钢筋混凝土结构设计第八章：钢筋混凝土构件的裂缝和变形

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1、,本章重点,分析受弯构件竖向弯曲裂缝的出现和开展过程；,受弯构件裂缝宽度的验算；,受弯构件截面刚度计算与变形验算。,混凝土结构设计原理 第8章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性,本章重点,分析受弯构件竖向弯曲裂缝的出现和开展过程；,受弯构件裂缝宽度的验算；,受弯构件截面刚度计算与变形验算。,了解不同环境条件下结构耐久性对材 料的要求。,构件的裂缝宽度和挠度验算是属于正常使用极限状态。,挠度过大影响使用功能，不能保证适用性，而裂缝宽度过大，则同时影响使用功能和耐久性。,图8-1 荷载裂缝类型,(a) 轴心受拉 (b) 偏心受拉 (c) 偏心受压 (d) 受弯 (e) 受扭,通常，裂缝宽度和挠度

2、一般可分别用控制最大钢筋直径和最大跨高比来控制，只有在构件截面尺寸小，钢筋应力高时进行验算。,为防止温度应力过大引起的开裂，规定了伸缩缝之间的最大间距。,为防止由于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，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,与承载能力极限状态设计相比，正常使用极限状态设计的目标可靠度可以相对较低。,C结构构件达到正常使用要求所规定的变形、应力、裂缝宽度和自振频率等的限值。,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：,裂缝的控制等级分为三级，钢筋混凝土结构构件 进行裂缝宽度的验

3、算。,8.2.1 验算公式,- 按荷载准永久组合并考虑长期作用影响计算的最 大裂缝宽度；,-最大裂缝宽度的限值。,8.2.2 wmax的计算方法,规范的思路：,得到最大裂缝宽度wmax,若干假定,根据裂缝出现机理,建立理论公式，计算出平均裂缝宽度wm,按试验资料确定扩大系数,1. 平均裂缝宽度wm,裂缝宽度等于裂缝间距范围内钢筋和混凝土的变形差 ；,粘结 滑移理论：,平均裂缝间距lcr：,cs 最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区底边的距离(mm)：当cs65时，取cs=65 ；,式中：,deq 纵向受拉钢筋的等效直径（mm）；,te 截面的有效配筋率，,te = As / Ate,图8-5,ni

4、 第i种纵向受拉钢筋的根数 ；,裂缝截面处钢筋应力 sq：,裂缝截面处钢筋应力 sq：,图8-6,裂缝截面处钢筋应力 sq：,图8-6,裂缝截面处钢筋应力 sq：,图8-6,裂缝截面处钢筋应力 sq：,图8-6,As受拉区纵向钢筋截面面积，对轴拉构件，As取全部纵向钢 筋截面面积；对偏心受拉构件，As取受拉边较大的纵向钢 筋截面面积；对受弯构件和偏心受压构件，As取受拉区纵 向钢筋截面面积； e 轴拉力作用点至受压区或受拉较小边纵向钢筋合力点的距 离； e 轴压力作用点至纵向受拉钢筋合力点的距离 z 纵向受拉钢筋合力点至截面受压区合力点之间的距离； s使用阶段的轴向压力偏心距增大系数，当 时，

5、可取 s=1.0；,ys 截面重心至纵向受拉钢筋合力点的距离； 受压翼缘截面面积与腹板有效截面面积的 比值； 受压区翼缘的宽度、高度；在（8-10）式 中当 时，取 ； 按荷载准永久组合计算的轴向力值、弯矩 值。,wmax = s l wm,3. 最大裂缝宽度 wmax,裂缝宽度验算的注意事项 ：,（1） 对于直接承受吊车荷载但不需作疲劳验算的吊车梁，由于满载的概率很小，吊车最大荷载作用时间很短暂，所以计算出的最大裂缝宽度可乘以系数0.85。 （2）对 的偏心受压构件，可不验算裂缝宽度。 （3）当 时，应取 。 （4）按上述有关公式计算的最大裂缝宽度均指受拉钢筋截面重心水平处的构件侧表面裂缝宽

6、度。要把它换算为构件底面的裂缝宽度，须乘系数 。 （5）前述的裂缝宽度计算公式只适用于外荷载产生的正截面裂缝。 （6）不能为了满足裂缝控制的要求而任意减小保护层厚度。,8.2.3 减小裂缝宽度的措施,优先选择变形钢筋；,选择直径较小的钢筋；,增加钢筋用量。,当计算裂缝宽度超过裂缝宽度的限值时，从最大裂缝计算公式可知，常见的减小裂缝宽度的措施有：,钢筋混凝土梁的挠度与弯矩的关系是非线性的。,Bs 荷载准永久组合下的受弯构件的短期刚度,B 按荷载准永久组合并考虑荷载长期作用影响的抗弯刚度,B, 钢筋混凝土梁的挠度计算,对于简支梁承受均布荷载作用时，其跨中挠度：,用材料力学的公式：,1. 短期刚度

7、Bs的计算,梁纯弯段内各截面应变及裂缝分布,1. 短期刚度 Bs的计算,1. 短期刚度 Bs的计算,等式右边分子、分母同乘以 ，并取 ， =0.87,即得,1. 短期刚度 Bs的计算,式中：,可取,矩形、倒T形、工字形截面受弯构件短期刚度：, 挠度增大系数。 = 2.0 0.4 /,Bs 短期刚度按式(8-16)计算。,817,2. 长期刚度 B的计算,式中：,3. 最小刚度原则：,受弯构件在正常使用状态下，刚度沿长度是变化的。,取同一弯矩符号区段内最小刚度作为等刚度，按材力的方法计算。,图8-9,图8-10,4.挠度的计算的步骤,计算出荷载效应标准组合下的弯矩Mk和准永久组合 下的弯矩Mq。

8、 计算短期刚度Bs。 计算长期刚度B 将算得的B代替结构力学位移公式中的弹性刚度EI， 计算结构构件由荷载产生的最大挠度 验算挠度,提高刚度的有效措施 h0,或As 增加,混凝土的耐久性是指在正常维护的条件下，在预计的使用时期内，在指定的工作环境中保证结构满足既定功能要求。,8.4,耐久性设计,耐久性设计涉及面广，影响因素多，主要考虑以下几个方面： （1）确定结构所处的环境类别； （2）提出对混凝土材料的耐久性基本要求； （3）确定构件中钢筋的混凝土保护层厚度； （4）不同环境条件下的耐久性技术措施； （5）提出结构使用阶段的检测与维护要求。,影响混凝土耐久性的因素很多，有内部和外部二个方面。

9、外部因素主要是环境条件，包括温度、湿度、CO2含量、侵蚀性介质等。对工作环境分类可使设计者针对不同的环境种类采用相应的对策。,8.4,（一）结构工作环境分类,混凝土结构的环境类别,8.4,注：1 室内潮湿环境是指构件表面经常处于结露或湿润状态的环境； 2 严寒和寒冷地区的划分应符合现行国家标准民用建筑热工设计规范GB 50176的有关规定； 3 海岸环境和海风环境宜根据当地情况，考虑主导风向及结构所处迎风、背风部位等因素的影响，由调查研究和工程经验确定； 4 受除冰盐影响环境是指受到除冰盐盐雾影响的环境；受除冰盐作用环境是指被除冰盐溶液溅射的环境以及使用除冰盐地区的洗车房、停车楼等建筑。 5

10、暴露的环境是指混凝土结构表面所处的环境。,8.4,（二）结构耐久性等级,耐久性设计的目标是要保证结构的使用年限，也称为设计使用寿命。设计使用寿命与结构的重要性有关，重要建筑设计寿命长一些。,按照中国的实际情况，可以把设计使用年限等级分为四级：,8.4,（三）对混凝土的基本要求,1. 设计使用年限为50年的结构混凝土应符合下表的规定。,注:1 氯离子含量系指其占胶凝材料总量的百分比; 2 预应力构件混凝土中的最大氯离子含量为0.06%;其最低混凝土强度等级宜按表中的规定提高两 个等级; 3 素混凝土构件的水胶比及最低强度等级的要求可适当放松; 4 有可靠工程经验时,二类环境中的最低混凝土强度等级

11、可降低一个等级; 5 处于严寒和寒冷地区二b、三a类环境中的混凝土应使用引气剂，并可采用括号中的有关参数； 6 当使用非碱活性骨料时，对混凝土中的碱含量可不作限制。,8.4,2. 混凝土结构及构件尚应采取下列耐久性技术措施： （1）预应力混凝土结构中的预应力筋应根据具体情况采取表面防护、孔道灌浆、加大混凝土表面处理等有效措施； （2）有抗渗要求的混凝土结构，混凝土的抗渗等级应符合有关标准的要求； （3）严寒和寒冷地区的潮湿环境中，结构混凝土应满足抗冻要求，混凝土抗冻等级应符合有关标准的要求； （4）处于二、三类环境中的悬臂构件宜采用悬臂梁-板的结构形式，或在其上表面增设防护层； （5）处于二三

12、类环境中的结构构件，其表面的预埋件、吊车钩、连接件等金属部件应采取可靠的防锈措施； （6）处在三类环境中的混凝土结构构件，可采用阻锈剂、环氧树脂涂层钢筋或其他具有耐腐蚀性能的钢筋、采取阴极保护措施或采用可更换的构件等措施。,8.4,3. 一类环境中，设计使用年限为100年的结构 混凝土应符合下列规定： （1）钢筋混凝土结构的最低混凝土强度等级为C30，预应力混凝土结构的最低混凝土强度等级为C40； （2）混凝土中的最大氯离子含量为0.06% （3）宜使用非碱活性骨料；当使用碱活性骨料时，混凝土中的最大碱含量为3.0kg/m3； （4）混凝土保护层厚度应按规定增加40%；当采取有效的表面防护措施时，混凝土保护层厚度可适当减少； （5）在使用过程中，应定期维护。 4. 二类和三类环境中，设计使用年限为100年的混凝土结构，应采取专门有效措施。 5. 耐久性环境类别为四类和五类的混凝土结构，其耐久性要求应符合有关标准的规定。,6. 混凝土结构在设计使用年限内尚应遵守下列规定: （1）建立定期检测、维修制度； （2）设计中可更换的混凝土构件应按规定更换； （3）构件表面的防护层，应按规定维护或更换； （4）结构出现可见的耐久性缺陷时，应及时进行处理。,