第9章 钢筋混凝土构件的变形裂缝及混凝土结构的耐久性周勇.pptx
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1、概述概述v构件的挠度和裂缝宽度验算属于构件的挠度和裂缝宽度验算属于正常使用极限状态正常使用极限状态。1正常使用极限状态结构或结构构件达到正常使用的某项规定限值或耐久性能的某种规定状态。影响正常使用或外观的变形(影响非结构构件、不安全感、不能正常使用(吊车)等);影响正常使用或耐久性能的局部损坏(包括裂缝、漏水等);影响正常使用的振动;影响正常使用的其他特定状态。第1页/共56页混凝土结构构件变形和裂缝宽度验算属于正常使用极限状态的验算,与承载能力极限状态计算相比,正常使用极限状态验算具有以下两个特点:u 考虑到结构超过正常使用极限状态对生命财产的危害远比超过承载能力极限状态的要小,因此其目标可
2、靠指标值要小一些,故规范规定变形及裂缝宽度验算均采用荷载标准值或准永久值和材料强度的标准值。u 由于可变荷载作用时间的长短对变形和裂缝宽度的大小有影响,故验算变形和裂缝宽度时应按荷载效应的标准组合或准永久组合值并考虑荷载长期作用的影响进行。第2页/共56页2控制挠度的理由u 结构构件挠度过大会损害其使用功能;u 梁板挠度过大会使其支承的脆性非承重墙装修脱落,墙体严重开裂,甚至压碎;u 超过挠度限制会使用户感到不安;u 梁端转动过大会使局部支承面积和支承反力位置改变,并将会危及砖墙(柱)的稳定等,使得构件受力性质与原设计计算模型不符。第3页/共56页裂缝荷载引起的裂缝:荷载引起的裂缝:非荷载引起
3、的裂缝:非荷载引起的裂缝:由材料收缩、温度变化、钢筋锈蚀后体积增大、地基不均匀沉降等产生的裂缝。(约占80%)与构件的受力特征有关。(约占20%)3裂缝形成的原因分析 裂缝是工程结构中常见的一种作用效应,裂缝按其形成的原因可分为两大类:一类是由荷载作用引起的裂缝;另一类是由变形因素引起的裂缝。第4页/共56页n裂缝产生的原因(1)混凝土的抗抗拉强度比其抗压强度低得多,当钢筋混凝土构件受到弯矩、剪力、拉力和扭矩等荷载效应组合作用;(2)由于基础不均匀沉降,混凝土收缩和温度作用而产生的变形受到钢筋及其他构件约束时;(3)因钢筋锈蚀而体积膨胀时,以上3种情况使混凝土中产生拉应力,该拉应力超过混凝土抗
4、拉强度而开裂;(4)冻融和化学作用等也会导致混凝土开裂。第5页/共56页NkNkNkNkNkNke0e0Tk(a)(b)(c)(e)(d)TkMkMk(a)轴心受拉;(b)偏心受拉;(c)偏心受压;(d)受弯和受剪;(e)受扭。第6页/共56页通通常常,裂裂缝缝宽宽度度和和挠挠度度一一般般可可分分别别用用控控制制最最大大钢钢筋筋直直径径和和最最大大跨跨高高比比来来控控制制,只只有有在在构构件件截面尺寸小、钢筋应力大时进行验算。截面尺寸小、钢筋应力大时进行验算。为防止温度应力过大引起的开裂,规定了为防止温度应力过大引起的开裂,规定了伸缩缝之间的伸缩缝之间的最大间距最大间距。为防止由于钢筋周围混凝
5、土过快地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,规定了钢筋的混凝土保护层的最小厚度。非荷载引起的裂缝第7页/共56页3裂缝宽度控制的理由(1)外观要求,裂缝开展过宽有损结构外观,令人产生不安全感;(2)过大裂缝会使钢筋锈蚀,影响结构的耐久性。第8页/共56页4裂缝控制的等级划分控制指标:应力和裂缝宽度(1)一级严格要求不出现裂缝的构件,按荷载标准组合进行计算时,构件受拉边缘混凝土不应产生拉应力;(2)二级一般要求不现裂缝的构件,按荷载标准组合进行计算时,构件受拉边缘混凝土拉应力不应超过混凝土轴心抗拉强度标准值ftk;(3)三级钢筋混凝土构件的最大裂缝宽度可按荷载准永久组合并考
6、虑长期作用影响的效应计算,预应力混凝土构件的最大裂缝宽度可按荷载标准组合并考虑长期作用影响的效应计算;其计算值均不应超过允许值。第9页/共56页 一级和二级抗裂要求的构件,一般要采用预应力;而普通的钢筋混凝土构件抗裂要求为三级,工作阶段都是带裂缝的。当裂缝宽度较大时,一是会引起钢筋锈蚀,二是使结构刚度减少、变形增加,再使用从而影响结构的耐久性和正常使用,同时给人不安全感。因此,对允许出现裂缝的钢筋混凝土构件,裂缝宽度必须加以限制,要求使用阶段最大裂缝宽度小于允许裂缝宽度。而且,沿裂缝深度裂缝宽度不相等,要验算的裂缝宽度则是指受拉钢筋重心水平处构件侧表面上的混凝土的裂缝宽度。需要进行裂缝宽度验算
7、的构件包括:受弯构件、轴心受拉构件、偏心受拉构件、的偏心受压构件。第10页/共56页v 裂缝宽度和变形的验算表达式如下:SCS 结构构件按荷载效应的标准组合或准永久组合并考虑长期作用影响得到的裂缝宽度或变形值;C 结构构件达到正常使用要求的规定限值、裂缝宽度和变形限值。式中:5裂缝宽度和变形验算 由于变形因素引起的裂缝计算因素很多,不易准确把握,故此处裂缝宽度计算的裂缝主要是指荷载原因引起的裂缝。第11页/共56页荷载效应的标准组合为:荷载效应的准永久组合为:在进行荷载效应计算时,荷载组合有两种情况:第12页/共56页9.1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截面抗弯刚度的
8、概念及我国规范给出的定义材料力学中,匀质弹性材料梁的跨中挠度为 20EIMlSf=式中 S 与荷载类型和支承条件有关的系数;EI梁截面的抗弯刚度。由于是匀质弹性材料,所以当梁截面的尺寸确定后,其抗弯刚度即可确定且为常量,挠度f与M成线性关系。对钢筋混凝土构件,由于材料的非弹性性质和受拉区裂缝的开展,梁的抗弯刚度不是常数而是变化的。第13页/共56页Bs荷载效应标准组合或准永久组荷载效应标准组合或准永久组合下的受弯构件的短期刚度合下的受弯构件的短期刚度B按荷载效应标准组合或准永久组合按荷载效应标准组合或准永久组合并考虑荷载长期作用影响的抗弯刚并考虑荷载长期作用影响的抗弯刚度度B钢筋混凝土梁的挠度
9、钢筋混凝土梁的挠度计算计算对于对于简支梁承受均布荷载作用简支梁承受均布荷载作用时,用材料力学的时,用材料力学的公式,其跨中挠度:公式,其跨中挠度:第14页/共56页LanzhouUniversityofTechnology纵向受拉钢筋应变不均匀系数截面受弯刚度的计算公式1、截面的标准组合作用下受弯构件的短期刚度Bs短期刚度是指钢筋混凝土受弯构件在荷载准永久组合下的刚度值或预应力混凝土受弯构件在标准组合下的刚度值(以Nmm2计)。对矩形、T形、I I字形截面受弯构件,短期刚度的计算公式为(1)短期刚度Bs的概念 第15页/共56页当hf0.2h0时,取hf=0.2h0。钢筋的弹性模量Es和混凝土
10、的弹性模量Ec的比值;纵向受拉钢筋的配筋率,;式中:受压翼缘的加强系数;第16页/共56页LanzhouUniversityofTechnology 有效受拉混凝土面积。对受弯构件,近似取 钢筋应变不均匀系数,是裂缝之间钢筋的平均应变与裂缝截面钢筋应变之比,它反映了裂缝间受拉混凝土对纵向钢筋应变的影响程度。愈小,裂缝间混凝土协助钢筋抗拉作用愈强。该系数按下列公式计算 式中 以有效受拉混凝土截面面积计算、且考虑钢筋粘结性能差异后的有效纵向受拉钢筋的配筋率,。0.21.0第17页/共56页 按荷载短期效应组合计算的裂缝截面处纵向受拉钢筋的应力,根据使用阶段(阶段)的应力状态及受力特征计算:对受弯构
11、件式中:M 按荷载标准组合或准永久组合计算的弯矩值。第18页/共56页(2)短期刚度Bs的主要影响因素(1)钢筋和混凝土的强度级别;(2)纵筋的配筋率;(3)截面形状与尺寸;(4)构件所受荷载效应。第19页/共56页2、受弯构件的刚度B 长期刚度B是指考虑荷载长期效应组合时的刚度值。在荷载的长期作用下,由于受压区混凝土的徐变以及受拉区混凝土不断退出工作,即钢筋与混凝土间粘结滑移徐变、混凝土收缩,致使构件截面抗弯刚度降低,变形增大,故计算挠度时必须采用长期刚度B。规范建议采用荷载长期效应组合挠度增大的影响系数来考虑荷载长期效应对刚度的影响。长期刚度按下式计算:式中 Mq按荷载的准永久组合计算的弯
12、矩值。Mk按荷载的标准组合计算的弯矩值。第20页/共56页LanzhouUniversityofTechnology式中 分别为受拉及受压钢筋的配筋率。此处反映了在受压区配置受压钢筋对混凝土受压徐变和收缩起到一定约束作用,能够减少构件在长期荷载作用下的变形。上述适用于一般情况下的矩形、T形、工字形截面梁,值与温湿度有关,对干燥地区,值应酌情增加1525。对翼缘位于受拉区的T形截面,值应增加20。第21页/共56页影响截面受弯刚度B的主要因素 随荷载的增加而减少,即M越大,抗弯刚度越小;随配筋率的降低而减少。对于截面尺寸和材料都相同的适筋梁,小,变形大些,截面抗弯刚度小些;沿构件跨度,弯矩在变化
13、,截面刚度也在变化,即使在纯弯段刚度也不尽相同,裂缝截面处的小些,裂缝间截面的大些;随加载时间的增长而减小。构件在长期荷载作用下,变形会加大,在变形验算中,除了要考虑短期效应组合,还应考虑荷载的长期效应的影响,故有短期刚度B Bs和长期刚度B B;在常用配筋率=1%2%的情况下,提高混凝土强度等级对提高截面抗弯刚度的作用不明显;当配筋率和材料给定时,增大截面高度对截面抗弯刚度的提高作用明显。第22页/共56页最小刚度原则与挠度验算1、最小刚度原则BlminBBminMBminMlmaxBAgk+qk(a)(b)-+gk+qkBminBmin(a)(b)第23页/共56页v受弯构件在正常使用状态
14、下,沿长度方向的刚度是变化的。v 为了简化计算,规范在挠度计算时采用了“最小刚度原则”,即:在同号弯矩区段采用最大弯矩处的截面抗弯刚度(即最小刚度)作为该区段的抗弯刚度,对不同号的弯矩区段,分别取最大正弯矩和最大负弯矩截面的刚度作为正负弯矩区段的刚度。v 理论上讲,按Bmin计算会使挠度值偏大,但实际情况并不是这样。因为在剪跨区段还存在着剪切变形,甚至出现斜裂缝,它们都会使梁的挠度增大,而这是在计算中没有考虑到的,这两方面的影响大致可以相互抵消,亦即在梁的挠度计算中除了弯曲变形的影响外,还包含了剪切变形的影响。第24页/共56页 因此,对受弯构件在使用阶段产生的最大变形值f必须加以限制,即 f
15、 f 其中 f 为挠度变形限值。2、变形验算目的与要求 其主要从以下几个方面考虑:1)1)保证结构的使用功能要求;保证结构的使用功能要求;2)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;3)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;4)4)保证使用者的感觉在可接受的程度之内。保证使用者的感觉在可接受的程度之内。受弯构件变形验算目的主要是用以满足适用性。第25页/共56页LanzhouUniversityofTechnology3、受弯构件变形验算的步骤 计算荷载短期效应组合值Mk和荷载长期效应组合值Mq:计算长期刚度B:(采用荷载标准组合或准永久组合)计算
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