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1、第第 8 8 章章 钢筋砼构件的变形、裂缝及砼钢筋砼构件的变形、裂缝及砼结构的耐久性结构的耐久性承载能力极限状态和正常使用极限状态承载能力极限状态和正常使用极限状态验算时，采用荷载标准值、荷载准永久值和材料强验算时，采用荷载标准值、荷载准永久值和材料强度标准值度标准值抗震要求构件具有一定的延性抗震要求构件具有一定的延性耐久性应满足设计使用年限的要求耐久性应满足设计使用年限的要求引言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截面弯曲刚度的概念及其定义截面弯曲刚度的概念及其定义1. 截面抗弯刚度
2、的特点材料力学中，匀质弹性材料梁的跨中挠度为 钢筋混凝土纯弯段截面抗弯刚度的特点 ：M012IIIIII*随着弯矩增大B不断降低*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度Bl(徐变、裂缝的不断发展等等)恒+活恒+活载中的恒载部分与荷载形式、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。 8.1 8.1 钢筋砼受弯构件的挠度验算钢筋砼受弯构件的挠度验算 砼结构设计中，截面砼结构设计中，截面弯曲刚度按以下两种弯曲刚度按以下两种简化方法：简化方法：o（1）对要求不出现裂缝的构件，截面
3、弯曲刚度为。o（2）验算正常使用阶段构件挠度时，截面弯曲刚度是随弯矩的增大而减小的，弯曲刚度： 随荷载的增加而减少，即M越大，抗弯刚度越小。验算变形时，截面抗弯刚度选择在曲线第阶段（带裂缝工作阶段）确定； 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，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，故有长期刚度 Bl和短期刚度Bs 。 对钢筋混凝土构件，由于材料的非
4、弹性性质和受拉区裂缝的开展，梁的抗弯刚度抗弯刚度不是常数而是变化的，其主要特点如下： 8.1.2 8.1.2 短期刚度短期刚度B Bs s解析刚度法解析刚度法就平均应变而言符合平截面假定短期荷载效应MsMs解析刚度法解析刚度法裂缝截面处的应力和应变MsAsh0h01cscs0h0Asss平均应变8.1.2 短期刚度短期刚度Bs解析刚度法解析刚度法GB50010采用的就是上述公式，且有 ，于是： 8.1.2 8.1.2 短期刚度短期刚度B Bs s ：裂缝截面处内力臂长度系数，近似取短期刚度短期刚度BsBs的计算公式的计算公式E Es s：砼弹性模量；砼弹性模量；：裂缝间纵向受拉钢筋应裂缝间纵向
5、受拉钢筋应变不均匀系数，是裂缝之间变不均匀系数，是裂缝之间钢筋的平均应变与裂缝截面钢筋的平均应变与裂缝截面钢筋应变之比，它反映了裂钢筋应变之比，它反映了裂缝间混凝土受拉对纵向钢筋缝间混凝土受拉对纵向钢筋应变的影响程度。应变的影响程度。愈小，愈小，裂缝间混凝土协助钢筋抗拉裂缝间混凝土协助钢筋抗拉作用愈强。作用愈强。AsAs：受拉钢筋截面面积；受拉钢筋截面面积；E E：钢筋与砼弹性模量比；钢筋与砼弹性模量比；h h0 0：截面有效高度；截面有效高度；：受拉钢筋配筋率受拉钢筋配筋率 ：裂缝截面处内力臂长度系数，近似取裂缝截面处内力臂长度系数，近似取E Es s：砼弹性模量；砼弹性模量；：受拉钢筋配筋
6、率受拉钢筋配筋率：裂缝间纵向受拉钢筋应裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数，是裂缝之间变不均匀系数，是裂缝之间钢筋的平均应变与裂缝截面钢筋的平均应变与裂缝截面钢筋应变之比，它反映了裂钢筋应变之比，它反映了裂缝间混凝土受拉对纵向钢筋缝间混凝土受拉对纵向钢筋应变的影响程度。应变的影响程度。愈小，愈小，裂缝间混凝土协助钢筋抗拉裂缝间混凝土协助钢筋抗拉作用愈强。作用愈强。E Es s：砼弹性模量；砼弹性模量；：受拉钢筋配筋率受拉钢筋配筋率ftk ：砼轴心抗拉强度标准值砼轴心抗拉强度标准值te：有效纵向钢筋配筋率有效纵向钢筋配筋率sk ：按荷载效应标准组合作用计算的裂缝截面处纵向受拉钢筋按荷载效应标准组合作
7、用计算的裂缝截面处纵向受拉钢筋重心处的拉应力重心处的拉应力8.1.2 短期刚度短期刚度Bs8.1.3. 荷载长期作用下的刚度荷载长期作用下的刚度B恒+活中“恒”基本概念flMlfs活中“活”Ms+定义：变形系数法变形系数法GB500108.1.3. 荷载长期作用下的刚度荷载长期作用下的刚度M Mk k：荷载效应的标准组合值；荷载效应的标准组合值； M Mq q：荷载效荷载效应的准永久组合值；应的准永久组合值； ：荷载效应的准永久组合对挠度增大的荷载效应的准永久组合对挠度增大的影响系数影响系数8.1.4.8.1.4.受弯构件的挠度计算受弯构件的挠度计算最小刚度原则最小刚度原则: :就是简支梁全长
8、范围内，可都按弯矩最大就是简支梁全长范围内，可都按弯矩最大处的截面弯曲刚度，亦即按最小的截面弯曲刚度，用材料处的截面弯曲刚度，亦即按最小的截面弯曲刚度，用材料力学方法中不考虑剪切变形影响的公式来计算挠度。力学方法中不考虑剪切变形影响的公式来计算挠度。PPhl0BsM由不同的规范根据具体的情况确定1.1.按按BminBmin计算计算, ,挠度值偏大；挠度值偏大；2.2.不考虑剪切变形影响，挠度不考虑剪切变形影响，挠度值偏小；值偏小；3.3.两方面影响大致可以相互抵两方面影响大致可以相互抵消。消。1 1、影响短期刚度、影响短期刚度B Bs s的因素的因素o（1）Mk增大，sk增大，增大，Bs减小；
9、o（2）增大，Bs略有增大；o（3）有翼缘时，Bs增大；o（4）常用=1%2%时，砼强度对Bs的作用不大；o（5）当和材料给定时，h0对Bs的作用显著。8.1.5 8.1.5 对受弯构件挠度验算的讨论对受弯构件挠度验算的讨论o2 2、配筋率对承载力和挠度的影响、配筋率对承载力和挠度的影响o配筋率的提高对提高承载力的作用显著，但对提高截面弯曲刚度并不显著。可能出现配筋率大的构件不满足挠度验算的要求3 3、跨高比、跨高比l0越大，f越大工程经验： l0/h在 20-10的范围内采取，恒载比重大时，取较小值；整体肋形梁或连续梁时，取值可大些。4 4、砼结构构件变形限值、砼结构构件变形限值 主要出于以
10、下四个方面考虑：（1）保证建筑的使用功能要求；（2）防止对结构构件产生不良影响；（3）防止对非结构构件产生不良影响；（4）保证人们的感觉在可接受程度之内。8.2 裂缝的分类与成因施工期间产生的裂缝和使用期间产生的裂缝按裂缝的产生时间龟裂、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非受力因素产生的裂缝和受力因素产生的裂缝按裂缝的形态8.2.1 分类固体下沉，表面泌水而引起的。大风、高温使水分从混凝土表面快速蒸发引起的（龟裂）。塑性裂缝混凝土的收缩受到约束后产生的裂缝温度裂缝大体积混凝土中由于混凝土水化作用产生的水化热使内外混凝土产生温度差。约束收缩裂缝
11、施工期间的裂缝8.2.2 成因裂缝的分类与成因使用期间的裂缝-钢筋锈蚀引起的裂缝8.2.2 成因裂缝的分类与成因使用期间的裂缝-温度（气温）变化引起的裂缝温度区段气温升高时T8.2.2 成因裂缝的分类与成因使用期间的裂缝-地基不均匀沉降引起的裂缝8.2.2 成因裂缝的分类与成因使用期间的裂缝-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酸类腐蚀8.2.2 成因裂缝的分类与成因使用期间的裂缝-荷载引起的裂缝斜裂缝！垂直裂缝！纵向裂缝！拉、弯、剪、扭、粘结等引起的裂缝目前，只有在拉、弯状态下混凝土横向裂缝宽度的计算理论比较成熟。这也是下面所要介绍的主要内容8.2.2 成因裂缝的分类与成
12、因8.3 8.3 钢筋砼构件裂缝宽度计算钢筋砼构件裂缝宽度计算v8.3.1 8.3.1 裂缝的出现、分布和开展裂缝的出现、分布和开展荷载长期作用下，裂缝开展宽度增大从平均的观点看，平均裂缝和平均裂缝宽度是有规律性的。粘结强度高，传递长度l短；钢筋表面积大，传递长度l短；配筋率低，传递长度l 长，所以低配筋率构件一旦出现裂缝，裂缝就具有一定的宽度。规范规范定义裂缝宽度定义裂缝宽度是指是指受拉钢筋重心水平处构件侧受拉钢筋重心水平处构件侧表面上砼的裂缝宽度表面上砼的裂缝宽度8.3 8.3 钢筋砼构件裂缝宽度计算钢筋砼构件裂缝宽度计算以轴心受拉为例C*基本假定就是：开裂后，裂缝处混凝土退出工作，钢筋和
13、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=裂缝间钢筋和混凝土之间的变形差值先求出裂缝间距8.3.2.粘结滑移理论裂缝的间距llms （ s ）smc（ c ）cmAs粘结应力的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8.3 8.3 钢筋砼构件裂缝宽度计算钢筋砼构件裂缝宽度计算8.3.2.粘结滑移理论裂缝的间距m s (s)llsmc(c)cml（s+ s）AssAsc=ftl（s+ s）AssAsm8.3 8.3 钢筋砼构件裂缝宽度计算钢筋砼构件裂缝宽度计算8.3.2.粘结滑移理论裂缝的间距m s (s)llsmc
14、(c)cml（s+ s）AssAsc=ftl（s+ s）AssAsm裂缝的平均间距8.3 8.3 钢筋砼构件裂缝宽度计算钢筋砼构件裂缝宽度计算8.3.2.粘结滑移理论裂缝的间距bhbfbfbh0.5hhfhf为了和受弯构件相统一，定义：有效配筋率有效受拉面积于是，对轴拉和受弯构件，平均裂缝间距的公式可统一写成：8.3 8.3 钢筋砼构件裂缝宽度计算钢筋砼构件裂缝宽度计算8.3.2.粘结滑移理论裂缝的宽度裂缝处钢筋的应变C设 称为裂缝间钢筋应力不均匀系数，则有裂缝处钢筋的应力8.3 8.3 钢筋砼构件裂缝宽度计算钢筋砼构件裂缝宽度计算8.3.2.粘结滑移理论认为混凝土开裂后，混凝土与钢筋之间无相
15、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(保护层厚度)直接相关。*Broms（美）Base（英）等人通过试验得出：C8.3 8.3 钢筋砼构件裂缝宽度计算钢筋砼构件裂缝宽度计算8.3.2.无滑移理论8.3 8.3 钢筋砼构件裂缝宽度计算钢筋砼构件裂缝宽度计算8.3.3. 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各系数由试验分析确定8.3 8.3 钢筋砼构件裂缝宽度计算钢筋砼构件裂缝宽度计算 8.3.4 半理论半经验的方法混凝土结构设计规范（GB50010）水工钢筋混凝土结构设计规范所采
16、用的方法8.3 8.3 钢筋砼构件裂缝宽度计算钢筋砼构件裂缝宽度计算8.3.4 半理论半经验的方法平均裂缝间距te时，取tec65时，取c=65受弯kl；轴拉kl光圆，取；变形，取平均裂缝宽度8.3 8.3 钢筋砼构件裂缝宽度计算钢筋砼构件裂缝宽度计算8.3.4 半理论半经验的方法裂缝的最大宽度:最大裂缝宽度由平均裂缝宽度乘以“扩大系数”得到， “扩大系数”由试验结果的统计分析并参照使用经验确定,主要考虑两种情况：一是裂缝的不均匀性；二是荷载长期作用的影响。由裂缝的统计特性，按95%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，取扩大系数为8.3 8.3 钢筋砼构件裂缝宽度计算钢筋
17、砼构件裂缝宽度计算8.3.4 半理论半经验的方法规范规定对矩形、T形、倒T形和I形截面的受拉、受弯和大偏心受压构件，按荷载效应的标准组合并考虑长期作用的影响，受弯kl；轴拉kl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裂缝宽度的控制裂缝的控制等级严格要求不出现裂缝一级二级三级一般要求不出现裂缝可以出现裂缝但要验算裂缝的宽度C限值由不同的规范根据具体的情况确定,主要考虑两个方面：一是外观要求，二是耐久性要求8.4 8.4 砼构件的截面延性砼构件的截面延性v8.4.1 8.4.1 延性的概念延性的概念结构、构件或截面的延性是指从屈服开始至达到最大承载力或达到以后而截面承载力还没有
18、显著下降期间的变形能力。反映了它们后期的变形能力。要求具有一定的延性的目的在于：o（1）有利于吸收和耗散地震能量，满足抗震方面的要求；o（2）防止发生像超筋梁那样的脆性破坏，以确保生命和财产安全；o（3）在超静定结构中，能更好的适应地基不均匀沉降以及温度变化等情况；o（4）使超静定结构能够充分地进行内力重分布，并避免配筋疏密悬殊，便于施工，节约钢材。v 8.4.2 8.4.2 受弯构件的截面曲率延性系数受弯构件的截面曲率延性系数1 1、受弯构件截面曲率延性系数表达式、受弯构件截面曲率延性系数表达式2 2、影响因素影响因素o（1）纵向受拉钢筋配筋率增大，延性系数减小；o（2）受压钢筋配筋率增大，
19、延性系数增大；o（3）砼极限压应变增大，延性系数提高；o（4）砼强度等级提高，钢筋屈服强度降低，延性系数提高。提高截面曲率延性系数的措施主要有：提高截面曲率延性系数的措施主要有：o（1）限制纵向受拉钢筋配筋率，一般不大于2.5%；x（）h0o（2）规定受压钢筋配筋和受拉钢筋的最小比例，一般使As/As保持为；o（3）在弯矩较大的区段适当加密箍筋。v 8.4.3 8.4.3 偏心受压构件截面曲率延性的分析偏心受压构件截面曲率延性的分析轴压比轴压比n=N/n=N/f fc cA A大，延性系数小；大，延性系数小；配箍率增加，延性系数提高；配箍率增加，延性系数提高；8.5 8.5 砼结构的耐久性砼结
20、构的耐久性v8.5.1 8.5.1 耐久性的概念与主要影响因素耐久性的概念与主要影响因素1 1、砼结构的耐久性、砼结构的耐久性砼结构的耐久性是指在设计工作寿命期内，在正常维护下，必须保持适合于使用，而不需进行维修加固。我国采用满足耐久性规定的方法进行耐久性概念设计。2 2、影响耐久性的主要因素、影响耐久性的主要因素内部：砼强度、密实性、水泥用量、水灰比、氯离子及碱含量、外加剂用量、保护层厚度等；外部：环境条件（温度 、湿度、CO2含量、侵蚀性介质等；此外，设计不周、施工质量差或使用中维修不当等。v 砼的碳化砼的碳化减小碳化的措施有：减小碳化的措施有：o（1）合理设计砼配合比，规定水泥用量的低限
21、值和水灰比的高限值，合理采用掺和料；o（2）提高砼地密实性，抗渗性；o（3）规定钢筋保护层的最小厚度；o（4）采用覆盖面层（水泥砂浆或涂料等）。v8.5.3 8.5.3 钢筋的锈蚀钢筋的锈蚀防止钢筋锈蚀的主要措施：o（1）砼本身要防止碳化；o（2）采用覆盖层，防止CO2 、O2 Cl-的渗入；o（3）在强腐蚀介质中的钢筋砼构件可采用阻锈或不锈钢筋等；o（4）采用阴极保护法。v 8.5.4 8.5.4 耐久性概念设计耐久性概念设计1 1、耐久性概念设计的目的和基本原则、耐久性概念设计的目的和基本原则耐久性概念设计的目的是指在规定的设计工作寿命期内，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是根据结构的环境分类和设计工作寿命进行设计。2 2、砼结构使用环境分类：附表、砼结构使用环境分类：附表52523 3、砼结构的设计使用年限：一般为、砼结构的设计使用年限：一般为5050年年4 4、保证耐久性的技术措施及构造要求、保证耐久性的技术措施及构造要求
