第八章正常使用极限状态.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算,抗裂验算,裂缝开展宽度的验算,变形验算,混凝土结构耐久性要求,本章主要内容,1、结构的极限状态分为两类：,（1）,承载能力极限状态,:,结构或构件达到最大承载力或不适应承载的过大变形。,超过该极限状态，结构就不能满足预定的安全性要求。,对各种结构构件都应进行该极限状态设计。,采用荷载设计值及材料强度设计值。,（2）,正常使用极限状态,：超过该极限状态，结构就不满足预定的适用性和耐久性要求。,产生过大的变形，影响正常使用和外观；,（不安全感、不能正常使用等）,产生过宽的裂缝，对耐久性有影响或者产生人们心理上不能接受的感觉；（钢筋锈蚀、不安全感、漏水等）,产生过大的振动影响使用。,正常使用极限状态,承载能力极限状态,极限状态,极限状态的分类,国际标化组织,承载能力极限状态,对应于结构或构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形。,承载能力,极限状态,结构发生,滑移、上浮或倾覆,构件截面因,材料强度不足,而破坏,整个结构或结构的一部分,丧失稳定,结构或结构构件,产生过大的塑性变形,而不适于继续承载,5,4,3,1,2,结构转变,成,机动体系,正常使用极限状态,对应于结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值。,影响正常使用或外观的,变形,影响正常使用或,或外观的,裂缝,影响正常使用的,振动,正常使用极限状态,正常使用极限状态验算的可靠度要求较低，一般要求,=1.02.0。,材料强度,采用标准值,而不用设计值，即材料分项系数取为,1.0,。,荷载,采用标准值,而不用设计值，即荷载分项系数,G,及,Q,取为1.0。,采用荷载效应标准组合。,结构系数,d,及设计状况系数,也,均取为,1.0,。,SL191-2008取消了结构重要性系数,3、设计表达式中分项系数取值,正常使用极限状态验算可能成为设计中控制情况。,一般只对,持久状况,进行验算。,验算内容：,抗裂验算,、,裂缝宽度验算,及,变形验算,。,抗裂验算范围,：承受水压的轴拉、小偏拉及发生裂缝后,引起严重渗漏构件。,裂缝宽度验算范围,：需要控制裂缝宽度的构件。,变形验算范围,：需要限制变形的构件。,注意：,第一节 抗裂验算,一、轴心受拉构件,钢筋与混凝土变形协调，即将开裂时，,c,=f,t,；,s,=,s,E,S,=,tmax,E,s,=E,s,f,t,/,E,c,=,E,f,t,为满足目标可靠指标要求，引进,拉应力限制系数,ct,(0.85)，,f,t,改用,f,tk,:,二、受弯构件,受弯构件正截面即将开裂时，应力处于第,I,阶段末。,受拉区近似假定为梯形，塑化区占受拉区高度的一半。,利用平截面假定，根据力和力矩的平衡，求出,M,cr,。,更方便的是在保持,M,cr,相等的条件下，将受拉区梯形应力图折换成直线分布应力图。,受拉边缘应力为,m,f,t,。,m,为截面抵抗矩的塑性系数。,换算后可直接用弹性体的材料力学公式进行计算。,m,是受拉区为梯形的应力图形，按抗裂弯矩相等的原则，折算成直线应力图形时，相应受拉边缘应力比值。,m,值与截面形状、截面高度,h,配筋率和受力状态有关。,m,值与假定的受拉区应力图形有关，各种截面的,m,值见附录五表,4,，并乘以考虑截面高度影响的修正系数,0.7+300/,h,，其值不大于,1.1,。,h,以,mm,计，当,h,3000mm,，取,h=,3000mm,。,A,o,=,A,c,+,E,A,s,+,E,A,s,把钢筋换算为同位置的混凝土截面面积,E,A,s,和,E,A,s,：,W,0,换算截面,A,0,对受拉边缘的弹性抵抗矩；,y,0,换算截面重心轴至受压边缘的距离；,I,0,换算截面对其重心轴的惯性矩。,M,k,由荷载标准值按荷载效应标准组合计算的弯矩值。,为满足目标可靠指标的要求，引用,拉应力限制系数,ct,，荷载和材料强度均取用标准值。,双筋工字形换算截面特征值,三.偏心受拉构件,把钢筋换算为混凝土截面面积，将应力折换成直线分布，引入,偏拉,，采用迭加原理，用材料力学公式进行计算：,随应变梯度加大，塑性影响系数加大。,轴拉构件应变梯度为零，,轴拉,1,。,偏拉,随平均拉应力,的大小，按线性规律在,1,与,m,之间变化。,=0,时,(,受弯,),，,偏拉,m,；,=f,t,时,(,轴拉,),，,偏拉,1,。,e,O,轴向拉力的偏心距，,四.偏心受压构件,偏压,大于,m,，为简化计算并偏于安全取,偏压,m,：,第二节 裂缝开展宽度的验算,裂缝的成因及对策,荷载作用裂缝和非荷载作用裂缝,受力裂缝的开展机理,粘结滑移理论和无粘结滑移理论,平均裂缝宽度计算,最大裂缝宽度验算,一、裂缝的成因及对策,裂缝分荷载和非荷载因素引起的两类,。,非荷载因素如温度变化、混凝土收缩、基础不均匀沉降、塑性坍落、冰冻、钢筋锈蚀及碱一骨料化学反应等都能引起裂缝。,水工钢筋混凝土结构中，大部分裂缝由非荷载因素引起,。,(一)荷载作用引起的裂缝,混凝土结构中存在拉应力是产生裂缝的必要条件。,主拉应力达到混凝土抗拉强度时，不立即产生裂缝；当拉应变达到极限拉应变,e,tu,时才出现裂缝。,裂缝宽度计算限于由弯矩、轴心拉力、偏心拉,(,压,),力等引起的垂直裂缝（正截面裂缝）。,剪力或扭矩引起的斜裂缝计算没有在规范中反映。,其他原因引起裂缝没有简便方法计算。,对策,：,合理配筋,，控制钢筋应力不过高，钢筋直径不过粗、间距不过大，选择带肋钢筋。,1温度变化引起的裂缝,温度变化产生变形即热胀冷缩。变形受到约束，就产生裂缝。,对策：,设,伸缩缝,，减小约束，允许自由变形。,大体积混凝土，内部温度大，外周温度低，内外温差大，引起温度裂缝。,对策：,分层分块浇筑，采用低热水泥，埋置块石，预冷骨料，预埋冷却水管等。,(二)非荷载因素引起的裂缝,2混凝土收缩引起的裂缝,混凝土在空气中结硬产生收缩变形，产生收缩裂缝。,对策：,设伸缩缝，降低水灰比，配筋率不过高，设置构造钢筋使收缩裂缝分布均匀，加强潮湿养护。,3基础不均匀沉降引起的裂缝,对策：,构造措施及设沉降缝等。,4混凝土塑性坍落引起的裂缝,对策：,控制水灰比，采用适量减水剂，不漏振，不过振，避免泌水现象，在混凝土终凝前抹面压光。,5冰冻引起的裂缝,水在结冰时体积增加，孔道中水结冰会使混凝土胀裂。,6钢筋锈蚀引起的裂缝,钢筋锈蚀是电化学反应，钢筋生锈体积膨胀，产生顺筋裂缝，导致混凝土保护层剥落，影响结构耐久性。,对策：,提高混凝土的密实度和抗渗性，适当地加大保护层厚度。,7碱一骨料化学反应引起的裂缝,混凝土孔隙中水泥的碱性溶液与活性骨料(含活性SiO,2,)化学反应生成碱一硅酸凝胶，遇水膨胀，使混凝土胀裂。,对策：,限制活性骨料含量，高混凝土的密实度和采用较低的水灰比。,(a)混凝土开裂,(b)水、CO2侵入,钢筋锈蚀过程,(c)开始锈蚀,(d)钢筋体积膨胀,钢筋锈蚀过程,（一）裂缝宽度计算理论,数理统计的经验公式,通过对大量试验资料的分析，选出影响裂缝宽度的主要参数，进行数理统计后得出。,半理论半经验公式,为我国规范采用，从力学模型出发推导出理论计算公式，用试验资料确定公式中系数。理论又可分为三类,粘结滑移理论,无滑移理论,综合理论,二、受力裂缝的开展宽度计算理论概述,认为裂缝宽度是由于钢筋与混凝土之间的粘结破坏。出现相对滑移，引起裂缝处混凝土的回缩引起的。,粘结滑移理论：,假定裂缝开展后，混凝土截面在局部范围内不再保持为平面，钢筋与混凝土之间的粘结力不破坏，相对滑移忽略不计表面裂缝宽度是受从钢筋到构件表面的应变梯度控制的，与保护层厚度c大小有关。,无粘结滑移理论,建立在前两种理论基础上，既考虑保护层厚度c的影响，也考虑钢筋可能出现的滑移。,综合理论,裂缝出现前，拉区钢筋与混凝土共同受力。沿构件长度方向，各截面受力相同。,混凝土拉应力达到抗拉强度时，最弱截面出现第一条裂缝。,裂缝截面混凝土不再承受拉力，转由钢筋承担。裂缝截面钢筋应力突增，钢筋应变突变。,(二)裂缝开展前后的应力状态,受粘结作用影响，混凝土不能自由回缩到无应力状态。距裂缝越远，混凝土承担的拉应力越大，钢筋拉应力越小。,距裂缝截面有足够的长度时，混凝土拉应力,c,增大到,f,t,，将出现新的裂缝。,(二)裂缝开展前后的应力状态,荷载增加，应力大于混凝土实际抗拉强度的地方又出现第二条裂缝。,裂缝出现后，沿构件长度方向，钢筋与混凝土的应力随裂缝位置变化，中和轴随裂缝位置呈波浪形起伏。,f,tk,N,N,(,a,),(,b,),(,c,),s,ss,ct,=,f,tk,N,cr,N,cr,1,1,max,N,cr,+,N,2,1,1,N,cr,+,N,1,2,3,f,tk,N,s,N,s,分布,f,tk,sm,ss,(,b,),(,a,),(,c,),(,d,),(,e,),由于混凝土质量不均，裂缝间距有疏有密。最大间距可为平均间距的1.32倍。,荷载超过开裂荷载50以上时，裂缝间距才趋于稳定。,裂缝开展宽度有大有小，实际设计考虑的是最大宽度。,把问题理想化，裂缝是等间距的，同时发生的。,荷载增加只加大裂缝宽度，不产生新的裂缝。,各条裂缝宽度，在同一荷载下相等。,(三)平均裂缝宽度,m,钢筋重心处裂缝宽度,m,等于两条相邻裂缝之间钢筋与混凝土伸长之差：,sm,、,cm,分别为裂缝间钢筋及混凝土的平均应变；,l,cr,裂缝间距。,混凝土的拉伸变形极小，略去不计：,裂缝截面钢筋应变,s,最大，非裂缝截面钢筋应变减小，钢筋的平均应变,sm,比裂缝截面钢筋应变,s,小。,用,受拉钢筋应变不均匀系数,表示裂缝间因混凝土承受拉力对钢筋应变的影响，,=,sm,/,s,。,裂缝宽度主要取决于,裂缝截面钢筋应力,s,，,裂缝间距,l,cr,和,钢筋应变不均匀系数,也是两个重要的参数。,s,值,轴拉构件,l,cr,值,m,l,cr,范围内纵向受拉钢筋与混凝土的平均粘结应力；,u,纵向受拉钢筋截面总周长，,u=nd,，,n,和,d,为钢筋的,根数和直径。,A,te,有效受拉混凝土截面面积,脱离体两端拉力差由粘结力平衡：,粘结滑移理论,推求出的,lcr,与钢筋直径,d,及有效配筋率,te,As,A,te,有关。,无滑移理论,认为保护层厚度,c,是影响构件表面裂缝宽度的主要因素。,综合理论,既考虑,c,的影响，也考虑,d,及,te,的影响。,=,sm,/,s,1,，,反映裂缝间受拉混凝土参与工作的程度。,越小，混凝土参与承受拉力的程度越大；,越大，混凝土承受拉力的程度越小；,1,，混凝土脱离工作。,3,值,影响,的因素除钢筋应力外，还与混凝土抗拉强度、配筋率、钢筋与混凝土的粘结性能、荷载作用的时间和性质等有关。,准确计算十分复杂，根据试验资料给出半理论半经验计算公式,:,a,试验常数。,混凝土质量不均匀，裂缝间距有疏有密，宽度有大有小，荷载的持续作用裂缝宽度有所增长。,用最大宽度衡量是否超过允许值。,为考虑裂缝宽度的随机性、荷载持续作用、钢筋品种和构件受力特征等因素的综合影响。,(四)最大裂缝宽度,max,矩形、T形及工形截面的钢筋混凝土受拉、受弯和偏心受压构件，按荷载效应的短期组合(并考虑部分荷载的长期作用的影响)及长期组合的最大裂缝宽度：,三、SL191-2008规范的裂缝宽度验算公式,考虑构件受力特征和荷载长期作用的综合影响系数,按荷载标准值计算的构件纵向受力钢筋应力,纵向受拉钢筋的有效配筋率,受弯、偏拉及大偏压,A,te,2,ab,，,a,为,As,重心至截面受拉边缘的距离，,b,为矩形截面的宽度,有受拉翼缘的倒,T,形及工形截面,b,为受拉翼缘宽度,轴拉,A,te,2,al,s,，,l,s,为沿截面周边配置的受拉钢筋重心连线的总长度,A,te,有效受拉混凝土截面面积,受弯、偏拉及大偏压,：取拉区纵筋面积,全截面受拉的偏拉,：取拉应力大一侧的钢筋面积,轴拉,：取全部纵筋面积,A,s,拉区纵向钢筋截面面积,c,最外排纵向受拉筋外缘至拉区底边的距离(mm)，,c,65mm，,c,65mm；,d,受拉钢筋直径(mm)，,用不同直径时，改用换算直径4,A,s,u,u,为钢筋总周长；,偏压构件当,e,0,h,0,0.55时，裂缝宽度小，不必验算。,纵向受拉钢筋应力,（一）轴拉构件,N,k,由荷载标准值计算的轴向拉力值。,（二）受弯构件,M,k,由荷载标准值计算的弯矩值。,N,k,由荷载标准值计算的轴向压力值。,（四）偏心受拉构件,（三）大偏心受压构件,N,k,由荷载标准值计算的轴向拉力值。,设计时要求：,最大裂缝宽度允许值,见附录五表,1,。,取值主要考虑结构构件的耐久性和使用者心理。,当不满足上述要求？,影响裂缝宽度的主要因素是,钢筋应力、钢筋的直径、,外形、混凝土保护层厚度,及,配筋率,也是较重要的因,素。混凝土混凝土强度对裂缝宽度无显著影响。,普通钢筋混凝土结构中，不宜采用高强钢筋。,采用细而密、变形钢筋，适当提高受拉钢筋配筋率，,可使裂缝间距及裂缝宽度减小。,裂缝控制措施,混凝土保护层越厚，表面裂缝宽度越大，钢筋不易锈,蚀。不宜采用减小保护层厚度的方法。,受拉区混凝土设置钢筋网和掺加钢纤维，采用合理的,结构外形。,解决荷载裂缝问题的最有效方法是采用预应力钢筋混,凝土。,四、DL/T5057-2009规范的最大裂缝计算公式,当20mmc65mm时，,当65mmc150mm时，,cr,考虑构件受力特征的系数，,受弯和偏压构件,：1.90；,偏拉构件,：2.15；,轴拉构件,：2.45；,拉应力不均匀系数,，当,0.2时，取,=0.2；对直接承受重复荷载的构件，取,=1.0；,0,钢筋的初始应力,，对于长期处于水下的结构，可以取,0,=20N/mm2，对于干燥环境中的结构取,0,=0；,考虑钢筋表面形状的系数,。带肋钢筋取1.0，光圆钢筋取1.4,使用上需控制裂缝宽度的杆件体系，应验算裂缝宽度。,使用上需控制裂缝宽度的非杆件体系，可通过控制钢筋,应力的方法。,s,考虑环境影响和荷载长期作用的综合影响系,数。,s,=0.50.7,。,五、水工规范裂缝宽度控制计算原则,当构件已满足抗裂要求时，可不再进行裂缝宽度的验算；对于重要的构件，经论证确有必要时，还应进行裂缝宽度验算,由材料力学：,l,0,、,EI,梁的计算跨度和截面抗弯刚度。,抗弯刚度,EI,体现了截面抵抗弯曲变形的能力，匀质弹性材料,EI,为常数，,M,-,f,关系为直线。,第三节 变 形 验 算,(1)裂缝出现前，,M,-,f,接近直线。,(2)出现裂缝后，,出现转折点,A。,混凝土塑性发展，变形模,量降低；截面开裂，抗弯刚度降低。,(3)钢筋屈服，,出现第二个转折点,C,，截面刚度急剧降低。,由于混凝土开裂、弹塑性应力-应变关系和钢筋屈服等影响，钢筋混凝土适筋梁的,M,-,f,关系不再是直线。,钢筋混凝土梁，用,抗弯刚度,B,代替,EI,，,B,随,M,增大而减小。,刚度,B,确定后可用材料力学公式计算梁的挠度。,水工规范对钢筋混凝土梁抗弯刚度采用简化计算方法。,一、受弯构件的短期刚度,B,s,(一)不出现裂缝的构件,实际挠度比按弹性体算得的数值大。,混凝土受拉发生塑性，实际弹模降低，截面未削弱，,I,值不受影响。,将刚度,EI,修正可反映不出现裂缝的钢筋混凝土梁工作情况。,刚度,EI,用,B,s,值代替：,B,s,不出现裂缝的钢筋混凝土受弯构件的短期刚度；,E,c,混凝土的弹模；,I,0,换算截面对其重心轴的惯性矩；,0.85,考虑混凝土出现塑性时弹模降低的系数。,不出现裂缝的构件,短期刚度以材料力学梁的挠度公式为基础，根据试验，以,E,为主要参数进行回归分析，,B,s,与,E,为线性关系。,矩形、T形及工形截面构件的短期刚度：,纵向拉筋的配筋率；,f,受压翼缘面积与腹板有效面积的比值；,f,受拉翼缘面积与腹板有效面积的比值。,出现裂缝的构件,长期荷载下，压区混凝土徐变使挠度随时间增大。,混凝土收缩引起梁刚度降低，挠度增大。,拉区钢筋较多而压区很少或未配，压区混凝土自由收缩，梁上部缩短。拉区混凝土收缩受钢筋约束，混凝土受拉，可出现裂缝。,二、受弯构件的抗弯刚度,B,影响混凝土徐变和收缩的因素如,受压钢筋的配筋率，加荷龄期，荷载的大小及持续时间，使用环境的温度和湿度、混凝土的养护条件,等对长期挠度的增长有影响。,考虑混凝土徐变及收缩的影响计算长期刚度，或直接计算荷载长期作用产生的挠度增长和自由收缩引起的翘曲；,试验结果确定荷载长期作用的挠度增大系数,，,采用,值计算长期刚度。,考虑荷载长期作用对梁挠度影响的方法,现行水工混凝土结构设计规范采用：,我国规范采用第种方法,将,B,代替,EI,，挠度值按材料力学公式求得。,挠度计算值不应超过附录五表,3,规定的允许值。,f,按荷载效应标准组合对应的刚度,B,进行计算所求得的挠度值。,三、受弯构件的挠度计算,挠度不满足，增加截面尺寸、提高混凝土强度等级、增加配筋量及选用合理的截面,(,如,T,形或工形等,),都可提高构件的刚度。,合理有效的措施是,增大截面的高度。,由于弯矩沿梁长是变化的，,抗弯刚度沿梁长也是变化的。,但按变刚度梁来计算挠度变形很麻烦。,四、最小刚度原则,g,k,+,q,k,B,min,B,min,(,a,),(,b,),规范为简化起见，取同号弯矩区段的最大弯矩截面处的最小刚度,B,min,，,按等刚度梁,来计算。,计算,B,，,简支梁,取跨中截面的刚度，即,按跨中截面取；,悬臂梁,按支座截面取；,等截面连续构件,，取跨中和支座截面刚度的平均值。,第四节 混凝土的耐久性,一、混凝土的耐久性的概念,指结构在指定的工作环境中，正常使用和维护条件下，随时间变化而仍能满足预定功能要求的能力。,二、耐久性设计的基本原则,根据结构或构件所处的环境及腐蚀程度，选择相应技术措施和构造要求，保证结构或构件达到预期的使用寿命。,混凝土冻融破坏,混凝土的碱骨料反应,侵蚀性介质的腐蚀,机械磨损,混凝土的碳化,钢筋锈蚀,三、影响混凝土结构耐久性的主要因素,控制结构的裂缝宽度,混凝土混凝土保护层最小厚度,混凝土最低强度等级,混凝土最低抗渗等级,混凝土最低抗冻等级,最小水泥用量、最大水灰比、最大氯离子含量、最大碱含量,结构型式和配筋,四、保证耐久性的技术措施及构造要求,轴心受拉、受弯、偏心拉,(,压,),构件正截面抗裂计算的,应力图形及基本计算公式；,混凝土混凝土保护层最小厚,度,最大裂缝宽度的计算；减小裂缝宽度的措施,受弯构件抗弯刚度的计算。提高构件刚度的措施。“最,小刚度原则”。,本章重点,