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1、结构设计原理,青海大学 土木工程学院 教授班级：交通2011(1、2),裂缝与钢筋的腐蚀,9 钢筋砼受弯构件的应力、裂缝和变形计算,9.1 概述,结构构件的可靠性,本章的主要内容,具有足够的承载力和变形能力,安全性,适用性,耐久性,在使用荷载下不产生过大的裂缝和变形,在一定时期内维持其安全性和适用性的能力,一、两种极限状态的区别,承载能力极限状态计算：,讨论构件在各种不同受力状态下的承载力计算，承载力计算是保证结构安全的首要条件，由此决定了构件的尺寸、材料、配筋及构造。,9.1 概述,正常使用极限状态验算： 由于构件变形或裂缝过大等影响构件的适用性及耐久性，而达不到结构正常使用要求。 因此，除
2、了满足承载力要求后，而对某些构件，还要根据使用条件进行正常使用极限状态的验算，以保证在正常使用情况下的应力、裂缝和变形小于正常使用极限状态的限值。,9.1 概述,施工阶段的砼和钢筋应力验算。 使用阶段的变形。 使用阶段的最大裂缝宽度。,9.1 概述正常使用极限状态验算的内容,1、由作用效应引起的裂缝（M、V、T以及拉力等） 在正常荷载作用下，由于构件下边缘拉应力超过了混凝土抗拉强度使受拉区混凝土产生的裂缝。这些裂缝总要产生，习惯上称为荷载裂缝或正常裂缝。 控制方法：通过设计计算进行验算和构造措施,9.1 概述裂缝分类,各种内力产生的裂缝宽度图,2、由外加变形或约束变形引起的裂缝， 大体积混凝土
3、水化热很大，内部温度较高，内外温差很大，内部混凝土膨胀受到外部已硬化混凝土的约束，使构件表面混凝土受拉产生裂缝。 地基不均匀沉降引起的裂缝：基础不均匀下沉会迫使构件一起变形，在主拉应力作用下混凝土构件开裂。 控制方法：通过采用构造措施和施工工艺,9.1 概述裂缝分类,3、钢筋锈蚀裂缝 锈蚀是一个电化学过程： 混凝土中的钢筋处在电介质中，在水、氧气和电子作用下就会形成电池，电子从阳极不断流向阴极，在阳极附近形成铁锈。只要不断有水和氧气供应，就会越锈越严重。,9.1 概述裂缝分类,(b) 水、O2 、 CO2侵入,（d）保护层劈裂,钢筋锈蚀后体积会膨胀34倍！使混凝土保护层劈裂。 控制方法：采取构
4、造措施（足够厚度的砼保护层和保证砼的密实性，严格控制早凝剂的掺入量),裂缝开展宽度过大，大气中的水汽和侵蚀性气体进入裂缝，引起主筋锈蚀，使主筋有效截面积减小，导致构件强度降低；,由于冰冻和水化作用，日久会影响构件的耐久性，缩短构件使用寿命。,钢筋混凝土梁中裂缝的出现和一定限度的开展并不意味着构件的破坏，但有一定的危害性：,9.1 概述裂缝危害,广州机场立交出现15厘米宽裂缝 原因：该立交桥车流量尤其是超重型货车过多，导致时间过长桥面不堪重负。,洛溪桥（预应力混凝土连续-刚构桥） 主桥箱梁腹板出现裂缝77条，横隔板有裂缝99条，严重影响桥梁安全。,距号桥墩约18的右侧箱梁底板靠右侧边缘有处砼空洞
5、，并有根横向钢筋外露,第2孔方梁端的端横隔墙，距竖加胁板约0.3m处，有条长1.2m、宽0.2mm的垂直裂缝,距号桥墩约92左侧箱梁底板边缘处有蜂窝现象，并有处横向主筋显露,9.1 概述正常使用阶段的特点,计算依据不同：承载能力极限状态是以破坏阶段（a）的状态为建立计算图式的基础；而使用阶段一般是指第阶段，即梁带裂缝工作阶段。,1、影响程度不同：与承载能力极限状态相比，超过正常使用极限状态所造成的后果（如人员伤亡和经济损失）的危害性和严重性相对要小一些、轻一些，因而可适当放宽对其可靠性的保证率的要求。,9.1 概述正常使用阶段的特点,2、计算的内容不同： 承载能力极限状态：包括截面设计和截面复
6、核。 其计算决定了构件设计尺寸、材料、配筋数量及钢筋布置，以保证：0MdMu。 正常使用阶段： 验算正常使用情况下裂缝宽度和变形小于规范规定的各项限值。,9.1 概述正常使用阶段的特点,3、荷载效应及抗力的取值不同 承载能力极限状态： 汽车荷载应计入冲击系数，作用（或荷载）效应及结构构件的抗力均应采用考虑了分项系数的设计值； 在多种作用（或荷载）效应情况下，应将各效应设计值进行最不利组合，并根据参与组合的作用（或荷载）效应情况，取用不同的效应组合系数。,9.1 概述正常使用阶段的特点,3、荷载效应及抗力的取值不同 正常使用极限状态： 汽车荷载应可不计冲击系数，作用（或荷载）效应应取用短期效应和
7、长期效应的一种或几种组合。 短期效应组合就是永久作用（结构自重）标准值与可变作用频遇值效应的组合；长期效应组合则为永久作用标准值与可变作用准永久值效应的组合,9.1 概述正常使用阶段的特点,钢筋混凝土构件裂缝宽度验算 钢筋混凝土受弯构件的挠度验算,主要内容：,换算截面 应力计算,基础知识：,9.1 概述章节内容,9.2 换算截面,第2个工作阶段的基本假定： 平截面假定 弹性体假定（压区砼近似按线性分布） 受拉区完全不承担拉应力。拉应力完全由钢筋承受。,定义： 将钢筋和混凝土两种材料组成的实际截面换算成为一种拉压性能相同的假想材料组成的匀质截面即换算截面。 即：将钢筋截面换算为等效的混凝土截面。
8、,9.2 换算截面,换算原则：换算前后钢筋合力的大小和作用点的位置不变。,9.2 换算截面,Asc等效截面面积，为钢筋的换算面积 Es混凝土构件截面的换算系数,定义：钢筋混凝土受弯构件受力进入第工作阶段（带裂缝工作阶段）后，受拉区混凝土即不承受拉应力，拉应力由钢筋承受。将受压区混凝土面积和受拉区钢筋换算面积所组成的截面称为钢筋混凝土构件开裂截面的换算截面。,9.2 换算截面开裂截面的换算截面,开裂截面的换算截面面积：,换算截面对中性轴静矩：,受压区,受拉区,9.2 开裂截面的换算截面几何特性,开裂截面的换算截面惯性矩,矩形截面：对于受弯构件，开裂截面的中性轴通过其换算截面的形心轴，即,9.2
9、开裂截面的换算截面几何特性,9.2 开裂截面的换算截面T形截面几何特性,9.2 开裂截面的换算截面T形截面几何特性,一、应力限值,对于钢筋混凝土受弯构件，公桥规要求进行施工阶段的应力计算，并应根据可能出现的施工荷载进行内力组合；同时，受弯构件正截面应力应符合下列条件：,受压区混凝土边缘纤维应力 ：,受拉钢筋应力：,9.3 应力计算,矩形截面梁正应力计算步骤：（计算图式见图92）,1、计算受压区高度x；,2、计算开裂截面的换算截面惯性矩,3、计算截面应力：,9.3 应力计算,受压区混凝土边缘纤维：,受拉钢筋面积重心处：,9.3 应力计算矩形截面,2、正T梁：求x（判别T型截面类别）,1、倒T梁：
10、按宽度为b，高度为h的矩形截面进行应力计算。,9.3 应力计算T形截面,求Icr (公式不一样） 求截面应力（方法同上） 应力计算结果：当施工阶段应力验算不满足时，应该调整施工方法，或者补充、调整某些钢筋。,9.3 应力计算,粘结滑移理论：裂缝控制主要取决于钢筋和混凝土之间的粘结性能。 无滑移理论：表面裂缝宽度是由钢筋至构件表面的应变梯度控制的，即裂缝宽度随着离钢筋距离的增大而增大，钢筋的保护层厚度是影响裂缝宽度的主要因素。 综合理论：考虑了混凝土保护层厚度对裂缝宽度的影响，也考虑了钢筋和砼之间可能出现的滑移。,9.4 裂缝宽度计算,公路桥规采用的公式是大连工学院海洋工程研究所试验资料基础上，
11、分析了裂缝宽度的主要因素，舍去次要因素，用数理统计方法给出的简单适用的公式。,裂缝宽度计算,公桥规规定，钢筋混凝土受弯构件在荷载作用下，算得的最大裂缝宽度须满足下述要求： 类和类环境：0.2mm 类和类环境：0.15mm,9.4 裂缝宽度计算裂缝限值,1、保证使用功能的要求 结构构件的变形较大时，会严重影响甚至丧失它的使用功能。如桥梁上部结构过大的挠曲变形使桥面形成凹凸的波浪形，影响车辆行驶，严重时将导致桥面结构的破坏。 2、满足观瞻和使用者的心理要求 构件的变形过大，还引起使用者明显的不安全感。 3、避免对其他结构构件的不利影响 构件的变形过大，会影响到与它连接的其他勾结也发生过大变形，有时
12、甚至会改变荷载的传递路线、大小和性质。,9.4 裂缝宽度计算裂缝控制目的,钢筋混凝土受弯构件在正常使用极限状态下的挠度，可根据给定的构件刚度，用结构力学的方法计算。 由图乘法可得，简支梁的挠度计算公式：,9.5 受弯构件的挠度验算,运用上述公式计算钢筋混凝土的挠度，关键在于解决抗弯刚度的合理取值问题。,9.5 受弯构件的挠度验算,受弯构件在使用阶段的挠度尚应考虑长期效应的影响：,9.5 受弯构件的挠度验算,桥规规定：钢筋砼受弯构件长期挠度值结构自重产生的长期挠度值挠度限值,梁式桥主梁的最大挠度处：,梁式桥主梁的悬臂端：,此处l为受弯构件的计算跨径， l1为悬臂长度。,钢筋砼受弯构件挠度限值：,
13、9.5 受弯构件的挠度限值,概念：施工时预设的反向挠度。 设置目的： 为了消除结构重力这个长期荷载引起的变形； 设置要求： 当由作用（或荷载）短期效应组合并考虑作用（或荷载）长期效应影响产生的长期挠度不超过计算跨径L的11600时，可不设预拱度；反之，需设置预拱度。,9.5 受弯构件的挠度计算预拱度,结构耐久性的基本概念 1、定义： 是混凝土结构在自然环境、使用环境及材料内部因素的作用下， 在设计要求的目标使用期内，不需要花费大量资金加固处理而保持安全、使用功能和外观要求的能力。,9.5 混凝土结构的耐久性,混凝土冻融破坏：处于饱水状态的混凝土受冻时，毛细孔中同时受到膨胀压力和渗透压力，使混凝
14、土结构产生内部裂缝和损伤，经多次反复，损伤积累到一定程度就引起结构破坏。 混凝土的碱骨料反应：混凝土集料中某些活性矿物与微孔中的碱性溶液产生化学反应称为碱骨料反应。碱骨料反应产生碱硅酸盐凝胶，并吸水膨胀，体积增大34倍，从而引起混凝土剥落、开裂、强度降低，甚至导致破坏。,9.5 混凝土结构的耐久性影响因素,侵蚀性介质的腐蚀：有些化学介质侵入造成混凝土中一些成 分被溶解，流失，引起裂缝、孔隙、松散破碎；有的化学介质侵入与混凝土中一些成分反应生成物体积膨胀，引起混凝土结构破坏。 机械磨损：机械磨损常见于工业地面、公路路面、桥面、飞机跑道等。,9.5 混凝土结构的耐久性影响因素,混凝土的碳化：混凝土
15、的碳化是指大气中的二氧化碳与混凝土中的碱性物质氢氧化碳发生反应使混凝土的PH值下降。从而使混凝土中钢筋的保护膜受到破坏，引起钢筋锈蚀。 钢筋锈蚀：钢筋锈蚀使混凝土保护层脱落，钢筋有效面积减小，导致承载力下降甚至结构破坏。,9.5 混凝土结构的耐久性影响因素,结构混凝土材料耐久性的基本要求应符合表9-2的规定。 对于预应力混凝土构件，混凝土材料中的最大氯离子含量为0.6%，最小水泥用量为350kg/m3，最低混凝土强度等级为40； 特大桥和大桥的混凝土最大含碱量宜降至1.8kg/m3，当处于类、类或使用除冰盐和滨海环境时，宜使用非碱活性骨料。,9.5 混凝土结构耐久性的基本规定,处于类或类环境的
16、桥梁，当耐久性确实需要时，其主要受拉钢筋宜采用环氧树脂涂层钢筋；预应力钢筋、锚具及连接器应采取专门防护措施。 水位变动区有抗冻要求的结构混凝土，其抗冻等级应符合有关标准的规定。 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,9.5 混凝土结构耐久性的基本规定,1对钢筋混凝土受弯构件的应力计算，按第II 工作阶段进行验算。 2提出了裂缝最大宽度的计算公式，必须小于容许值。 3受弯构件在使用阶段的挠度是考虑荷载的短期效应组合并考虑长期影响(长期增长系数)。在荷载长期作用下，由于混凝土徐变等因素的影响，截面刚度将进一步下降，通过挠度增大系数反映。其计算值不得大于规范规定。,第9章 小结,
