混凝土构件的裂缝和变形验算及耐久性.ppt
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1、第九章 混凝土构件的裂缝和 变形验算及耐久性中南大学土木工程学院建筑工程系刘澍主要内容与要求 1掌握钢筋混凝土构件在第工作阶段中的基本品性,包括截面上与截面间的应力分布、裂缝开展的原理与过程、截面曲率的变化等以及影响这些性能的主要因素。2掌握裂缝宽度、截面受弯刚度的定义与计算原理以及裂缝宽度与构件挠度的验算方法。3熟悉混凝土结构耐久性的意义、主要影响因素、混凝土的碳化、钢筋的锈蚀以及耐久性设计的一般概念。返回主目录后退END前进第九章 混凝土构件的裂缝和变形验算及耐久性9.1 概述9.2 裂缝宽度的验算9.3 受弯构件的刚度与变形验算9.4 耐久性要求例题返回主目录后退END前进9.1 概述一
2、、引言一、裂缝的分类与成因二、裂缝的危害三、对裂缝的控制措施四、构件的变形控制五、裂缝和挠度计算中材料强度及荷载取值六、耐久性的问题9.1 概述返回主目录后退END前进9.1 概述结构构件结构构件的可靠性的可靠性结构在预定的使用期间内,能承受结构在预定的使用期间内,能承受在正常施工、正常使用情况下可能在正常施工、正常使用情况下可能出现的各种作用以及在偶然作用发出现的各种作用以及在偶然作用发生时和发生后,应能保持整体稳定生时和发生后,应能保持整体稳定性。性。安全性安全性适用性适用性耐久性耐久性结构在正常使用期间,具有良好的结构在正常使用期间,具有良好的工作性能。如不发生影响正常使用工作性能。如不
3、发生影响正常使用的过大的变形和过大的裂缝宽度的过大的变形和过大的裂缝宽度结构在正常使用和正常维护条件下,结构在正常使用和正常维护条件下,结构的承载力和刚度不应随时间有结构的承载力和刚度不应随时间有过大的降低,而导致结构在其预定过大的降低,而导致结构在其预定使用期间内丧失安全性和适用性,使用期间内丧失安全性和适用性,降低使用寿命。降低使用寿命。返回上级目录返回主目录前进后退END9.1 概述返回主目录后退END前进一、裂缝的分类与成因 1.分类施工期间产生的裂缝和使施工期间产生的裂缝和使用期间产生的裂缝用期间产生的裂缝按按裂缝的产生时间裂缝的产生时间龟裂、横向裂缝(与构件龟裂、横向裂缝(与构件轴
4、线垂直)、纵向裂缝、轴线垂直)、纵向裂缝、斜裂缝、八字裂缝、斜裂缝、八字裂缝、X形交形交叉裂缝等叉裂缝等按按裂缝的产生原因裂缝的产生原因非荷载因素产生的裂缝和非荷载因素产生的裂缝和荷载因素产生的裂缝荷载因素产生的裂缝按按裂缝的形态裂缝的形态返回上级目录9.1 概述一、裂缝的分类与成因返回主目录后退END前进 2.成因1.混凝土收缩或温度变形受到约束混凝土收缩或温度变形受到约束2.施工措施不当施工措施不当3.基础不均匀沉降基础不均匀沉降4.钢筋锈蚀钢筋锈蚀引起裂缝的原因很多,主要有:引起裂缝的原因很多,主要有:非荷载因素非荷载因素荷载因素荷载因素5.荷载作用荷载作用返回上级目录9.1 概述一、裂
5、缝的分类与成因返回主目录后退END前进混凝土收缩或温度混凝土收缩或温度变形受到约束变形受到约束产生的裂缝产生的裂缝 混凝土收缩或温度变混凝土收缩或温度变化时,体积会发生变化,化时,体积会发生变化,若能自由变形则不会产生若能自由变形则不会产生裂缝;但若变形受到约束,裂缝;但若变形受到约束,则会在混凝土中产生拉应则会在混凝土中产生拉应力,从而引起裂缝。力,从而引起裂缝。大体积混凝土水化过程大体积混凝土水化过程中发热量很大,内部温度较中发热量很大,内部温度较高,混凝土体积膨胀,内外高,混凝土体积膨胀,内外温差很大,内部混凝土膨胀温差很大,内部混凝土膨胀受到外部已硬化混凝土的约受到外部已硬化混凝土的约
6、束,使构件表面混凝土受拉束,使构件表面混凝土受拉产生裂缝。对于杆件系统,产生裂缝。对于杆件系统,这种裂缝通常与构件纵向正这种裂缝通常与构件纵向正交。交。返回上级目录9.1 概述一、裂缝的分类与成因返回主目录后退END前进施工措施不当产生的裂缝施工措施不当产生的裂缝返回上级目录9.1 概述一、裂缝的分类与成因返回主目录后退END前进施工措施不当产生的裂缝施工措施不当产生的裂缝大风、高温使水分从混凝土表面快速蒸发引起的(龟裂)大风、高温使水分从混凝土表面快速蒸发引起的(龟裂)返回上级目录9.1 概述一、裂缝的分类与成因返回主目录后退END前进基础不均匀沉降产生的裂缝基础不均匀沉降产生的裂缝 基础不
7、均匀下基础不均匀下沉时会迫使墙体一沉时会迫使墙体一起变形,在主拉应起变形,在主拉应力作用下混凝土墙力作用下混凝土墙体也会开裂。体也会开裂。主拉应力主拉应力基基础础下下沉沉返回上级目录9.1 概述一、裂缝的分类与成因返回主目录后退END前进(b)水、水、O2、CO2侵入侵入(d)保护层劈裂保护层劈裂钢筋锈蚀后钢筋锈蚀后体积会膨胀体积会膨胀34倍倍!使混凝土保使混凝土保护层劈裂。护层劈裂。钢筋锈蚀产生的裂缝钢筋锈蚀产生的裂缝返回上级目录9.1 概述一、裂缝的分类与成因返回主目录后退END前进NsNsNsNsNsNse0e0TsT(a)(b)(c)(d)(e)荷载产生的裂缝荷载产生的裂缝目前,只有在
8、拉、弯状态下混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返回上级目录9.1 概述一、裂缝的分类与成因返回主目录后退END前进二、裂缝的危害v引起钢筋锈蚀,导致构件强度降低引起钢筋锈蚀,导致构件强度降低v外观给人不安全感外观给人不安全感v冰冻、风化影响耐久性冰冻、风化影响耐久性v影响使用功能(如:水池)影响使用功能(如:水池)返回上级目录9.1 概述二、裂缝的危害返回主目录后退END前进三、对裂缝的控制措施为防止温度应力过大引起的开裂,为防止温度应力过大引起的开裂,规定了最大伸缩规定了最大伸缩缝之间的间距。缝之间的间距。为防止由于钢筋周围砼过快的碳化失去对钢筋的保为防止由于
9、钢筋周围砼过快的碳化失去对钢筋的保护作用,出现锈胀引起的沿钢筋纵向的裂缝,护作用,出现锈胀引起的沿钢筋纵向的裂缝,规定了规定了钢筋的混凝土保护层的最小厚度钢筋的混凝土保护层的最小厚度。非 荷 载 引 起 的 裂 缝返回上级目录9.1 概述三、对裂缝的控制措施(80%)为防止混凝土干缩龟裂,加强施工阶段养护。为防止混凝土干缩龟裂,加强施工阶段养护。避免不均匀沉降。避免不均匀沉降。返回主目录后退END前进裂缝的控制等级严格要求不出现裂缝的构件一级一级二级二级三级三级一般要求不出现裂缝的构件允许出现裂缝的构件荷载引起的横向裂缝裂缝返回上级目录9.1 概述三、对裂缝的控制措施按荷载效应按荷载效应标准组
10、合标准组合进行验算进行验算时,构件受拉边缘时,构件受拉边缘混凝土不应混凝土不应产生拉应力产生拉应力按荷载效应按荷载效应标准组合标准组合验算时,构件受拉边验算时,构件受拉边缘混凝土缘混凝土拉应力不应大于轴心抗拉强度标拉应力不应大于轴心抗拉强度标准值准值 ft k;而按荷载效应;而按荷载效应准永久值组合准永久值组合验算验算时,构件受拉边缘时,构件受拉边缘混凝土不宜产生拉应力混凝土不宜产生拉应力按荷载效应按荷载效应标准组合并考虑荷载长期作用影响标准组合并考虑荷载长期作用影响验验算时,构件的最大裂缝宽度算时,构件的最大裂缝宽度W Wmax不应超过最大裂不应超过最大裂缝宽度限值缝宽度限值W Wlim,即
11、:即:W WmaxWWlim(20%)返回主目录后退END前进四、构件的变形控制变形控制的目的返回上级目录返回主目录后退END前进9.1 概述四、构件的变形控制1、保证结构的使用功能要求。保证结构的使用功能要求。结构构件产生过大的变形将影响甚结构构件产生过大的变形将影响甚至丧失其使用功能,如支承精密仪器设备的楼盖产生过大的挠度或震至丧失其使用功能,如支承精密仪器设备的楼盖产生过大的挠度或震动将降低仪器的精度;屋面结构挠度过大会造成积水,产生渗漏;吊动将降低仪器的精度;屋面结构挠度过大会造成积水,产生渗漏;吊车梁和桥梁的过大变形会妨碍吊车和车辆的正常运行;车梁和桥梁的过大变形会妨碍吊车和车辆的正
12、常运行;2、防止对结构构件产生不良影响。防止对结构构件产生不良影响。如支承在砖墙上的梁端产生如支承在砖墙上的梁端产生过大转角将使支承面积减小、反力偏心,引起墙体开裂;过大转角将使支承面积减小、反力偏心,引起墙体开裂;3、防止对非结构构件产生不良影响。防止对非结构构件产生不良影响。结构变形过大会使门窗等结构变形过大会使门窗等不能正常开关,甚至导致隔墙、天花板和饰面的开裂或损坏。不能正常开关,甚至导致隔墙、天花板和饰面的开裂或损坏。4、满足观瞻和使用者的满足观瞻和使用者的 心理要求。心理要求。构件变形过大,有碍观瞻,构件变形过大,有碍观瞻,还会引起使用者明显的不安感。还会引起使用者明显的不安感。返
13、回主目录后退END前进变形控制的要求主要介绍受弯构件:控制挠度。主要依据控制目标和工程经验确定,与结构类别有关。由不同的规范根据具体的情况确定。P371附表1.12计算确定返回上级目录9.1 概述四、构件的变形控制返回主目录后退END前进五、裂缝和挠度计算中材料强度及荷载取值1、荷载取值:荷载组合:荷载组合:标准组合 准永久组合2、材料强度取值取取标准值标准值用标准值作为代表值活荷载的活荷载的组合系数组合系数活荷载的准活荷载的准永久值系数永久值系数返回上级目录9.1 概述五、裂缝和挠度计算中材料强度及荷载取值裂缝和变形裂缝和变形验算验算属属正常使用极限状态正常使用极限状态(即:第二极限状态),
14、通常在(即:第二极限状态),通常在承载力计算后进行。其可靠度也相对较低一些,应采用荷载及强度的承载力计算后进行。其可靠度也相对较低一些,应采用荷载及强度的标准值标准值进行验算。进行验算。返回主目录后退END前进六、耐久性的控制耐久性概念设计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。耐久性设计主要是根据结构的环境类别、设计使用年限提出了为了满足耐久性要求的相应规定。返回上级目录9.1 概述六、耐久性的控制返回主目录后退END前进9.2 横向受力裂缝宽度的计算裂缝特性裂缝特性 由于混凝土的不均匀性、荷载的可变性以及截面尺寸偏差等因由于混凝土的不均匀
15、性、荷载的可变性以及截面尺寸偏差等因素的影响,裂缝的出现、分布和开展宽度具有很大的随机性。但它素的影响,裂缝的出现、分布和开展宽度具有很大的随机性。但它们又具有一定的规律,从平均意义上讲,裂缝间距和宽度具有以下们又具有一定的规律,从平均意义上讲,裂缝间距和宽度具有以下特性:特性:裂裂缝缝宽宽度度与与裂裂缝缝间间距距密密切切相相关关。裂裂缝缝间间距距大大裂裂缝缝宽宽度度也也大大。裂裂缝缝间间距距小小,裂裂缝缝宽宽度度也也小小。而而裂裂缝缝间间距距与与钢钢筋筋表表面面特特征征有有关关,变变形形钢钢筋筋裂裂缝缝密密而而窄窄,光光圆圆钢钢筋筋裂裂缝缝疏疏而而宽宽。在在钢钢筋筋面面积积相相同同的的情况下
16、,钢筋直径细根数多,则裂缝密而窄,反之裂缝疏而宽;情况下,钢筋直径细根数多,则裂缝密而窄,反之裂缝疏而宽;裂缝间距和宽度随受拉区混凝土有效面积增大而增大,随混凝土保护层厚度增大而增大;裂缝宽度随受拉钢筋用量增大而减小;裂缝宽度与荷载作用时间长短有关。返回上级目录9.2裂缝宽度的验算返回主目录后退END前进一、裂缝的出现、分布与发展二、横向受力裂缝宽度的计算理论三、裂缝宽度的实用计算方法四、影响裂缝宽度的主要因素及降低措施9.2 裂缝宽度的验算9.2裂缝宽度的验算返回主目录后退END前进在裂缝出现前在裂缝出现前,混凝土和钢筋的应变沿构件的长度基本,混凝土和钢筋的应变沿构件的长度基本上是均匀分布的
17、。上是均匀分布的。一、裂缝的出现、分布与发展=0返回上级目录一、裂缝的出现、分布与发展9.2裂缝宽度的验算返回主目录后退END前进当混凝土的拉应变达到极限拉应变时当混凝土的拉应变达到极限拉应变时,首先会在构件最薄弱截,首先会在构件最薄弱截面位置出现第一条(批)裂缝。面位置出现第一条(批)裂缝。裂缝出现瞬间裂缝出现瞬间,裂缝截面位置的混凝土退出受拉工作,应力为,裂缝截面位置的混凝土退出受拉工作,应力为零,而钢筋拉应力应力产生突增零,而钢筋拉应力应力产生突增DDs=ft/r r,配筋率越小,配筋率越小,DDs就就越大。越大。=0返回上级目录一、裂缝的出现、分布与发展9.2裂缝宽度的验算返回主目录后
18、退END前进由于钢筋与混凝土之间存在粘结由于钢筋与混凝土之间存在粘结,随着距裂缝截面距离的增,随着距裂缝截面距离的增加,混凝土中又重新建立起拉应力加,混凝土中又重新建立起拉应力 c,而钢筋的拉应力则随距而钢筋的拉应力则随距裂缝截面距离的增加而减小。裂缝截面距离的增加而减小。返回上级目录一、裂缝的出现、分布与发展9.2裂缝宽度的验算返回主目录后退END前进当距裂缝截面有足够的长度当距裂缝截面有足够的长度 l 时,混凝土拉应力时,混凝土拉应力 c增大到增大到ft,在新的薄弱位置,将出现新的裂缝。在新的薄弱位置,将出现新的裂缝。l 称为粘结力传递长度。称为粘结力传递长度。返回上级目录一、裂缝的出现、
19、分布与发展9.2裂缝宽度的验算返回主目录后退END前进如果两条裂缝的间距小于如果两条裂缝的间距小于2 l,则由于粘结应力传递长度不够,则由于粘结应力传递长度不够,混凝土拉应力不可能达到混凝土拉应力不可能达到ft,因此因此将不会出现新的裂缝将不会出现新的裂缝,裂缝,裂缝的间距最终将稳定在(的间距最终将稳定在(l 2 l)之间,之间,平均间距可取平均间距可取1.5 l。返回上级目录一、裂缝的出现、分布与发展9.2裂缝宽度的验算返回主目录后退END前进裂缝发展。裂缝发展。当荷载继续增加当荷载继续增加,钢筋与混凝土之间的粘结力降钢筋与混凝土之间的粘结力降低,低,ssss与与 smsm相差越小,砼回缩,
20、钢筋与混凝土之间产生较大相差越小,砼回缩,钢筋与混凝土之间产生较大滑移。在一定区段由钢筋与砼应变差的累积量,即形成了裂缝滑移。在一定区段由钢筋与砼应变差的累积量,即形成了裂缝宽度。宽度。返回上级目录一、裂缝的出现、分布与发展9.2裂缝宽度的验算返回主目录后退END前进二、裂缝宽度的计算理论1.1.粘结滑移理论粘结滑移理论2.2.无滑移理论无滑移理论3.3.粘结滑移与无滑移理论的综合粘结滑移与无滑移理论的综合返回上级目录二、裂缝宽度的计算理论9.2裂缝宽度的验算返回主目录后退END前进以轴心受拉为例以轴心受拉为例认为裂缝宽度是由认为裂缝宽度是由于钢筋与混凝土之间的粘于钢筋与混凝土之间的粘结破坏,
21、出现相对滑移,结破坏,出现相对滑移,引起裂缝处混凝土的回缩引起裂缝处混凝土的回缩引起的。开裂后,横贯截引起的。开裂后,横贯截面的裂缝宽度相同。面的裂缝宽度相同。*裂缝宽度裂缝宽度=裂缝间钢筋和混凝土之间的变形差值裂缝间钢筋和混凝土之间的变形差值lcr+cmlcrlcr+smlcrmm(a)返回上级目录1.粘结-滑移理论二、裂缝宽度的计算理论9.2裂缝宽度的验算返回主目录后退END前进裂缝的间距裂缝的间距llms(s)smc(c)cmAs粘结应力的传递长度裂缝数量裂缝数量增加至一增加至一定数量时定数量时不再增加,不再增加,但宽度不但宽度不断变化断变化返回上级目录1.粘结滑移理论二、裂缝宽度的计算
22、理论9.2裂缝宽度的验算返回主目录后退END前进m s(s)llsmc(c)cm裂缝的间距裂缝的间距返回上级目录1.粘结滑移理论二、裂缝宽度的计算理论9.2裂缝宽度的验算返回主目录后退END前进m s(s)llsmc(c)cm裂缝的平均间距返回上级目录1.粘结滑移理论裂缝的间距裂缝的间距二、裂缝宽度的计算理论9.2裂缝宽度的验算影响裂缝间距的因素影响裂缝间距的因素 钢筋直径、配筋率、混凝土与钢筋钢筋直径、配筋率、混凝土与钢筋之间的粘结强度之间的粘结强度返回主目录后退END前进bhbfbfbh0.5hhfhf为了和受弯构件相统一,为了和受弯构件相统一,定义:定义:有效配筋率有效配筋率有效受拉面积
23、于是,对轴拉和受弯构件,平均裂缝间距的公式可统一于是,对轴拉和受弯构件,平均裂缝间距的公式可统一写成:写成:返回上级目录1.粘结滑移理论裂缝的间距裂缝的间距二、裂缝宽度的计算理论9.2裂缝宽度的验算返回主目录后退END前进裂缝的宽度裂缝的宽度裂缝间混凝土自身伸长对裂缝间混凝土自身伸长对裂缝宽度的影响系数裂缝宽度的影响系数lm+cmlmlm+smlmmmcscmsmssc分布s分布(a)(c)(b)返回上级目录1.粘结滑移理论二、裂缝宽度的计算理论9.2裂缝宽度的验算返回主目录后退END前进设设 称为裂缝间钢筋应变不均匀系数,称为裂缝间钢筋应变不均匀系数,反映砼参与工作的程度反映砼参与工作的程度
24、则有则有裂缝处钢筋的应力lcr+cmlcrlcr+smlcrmmcscmsmssc分布s分布(a)(c)(b)返回上级目录1.1.粘结滑移理论粘结滑移理论裂缝的宽度裂缝的宽度二、裂缝宽度的计算理论9.2裂缝宽度的验算返回主目录后退END前进设设 称为裂缝间钢筋应力不均匀系数,称为裂缝间钢筋应力不均匀系数,反映砼参与工作的程度反映砼参与工作的程度则有则有裂缝处钢筋的应变裂缝处钢筋的应力返回上级目录1.1.粘结滑移理论粘结滑移理论裂缝的宽度裂缝的宽度存在的问题缺陷:存在的问题缺陷:1 1、裂缝处截面形状的假定与实际不符、裂缝处截面形状的假定与实际不符2 2、配筋率很大时,裂缝宽度不趋近于零、配筋率
25、很大时,裂缝宽度不趋近于零二、裂缝宽度的计算理论9.2裂缝宽度的验算返回主目录后退END前进2.无滑移理论认为混凝土开裂后,混凝土与钢筋之间认为混凝土开裂后,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测点距最近一根钢筋表面的距离c c直接直接相关。相关。通过试验得出:通过试验得出:C返回上级目录裂缝宽度与离钢裂缝宽度与离钢筋的距离成正比筋的距离成正比利用该理论,在钢筋应力较小时,保护层厚度在利用该理论,在钢筋应力较小时,保护层厚度在15mm80mm之间时,与试验结果吻合较好之间时,与试验结果吻合较好二、裂缝宽度的计算理论9.
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