高等鋼筋混凝土結構-7.裂縫說課材料

1、高等鋼筋混凝土結構-7.裂縫極限狀態(tài)設計理論承載能力極限狀態(tài)正常使用極限狀態(tài)混凝土結構的使用性能裂縫、變形、振動 （剛度）控制裂縫控制變形和振動產生裂縫的原因產生裂縫的原因 在混凝土結構中裂縫通常是由拉應力引起的。因混凝土的在混凝土結構中裂縫通常是由拉應力引起的。因混凝土的極限拉伸應變極限拉伸應變e etu 隨混凝土品種、配合比、添加劑、養(yǎng)護條件隨混凝土品種、配合比、添加劑、養(yǎng)護條件、加載速度、截面上的應力梯度等不同會發(fā)生變化。嚴格地說、加載速度、截面上的應力梯度等不同會發(fā)生變化。嚴格地說，只有當混凝土的拉伸應變，只有當混凝土的拉伸應變e et 達到某處混凝土的極限拉應變達到某處混凝土的極限拉

2、應變e etu 時才會出現裂縫。時才會出現裂縫。固體下沉，表面泌水而引起的。大風、高溫使水分從混凝土表面快速蒸發(fā)引起的（龜裂）。塑性裂縫混凝土的收縮受到約束后產生的裂縫約束收縮裂縫施工期間的裂縫混凝土收縮或溫度變形受到約束產生的裂縫混凝土收縮或溫度變形受到約束產生的裂縫 大體積混凝土水化過程大體積混凝土水化過程中發(fā)熱量很大，內部溫度較中發(fā)熱量很大，內部溫度較高，混凝土體積膨脹，內外高，混凝土體積膨脹，內外溫差很大，內部混凝土膨脹溫差很大，內部混凝土膨脹受到外部已硬化混凝土的約受到外部已硬化混凝土的約束，使構件表面混凝土受拉束，使構件表面混凝土受拉產生裂縫。產生裂縫。施工措施不當產生的裂縫施工措

3、施不當產生的裂縫混凝土在澆筑、硬化過程中會產生下沉和泌水，當下沉受到阻混凝土在澆筑、硬化過程中會產生下沉和泌水，當下沉受到阻擋時會產生內部的泌水，干燥后就會成為裂縫。擋時會產生內部的泌水，干燥后就會成為裂縫?；A不均勻沉降產生的裂縫基礎不均勻沉降產生的裂縫 基礎不均勻下基礎不均勻下沉時會迫使墻體一沉時會迫使墻體一起變形，在主拉應起變形，在主拉應力作用下混凝土墻力作用下混凝土墻體也會開裂。體也會開裂。主拉應力主拉應力基礎下沉基礎下沉鋼筋銹蝕產生的裂縫鋼筋銹蝕產生的裂縫溫度裂縫溫度區(qū)段氣溫升高時T受力裂縫拉、彎、剪、扭、粘結等引起的裂縫斜裂縫！垂直裂縫！縱向裂縫！目前，只有拉、彎狀態(tài)下混凝土橫向裂

4、縫寬度的計算理目前，只有拉、彎狀態(tài)下混凝土橫向裂縫寬度的計算理論比較成熟論比較成熟鋼筋混凝土受拉試件全過程試驗重要結論ms( es)l2lesmc(ec)ecm*裂縫數量增加至一定數量時不再增加，但寬度不斷變化*開裂后剛度退化 由于混凝土材料的不均勻性，裂縫的出現、分布和開展由于混凝土材料的不均勻性，裂縫的出現、分布和開展具有很大的離散性，裂縫間距和寬度也是不均勻的。但大量具有很大的離散性，裂縫間距和寬度也是不均勻的。但大量的試驗統(tǒng)計分析表明，裂縫間距和寬度的平均值具有一定規(guī)的試驗統(tǒng)計分析表明，裂縫間距和寬度的平均值具有一定規(guī)律性。律性。 如果兩條裂縫的間距大于如果兩條裂縫的間距大于 2 l

5、,則在其間還會存在則在其間還會存在ct ft 的混凝土的混凝土 區(qū)段，就會產生新的裂縫區(qū)段，就會產生新的裂縫; 如果兩條裂縫的間距小于如果兩條裂縫的間距小于 2 l ，則由于粘結應力傳遞長，則由于粘結應力傳遞長度不夠，裂縫間混凝土處處度不夠，裂縫間混凝土處處ct ft ，因此將不會再出現新，因此將不會再出現新的裂縫。故裂縫間距最終將穩(wěn)定在的裂縫。故裂縫間距最終將穩(wěn)定在 l 2 l 之間，可近似取之間，可近似取裂縫的平均間距裂縫的平均間距 l m =1. 5 l。 裂縫產生和開展過程中鋼筋及混凝土的應力變化裂縫產生和開展過程中鋼筋及混凝土的應力變化1. 裂縫出現前，混凝土和鋼筋的應變沿構件的長度

6、基本上是均勻裂縫出現前，混凝土和鋼筋的應變沿構件的長度基本上是均勻分布的；分布的；2. 當構件最薄弱截面混凝土的拉應變當構件最薄弱截面混凝土的拉應變t 達到極限拉應變達到極限拉應變tu 時，會時，會出現出現 第一條裂縫；第一條裂縫；3. 裂縫出現后，裂縫截面的混凝土立即退出受拉工作，拉應力裂縫出現后，裂縫截面的混凝土立即退出受拉工作，拉應力 t =0；裂縫兩側混凝土迅速；裂縫兩側混凝土迅速回縮回縮，使得裂縫一出現就有一定的寬，使得裂縫一出現就有一定的寬度；度；4.開裂后裂縫截面由于受拉混凝土退出工作，鋼筋拉應力開裂后裂縫截面由于受拉混凝土退出工作，鋼筋拉應力 s 突增，突增，但鋼筋與混凝土之間

7、存在粘結，在裂縫兩側一定范圍內就會產生但鋼筋與混凝土之間存在粘結，在裂縫兩側一定范圍內就會產生粘結應力粘結應力，隨著離裂縫距離的增加，混凝土中又重新建立起拉，隨著離裂縫距離的增加，混凝土中又重新建立起拉應力應力 t ，而裂縫截面突增的鋼筋拉應力，而裂縫截面突增的鋼筋拉應力 s 也逐漸恢復正常；也逐漸恢復正常；5. 當混凝土中拉應力當混凝土中拉應力 t 增大到增大到 ft 時，下一個最薄弱截面將可能出時，下一個最薄弱截面將可能出現新的裂縫；現新的裂縫；6. 當鋼筋接近屈服時，鋼筋與混凝土之間會產生較大滑移，粘結當鋼筋接近屈服時，鋼筋與混凝土之間會產生較大滑移，粘結應力基本喪失，裂縫間混凝土退出受

8、拉工作，鋼筋應力漸趨相等。應力基本喪失，裂縫間混凝土退出受拉工作，鋼筋應力漸趨相等。00.001 0.002 0.003 0.00420010050150N (kN)平均應變 混凝土：fc=30.8MPa; ft=1.97MPa; Ec=25.1103MPa.鋼筋： fy=376MPa; fsu=681MPa; Es= 2 0 5 1 03M P a ; As=284mm2.混凝土中的鋼筋裸鋼筋152NN915152*從平均應變意義上，空氣中的鋼筋和混凝土中的鋼筋的本構關系不同裂縫寬度的計算理論粘結滑移理論以軸心受拉為例C*基本假定就是：開裂后，裂縫處混凝土退出工作，鋼筋和混凝土之間發(fā)生滑移，

9、混凝土回縮至圖中虛線的位置*裂縫寬度=裂縫間鋼筋和混凝土之間的變形差值先求出裂縫間距裂縫的間距AfAtssldAmssdfdAdfdAflmtmtmt414412l（s+ s）AssAsc=ftl（s+ s）AssAsm裂縫的間距l(xiāng)（s+ s）AssAsc=ftl（s+ s）AssAsll2裂縫的最大間距裂縫的最小間距裂縫的平均間距l(xiāng)lm5 . 1dkdflmtm245 . 1裂縫的間距bhbfbfbh0.5hhfhf為了和受彎構件相統(tǒng)一，定義：testeAA有效配筋率有效受拉面積fftetehbbbhAbhA)(5 . 0受彎構件：軸拉構件：于是，對軸拉和受彎構件，平均裂縫間距的公式可統(tǒng)一寫

10、成：temdkl2裂縫寬度msmwmcmsmmlklweee2)(裂縫處鋼筋的應變C設 稱為裂縫間鋼筋應力不均勻系數，則有ssmee/tesswmswmsmwmdEklklkwee222裂縫處鋼筋的應力 裂縫間距越小，裂縫寬度也越小；裂縫間距越小，裂縫寬度也越??； 鋼筋直徑越細，裂縫寬度也越小；鋼筋直徑越細，裂縫寬度也越??； 配筋率配筋率越大，裂縫寬度也越?。辉酱?，裂縫寬度也越小； 采用變形鋼筋，可減小裂縫寬度。采用變形鋼筋，可減小裂縫寬度。 根據粘結根據粘結-滑移理論，滑移理論， “裂縫寬度是裂縫間距范圍內鋼筋與混凝土的裂縫寬度是裂縫間距范圍內鋼筋與混凝土的變形差變形差”，寬裂縫對結構耐久性

11、很不利，寬裂縫對結構耐久性很不利，分布細而密的裂縫分布細而密的裂縫對結構耐久性對結構耐久性較有利。這是控制裂縫寬度的一個重要原則。較有利。這是控制裂縫寬度的一個重要原則。無滑移理論認為混凝土開裂后，混凝土與鋼筋之間無相對滑移，裂縫的發(fā)展寬度與裂縫量測點距最近一根鋼筋表面的距離c直接相關。*Broms（美）Base（英）等人通過試驗得出：CcklEckwmsswm11粘接滑移與無滑移理論的結合上述兩種理論和實際情況均有一定的差距，為此將二者結合起來，按下述公式進行計算分析：)()(2121tesslwmtelmdkckEkkwdkckklC各系數由試驗分析確定統(tǒng)計分析法（Gergely-Lutz

12、法）-美國規(guī)范ACI318-95）對612個底面裂縫寬度和344個側面裂縫寬度進行統(tǒng)計分析，得出：3max76. 0Adfwcs)(/鋼筋根數nnAAshhh0 xdcdcAsh0 xhxh使用荷載下鋼筋的應力，ksi半理論半經驗的方法混凝土結構設計規(guī)范（GB50010）水工鋼筋混凝土結構設計規(guī)范所采用的方法平均裂縫間距)08. 09 . 1 (teeqlmdcklte0.01時，取te=0.01c65時，取c=65受彎kl=1.0；軸拉kl=1.1iiiiiegdndnd2光圓，取0.7；變形，取1.0平均裂縫寬度)08. 09 . 1 (teeqsslwmdcEkkwkw=0.852 .

13、0, 2 . 00 . 1, 0 . 1,65. 01 . 1取取stetf087. 0hAMANssss受彎：軸拉：裂縫的最大寬度由裂縫的統(tǒng)計特性，按95%的保證率考慮到長期荷載下，混凝土徐變影響導致裂縫繼續(xù)擴大，取擴大系數為1.5maxmax1.661.9mmwwww，（受彎，正態(tài)分布）， （軸拉，偏態(tài)分布）)08. 09 . 1 (maxteeqsscrdcEw1 . 20 . 185. 066. 15 . 17 . 21 . 185. 09 . 15 . 1crcr受彎：軸拉：以數理統(tǒng)計分析為基礎的計算方法公路鋼筋混凝土及預應力橋涵設計規(guī)范采用的方法)()1028. 030(321ma

14、xmmdECCCwssffshbbbhA)(0006. 0006. 002. 002. 0時，取時，取sAd4取換算直徑：直徑的鋼筋時鋼筋的直徑，采用不同受拉鋼筋的總周長裂縫寬度的控制裂縫的控制等級嚴格要求不出現裂縫一級二級三級一般要求不出現裂縫可以出現裂縫但要驗算裂縫的寬度limmaxwwC由不同的規(guī)范根據具體的情況確定 關于裂縫計算的討論：關于裂縫計算的討論：1.1.最新的研究表明，現有的最新的研究表明，現有的裂縫理論還很不完善裂縫理論還很不完善，裂縫本身又，裂縫本身又有較大的離散性，計算結果誤差較大；有較大的離散性，計算結果誤差較大；2.2.目前只驗算橫向裂縫，但從長期來看，橫向裂縫對結

15、構耐久目前只驗算橫向裂縫，但從長期來看，橫向裂縫對結構耐久性的影響并不大，而性的影響并不大，而縱向裂縫對結構耐久性的影響最大縱向裂縫對結構耐久性的影響最大，卻而，卻而又不會計算；又不會計算；3.3.目前只驗算混凝土表面的裂縫寬度，而目前只驗算混凝土表面的裂縫寬度，而直接影響耐久性的是直接影響耐久性的是鋼筋表面處的裂縫寬度鋼筋表面處的裂縫寬度，但還不會計算；，但還不會計算；4.4.研究裂縫的主要目的是提高結構的耐久性，在裂縫計算理論研究裂縫的主要目的是提高結構的耐久性，在裂縫計算理論尚不完善的情況下，尚不完善的情況下，提高結構的耐久性的有效措施是提高混凝提高結構的耐久性的有效措施是提高混凝土的密

16、實性，適當加大混凝土保護層，以及合理的構造措施土的密實性，適當加大混凝土保護層，以及合理的構造措施。5.5.規(guī)范規(guī)范只反映現階段人們的認識水平，有待逐年修改，更只反映現階段人們的認識水平，有待逐年修改，更新，在裂縫計算方面還有很多工作要做。新，在裂縫計算方面還有很多工作要做。 除了用計算控制裂縫外，設計者更應當從構造上控制裂除了用計算控制裂縫外，設計者更應當從構造上控制裂縫。縫。 根據根據無滑移理論無滑移理論，鋼筋表面與混凝土有可靠粘結。近年的，鋼筋表面與混凝土有可靠粘結。近年的研究表明，由于鋼筋的勻質性，在研究表明，由于鋼筋的勻質性，在鋼筋周圍一定范圍內鋼筋可鋼筋周圍一定范圍內鋼筋可有效約束混凝土的不均勻變形有效約束混凝土的不均勻變形，這樣，在宏觀上就大大提高了，這樣，在宏觀上就大大提高了混凝土的極限拉伸應變，通常把這個范圍稱為鋼筋的約束區(qū)，混凝土的極限拉伸應變，通常把這個范圍稱為鋼筋的約束區(qū)，研究表明鋼筋約束區(qū)大約為鋼筋周圍研究表明鋼筋約束區(qū)大約為鋼筋周圍7.57.5d d 的范圍。的范圍。利用鋼筋約利用鋼筋約束區(qū)的概念可以從構造上有效地控制裂縫的寬度。束區(qū)的概念可以從構造上有效地控制裂縫的寬度。 例如：例如： 利用鋼筋約束區(qū)的概念利用鋼筋約束區(qū)的概念在薄腹梁的腹板上適當布置腰筋可有在薄腹梁的腹板上適當布置腰筋可有效控制薄腹