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1、第九章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形及混凝土结构的耐久性邱战洪混凝土结构原理钢筋混凝土构件的裂缝变形和混凝土构件的耐久性课件一、引言结构构件结构构件的可靠性的可靠性本章的主要内容本章的主要内容具有足够的承载力具有足够的承载力和变形能力和变形能力安全性安全性适用性适用性耐久性耐久性在使用荷载下不产生在使用荷载下不产生过大的过大的裂缝和变形裂缝和变形在一定时期内维持其安全在一定时期内维持其安全性和适用性的能力性和适用性的能力钢筋混凝土构件的裂缝变形和混凝土构件的耐久性课件二、裂缝的分类与成因 1. 分类施工期间施工期间产生的裂缝和产生的裂缝和使用期间使用期间产生的裂缝产生的裂缝按裂缝的产生时间按裂缝
2、的产生时间龟裂、横向裂缝（与构件轴线垂直）、纵向裂缝、斜裂缝、八字裂缝、X形交叉裂缝等按裂缝的产生原因按裂缝的产生原因非受力因素非受力因素产生的裂缝产生的裂缝和和受力因素受力因素产生的裂缝产生的裂缝按裂缝的形态按裂缝的形态钢筋混凝土构件的裂缝变形和混凝土构件的耐久性课件二、裂缝的分类与成因 2. 成因固体下沉，表面泌水而引起的。固体下沉，表面泌水而引起的。大风、高温使水分从混凝土表面大风、高温使水分从混凝土表面快速蒸发引起的（龟裂）。快速蒸发引起的（龟裂）。塑性裂缝塑性裂缝混凝土的收缩受到约束后产生的裂缝混凝土的收缩受到约束后产生的裂缝温度裂缝温度裂缝大体积混凝土中由于混凝土水化大体积混凝土中
3、由于混凝土水化作用产生的水化热使内外混凝土作用产生的水化热使内外混凝土产生温度差。产生温度差。约束收缩裂缝约束收缩裂缝施工期间的裂缝施工期间的裂缝钢筋混凝土构件的裂缝变形和混凝土构件的耐久性课件二、裂缝的分类与成因 2. 成因因施工程序不当而造成的受力裂缝因施工程序不当而造成的受力裂缝施工中的施工中的受力裂缝受力裂缝施工期间的裂缝楼楼板板裂裂缝缝钢筋混凝土构件的裂缝变形和混凝土构件的耐久性课件二、裂缝的分类与成因 2. 成因使用期间使用期间的裂缝的裂缝-钢筋锈蚀钢筋锈蚀引起的裂缝引起的裂缝钢筋混凝土构件的裂缝变形和混凝土构件的耐久性课件二、裂缝的分类与成因 2. 成因使用期间的裂缝使用期间的裂
4、缝-温度（气温）变化温度（气温）变化引起的裂引起的裂缝缝温度区段气温升高时T钢筋混凝土构件的裂缝变形和混凝土构件的耐久性课件二、裂缝的分类与成因 2. 成因使用期间的裂缝使用期间的裂缝-地基不均匀沉降地基不均匀沉降引起引起的裂缝钢筋混凝土构件的裂缝变形和混凝土构件的耐久性课件二、裂缝的分类与成因 2. 成因使用期间的裂缝使用期间的裂缝-外部环境引起的裂缝冻融循环作用碱骨料反应盐类腐蚀外部环境外部环境酸类腐蚀钢筋混凝土构件的裂缝变形和混凝土构件的耐久性课件二、裂缝的分类与成因 2. 成因使用期间的裂缝使用期间的裂缝-荷载引起的裂缝斜裂缝！斜裂缝！垂直裂缝！垂直裂缝！纵向裂缝！纵向裂缝！拉、弯、剪
5、、扭、粘结等引起的裂缝拉、弯、剪、扭、粘结等引起的裂缝目前，只有在目前，只有在拉、弯拉、弯状态下状态下混凝土混凝土横向裂缝横向裂缝宽度的计算宽度的计算理论比较成熟。这也是下面理论比较成熟。这也是下面所要介绍的主要内容所要介绍的主要内容钢筋混凝土构件的裂缝变形和混凝土构件的耐久性课件三、横向受力裂缝宽度的计算 1. 粘结滑移理论以以轴心受拉轴心受拉为例为例C*基本假定基本假定就是：开裂后，裂缝处混凝土退出工作，钢筋和混凝土之间发生滑移钢筋和混凝土之间发生滑移，混凝土回缩至图中虚线的位置*裂缝宽度裂缝宽度=裂缝间钢筋裂缝间钢筋和混凝土混凝土之间的变形差值变形差值先求出裂缝间距裂缝间距钢筋混凝土构件
6、的裂缝变形和混凝土构件的耐久性课件三、横向受力裂缝宽度的计算 1. 粘结滑移理论构件的开裂：构件的开裂：l l m s sm c cmAs粘结应力的粘结应力的传递长度传递长度裂缝数量裂缝数量增加至一增加至一定数量时定数量时不再增加，不再增加，但宽度不但宽度不断变化断变化钢筋混凝土构件的裂缝变形和混凝土构件的耐久性课件三、横向受力裂缝宽度的计算 1. 粘结滑移理论粘结长度：粘结长度： m sl l sm c cml（ s+ s）As sAs c=ftl( s+s)As sAs m钢筋混凝土构件的裂缝变形和混凝土构件的耐久性课件三、横向受力裂缝宽度的计算 1. 粘结滑移理论裂缝的平均间距：裂缝的平
7、均间距：裂缝的平均间距钢筋混凝土构件的裂缝变形和混凝土构件的耐久性课件三、横向受力裂缝宽度的计算 1. 粘结滑移理论裂缝的平均间距：裂缝的平均间距：bhbfbfbh0.5hhfhf为了和受弯构件相统一，定义：有效配筋率有效配筋率有效受有效受拉面积拉面积于是，对轴拉和受弯构件，平均裂缝间距的公式可统一写成：钢筋混凝土构件的裂缝变形和混凝土构件的耐久性课件三、横向受力裂缝宽度的计算 1. 粘结滑移理论裂缝的平均宽度裂缝的平均宽度裂缝处钢筋的应变C设设 称为裂缝间钢筋应力不均匀系数，则有称为裂缝间钢筋应力不均匀系数，则有裂缝处钢筋的裂缝处钢筋的应力（应力（计算见计算见后面相关内容后面相关内容）称为裂
8、缝间混凝土自身伸长对裂缝宽度的影响系数，对受弯、轴心受拉和偏心受力构件，一般可取0.85。钢筋混凝土构件的裂缝变形和混凝土构件的耐久性课件三、横向受力裂缝宽度的计算 2. 无滑移理论认为混凝土开裂后，混凝土与钢筋之间无相对滑移，裂缝的发展宽度与裂缝量测点距最近一根钢筋表面的距离c直接相关。*Broms（美）Base（英）等人通过试验得出：C钢筋混凝土构件的裂缝变形和混凝土构件的耐久性课件三、横向受力裂缝宽度的计算 3. 粘接滑移与无滑移理论的结合上述两种理论和实际情况均有一定的差距，为此将二者结合起来，按下述公式进行计算分析：C各系数由试验分析确定钢筋混凝土构件的裂缝变形和混凝土构件的耐久性课
9、件四、裂缝宽度的实用计算方法 1. 半理论半经验的方法混凝土结构设计规范混凝土结构设计规范（GB50010GB50010）水工钢筋混凝土结构设计规范水工钢筋混凝土结构设计规范钢筋混凝土构件的裂缝变形和混凝土构件的耐久性课件四、裂缝宽度的实用计算方法 1. 半理论半经验的方法平均裂缝间距平均裂缝间距c65时，取时，取c=65受弯受弯:kl=1.0轴拉轴拉:kl=1.1光圆，取光圆，取0.70.7变形，取变形，取1.01.0 te0.01时，取时，取 te=0.01钢筋混凝土构件的裂缝变形和混凝土构件的耐久性课件四、裂缝宽度的实用计算方法 1. 半理论半经验的方法平均裂缝宽度钢筋混凝土构件的裂缝变
10、形和混凝土构件的耐久性课件四、裂缝宽度的实用计算方法 1. 半理论半经验的方法裂缝的最大宽度裂缝的最大宽度由裂缝的统计特性，按由裂缝的统计特性，按95%的保证率的保证率考虑到长期荷载下，混凝土徐变影响导致裂缝继续扩大，考虑到长期荷载下，混凝土徐变影响导致裂缝继续扩大，取扩大系数为取扩大系数为1.5钢筋混凝土构件的裂缝变形和混凝土构件的耐久性课件四、裂缝宽度的实用计算方法 2. 以数理统计分析为基础的计算方法公路钢筋混凝土及预应力桥涵设计规范采用的方法受拉钢筋的总周长钢筋混凝土构件的裂缝变形和混凝土构件的耐久性课件五、裂缝宽度的控制裂缝的控裂缝的控制等级制等级严格要求不出现裂缝严格要求不出现裂缝
11、一级一级二级二级三级三级一般要求不出现裂缝一般要求不出现裂缝可以出现裂缝但要验可以出现裂缝但要验算裂缝的宽度算裂缝的宽度由不同的规范根据由不同的规范根据具体的情况确定具体的情况确定钢筋混凝土构件的裂缝变形和混凝土构件的耐久性课件六、受弯构件的变形与刚度1. 截面抗弯刚度的特点与荷载形式、支承条件与荷载形式、支承条件有关的挠度系数有关的挠度系数M 0 1 2IIIIII钢筋混凝土纯弯段截面抗弯刚度的特点钢筋混凝土纯弯段截面抗弯刚度的特点 ：*随着弯矩增大随着弯矩增大B不断降低不断降低*短期荷载效应时的挠度对应短期刚度短期荷载效应时的挠度对应短期刚度Bs*长期荷载效应时的挠度对应长期刚长期荷载效应
12、时的挠度对应长期刚度度Bl(徐变、裂缝的不断发展等等徐变、裂缝的不断发展等等)适筋梁的适筋梁的M-M-关系曲线关系曲线钢筋混凝土构件的裂缝变形和混凝土构件的耐久性课件六、受弯构件的变形与刚度2. 短期刚度Bs（荷载效应的标准组合）解析刚度法解析刚度法就平均应变而言符就平均应变而言符合平截面假定：合平截面假定：短期荷短期荷载效应载效应MkMk梁纯弯段内各截面应变及裂缝分布梁纯弯段内各截面应变及裂缝分布钢筋混凝土构件的裂缝变形和混凝土构件的耐久性课件六、受弯构件的变形与刚度2. 短期刚度Bs解析刚度法解析刚度法裂缝截面处的应力和应变裂缝截面处的应力和应变MkAsh0 h0 ck ck 0h0As
13、sk钢筋混凝土构件的裂缝变形和混凝土构件的耐久性课件六、受弯构件的变形与刚度2. 短期刚度Bs解析刚度法解析刚度法其中：其中：钢筋混凝土构件的裂缝变形和混凝土构件的耐久性课件系数系数 可由下式给出：可由下式给出：为裂缝截面处内力臂长度系数，可取为裂缝截面处内力臂长度系数，可取0.87；六、受弯构件的变形与刚度2. 短期刚度Bs混凝土结构设计规范混凝土结构设计规范GB50010-采用的就是上述公式，采用的就是上述公式，其中：其中：为裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数，其计算过为裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数，其计算过程同程同裂缝验算裂缝验算；则受弯构件的则受弯构件的短期刚度短期刚度可写出：可写出
14、：钢筋混凝土构件的裂缝变形和混凝土构件的耐久性课件六、受弯构件的变形与刚度3. 荷载长期作用下的刚度B恒+活中“恒”基本概念基本概念flMqfs活中“活”Mk+钢筋混凝土构件的裂缝变形和混凝土构件的耐久性课件六、受弯构件的变形与刚度3. 荷载长期作用下的刚度B考虑：用荷载效应的准永久组合对挠度增大的考虑：用荷载效应的准永久组合对挠度增大的影响系数影响系数 来考虑荷载长期效应对构件挠度的影响。来考虑荷载长期效应对构件挠度的影响。则混凝土结构设计规范则混凝土结构设计规范GB50010给出如下公式：给出如下公式：钢筋混凝土构件的裂缝变形和混凝土构件的耐久性课件混凝土结构设计规范混凝土结构设计规范GB
15、50010根据天津大学和根据天津大学和东南大学长期荷载试验的结果，给出东南大学长期荷载试验的结果，给出 的计算公式的计算公式如下：如下：六、受弯构件的变形与刚度3. 荷载长期作用下的刚度B钢筋混凝土构件的裂缝变形和混凝土构件的耐久性课件六、受弯构件的变形与刚度4. 受弯构件的挠度计算最小刚度原则最小刚度原则PPhl0MBmin见附表见附表4-1钢筋混凝土构件的裂缝变形和混凝土构件的耐久性课件六、受弯构件的变形与刚度5.对受弯构件挠度验算的讨论1、影响短期刚度、影响短期刚度 BS 的因素的因素（1）弯矩）弯矩 MK。 MK增大，增大，sk增大，因而增大，因而也增大，也增大， BS相应减小。相应减
16、小。（2）具体计算表明，）具体计算表明，增大，增大，BS也略有增大。也略有增大。（3）截面形状对）截面形状对BS从有所影响，受拉翼缘和受压翼缘都从有所影响，受拉翼缘和受压翼缘都使截面的使截面的BS 增大。增大。（4）提高混凝土强度等级对提高）提高混凝土强度等级对提高BS的作用不大。的作用不大。（5）当配筋率和材料给定时，截面有效高度）当配筋率和材料给定时，截面有效高度h0对截面弯对截面弯曲刚度的提高作用最显著。曲刚度的提高作用最显著。钢筋混凝土构件的裂缝变形和混凝土构件的耐久性课件2 2、配筋率、配筋率 配筋率对承载力和挠度的影响不大，一个构件不能盲目地配筋率对承载力和挠度的影响不大，一个构件
17、不能盲目地用增大配筋率的方法来解决挠度不满足的问题。用增大配筋率的方法来解决挠度不满足的问题。3 3、跨高比、跨高比 跨度跨度 l0 越大，越大，f 也越大。也越大。4 4、混凝土结构构件变形限值、混凝土结构构件变形限值（1 1）保证建筑的使用功能要求）保证建筑的使用功能要求（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）保证人们的感觉在可接受程度）保证人们的感觉在可接受程度六、受弯构件的变形与刚度5.对受弯构件挠度验算的讨论钢筋混凝土构件的裂缝变形和混凝土构件的耐久性课件9.3 9.3 混凝土构件的
18、延性混凝土构件的延性9.3.1 9.3.1 延性概念延性概念结构、构件或截面延性是指从屈服开始到达到最大承载力或达到以后而承载力还没有显著下降期间的变形能力。即延性是反映构件的后期变形能力。“后期”是指从钢筋开始屈服进入破坏阶段直到最大承载能力（或下降到最大承载能力的 85）时的整个过程。延性要求的目的：I.满足抗震方面的要求；II.防止脆性破坏；III.在超静定结构中，适应外界的变化；IV.使超静定结构能充分的进行内力重分布。钢筋混凝土构件的裂缝变形和混凝土构件的耐久性课件9.3.2 9.3.2 截面的延性的计算及影响因素截面的延性的计算及影响因素 截面的延性用延性系数来表达，计算时采用平截
19、面假平截面假设设。延性系数表达式：9.3.39.3.3 受弯构件延性的因素和提高截面延性的措施受弯构件延性的因素和提高截面延性的措施 影响因素主要包括：纵向钢筋配筋率、混凝土极限压应变、钢筋屈服强度及混凝土强度等。即极限压应变 以及受压区高度 kh0 和 两个综合因素。 提高截面延性的措施有:限制纵向受拉钢筋的配筋率；规定受压钢筋和受拉钢筋的最小比例；在弯矩较大区段适当加密箍筋。钢筋混凝土构件的裂缝变形和混凝土构件的耐久性课件9.4 9.4 混凝土结构的耐久性混凝土结构的耐久性 耐久性耐久性是指结构在设计使用年限内，在正常维护条件下，不需要进行大修和加固满足，而满足正常使用和安全功能要求的能力
20、。9.4.1 耐久性的概念及其影响因素耐久性的概念及其影响因素 耐久性设计依据设计依据主要是结构的环境类别、设计使用年限及考虑对混凝土材料的基本要求。影响因素：I.内部因素： 混凝土强度、渗透性、保护层厚度、水泥品种、标号和用量、外加济等；II.外部因素： 环境温度、湿度、CO2含量、 侵蚀性介质等。钢筋混凝土构件的裂缝变形和混凝土构件的耐久性课件 混凝土的碳化及钢筋的锈蚀是影响混凝土结构耐久性的最主要的综合因素。 碳化是混凝土中性化的形式，是指大气中的二氧化碳（CO2）不断向混凝土内部扩散，并与其中的碱性物质发生反应，使混凝土的PH值降低。 碳化对混凝土本身无害，其主要是当碳化至钢筋表面，氧
21、化膜被破坏形成钢筋锈蚀的必要条件，同时含氧水份侵入形成钢筋锈蚀的充分条件，从而加剧混凝土开裂，导致结构破坏。碳化影响因素有：环境因素和材料本身的性质。 凝土的碳化从构件表面开始向内发展，到保护层完全碳化，所需要的时间与碳化速度、混凝土保护层厚度、混凝土密实性以及覆盖层情况等因素有关。9.4.2 混凝土的碳化及钢筋的锈蚀混凝土的碳化及钢筋的锈蚀钢筋混凝土构件的裂缝变形和混凝土构件的耐久性课件减小碳化措施有：a)合理设计混凝土的配合比；b)提高混凝土的密实度、抗渗性；c)规定钢筋保护层的最小厚度；d)采用覆盖面层。 钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性的最关键问题, 它是一个电化学过程，因此锈蚀主要
22、取决于氧气通过混凝土保护层向钢筋表面的阴极的扩散速度，而这种扩散速度主要取决于混凝土的密实度。氧气和水份是钢筋锈蚀必要条件。钢筋锈蚀对混凝土结构损伤过程：坑蚀 环蚀 暴 筋 结构失效。钢筋混凝土构件的裂缝变形和混凝土构件的耐久性课件 防止钢筋锈蚀措施有：增加混凝土的密实性和混凝土的保护层厚度，采用涂面层、钢筋阻锈剂、涂层钢筋、对钢筋采用阴极防护法等。9.4.3 9.4.3 耐久性耐久性设计设计1. 耐久性设计的目的及基本原则 耐久性概念设计的目的目的是指在规定的设计使用年限内，在正常维护下，必须保持适合于使用，满足既定功能的要求。 耐久性概念设计的基本原则基本原则是根据结构的环境类别和设计使用年限进行设计。钢筋混凝土构件的裂缝变形和混凝土构件的耐久性课件a. 规定最小保护层厚度；b.满足混凝土的基本要求；控制最大水灰比、最小水泥用量、最低强度等级、最大氯离子含量以及最大碱含量。c.裂缝控制：一级：严格要求不出现裂缝的构件；二级：一般要求不出现裂缝的构件；三级：允许出现裂缝的构件。d.其他措施对环境较差的构件，宜采用可更换或易更换的构件；对于暴露在侵蚀性环境中的结构和构件，宜采用带肋环氧涂层钢筋，预应力钢筋应有防护措施。采用有利提高耐久性的高强混凝土。2. 保证耐久性的措施钢筋混凝土构件的裂缝变形和混凝土构件的耐久性课件
