钢筋混凝土正常使用极限状态验算ppt培训课件

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1、第8章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算,安全性,适用性,耐久性,结构的功能要求：,结构的极限状态：,承载能力极限状态,正常使用极限状态,第 3 4 5 6 7 章,第 8 章,结构构件达到影响正常使用或耐久性能的某项规定限值，超过该极限状态，结构就不满足预定的适用性或耐久性要求。,正常使用极限状态：,正常使用极限状态验算可能成为设计中控制情况。 一般只对持久状况进行验算。,正常使用极限状态验算的可靠度要求较低，一般要求 = 1.0 2.0。材料强度和荷载采用标准值。水口规范中，还不考虑结构重要性系数。,正常使用极限状态的验算内容：,1、正常使用的抗裂验算或裂缝宽度验算,2、正常使用的挠度验

2、算,钢筋混凝土结构构件一般都是首先进行承载力计算以确定构件的截面尺寸与配筋。因此变形、裂缝等正常使用极限状态的计算内容属于验算性质。,如何同时保证承载能力极限状态与正常使用极限状态？,影响外观，产生不安全感 缩短混凝土碳化到达钢筋的时间，钢筋提早锈蚀 侵蚀环境中，加速钢筋锈蚀 水头较大时，产生水力劈裂现象,一般混凝土结构都是带裂缝工作的，裂缝对混凝土结构有以下不利影响：,裂缝控制等级,一、轴心受拉构件,钢筋与混凝土变形协调，即将开裂时，c=ft ；s=sEs = tuEs =Es ft / Ec = E ft,为满足目标可靠指标要求，引进拉应力限制系数ct， ft 改用ftk :,靠增加钢筋提

3、高抗裂能力是不经济，不合理的。,Nk 由荷载标准值计算的轴向力；ftk 砼轴心抗拉强度标准值；ct砼拉应力限制系数，ct=0.85；A0 换算截面面积，A0=Ac + EAs， E 钢筋和砼的弹性模量比，E= Es /Ec；As为钢筋截面面积；Ac为砼截面面积。,二、受弯构件,受弯构件正截面即将开裂时，应力处于第I阶段末（Ia）。 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Mcr。,更方便的是在保持Mcr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。 受拉边缘应力为mft 。m为截面抵抗矩的塑性系数。 换算后可直接用弹性体的材料力学公式

4、进行计算。,A0=Ac + E As + E As ,把钢筋换算为同位置的砼截面面积E As和E As：,W0换算截面A0对受拉边缘的弹性抵抗矩；y0换算截面重心轴至受压边缘的距离；I0换算截面对其重心轴的惯性矩。,为满足目标可靠指标的要求，引用拉应力限制系数ct ， 荷载和材料强度均取用标准值。,m是受拉区为梯形的应力图形，按抗裂弯矩相等的原则，折算成直线应力图形时，相应受拉边缘应力比值。 m值与截面形状有关； m值与假定的受拉区应力图形有关；各种截面的m值见附录5表4。 m值还与截面高度h, m值随h值的增大而减小。 乘以考虑截面高度影响的修正系数 ，其值不大于1.1。h以mm计，当h30

5、00mm，取h=3000mm。,三、偏心受拉构件,把钢筋换算为砼截面面积，将应力折换成直线分布，引入偏拉，采用迭加原理，用材料力学公式进行计算 ：,偏拉为偏心受拉构件的截面抵抗矩塑性系数。,轴拉构件应变梯度为零，轴拉1 随应变梯度加大，塑性影响系数加大。,近似：偏拉随平均拉应力=Nk/A0的大小，按线性规律在1与m之间变化： =0时（受弯）,偏拉m; =ctftk时（轴拉）,偏拉1,偏心受拉构件抗裂验算公式：,e0轴向拉力的偏心距；,四、偏心受压构件,偏压大于m，为简化计算并偏于安全取偏压m：,8.2 裂缝开展宽度验算,一、裂缝的成因和对策,砼结构中存在拉应力是产生裂缝的必要条件。 当混凝土拉

6、应变达到极限拉应变etu 时出现裂缝。 裂缝分荷载和非荷载因素引起的两类 。 非荷载因素如温度变化、砼收缩、基础不均匀沉降、塑性坍落、冰冻、钢筋锈蚀及碱一骨料化学反应等都能引起裂缝。 水工钢筋砼结构中，大部分裂缝由非荷载因素引起。,1、由荷载引起的裂缝,裂缝宽度计算限于由弯矩、轴心拉力、偏心拉(压)力等引起的垂直裂缝（正截面裂缝）。 剪力或扭矩引起的斜裂缝计算没有在规范中反映。对策：合理配筋，控制钢筋应力不过高，钢筋直径不过粗。,2、由非荷载因素引起的裂缝,温度变化,混凝土收缩,基础不均匀沉降,冰冻,钢筋锈蚀,.,1）温度变化引起的裂缝温度变化产生变形即热胀冷缩。变形受到约束，就产生裂缝。 对

7、策：设伸缩缝，减小约束，允许自由变形。 大体积砼，内部温度大，外周温度低，内外温差大，引起温度裂缝。 减小温度差：分层分块浇筑，采用低热水泥，埋置块石，预冷骨料，预埋冷却水管等。,2）砼收缩引起的裂缝 砼在空气中结硬产生收缩变形，产生收缩裂缝。对策：设伸缩缝，降低水灰比，配筋率不过高，设置构造钢筋使收缩裂缝分布均匀，加强潮湿养护。,3）基础不均匀沉降引起的裂缝 对策：构造措施及设沉降缝等。 4）砼塑性坍落引起的裂缝 对策：控制水灰比，采用适量减水剂，不漏振，不过振，避免泌水现象，在砼终凝前抹面压光。,5）冰冻引起的裂缝 水在结冰时体积增加，孔道中水结冰会使砼胀裂。 6）钢筋锈蚀引起的裂缝 钢筋

8、锈蚀是电化学反应，钢筋生锈体积膨胀，产生顺筋裂缝，导致砼保护层剥落，影响结构耐久性。 对策：提高砼密实度和抗渗性，适当加大保护层厚度。,7）碱-骨料化学反应引起的裂缝 砼孔隙中水泥的碱性溶液与活性骨料(含活性SiO2)化学反应生成碱-硅酸凝胶，遇水膨胀，使砼胀裂。 对策：选择低含碱量的水泥，限制活性骨料含量，高砼的密实度和采用较低的水灰比。,二、裂缝宽度计算理论概述,2、半经验半理论公式,1、数理统计公式,通过对大量试验资料的分析，选出影响裂缝宽度的主要参数，进行数理统计后得出。,为我国规范采用，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。理论又可分为三类：,粘结滑移理论 无滑

9、移理论 综合理论,粘结滑移理论裂缝开展是由于钢筋和砼之间不再保持变形协调而出现 相对滑移造成的。 在一个裂缝区段(裂缝间距lcr)内，钢筋与砼伸长之差是裂缝开展宽度，lcr越大，越大。,砼表面的裂缝宽度与内部钢筋表面处是一样的。 钢筋和混凝土之间出现粘结滑移。,无粘结滑移理论 假定裂缝开展后，砼截面在局部范围内不再保持为平面，钢筋与砼之间的粘结力不破坏，相对滑移忽略不计 表面裂缝宽度是受从钢筋到构件表面 的应变梯度控制的，与保护层厚度c 大小有关。综合理论建立在前两种理论基础上，既考虑保护层厚度c的影响，也考虑钢筋可能出现的滑移。,三、裂缝开展机理及计算理论,荷载很小时，未出现裂缝，在纯弯段各

10、个截面的拉应力大致相同。当达到混凝土的抗拉强度时，达到将裂未裂的状态。第一阶段末。,在混凝土最薄弱截面处出现第一批裂缝。（一条或几条）。钢筋应力和应变有突变，混凝土回缩，所以裂缝一旦出现就会有一定的宽度。,a,1、裂缝出现前后的应力状态,a,b,ct,s,lcr,两者之间有相对滑移，直到共同变形。通过粘结应力的作用,混凝土又逐渐承受拉力。拉力从零到最大。一定距离后，两者应力恢复到开裂前的状态。,一定距离后，混凝土拉应力又达到最大，又可能产生新的裂缝。,裂缝出现后，沿构件长度方向，钢筋与砼的应力随裂缝位置变化，中和轴随裂缝位置呈波浪形起伏。,由于砼质量不均，裂缝间距有疏有密。最大间距可为平均间距

11、的1.32倍。裂缝出现有先有后，荷载超过开裂荷载50以上时，裂缝间距才趋于稳定。裂缝开展宽度有大有小，实际设计应考虑最大裂缝宽度。,平均裂缝宽度m,乘以扩大系数,最大裂缝宽度max,2、平均裂缝宽度m,把问题理想化，裂缝是等间距的，同时发生的。 荷载增加只加大裂缝宽度，不产生新的裂缝。 各条裂缝宽度，在同一荷载下相等。,2、平均裂缝宽度m,钢筋重心处裂缝宽度wm等于两条相邻裂缝之间钢筋与砼伸长之差：,sm、cm 分别为裂缝间钢筋及砼的平均应变； lcr 裂缝间距。,砼的拉伸变形极小，略去不计：,裂缝截面钢筋应变s最大，非裂缝截面钢筋应变减小，钢筋的平均应变sm比裂缝截面钢筋应变s小。 用受拉钢

12、筋应变不均匀系数表示裂缝间因砼承受拉力对钢筋应变的影响， =sm/s。,裂缝宽度主要取决于裂缝截面钢筋应力s、裂缝间距lcr和纵向受拉钢筋应变不均匀系数 。,对轴拉构件：,（2） lcr 值,mlcr范围内纵向受拉钢筋与砼的平均粘结应力；u纵向受拉钢筋截面总周长，u=nd，n和d为钢筋的根数和直径。,脱离体两端拉力差由粘结力平衡：,Ate有效受拉砼截面面积,（1） s值,粘结滑移理论推求出的 lcr与钢筋直径d及有效配筋率teAsAte有关。 无滑移理论认为保护层厚度c是影响构件表面裂缝宽度的主要因素。 综合理论既考虑c的影响，也考虑d及te的影响。,（3）值,1，反映裂缝间受拉混凝土参与工作

13、的程度； 越大，钢筋受力越均匀，混凝土参与受拉作用越小； 随着荷载增大，值越来越大；,试验常数。,3、最大裂缝宽度max,考虑构件受力特征和荷载长期作用的综合影响系数，对受弯构件和偏心受压构件，取 =2.1，对偏心受拉构件，取 =2.4；对轴心受拉构件，取 =2.7,水工砼结构设计规范的裂缝宽度验算公式,c最外排纵向受拉筋外缘至拉区底边的距离(mm)，c65mm时，取c65mm； d受拉钢筋直径(mm)，用不同直径时，改用换算直径4As/u, u为钢筋总周长； te纵向受拉钢筋的有效配筋率，teAs/Ate，te0.03时，取te=0.03；,As 受拉区纵向钢筋截面面积；受弯、偏拉及大偏压：

14、取拉区纵筋面积，全截面受拉的偏拉：取拉应力大一侧的钢筋面积，轴拉：取全部纵筋面积 Ate有效受拉砼截面面积； sk按荷载标准值计算的纵向受拉筋应力。,Ate的取值,受弯、偏拉及大偏压：Ate 2ab，a为As重心至截面受拉边缘的距离，b为矩形截面的宽度，,有受拉翼缘的倒T形及工形截面，b为受拉翼缘宽度；,轴拉：取2als，ls为沿截面周边配置的受拉钢筋重心连线的总长度。,钢筋应力sk,sk,偏心受拉,大偏心受压,受弯,轴心受拉,构件形式,使用裂缝宽度公式时应注意的问题：,（1）只适用于常见的梁、柱构件 （2）只适用于外力不随结构变形而改变的情况 （3）只能用于配置带肋钢筋的构件 （4）验算时，

15、荷载应采用标准值（最大值），某些结构可变荷载很大却很少出现，最大裂缝宽度应乘以一个小于1的系数 （5）不可减小保护层厚度以减小最大裂缝宽度 （6）e0/h00.55的偏心受压构件对裂缝宽度很小的构件，可不进行验算,四、裂缝控制措施,采用细而密的带肋钢筋，可使裂缝间距及裂缝宽度减小。适当增加受拉区纵筋配筋量。,采用更合理的结构外形，减小高应力区范围，降低应力集中程度，在应力集中区局部增配钢筋；在受拉区混凝土中设置或掺加钢纤维；在混凝土表面涂敷或设置防护面层等。,解决荷载裂缝问题的最根本的方法是采用预应力钢筋混凝土结构。,一、截面抗弯刚度及特点,匀质弹性材料梁的跨中最大挠度,S：与荷载形式、支承条件有关的参数。,M：最大弯矩。,l0：计算跨度。,EI：截面抗弯刚度。E:材料弹性模量，I：截面惯性矩,对于匀质弹性材料梁，抗弯刚度EI是一个常数，M-f成正比。 对于钢筋混凝土材料梁，仍用上述公式计算挠度，但抗弯刚度B不再是常量。,8.3 受弯构件变形验算,钢筋混凝土梁抗弯刚度B=EI的特点,（1）荷载较小，裂缝出现前（第阶段）,（2）出现裂缝到受拉钢筋临近屈服（第阶段）,（3）受拉钢筋屈服到混凝土压坏（第阶段）,1、钢筋混凝土受弯构件的抗弯刚度B=EI随弯矩M增大而减小。,2、由于混凝土徐变等影响，B随时间增大而减小 。,