度的验算8

29、.2 8.2 裂缝开展宽度的验算裂缝开展宽度的验算 裂缝的成因及对策裂缝的成因及对策v混凝土结构中存在混凝土结构中存在拉应力拉应力是产生裂缝的必要条件。是产生裂缝的必要条件。v主拉应力达到混凝土抗拉强度时，不立即产生裂缝；当主拉应力达到混凝土抗拉强度时，不立即产生裂缝；当拉应变达到拉应变达到极限拉应变极限拉应变时才出现裂缝。时才出现裂缝。v裂缝分裂缝分荷载和非荷载荷载和非荷载因素引起的两类。因素引起的两类。非非荷荷载载因因素素如如温温度度变变化化、混混凝凝土土收收缩缩、基基础础不不均均匀匀沉沉降降、塑塑性性坍坍落落、冰冰冻冻、钢钢筋筋锈锈蚀蚀及及碱碱一一骨骨料料化化学学反反应应等等都都能能引引

30、起起裂缝。裂缝。水工混凝土结构中，大部分裂缝由非荷载因素引起水工混凝土结构中，大部分裂缝由非荷载因素引起。第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.3 裂缝开展宽度的验算v能用公式计算的能用公式计算的裂缝宽度仅于：裂缝宽度仅于：荷载作用引起的裂缝；荷载作用引起的裂缝；杆系结构；杆系结构；弯矩、轴心拉力、偏心拉（压）力等引起的弯矩、轴心拉力、偏心拉（压）力等引起的垂直裂缝垂直裂缝（正截面裂缝）。（正截面裂缝）。v下列情况的裂缝的宽度是无法计算的：下列情况的裂缝的宽度是无法计算的：非荷载作用引起的裂缝；非荷载作用引起的裂缝；非杆系结构；非杆系结构；剪力或扭矩引起的剪力或扭矩引起的斜裂缝。斜裂

31、缝。第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.3 裂缝开展宽度的验算 一、荷载作用引起的裂缝一、荷载作用引起的裂缝对策：对策：合理配筋，控制钢筋应力合理配筋，控制钢筋应力不过高，钢筋直径不过粗，不过高，钢筋直径不过粗，裂缝宽度不致过宽。裂缝宽度不致过宽。第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.3 裂缝开展宽度的验算 二二、非非荷荷载载因因素素引引起起的的裂缝裂缝 1 1温度变化引起的裂缝温度变化引起的裂缝温温度度变变化化产产生生变变形形，即即热热胀胀冷冷缩缩。变变形形受受到到约约束束，就就产生裂缝。产生裂缝。大大体体积积混混凝凝土土，内内部部温温度度大大，外外周周温温度度低低，内

32、内外外温温差差大，引起温度裂缝。大，引起温度裂缝。第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.3 裂缝开展宽度的验算对策：对策：v对对框框架架结结构构，设设伸伸缩缩缝缝，减减小约束，允许自由变形。小约束，允许自由变形。v对非杆系结构对非杆系结构减减小小温温度度差差：分分层层分分块块浇浇筑筑，采采用用低低热热水水泥泥，埋埋置置块块石石，预预冷冷骨料，预埋冷却水管等。骨料，预埋冷却水管等。尽量选用线胀系数小的骨料尽量选用线胀系数小的骨料混凝土的线胀系数取决骨料的品种，不同骨料的混混凝土的线胀系数取决骨料的品种，不同骨料的混凝土的线胀系数相差很大。凝土的线胀系数相差很大。石英岩混凝土石英岩混凝土

33、 11*10-6 砂岩混凝土砂岩混凝土 10*10-6 花岗岩混凝土花岗岩混凝土 9*10-6 石灰岩混凝土石灰岩混凝土 7*10-6 第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.3 裂缝开展宽度的验算尽量降低约束系数尽量降低约束系数R控制上下层混凝土浇筑间隙。当间隙过大时，下层混控制上下层混凝土浇筑间隙。当间隙过大时，下层混凝土结硬，对上层混凝土约束增大，将加大上层混凝土的凝土结硬，对上层混凝土约束增大，将加大上层混凝土的温度应力。温度应力。适当分块浇筑。适当分块浇筑。第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.3 裂缝开展宽度的验算采用低热膨胀型水泥采用低热膨胀型水泥膨胀型水泥的自

34、身体积变形是膨胀的，可抵消混凝土膨胀型水泥的自身体积变形是膨胀的，可抵消混凝土降温时的收缩变形。降温时的收缩变形。g g 的曲线应是单调膨胀型，最好在龄期的曲线应是单调膨胀型，最好在龄期360天左右才天左右才稳定。稳定。第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.3 裂缝开展宽度的验算第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.3 裂缝开展宽度的验算2 2混凝土收缩引起的裂缝混凝土收缩引起的裂缝混凝土在空气中结硬产生收缩变形，产生收缩裂缝。混凝土在空气中结硬产生收缩变形，产生收缩裂缝。对策：对策：设伸缩缝；设伸缩缝；降低水灰比；降低水灰比；配筋率不过高；配筋率不过高；设置构造钢筋使收缩

35、裂缝分布均匀；设置构造钢筋使收缩裂缝分布均匀；加强潮湿养护。加强潮湿养护。3 3基础不均匀沉降引起的裂缝基础不均匀沉降引起的裂缝对策：对策：构造措施及设沉降缝等。构造措施及设沉降缝等。第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.3 裂缝开展宽度的验算4 4混凝土塑性坍落引起的裂缝混凝土塑性坍落引起的裂缝对策：对策：采用适量减水剂、控制水灰比；采用适量减水剂、控制水灰比；不不漏漏振振，不不过过振振，避避免免泌泌水水现现象象，在在混混凝凝土土终终凝凝前抹面压光。前抹面压光。5 5冰冻引起的裂缝冰冻引起的裂缝水在结冰时体积增加，孔道中水结冰会使混凝土胀裂。水在结冰时体积增加，孔道中水结冰会使混凝

36、土胀裂。第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.3 裂缝开展宽度的验算6 6钢筋锈蚀引起的裂缝钢筋锈蚀引起的裂缝钢钢筋筋锈锈蚀蚀是是电电化化学学反反应应，钢钢筋筋生生锈锈体体积积膨膨胀胀，产产生生顺顺筋筋裂缝，导致混凝土保护层剥落，影响结构耐久性。裂缝，导致混凝土保护层剥落，影响结构耐久性。对策：对策：提高混凝土的密实度和抗渗性；提高混凝土的密实度和抗渗性；适当地加大保护层厚度。适当地加大保护层厚度。第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.3 裂缝开展宽度的验算(a)混凝土开裂混凝土开裂(b)水、水、CO2侵入侵入钢筋锈蚀过程钢筋锈蚀过程第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验

37、算 8.3 裂缝开展宽度的验算(c)开始锈蚀开始锈蚀(d)钢筋体积膨胀钢筋体积膨胀钢筋锈蚀过程钢筋锈蚀过程第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.3 裂缝开展宽度的验算7 7碱一骨料化学反应引起的裂缝碱一骨料化学反应引起的裂缝混混凝凝土土孔孔隙隙中中水水泥泥的的碱碱性性溶溶液液与与活活性性骨骨料料(含含活活性性SiOSiO2 2)化学反应生成碱一硅酸凝胶，遇水膨胀，使混凝土胀裂。化学反应生成碱一硅酸凝胶，遇水膨胀，使混凝土胀裂。对策：对策：选择低含碱量的水泥；选择低含碱量的水泥；结构的水下部分不宜（或不应）采用活性骨料结构的水下部分不宜（或不应）采用活性骨料；提高混凝土的密实度；提高混

38、凝土的密实度；采用较低的水灰比采用较低的水灰比。8.2.2 8.2.2 裂缝宽度控制验算方法的分类裂缝宽度控制验算方法的分类 1 1、只列出裂缝宽度计算公式、只列出裂缝宽度计算公式设计规范中列出了设计规范中列出了裂缝宽度计算公式裂缝宽度计算公式和和裂缝宽度限裂缝宽度限值值，要求裂缝宽度计算值不得大于所规定的限值。，要求裂缝宽度计算值不得大于所规定的限值。在过去较长时间内，大部分设计规范都采用这种方在过去较长时间内，大部分设计规范都采用这种方法。我国的混凝土结构设计规范、法。我国的混凝土结构设计规范、1995年的年的ACI规范、规范、日本日本2002年规范和前苏联年规范和前苏联1987年的规范都

39、属于这一类。年的规范都属于这一类。8.3 裂缝开展宽度的验算第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算2 2、只列出构造要求、只列出构造要求无裂缝宽度计算公式与限值，只规定了无裂缝宽度计算公式与限值，只规定了以限裂为目以限裂为目的的构造要求的的构造要求；原因：原因：裂缝是温度、收缩和外力荷载综合作用下产裂缝是温度、收缩和外力荷载综合作用下产生的，计算得到的裂缝宽度并不符合工程实际。生的，计算得到的裂缝宽度并不符合工程实际。趋势：趋势：目前对于裂缝控制的趋势是主要着眼于配筋目前对于裂缝控制的趋势是主要着眼于配筋构造要求，而不是过分看重公式计算。构造要求，而不是过分看重公式计算。8.3 裂缝开展宽

40、度的验算第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算以限裂为目的的配筋构造要求包括：以限裂为目的的配筋构造要求包括：钢筋间距要求钢筋间距要求受拉钢筋最小配筋率受拉钢筋最小配筋率限制高强钢筋使用等限制高强钢筋使用等处于一般环境条件下的构件，只要满足了这些构造处于一般环境条件下的构件，只要满足了这些构造要求，裂缝宽度就自然满足了正常使用的要求。要求，裂缝宽度就自然满足了正常使用的要求。但对处于但对处于高侵蚀性环境或需要防止渗水，对限裂有高侵蚀性环境或需要防止渗水，对限裂有更高要求的结构构件，这类规范仍规定裂缝控制要做更高要求的结构构件，这类规范仍规定裂缝控制要做专门研究。专门研究。美国美国2002年

41、的年的ACI规范、美国规范、美国2003年的水工混凝土年的水工混凝土结构规范和英国结构规范和英国1997年的规范属于这一类。年的规范属于这一类。8.3 裂缝开展宽度的验算第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算3 3、同时列出裂缝宽度公式与构造要求、同时列出裂缝宽度公式与构造要求规范既给出了裂缝宽度计算公式，又规定了以限裂规范既给出了裂缝宽度计算公式，又规定了以限裂为目的的构造要求。为目的的构造要求。如如2002年的欧洲规范，它一方面给出了裂缝宽度计年的欧洲规范，它一方面给出了裂缝宽度计算公式和裂缝宽度限值，另一方面规定在某些情况下算公式和裂缝宽度限值，另一方面规定在某些情况下可不作裂缝宽度

42、验算。可不作裂缝宽度验算。如承受弯矩的薄板，在满足最小配筋率、钢筋直径如承受弯矩的薄板，在满足最小配筋率、钢筋直径和间距等规定后就可不进行裂缝宽度计算。和间距等规定后就可不进行裂缝宽度计算。8.3 裂缝开展宽度的验算第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算4 4、同时列出裂缝宽度公式和钢筋应力计算方法同时列出裂缝宽度公式和钢筋应力计算方法 如：现行水工混凝土结构设计规范如：现行水工混凝土结构设计规范对一般构件给出了外力荷载作用下的裂缝宽度计算公对一般构件给出了外力荷载作用下的裂缝宽度计算公式，要求裂缝宽度计算值不得大于所规定的裂缝宽度限式，要求裂缝宽度计算值不得大于所规定的裂缝宽度限值；值；

43、对无法求得裂缝宽度的非杆件体系结构，除建议按钢对无法求得裂缝宽度的非杆件体系结构，除建议按钢筋混凝土有限单元法计算裂缝开展宽度外，同时给出了筋混凝土有限单元法计算裂缝开展宽度外，同时给出了钢筋应力的计算方法，要求钢筋应力计算值不得大于所钢筋应力的计算方法，要求钢筋应力计算值不得大于所规定的钢筋应力限值，用来间接控制裂缝宽度。规定的钢筋应力限值，用来间接控制裂缝宽度。8.3 裂缝开展宽度的验算第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算8.2.3 8.2.3 裂缝宽度计算理论概述裂缝宽度计算理论概述v数理统计的经验公式数理统计的经验公式通过对大量试验资料的分析，选出影响裂缝宽度的通过对大量试验资料

44、的分析，选出影响裂缝宽度的主要参数，进行数理统计后得出。主要参数，进行数理统计后得出。v半理论半经验公式半理论半经验公式为我国为我国规范规范采用，从力学模型出发推导出理论采用，从力学模型出发推导出理论计算公式，用试验资料确定公式中系数。理论又可分计算公式，用试验资料确定公式中系数。理论又可分为三类：为三类：粘结滑移理论粘结滑移理论无滑移理论无滑移理论综合理论综合理论 8.3 裂缝开展宽度的验算第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.3 裂缝开展宽度的验算v粘结滑移理论粘结滑移理论裂裂缝缝开开展展是是由由于于钢钢筋筋和和混混凝凝土土之之间间不不再

45、再保保持持变变形形协协调调而出现相对滑移造成的。而出现相对滑移造成的。在在一一个个裂裂缝缝区区段段（裂裂缝缝间间距距lcr）内内，钢钢筋筋与与混混凝凝土土伸伸长之差是裂缝开展宽度长之差是裂缝开展宽度，lcr越大，越大，越大。越大。lcr取决于钢筋与混凝土之间的粘结力大小及分布。取决于钢筋与混凝土之间的粘结力大小及分布。8.3 裂缝开展宽度的验算v粘结滑移理论粘结滑移理论影影响响裂裂缝缝宽宽度度的的因因素素除除钢钢筋筋应应力力s外外，主主要要是是钢钢筋筋直直径径 d 与配筋率与配筋率的比值。的比值。混凝土表面的裂缝宽度与内部钢筋表面处是一样的。混凝土表面的裂缝宽度与内部钢筋表面处是一样的。第八章

46、 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.3 裂缝开展宽度的验算v无粘结滑移理论无粘结滑移理论假假定定裂裂缝缝开开展展后后，混混凝凝土土截截面面在在局局部部范范围围内内不不再再保保持持为为平平面面，钢钢筋筋与与混混凝凝土土之之间间的的粘粘结结力力不不破破坏坏，相相对对滑滑移移忽忽略不计略不计。表表面面裂裂缝缝宽宽度度是是受受从从钢钢筋筋到到构构件件表表面面的的应应变变梯梯度度控控制制的，与保护层厚度的，与保护层厚度c c 大小有关。大小有关。第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.3 裂缝开展宽度的验算v综合理论综合理论建建立立在在前前两两种种理理论论基基础础上上，既既考考虑虑保保护护

47、层层厚厚度度c c的的影影响，也考虑钢筋可能出现的滑移响，也考虑钢筋可能出现的滑移。第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.3 裂缝开展宽度的验算裂裂缝缝出出现现前前，拉拉区区钢钢筋筋与与混混凝凝土土共共同同受受力力。沿沿构构件件长长度度方方向向，各各截截面受力相同。面受力相同。8.2.4 8.2.4 裂缝开展机理及计算理论简介裂缝开展机理及计算理论简介一、裂缝开展前后的应力状态一、裂缝开展前后的应力状态根据粘结滑移理论对纯弯区段的裂缝加以讨论。根据粘结滑移理论对纯弯区段的裂缝加以讨论。第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.3 裂缝开展宽度的验算混混凝凝土土拉拉应应力力达达到

48、到抗抗拉拉强强度度时时，最最弱弱截截面面出出现第一条裂缝。现第一条裂缝。裂裂缝缝截截面面混混凝凝土土不不再再承承受受拉拉力力，转转由由钢钢筋筋承承担担，裂裂缝缝截截面面钢钢筋筋应应力力突增。突增。第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.3 裂缝开展宽度的验算距距裂裂缝缝截截面面有有足足够够的的长长度度时时，混混凝凝土土拉拉应应力力增增大大到到 ft t，将将出出现现新新的的裂缝。裂缝。荷荷载载增增加加，应应力力大大于于混混凝凝土土实实际际抗抗拉拉强强度度的的地方又出现第二条裂缝。地方又出现第二条裂缝。受粘结作用影响，受粘结作用影响，混凝土不能自由回缩到无应力状混凝土不能自由回缩到无应力

49、状态。距裂缝越远，混凝土承担的拉应力越大，钢筋拉态。距裂缝越远，混凝土承担的拉应力越大，钢筋拉应力越小。应力越小。第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.3 裂缝开展宽度的验算裂裂缝缝出出现现后后，沿沿构构件件长长度度方方向向，钢钢筋筋与与混混凝凝土土的的应应力随裂缝位置变化，中和轴随裂缝位置呈波浪形起伏。力随裂缝位置变化，中和轴随裂缝位置呈波浪形起伏。第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.3 裂缝开展宽度的验算由于混凝土质量不均，裂缝间距有疏有密。由于混凝土质量不均，裂缝间距有疏有密。最大间距可为平均间距的最大间距可为平均间距的1.32倍。倍。荷荷载载超超过过开开裂裂荷荷载

50、载50以以上上时时，裂裂缝缝间间距距才才趋趋于于稳稳定。定。裂裂缝缝开开展展宽宽度度有有大大有有小小，实实际际设设计计考考虑虑的的是是最最大大宽宽度度。第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.3 裂缝开展宽度的验算二、平均裂缝宽度二、平均裂缝宽度m 荷载达到抗裂弯矩荷载达到抗裂弯矩Mcr时，出现第一条裂缝。时，出现第一条裂缝。裂缝截面混凝土拉应力为零，钢筋应力突增。裂缝截面混凝土拉应力为零，钢筋应力突增。应力达到应力达到 ft 处，发生第二条裂缝。处，发生第二条裂缝。v把问题理想化，材料强度是均匀的，则：把问题理想化，材料强度是均匀的，则：裂缝是等间距的，同时发生的；裂缝是等间距的，同