鋼筋混凝土構(gòu)件的裂縫、變形

1、第九章 鋼筋混凝土構(gòu)件的裂縫、變形及混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性混凝土結(jié)構(gòu)原理一、引言結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠性本章的主要內(nèi)容具有足夠的承載力和變形能力安全性適用性耐久性在使用荷載下不產(chǎn)生過大的裂縫和變形在一定時期內(nèi)維持其安全性和適用性的能力二、裂縫的分類與成因 1. 分類施工期間產(chǎn)生的裂縫和使用期間產(chǎn)生的裂縫按裂縫的產(chǎn)生時間龜裂、橫向裂縫（與構(gòu)件軸線垂直）、縱向裂縫、斜裂縫、八字裂縫、X形交叉裂縫等按裂縫的產(chǎn)生原因非受力因素產(chǎn)生的裂縫和受力因素產(chǎn)生的裂縫按裂縫的形態(tài)二、裂縫的分類與成因 2. 成因固體下沉，表面泌水而引起的。大風(fēng)、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(chǎn)生的

2、裂縫溫度裂縫大體積混凝土中由于混凝土水化作用產(chǎn)生的水化熱使內(nèi)外混凝土產(chǎn)生溫度差。約束收縮裂縫施工期間的裂縫二、裂縫的分類與成因 2. 成因因施工程序不當(dāng)而造成的受力裂縫施工中的受力裂縫施工期間的裂縫樓板裂縫二、裂縫的分類與成因 2. 成因使用期間的裂縫-鋼筋銹蝕引起的裂縫二、裂縫的分類與成因 2. 成因使用期間的裂縫-溫度（氣溫）變化引起的裂縫溫度區(qū)段氣溫升高時T二、裂縫的分類與成因 2. 成因使用期間的裂縫-地基不均勻沉降引起的裂縫二、裂縫的分類與成因 2. 成因使用期間的裂縫-外部環(huán)境引起的裂縫凍融循環(huán)作用堿骨料反應(yīng)鹽類腐蝕外部環(huán)境酸類腐蝕二、裂縫的分類與成因 2. 成因使用期間的裂縫-荷

3、載引起的裂縫斜裂縫！垂直裂縫！縱向裂縫！拉、彎、剪、扭、粘結(jié)等引起的裂縫目前，只有在拉、彎狀態(tài)下混凝土橫向裂縫寬度的計算理論比較成熟。這也是下面所要介紹的主要內(nèi)容三、橫向受力裂縫寬度的計算 1. 粘結(jié)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，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三、橫向受力裂縫寬度的計算 1. 粘結(jié)滑移理論構(gòu)件的開裂：llms smc cmAs粘結(jié)應(yīng)力的傳遞長度裂縫數(shù)量增加至一定數(shù)量時不再增加，但寬度不斷變化三、橫向受力裂縫寬度的計算 1. 粘結(jié)滑移理論粘結(jié)長度：msllsmc

4、cml（s+ s）AssAsc=ftl(s+s)AssAsm三、橫向受力裂縫寬度的計算 1. 粘結(jié)滑移理論裂縫的平均間距：裂縫的平均間距三、橫向受力裂縫寬度的計算 1. 粘結(jié)滑移理論裂縫的平均間距：bhbfbfbh0.5hhfhf為了和受彎構(gòu)件相統(tǒng)一，定義：有效配筋率有效受拉面積于是，對軸拉和受彎構(gòu)件，平均裂縫間距的公式可統(tǒng)一寫成：三、橫向受力裂縫寬度的計算 1. 粘結(jié)滑移理論裂縫的平均寬度裂縫處鋼筋的應(yīng)變C設(shè) 稱為裂縫間鋼筋應(yīng)力不均勻系數(shù)，則有裂縫處鋼筋的應(yīng)力（計算見后面相關(guān)內(nèi)容）稱為裂縫間混凝土自身伸長對裂縫寬度的影響系數(shù)，對受彎、軸心受拉和偏心受力構(gòu)件，一般可取0.85。三、橫向受力裂縫

5、寬度的計算 2. 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(guān)。*Broms（美）Base（英）等人通過試驗得出：C三、橫向受力裂縫寬度的計算 3. 粘接滑移與無滑移理論的結(jié)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(jié)合起來，按下述公式進行計算分析：C各系數(shù)由試驗分析確定四、裂縫寬度的實用計算方法 1. 半理論半經(jīng)驗的方法混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（GB50010）水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范四、裂縫寬度的實用計算方法 1. 半理論半經(jīng)驗的方法平均裂縫間距c65時，取c=65受彎:kl=1.0軸拉:kl=1.1光圓，取0.7

6、變形，取1.0te0.01時，取te=0.01四、裂縫寬度的實用計算方法 1. 半理論半經(jīng)驗的方法平均裂縫寬度四、裂縫寬度的實用計算方法 1. 半理論半經(jīng)驗的方法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(dǎo)致裂縫繼續(xù)擴大，取擴大系數(shù)為1.5四、裂縫寬度的實用計算方法 2. 以數(shù)理統(tǒng)計分析為基礎(chǔ)的計算方法公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力橋涵設(shè)計規(guī)范采用的方法受拉鋼筋的總周長五、裂縫寬度的控制裂縫的控制等級嚴(yán)格要求不出現(xiàn)裂縫一級二級三級一般要求不出現(xiàn)裂縫可以出現(xiàn)裂縫但要驗算裂縫的寬度由不同的規(guī)范根據(jù)具體的情況確定六、受彎構(gòu)件的變形與剛度1. 截面抗彎剛度的特點與荷載形式

7、、支承條件有關(guān)的撓度系數(shù)M012IIIIII鋼筋混凝土純彎段截面抗彎剛度的特點 ：*隨著彎矩增大B不斷降低*短期荷載效應(yīng)時的撓度對應(yīng)短期剛度Bs*長期荷載效應(yīng)時的撓度對應(yīng)長期剛度Bl(徐變、裂縫的不斷發(fā)展等等)適筋梁的M-關(guān)系曲線六、受彎構(gòu)件的變形與剛度2. 短期剛度Bs（荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合）解析剛度法就平均應(yīng)變而言符合平截面假定：短期荷載效應(yīng)MkMk梁純彎段內(nèi)各截面應(yīng)變及裂縫分布六、受彎構(gòu)件的變形與剛度2. 短期剛度Bs解析剛度法裂縫截面處的應(yīng)力和應(yīng)變MkAsh0h0ckck0h0Assk六、受彎構(gòu)件的變形與剛度2. 短期剛度Bs解析剛度法其中：系數(shù) 可由下式給出：為裂縫截面處內(nèi)力臂長度系數(shù)

8、，可取0.87；六、受彎構(gòu)件的變形與剛度2. 短期剛度Bs混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范GB50010-采用的就是上述公式，其中：為裂縫間縱向受拉鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù)，其計算過程同裂縫驗算；則受彎構(gòu)件的短期剛度可寫出：六、受彎構(gòu)件的變形與剛度3. 荷載長期作用下的剛度B恒+活中“恒”基本概念flMqfs活中“活”Mk+六、受彎構(gòu)件的變形與剛度3. 荷載長期作用下的剛度B考慮：用荷載效應(yīng)的準(zhǔn)永久組合對撓度增大的影響系數(shù) 來考慮荷載長期效應(yīng)對構(gòu)件撓度的影響。則混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范GB50010給出如下公式：混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范GB50010根據(jù)天津大學(xué)和東南大學(xué)長期荷載試驗的結(jié)果，給出 的計算公式如下：六、受彎構(gòu)件

9、的變形與剛度3. 荷載長期作用下的剛度B六、受彎構(gòu)件的變形與剛度4. 受彎構(gòu)件的撓度計算最小剛度原則PPhl0MBmin見附表4-1六、受彎構(gòu)件的變形與剛度5.對受彎構(gòu)件撓度驗算的討論1、影響短期剛度 BS 的因素（1）彎矩 MK。 MK增大，sk增大，因而也增大， BS相應(yīng)減小。（2）具體計算表明，增大，BS也略有增大。（3）截面形狀對BS從有所影響，受拉翼緣和受壓翼緣都使截面的BS 增大。（4）提高混凝土強度等級對提高BS的作用不大。（5）當(dāng)配筋率和材料給定時，截面有效高度h0對截面彎曲剛度的提高作用最顯著。2、配筋率 配筋率對承載力和撓度的影響不大，一個構(gòu)件不能盲目地用增大配筋率的方法來

10、解決撓度不滿足的問題。3、跨高比 跨度 l0 越大，f 也越大。4、混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件變形限值（1）保證建筑的使用功能要求（2）防止對結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生不良影響（3）防止對非結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生不良影響（4）保證人們的感覺在可接受程度六、受彎構(gòu)件的變形與剛度5.對受彎構(gòu)件撓度驗算的討論9.3 混凝土構(gòu)件的延性9.3.1 延性概念結(jié)構(gòu)、構(gòu)件或截面延性是指從屈服開始到達到最大承載力或達到以后而承載力還沒有顯著下降期間的變形能力。即延性是反映構(gòu)件的后期變形能力?！昂笃凇笔侵笍匿摻铋_始屈服進入破壞階段直到最大承載能力（或下降到最大承載能力的 85）時的整個過程。延性要求的目的：滿足抗震方面的要求；防止脆性破壞；在超靜定

11、結(jié)構(gòu)中，適應(yīng)外界的變化；使超靜定結(jié)構(gòu)能充分的進行內(nèi)力重分布。9.3.2 截面的延性的計算及影響因素 截面的延性用延性系數(shù)來表達，計算時采用平截面假設(shè)。延性系數(shù)表達式：9.3.3 受彎構(gòu)件延性的因素和提高截面延性的措施 影響因素主要包括：縱向鋼筋配筋率、混凝土極限壓應(yīng)變、鋼筋屈服強度及混凝土強度等。即極限壓應(yīng)變 以及受壓區(qū)高度 kh0 和 兩個綜合因素。 提高截面延性的措施有:限制縱向受拉鋼筋的配筋率；規(guī)定受壓鋼筋和受拉鋼筋的最小比例；在彎矩較大區(qū)段適當(dāng)加密箍筋。9.4 混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性 耐久性是指結(jié)構(gòu)在設(shè)計使用年限內(nèi)，在正常維護條件下，不需要進行大修和加固滿足，而滿足正常使用和安全功能要求的

12、能力。9.4.1 耐久性的概念及其影響因素 耐久性設(shè)計依據(jù)主要是結(jié)構(gòu)的環(huán)境類別、設(shè)計使用年限及考慮對混凝土材料的基本要求。影響因素：內(nèi)部因素： 混凝土強度、滲透性、保護層厚度、水泥品種、標(biāo)號和用量、外加濟等；外部因素： 環(huán)境溫度、濕度、CO2含量、 侵蝕性介質(zhì)等。 混凝土的碳化及鋼筋的銹蝕是影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的最主要的綜合因素。 碳化是混凝土中性化的形式，是指大氣中的二氧化碳（CO2）不斷向混凝土內(nèi)部擴散，并與其中的堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，使混凝土的PH值降低。 碳化對混凝土本身無害，其主要是當(dāng)碳化至鋼筋表面，氧化膜被破壞形成鋼筋銹蝕的必要條件，同時含氧水份侵入形成鋼筋銹蝕的充分條件，從而加劇混凝

13、土開裂，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。碳化影響因素有：環(huán)境因素和材料本身的性質(zhì)。 凝土的碳化從構(gòu)件表面開始向內(nèi)發(fā)展，到保護層完全碳化，所需要的時間與碳化速度、混凝土保護層厚度、混凝土密實性以及覆蓋層情況等因素有關(guān)。9.4.2 混凝土的碳化及鋼筋的銹蝕減小碳化措施有：合理設(shè)計混凝土的配合比；提高混凝土的密實度、抗?jié)B性；規(guī)定鋼筋保護層的最小厚度；采用覆蓋面層。 鋼筋銹蝕是影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的最關(guān)鍵問題, 它是一個電化學(xué)過程，因此銹蝕主要取決于氧氣通過混凝土保護層向鋼筋表面的陰極的擴散速度，而這種擴散速度主要取決于混凝土的密實度。氧氣和水份是鋼筋銹蝕必要條件。鋼筋銹蝕對混凝土結(jié)構(gòu)損傷過程：坑蝕 環(huán)蝕 暴 筋 結(jié)構(gòu)失效。 防止鋼筋銹蝕措施有：增加混凝土的密實性和混凝土的保護層厚度，采用涂面層、鋼筋阻銹劑、涂層鋼筋、對鋼筋采用陰極防護法等。9.4.3 耐久性設(shè)計1. 耐久性設(shè)計的目的及基本原則 耐久性概念設(shè)計的目的是指在規(guī)定的設(shè)計使用年限內(nèi)，在正常維護下，必須保持適合于使用，滿足既定功能的要求。 耐久性概念設(shè)計的基本原則是根據(jù)結(jié)構(gòu)的環(huán)境類別和設(shè)計