混凝土结构设计原理 教学 周新刚 等钢筋混凝土正常使用极限状态验算与耐久性设计.pptx

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1、章节要点章节要点第十章 正常使用极限状态验算及耐久性设计 本章主要讲述正常使用极限状态的验算和耐久性。主要内容包括正常使用极限状态验算与耐久性设计的目的、基本要求与方法。正常使用极限状态验算有两个主要内容，一是受弯构件的变形验算，二是构件的裂缝验算；耐久性设计主要包括混凝土耐久性的概念、环境分类、主要耐久性措施及基本规定等。第1页/共46页本章内容本章内容第十章 正常使用极限状态验算及耐久性设计 10-1 概述 10-2 受弯构件的变形计算 10-3 正截面裂缝宽度验算 10-4 混凝土结构的耐久性第2页/共46页10-1 概述概述第十章 正常使用极限状态验算及耐久性设计 混凝土结构构件承载力

2、的计算原理和设计方法 混凝土结构构件的变形与裂缝计算原理以及耐久性要求 安全可靠 适用耐久 2010版版规范规范新增了楼板振动控制的要求，新增了楼板振动控制的要求，以保证建筑使用的舒适度。以保证建筑使用的舒适度。结构的耐久性结构的耐久性是指结构在预定的使用期间内不需要大修或加固而仍能满足其预定安全性和适用性要求的能力。第3页/共46页10-1 概述概述第十章 正常使用极限状态验算及耐久性设计 正常使用正常使用极限状态极限状态 可逆可逆当产生超过这一状态的荷载卸除后，结构构件仍能恢复到正常的状态。当产生超过这一状态的荷载卸除后，结构构件不能恢复到正常的状态。一般情况下，可逆的程度介于可逆与不可逆

3、之间，其可靠指标为01.5。可逆的程度越高，结构构件所受的荷载越小，可靠指标就越小，反之越大。不可逆不可逆第4页/共46页 对于正常使用极限状态，结构构件应分别按荷载的准永久组合、标准组合、准永久组合并考虑长期作用的影响或标准组合并考虑长期作用的影响。10-1 概述概述第十章 正常使用极限状态验算及耐久性设计 标准组合不可逆正常使用极限状态设计可逆正常使用极限状态设计长期效应是决定性因素的正常使用极限状态设计频遇组合 准永久组合第5页/共46页第十章 正常使用极限状态验算及耐久性设计 10-2 受弯构件的变形计算受弯构件的变形计算受弯构件应有足够的刚度受弯构件应有足够的刚度 正常使用极限状态的

4、计算挠度值挠度变形限值 受压构件受压构件：不需要对其变形进行计算。在侧向力的作用下，需要限制其层间的弹性位移 受弯构件受弯构件(均质的、处于弹性状态均质的、处于弹性状态)：挠度：挠度 挠度系数，与支承条件、荷载类型及分布有关；第6页/共46页截面刚度截面刚度图10-1 受弯构件的关系 混凝土构件 10-2 受弯构件的变形计算受弯构件的变形计算第十章 正常使用极限状态验算及耐久性设计 第7页/共46页 对于要求不出现裂缝的构件，抗弯刚度近似为0.85EcI0对于允许出现裂缝的构件，0.5 0.7 区段内，任一点与坐标原点o连线的割线斜率。考虑长期荷载作用对变形的影响，截面的刚度与裂缝有关，而裂缝

5、与弯矩有关。受弯构件的刚度分布受弯构件的刚度分布 10-2 受弯构件的变形计算受弯构件的变形计算第十章 正常使用极限状态验算及耐久性设计 第8页/共46页截面短期刚度截面短期刚度 1.刚度公式的建立刚度公式的建立 10-2 受弯构件的变形计算受弯构件的变形计算第十章 正常使用极限状态验算及耐久性设计 图10-3 受弯构件钢筋与混凝土的应变分布平均曲率平均曲率-钢筋的平均应变；-混凝土的平均应变。短期刚度短期刚度第9页/共46页裂缝处钢筋与混凝土的应变为：裂缝处钢筋与混凝土的应变为：引入钢筋和混凝土的应变沿构件长度方向分布的不均匀系数 ，则平均应变：平均应变：和10-2 受弯构件的变形计算受弯构

6、件的变形计算第十章 正常使用极限状态验算及耐久性设计 第10页/共46页得到钢筋混凝土受弯构件的短期刚度为：短期刚度为：图10-4 正常使用状态的截面应力图 根据截面平衡条件得：10-2 受弯构件的变形计算受弯构件的变形计算第十章 正常使用极限状态验算及耐久性设计 第11页/共46页由此得裂缝截面处钢筋和混凝土压区边缘的应力为：由此得裂缝截面处钢筋和混凝土压区边缘的应力为：则 简化为 10-2 受弯构件的变形计算受弯构件的变形计算第十章 正常使用极限状态验算及耐久性设计 受压区边缘混凝土平均应变综合系数第12页/共46页对于T型和I型截面，截面应力分布见下图：图10-4 T形截面的截面应力图

7、10-2 受弯构件的变形计算受弯构件的变形计算第十章 正常使用极限状态验算及耐久性设计 第13页/共46页影响短期刚度影响短期刚度Bs的因素：的因素：弯矩增大，刚度减小；配筋率增大，刚度略有增大；有受拉和受压翼缘，刚度略有增大；在12%配筋率的情况下，提高混凝土强度等级对提高刚度的影响不大；当配筋率和材料给定时，提高截面高度对提高截面刚度影响显著。10-2 受弯构件的变形计算受弯构件的变形计算第十章 正常使用极限状态验算及耐久性设计 第14页/共46页2）在 的情况下，弯矩对混凝土受压区平均应变综合系数 影响较小，配筋率与受压区的形状对 的影响较大，其变化规律见图10-6。2.参数参数的确定的

8、确定1）开裂截面的内力臂系数对于常用情况，平均值为0.87。规范为简化计算，取10-2 受弯构件的变形计算受弯构件的变形计算第十章 正常使用极限状态验算及耐久性设计 第15页/共46页10-2 受弯构件的变形计算受弯构件的变形计算第十章 正常使用极限状态验算及耐久性设计 图10-6 混凝土压区平均应变综合系数第16页/共46页根据实验结果回归分析得到的计算公式为：根据实验结果回归分析得到的计算公式为：3）钢筋应变不均匀系数应变不均匀系数与弯矩的比值成线性关系，见图10-7：反映的是裂缝间混凝土协助钢筋抗拉作用的程度 10-2 受弯构件的变形计算受弯构件的变形计算第十章 正常使用极限状态验算及耐

9、久性设计 第17页/共46页当 时，取图10-7 弯矩与应力不均匀系数的关系时，取；当 时，取 对直接承受重复荷载的构件，取10-2 受弯构件的变形计算受弯构件的变形计算第十章 正常使用极限状态验算及耐久性设计 第18页/共46页长期荷载作用下的刚度长期荷载作用下的刚度10-2 受弯构件的变形计算受弯构件的变形计算第十章 正常使用极限状态验算及耐久性设计 在长期荷载作用下，由于受到受压徐变、钢筋与混凝土粘结滑移徐变等的影响，钢筋混凝土构件的刚度会逐渐减小，变形逐渐增大。标准组合作用下的长期挠度长期挠度：可推导钢筋混凝土受弯构件长期挠度的计算公式：计算公式：标准组合 准永久组合 第19页/共46

10、页长期荷载作用刚度降低的原因长期荷载作用刚度降低的原因:受压混凝土徐变；受拉混凝土的应力松弛；混凝土和钢筋的徐变滑移；钢筋平均应变增大；受拉混凝土退出工作；受压混凝土塑性发展；曲率增大、刚度减低、挠度增大。第十章 正常使用极限状态验算及耐久性设计 10-2 受弯构件的变形计算受弯构件的变形计算第20页/共46页受弯构件挠度变形的计算受弯构件挠度变形的计算10-2 受弯构件的变形计算受弯构件的变形计算第十章 正常使用极限状态验算及耐久性设计 最小刚度原则最小刚度原则 规范规范规定按最大弯矩计算的最小刚度计算挠度。规定按最大弯矩计算的最小刚度计算挠度。弯矩越大，刚度越小，最大弯矩处的刚度实际上是受

11、弯构件的最小刚度。按这个刚度计算挠度其计算值会比理论值偏大。但靠近支座处的曲率误差对梁的挠度的影响较小，靠近支座的区域还存在剪切变形、甚至裂缝，而剪切变形和裂缝在刚度计算中并没有考虑。综合考虑上述两方面的因素，按最小刚度计算带来的误差比较小。第21页/共46页10-3 正截面裂缝宽度验算正截面裂缝宽度验算第十章 正常使用极限状态验算及耐久性设计 裂缝结构裂缝非结构裂缝：垂直裂缝：斜裂缝：主要由受弯、受拉或偏心受力产生。主要由受剪和受扭产生，属于脆性破坏脆性破坏。一般指由于收缩收缩、温度变形温度变形、结结构不均匀沉降构不均匀沉降、钢筋锈蚀钢筋锈蚀等间接作用引起。混凝土结构正截面裂缝宽度与裂缝的开

12、展机理及裂缝处混凝土的开裂变形有关，其主要影响因素是混凝土与钢筋之间的粘结应力。第22页/共46页裂缝的出现、分布和开展过程裂缝的出现、分布和开展过程10-3 正截面裂缝宽度验算正截面裂缝宽度验算第十章 正常使用极限状态验算及耐久性设计(a)裂缝即将出现图10-9 裂缝的出现、分布与相应的应力分布(b)第一批裂缝出现(c)裂缝的分布及开展 第23页/共46页第十章 正常使用极限状态验算及耐久性设计 10-3 正截面裂缝宽度验算正截面裂缝宽度验算图10-10(b)有滑移 图10-10(a)无滑移 构件表面的裂缝宽度主要由钢筋表面的回缩形成。裂缝宽度主要取决于裂缝间距，而裂缝间距可以根据上述的裂缝

13、开展过程分析求出。第24页/共46页第十章 正常使用极限状态验算及耐久性设计 10-3 正截面裂缝宽度验算正截面裂缝宽度验算裂缝宽度计算原理与方法裂缝宽度计算原理与方法 平均裂缝间距平均裂缝间距 图10-11受弯构件即将出现第二条裂缝时钢筋、混凝土及其粘结应力 基本原理：基本原理：首先确定平均裂缝间距和平均裂缝宽度，然后对平均裂缝宽度乘以扩大系数，确定最大裂缝宽度。第25页/共46页10-3 正截面裂缝宽度验算正截面裂缝宽度验算第十章 正常使用极限状态验算及耐久性设计 钢筋与混凝土之间粘结应力的最大值；钢筋与混凝土之间粘结应力系数；有效受拉混凝土截面面积。内力臂系数；混凝土承担的钢筋承担的 第

14、26页/共46页第十章 正常使用极限状态验算及耐久性设计 10-3 正截面裂缝宽度验算正截面裂缝宽度验算 混凝土和钢筋之间的粘结强度大约与混凝土的抗拉强度成正比，因此，可将 取为常数。考虑混凝土保护层厚度的影响考虑混凝土保护层厚度的影响 最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区底边的距离(mm)；纵向受拉钢筋相对粘结特征系数；经验系数（常数）。第27页/共46页第十章 正常使用极限状态验算及耐久性设计 10-3 正截面裂缝宽度验算正截面裂缝宽度验算 根据试验资料的分析并参考以往的工程经验，的计算公式计算公式为：受拉区纵向钢筋的等效直径（mm），当受拉区纵向钢筋为一种直径时 ；系数，对轴心受拉取1.1，

15、其它取1.0；受拉区第i种纵向钢筋的公称直径(mm)；受拉区第i种纵向钢筋的相对粘结特征系数；受拉区第i种纵向钢筋的根数；第28页/共46页第十章 正常使用极限状态验算及耐久性设计 平均裂缝宽度平均裂缝宽度 10-3 正截面裂缝宽度验算正截面裂缝宽度验算构件受力特征系数；图10-13 受弯构件开裂后的裂缝宽度规范规范对受弯、偏心受压构件统一取对受弯、偏心受压构件统一取 ，其它情况取其它情况取0.85。第29页/共46页第十章 正常使用极限状态验算及耐久性设计 10-3 正截面裂缝宽度验算正截面裂缝宽度验算 最大裂缝宽度最大裂缝宽度 最大裂缝宽度与平均裂缝宽度的关系：最大裂缝宽度公式：最大裂缝宽

16、度公式：荷载长期作用的裂缝增大系数，取值为1.5，短期荷载作用的具有95%保证率的裂缝扩大系数，对于受弯和偏心受压为1.66；对于偏心受拉和轴心受拉为1.9。第30页/共46页第十章 正常使用极限状态验算及耐久性设计 裂缝宽度验算裂缝宽度验算10-3 正截面裂缝宽度验算正截面裂缝宽度验算环境类别钢筋混凝土结构预应力混凝土结构裂缝控制等级wlim裂缝控制等级wlim一三级0.30（0.40）三级0.20二a0.200.10二b二级三a、三b一级表10-3 混凝土构件的裂缝宽度限制第31页/共46页第十章 正常使用极限状态验算及耐久性设计 影响荷载裂缝宽度的因素及控制荷载裂缝的措施影响荷载裂缝宽度

17、的因素及控制荷载裂缝的措施10-3 正截面裂缝宽度验算正截面裂缝宽度验算影响荷载裂缝宽度的因素钢筋应力钢筋应力 钢筋的直径 保护层厚度 配筋率 钢筋的外形 不宜采用高强度钢筋 采用带肋钢筋 选用较细直径的钢筋 选用合适的保护层厚度配置钢筋网片 采取的措施第32页/共46页 第十章 正常使用极限状态验算及耐久性设计 10-4 混凝土结构的耐久性混凝土结构的耐久性概述概述 结构的耐久性结构的耐久性指结构及其构件在可能引起材料性能劣化的各种作用下能够长期维持其原有性能的能力。材料劣化材料劣化 钢筋的腐蚀钢筋的腐蚀混凝土的腐蚀与损伤混凝土的腐蚀与损伤 混凝土的碳化或中性化氯离子的侵蚀 冻融循环干湿交替

18、碱骨料反应硫酸盐的侵蚀第33页/共46页 混凝土结构中钢筋腐蚀的条件钢筋腐蚀的条件是：有害介质能穿过混凝土保护层达到钢筋表面，而且能破坏钢筋周围的钝化膜。10-4 混凝土结构的耐久性混凝土结构的耐久性第十章 正常使用极限状态验算及耐久性设计 钢筋的腐蚀钢筋的腐蚀 混凝土中钢筋被腐蚀的充分条件充分条件是钢筋周围的钝化膜被破坏，能使钢筋发生锈蚀反应 钝化膜是如何被破坏的？钝化膜是如何被破坏的？第34页/共46页1 1）混凝土的中性化和碳化）混凝土的中性化和碳化图10-14 混凝土碳化示意图 能与混凝土中碱性物质发生反应，使混凝土的碱性降低的过程，称为混凝土的中性化混凝土的中性化。混凝土碳化混凝土碳

19、化是大气中的CO2向混凝土内扩散，与混凝土中的Ca(OH)2发生反应生成CaCO3的过程。第十章 正常使用极限状态验算及耐久性设计 主要化学反应为：主要化学反应为：10-4 混凝土结构的耐久性混凝土结构的耐久性第35页/共46页第十章 正常使用极限状态验算及耐久性设计 10-4 混凝土结构的耐久性混凝土结构的耐久性2 2）氯离子侵蚀）氯离子侵蚀图 10-16 氯离子引起钢筋腐蚀原理图形成腐蚀电池破坏钝化膜 去极化加速腐蚀氯离子的副作用氯离子的副作用第36页/共46页10-4 混凝土结构的耐久性混凝土结构的耐久性第十章 正常使用极限状态验算及耐久性设计 3 3）混凝土结构中钢筋腐蚀的危害钢筋腐蚀

20、的危害）混凝土结构中钢筋腐蚀的危害钢筋腐蚀的危害 a)梁底钢筋腐蚀面层脱落 b)混凝土桁架钢筋腐蚀开裂 混凝土表面开裂或保护层脱落，加速腐蚀；降低混凝土结构构件的承载能力；极大地降低钢筋和混凝土之间的粘结性能。第37页/共46页10-4 混凝土结构的耐久性混凝土结构的耐久性第十章 正常使用极限状态验算及耐久性设计 混凝土的冻融破坏混凝土的冻融破坏 混凝土结构存在一定量的水，当温度降低时，水就会结冰膨胀，在混凝土内部产生拉应力，引起混凝土内部损伤，这种损伤称为混凝土的冻融破坏混凝土的冻融破坏。a)渗水情况 b)芯样情况第38页/共46页10-4 混凝土结构的耐久性混凝土结构的耐久性第十章 正常使

21、用极限状态验算及耐久性设计 碱骨料反应碱骨料反应 混凝土中的碱（Na+和K+）与砂、石骨料中某些含有活性硅成份起的反应，称为碱骨料反应碱骨料反应。图10-19 碱骨料反应原理图 第39页/共46页10-4 混凝土结构的耐久性混凝土结构的耐久性第十章 正常使用极限状态验算及耐久性设计 盐类腐蚀盐类腐蚀 盐结晶和冻融破坏盐结晶和冻融破坏 硫酸盐腐蚀破坏硫酸盐腐蚀破坏 第40页/共46页混凝土结构耐久性设计混凝土结构耐久性设计10-4 混凝土结构的耐久性混凝土结构的耐久性第十章 正常使用极限状态验算及耐久性设计 1.1.宏观控制的经验方法宏观控制的经验方法宏观控制的经验方法主要包括以下内容：1）确定

22、结构的环境类别及作用等级（简称环境等级）；2）提出材料的耐久性质量要求；3）确定构件中钢筋的混凝土保护层厚度；4）在不利的环境条件下应采取的防护措施；5）满足耐久性要求相应的施工措施；6）提出结构使用阶段的维护与检测要求。2.2.劣化模型计算方法劣化模型计算方法第41页/共46页混凝土结构质量控制概述混凝土结构质量控制概述10-4 混凝土结构的耐久性混凝土结构的耐久性第十章 正常使用极限状态验算及耐久性设计 选择质地均匀坚固、粒形和级配良好、吸水率低、孔隙率小的骨料。一般不能使用亚硝酸钠类阻锈剂。施工和养护。水泥及矿物掺和料骨料要求外加剂施工技术要求及措施选择品质稳定的硅酸盐水泥、普通硅酸盐水

23、泥或矿渣硅酸盐水泥。质质量量控控制制第42页/共46页混凝土耐久性质量检验混凝土耐久性质量检验10-4 混凝土结构的耐久性混凝土结构的耐久性第十章 正常使用极限状态验算及耐久性设计 主要内容：主要内容：混凝土保护层厚度检验；混凝土强度的现场检测；对于处于严重环境作用下的重要工程或构件，宜测定其表层混凝土的抗渗性；对于引气混凝土，测定新拌混凝土的含气量以及硬化后混凝土的含气量、气泡间距系数与抗冻耐久性指数DF值；对于氯盐环境下重要工程混凝土，测定混凝土的氯离子扩散系数。第43页/共46页本章小结本章小结第十章 正常使用极限状态验算及耐久性设计 结构应满足的功能要求有安全性、适用性与耐久性。承载能

24、力计算主要解决安全性的问题，正常使用阶段的变形与裂缝验算主要解决适用性的问题。在裂缝宽度计算中引入荷载长期效应裂缝扩大系数；在挠度计算中引入短期刚度和长期刚度的概念。提高构件截面刚度的有效措施是增加截面高度；减小裂缝的有效措施是增加用钢量和采用直径较细的钢筋。第44页/共46页 在设计中常用控制跨高比来满足变形要求；用控制钢筋的应力和直径来满足裂缝宽度的要求。混凝土结构耐久性是决定结构能否长期使用的关键。影响混凝土结构耐久性的因素主要有内因和外因。所谓内因就是混凝土本身的化学物理特性，所谓外因就是外部环境条件。施工质量控制对混凝土结构的耐久性十分重要，要提高耐久性，应科学地选择与确定混凝土组成材料、配合比，制定详细的施工质量控制措施。本章小结本章小结第十章 正常使用极限状态验算及耐久性设计 第45页/共46页感谢您的观看。第46页/共46页