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1、第八章 混凝土构件的使用性能一、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二、裂缝的分类与成因 1. 分类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二、裂缝的分类与成因 2. 成因固体下沉，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
2、作用产生的水化热使内外混凝土产生温度差。约束收缩裂缝施工期间的裂缝二、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施工中的受力裂缝施工期间的裂缝楼板裂缝二、裂缝的分类与成因 2. 成因使用期间的裂缝-钢筋锈蚀引起的裂缝二、裂缝的分类与成因 2. 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T二、裂缝的分类与成因 2. 成因使用期间的裂缝-地基不均匀沉降引起的裂缝二、裂缝的分类与成因 2. 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二、裂缝的分类与成因 2. 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！
3、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三、横向受力裂缝宽度的计算 1. 粘结滑移理论以轴心受拉为例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三、横向受力裂缝宽度的计算 1. 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三、横向受力裂缝宽度的计算 1. 粘结滑移理论
4、裂缝的间距m s (s)llsmc(c)cml（s+ s）AssAsc=ftl（s+ s）AssAsm裂缝的平均间距三、横向受力裂缝宽度的计算 1. 粘结滑移理论裂缝的间距m s (s)llsmc(c)cml（s+ s）AssAsc=ftl（s+ s）AssAsm裂缝的平均间距三、横向受力裂缝宽度的计算 1. 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：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
5、表面的距离c直接相关。C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te0.01时，取te=0.01c65时，取c=65受弯kl=1.0；轴拉kl=1.1光圆，取0.7；变形，取1.0四、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kw=0.85四、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
6、扩大系数为1.5五、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由不同的规范根据具体的情况确定9.1受弯构件的变形验算1. 截面抗弯刚度的特点M012IIIIII*随着弯矩增大B不断降低；随时间增长而减小*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B(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钢筋混凝土纯弯段截面开裂后抗弯刚度为特点：六、受弯构件的变形与刚度2. 短期刚度Bs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六、受弯构件的变形与刚度2. 短
7、期刚度Bs解析刚度法裂缝截面处的应力和应变平均应变六、受弯构件的变形与刚度2. 短期刚度Bs解析刚度法GB50010采用的就是上述公式，且有 ，于是： 式中 f受压翼缘的加强系数； 当 hf0.2h0时，取 hf=0.2h0。 钢筋的弹性模量Es和混凝土弹性模量Ec的比值； 纵向受拉钢筋的配筋率， ； 钢筋应变不均匀系数，是裂缝之间钢筋的平均应变与裂缝截面钢筋应变之比，它反映了裂缝间混凝土受拉对纵向钢筋应变的影响程度。愈小，裂缝间混凝土协助钢筋抗拉作用愈强。该系数按下列公式计算 并规定0.2 1.0式中 按有效受拉混凝土面积计算的纵向受拉钢筋配筋率， 。 有效受拉混凝土面积。对受弯构件，近似取
8、 按荷载短期效应组合计算的裂缝截面处纵向受拉钢筋的应力，根据使用阶段（阶段）的应力状态及受力特征计算: 对受弯构件式中 M k按荷载短期效应组合计算的弯矩值，即按全部永久荷载及可变荷载标准值求得的弯矩标准值。 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flMlfs活中“活”Ms+六、受弯构件的变形与刚度3. 荷载长期作用下的刚度定义：变形系数法GB50010六、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PPhl0BsM由不同的规范根据具体的情况确定 若验算结果 ,从短期刚度计算公式可知，增大截面高度是提高截面抗弯刚度、减小构件挠度的最有效措施；还可
9、以充分利用纵向受压钢筋对长期刚度的有利影响，在受压区配置一定数量的受压钢筋，另外，采用预应力混凝土构件也是提高受弯构件刚度的有效措施。实际工程中，往往采用控制跨高比的方法来满足变形条件的要求。 f f 9.3.1 9.3.1 延性概念延性概念结构、构件或截面结构、构件或截面延性延性是指从屈服开始到达到最大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能力。即延性是反映构件的后期变形后期变形能力。能力。“后期后期”是指从钢筋开始屈服进入破坏阶段直到最是指从钢筋开始屈服进入破坏阶段直到最大承载能力（或
10、下降到最大承载能力的大承载能力（或下降到最大承载能力的 85）时的整个）时的整个过程。过程。延性要求的延性要求的目的目的：I.I.满足抗震方面的要求；满足抗震方面的要求；II.II.防止脆性破坏；防止脆性破坏；III.III.在超静定结构中，适应外界的变化；在超静定结构中，适应外界的变化；IV.IV.使超静定结构能充分的进行内力重分布。使超静定结构能充分的进行内力重分布。混凝土构件的延性混凝土构件的延性8.3.2 8.3.2 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，计算时采用截面的延性用延性系数来表达，计算时采用平截面假平截面假设设。延性系数表达式：延
11、性系数表达式： 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 以及受压区高度以及受压区高度 kh0 和和 两个综合因素。两个综合因素。 提高截面延性的措施有提高截面延性的措施有:限制纵向受拉钢筋的配筋率；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。适当加密箍筋。8.3 混凝土构件的延性混凝
12、土构件的延性 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，而满足正常使用和安全件下，不需要进行大修和加固，而满足正常使用和安全功能要求的能力。功能要求的能力。8.4.1 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。年限及考虑对混凝土材料的基本要求。影响因素：影响因素：I.内部因素：内部因素： 混凝土强度、渗透性、保混凝土强度、渗透性、保护层厚度、水泥品种、标号和用量、护层厚度、水泥品种、标号和用量
13、、外加剂等；外加剂等；II.外部因素：外部因素： 环境温度、湿度、环境温度、湿度、CO2含量、含量、 侵蚀性介质等。侵蚀性介质等。8.4 混凝土结构的耐久性混凝土结构的耐久性 混凝土的碳化及钢筋的锈蚀是影响混凝土结构耐久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。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化是混凝土中性化的形式，是指大气中的二氧化碳（碳（CO2）不断向混凝土内部扩散，并与其中的碱性物）不断向混凝土内部扩散，并与其中的碱性物质发生反应，使质发生反应，使混凝土的混凝土的PH值降低值降低。 碳化对混凝土本身无害，其主要是当碳化至钢筋表
14、碳化对混凝土本身无害，其主要是当碳化至钢筋表面，氧化膜被破坏形成钢筋锈蚀的必要条件，同时含氧面，氧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。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。碳化影响因素有：环境因素和材料本身的性质。 混凝土的碳化从构件表面开始向内发展，到保护层混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。度、混凝土密实性
15、以及覆盖层情况等因素有关。8.4.2 混凝土的碳化及钢筋的锈蚀混凝土的碳化及钢筋的锈蚀减小碳化措施有：减小碳化措施有：a)合理设计混凝土的配合比；合理设计混凝土的配合比；b)提高混凝土的密实度、抗渗性；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；规定钢筋保护层的最小厚度；d)采用覆盖面层。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钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性的最关键问题题, , 它是一个电化学过程，因此它是一个电化学过程，因此锈蚀主要取决于氧气通锈蚀主要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，而这种过混凝土保护层向钢筋表面的阴极的扩散速度，而
16、这种扩散速度主要取决于混凝土的密实度扩散速度主要取决于混凝土的密实度。氧气和水份是钢。氧气和水份是钢筋锈蚀必要条件。筋锈蚀必要条件。钢筋锈蚀对混凝土结构损伤过程：钢筋锈蚀对混凝土结构损伤过程：坑蚀坑蚀 环蚀环蚀 暴暴 筋筋 结构失效结构失效。8.4 混凝土结构的耐久性混凝土结构的耐久性 防止钢筋锈蚀措施有：增加混凝土的密实性和混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。钢筋、对钢筋采用阴极防护法等。8.4.3 8.4.3 耐久性耐久性设计设计1. 耐久性设计的目的及基本原则
17、耐久性设计的目的及基本原则 耐久性概念设计的耐久性概念设计的目的目的是指在规定的设计使用年限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。能的要求。 耐久性概念设计的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是根据结构的环境类别和设计使用年限进行设计。别和设计使用年限进行设计。8.4 混凝土结构的耐久性混凝土结构的耐久性a. 规定最小保护层厚度；规定最小保护层厚度；b.满足混凝土的基本要求；满足混凝土的基本要求；控制最大水灰比、最小水泥控制最大水灰比、最小水泥用量、最低强度等级、最大氯离子含量以及最大碱
18、含用量、最低强度等级、最大氯离子含量以及最大碱含量。量。c.裂缝控制：裂缝控制：一级：一级：严格要求不出现裂缝的构件；严格要求不出现裂缝的构件；二级：二级：一般要求不出现裂缝的构件一般要求不出现裂缝的构件；三级：；三级：允许出现裂缝的允许出现裂缝的构件构件。d.其他措施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。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采用有利提高耐久性的高强混凝土。2. 保证耐久性的措施保证耐久性的措施8.4 混凝土结构的耐久性混凝土结构的耐久性
