钢筋混凝土构件的变形、裂缝及混凝土结构的耐久性.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,注册筑龙结构超爽会员,超爽,0,币、超爽,1,币资料海量资料即刻下载,详情咨询：,QQ,：,29436561,第九章,钢筋混凝土构件的变形、裂缝及混凝土结构的耐久性,变形、裂缝不超过规定限值；正常使用及耐久性的要求与规定限值。,目标可靠指标要小些。,验算时采用荷载标准值、荷载准永久值、材料强度标准值。,应按荷载效应的标准组合，并考虑长期作用的影响。,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,第九章,钢筋混凝土构件的变形、裂缝及混凝土结构的耐久性,9.1 钢筋混凝土受弯构件的挠度验算,9.2 钢筋混凝土构件裂缝宽度验算,9.3 混凝土构件的截面延性,9.4 混凝土结构的耐久性,与,荷载形式、支承条件有关的系数,9.1.1、截面弯曲刚度的概念及定义,截面弯曲刚度使截面产生单位曲率需要施加的弯矩值，是度量截面抵抗弯曲变形能力的重要指标。,9.1.1、截面弯曲刚度的概念及定义,Back,对要求不出现裂缝的构件，可近似地把砼开裂前的,M-,曲线视为直线，它的斜率就是截面弯曲刚度，取为0.85,E,c,I,0,，,I,0,为换算截面惯性矩。,验算正常使用阶段构件挠度时，由于钢筋砼受弯构件正常使用时是带裂缝工作的，此时正截面承担的弯矩约为其最大受弯承载力试验值的50%70%，规范定义：在,M-,曲线上0.5 0.7,MU0,区段内，任一点与坐标原点相连的割线斜率为截面弯曲刚度,B。,9.1.2、短期刚度1平均曲率,沿梁长，受拉钢筋的拉应变和受压区边缘砼的压应变都是不均匀的，裂缝截面处最大，裂缝间呈曲线变化；,沿梁长，中和轴高度呈波浪形变化，裂缝截面处中和轴高度最小；,如果量测范围比较长,（750,mm），,则各水平纤维的平均应变沿梁截面高度的变化符合平截面假定。,就平均应变而言符合平截面假定,短期荷载效应,M,s,M,s,9.1.2、短期刚度1平均曲率,9.1.2、短期刚度2裂缝截面的应变,9.1.2、短期刚度3平均应变,受压区边缘砼平均应变综合系数；从材料力学观点，也可称为截面弹塑性抵抗矩系数。,GB50010,采用的就是上述公式，且有,于是：,9.1.2、短期刚度,4,表达式,9.1.3、参数的表达式1,裂缝截面处内力臂长度系数,反映裂缝间受拉砼对纵向受拉钢筋应变的影响程度,与以有效受拉砼截面面积计算、且考虑钢筋粘结性能差异后的有效纵向受拉钢筋配筋率,te,有关。,9.1.3、参数的表达式2,Back,受压区边缘砼平均应变综合系数,短期刚度计算式,在荷载效应的标准组合作用下，受压钢筋对刚度的影响不大，计算时可不考虑，如需估计其影响,所述的刚度实质上是指纯弯段内平均的截面弯曲刚度。,偏心受拉构件，只须用不同的力臂长度系数。,9.1.4、受弯构件的截面刚度,Back,荷载长期作用下刚度降低的原因：,受压砼的徐变；,裂缝间受拉砼的应力松弛以及砼和钢筋的徐变滑移；,裂缝向上发展以及受压砼的塑性发展，使内力臂减小；,受拉区与受压区砼收缩不一致，使梁发生翘曲。,定义：,变形系数法,GB50010,9.1.4、受弯构件的截面刚度,值与温湿度有关，干燥地区，建议酌情增加15%25%,；,翼缘位于受拉区的倒,T,形梁，,建议酌情增加20%；,因水泥用量较多等导致砼的徐变和收缩较大的构件，酌情增大。,9.1.5、最小刚度原则与挠度计算,Back,最小刚度原则：在简支梁全跨长范围内，都可按弯矩最大处的截面弯矩刚度，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。当构件上存在正、负弯矩时，可分别取同号弯矩区段内最大弯矩处截面的最小刚度计算挠度。,对连续梁的跨中挠度，当为等截面且计算跨度内的支座截面弯曲刚度不大于跨中截面弯曲刚度的两倍或不小于跨中截面弯曲刚度的二分之一时，也可按跨中最大弯矩截面弯曲刚度计算。,9.1.6、对受弯构件挠度验算的讨论1,影响短期刚度的因素：,弯矩,M,k,对,B,s,的影响是隐含在,中的，若其它条件相同，,M,k,增大时，,sk,增大因而,亦增大，则,B,s,相应地减小,；,具体计算表明，,增大，,B,s,也略有增大；,截面形状对,B,s,有所影响。当有受拉翼缘或受压翼缘时，,B,s,有所增大；,在常用配筋率,=1%2%,的情况下，提高砼强度等级对提高,B,s,的作用不大；,当配筋率和材料给定时，截面有效高度,h,0,对截面弯曲刚度的提高作用最显著。,配筋率对承载力和挠度的影响：,当配筋率超过一定数值后，满足了正截面承载力要求，就不满足挠度要求；,一个构件不能盲目地用增大配筋率的方法来解决挠度不满足的问题。应通过验算予以保证。,9.1.6、对受弯构件挠度验算的讨论2,Back,跨高比：,l,0,越大，,f,越大。因此，在承载力计算前若选定足够的截面高度或较小的跨高比,l,0,/h，,配筋率又限制在一定范围内时，如满足承载力要求，计算挠度也必然同时满足。,为了便于满足挠度的要求，设计时可选用下列跨度比：对采用,HRB335,级钢筋配筋的简支梁，当允许挠度为,l,0,/200,时，,l,0,/h,在2010的范围内采取。当永久荷载占比重大时，取较小值；当用,HPB235,或,HRB400,级钢筋配筋时，分别取较大值或较小值；当允许挠度为,l,0,/250,或,l,0,/300,时，,l,0,/h,取值相应减少些；当为整体肋形梁或连续梁时，则取值可大些。,砼结构构件变形限值：,保证建筑的使用功能要求；结构构件过大的变形将损害甚至丧失其使用功能,防止对结构构件产生不良影响；指防止结构性能与设计中的假定不符,防止对非结构构件产生不良影响；,保证人们的感觉在可接受程度之内。,增大截面弯曲刚度的措施,1,、增加截面高度,h,。,2,、增加纵向受拉钢筋截面面积。,3,、提高混凝土强度等级。,4,、配置受压钢筋。,5,、采用预应力混凝土构件。,挠度验算的计算过程,1,、计算标准组合弯矩值,M,K,、准永久组合弯矩值,Mq,2,、计算有关参数,3,、计算短期刚度,4,、计算长期刚度,5,、计算挠度并验算,9.2 钢筋混凝土构件裂缝宽度验算,返回,9.2.1、裂缝的出现、分布和开展,9.2.2、平均裂缝间距,9.2.3、平均裂缝宽度,9.2.4、最大裂缝宽度及验算,补充：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,补充：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,补充：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,补充：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,补充：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,补充：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,补充：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,补充：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！,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,9.2.1、裂缝的出现、分布和开展1,随着弯矩的增大，裂缝将逐条出现，当截面弯矩达到,0.5 0.7,M,U,0,时，裂缝将基本“出齐”，即裂缝的分布处于稳定状态。在两条裂缝之间，砼拉应力将小于实际砼抗拉强度，不足以产生新的裂缝。从理论上讲，裂缝间距在,l2l,范围内，裂缝间距即趋于稳定，故平均裂缝间距应为1.5,l。,9.2.1、裂缝的出现、分布和开展2,BACK,l,l,m,s,（,s,）,sm,c,（,c,）,cm,A,s,粘结应力的传递长度,裂缝数量增加至一定数量时不再增加，但宽度不断变化,9.2.1、裂缝的出现、分布和开展2,BACK,粘结应力传递长度短，则裂缝分布密。,l,与粘结强度及钢筋表面积大小有关，粘结强度高，,l,则短些，钢筋面积相同时小直径钢筋的表面积大些，因而,l,就短些；,l,也与配筋率有关，低配筋率构件（,l,长些,）,一旦出现裂缝，裂缝就具有一定的宽度。,裂缝的开展是由于砼的回缩，钢筋的伸长，导致砼与钢筋之间不断产生相对滑移的结果。,裂缝开展宽度,是指受拉钢筋重心水平处构件侧表面上砼的裂缝宽度。,在荷载长期作用下，由于砼的滑移徐变和拉应力的松弛，将导致裂缝间受拉砼不断退出工作，使裂缝开展宽度增大；砼的收缩使裂缝间砼的长度缩短，引起裂缝进一步开展；荷载的变动使钢筋直径时胀时缩等因素，引起粘结强度的降低，导致裂缝宽度的增大。,裂缝的出现具有某种程度的偶然性，因而裂缝的分布和宽度同样是不均匀的，但从平均的观点来看，平均裂缝间距和宽度是有规律性的。,9.2.2、平均裂缝间距,BACK,对受弯构件、偏心受拉和偏心受压构件，取不同的经验系数值。,有效受拉面积,te,0.01,时，取,te,=0.01,c,65,时，取,c,=65,受弯,k,l,=1.0,；,轴拉,k,l,=1.1,光圆，取,0.7,；,变形，取,1.0,9.2.2、平均裂缝间距,9.2.3、平均裂缝宽度1,裂缝宽度的离散性比裂缝间距更大些,平均裂缝宽度计算式,c,裂缝间砼自身伸长对裂缝宽度的影响系数，与配筋率、截面形状和砼保护层厚度等因素有关，但变化不大且对裂缝开展宽度的影响也不大，对受弯、轴心受拉、偏心受力构件，均可近似取0.85,9.2.3、平均裂缝宽度2,BACK,裂缝截面处的钢筋应力,受弯构件,轴心受拉构件,偏心受拉构件,偏心受压构件,9.2.4、最大裂缝宽度及验算1,确定最大裂缝宽度的方法,最大裂缝宽度由平均裂缝宽度乘以“扩大系数”得到。,最大裂缝宽度的计算,荷载长期作用下，砼进一步收缩以及受拉砼的应力松弛和滑移徐变等导致裂缝间受拉砼不断退出工作，此过程平均裂缝宽度增大较多，原较大的变化不大甚至略有减小。,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,1.5,考虑一定荷载标准组合下裂缝宽度的不均匀性；,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,9.2.4、最大裂缝宽度及验算2,最大裂缝宽度验算,9.2.4、最大裂缝宽度及验算,3,BACK,最大裂缝宽度限值,主要考虑两个方面的理由：外观要求；耐久性要求（主要）,耐久性所要求的裂缝宽度限值，应着重考虑环境条件及结构构件的工作条件。,对于斜裂缝宽度，当配置受剪承载力所需腹筋后，使用阶段的裂缝宽度一般小于0.2,mm，,故不必验算。,当,计算最大裂缝宽度超过允许值不大时，常可用减小钢筋直径的方法解决；必要时可适当增加配筋率。,对于受拉用受弯构件，当承载力要求较高时，有效的措施是施加预应力。,注意规范中的有关规定。,9.3 混凝土构件的截面延性,返回,9.3.1、延性概念,9.3.2、受弯构件的截面曲率延性系数,9.3.3、偏心受压构件截面曲率延性的分析,9.3.1、延性概念,BACK,结构、构件或截面的延性指从屈服开始至达到最大承载能力或达到以后而承载力还没有显著下降期间的变形能力。,延性反映的是后期变形能力。后期变形能力小，在达到其最大承载能力后会突然脆性破坏，这是要避免的。,结构、构件或截面除了要求满足承载能力以外，还要求有一定的延性，其目的在于：,有利于吸收和耗散地震能量，满足抗震方面的要求；,防止发生像超筋梁那样的脆性破坏，以确保生命和财产的安全；,在超静定结构中，能更好地适应地基不均匀沉降以及温度变化等情况；,使超静定结构能够充分进行内力重分布，并避免配筋疏密悬殊，便于施工，节约钢材。,延性通常用延性系数来表达。,9.3.2、受弯构件截面曲率延性系数1,受弯构件截面曲率延性系数表达式,9.3.2、受弯构件截面曲率延性系数2,BACK,受弯构件截面曲率延性系数影响因素：,纵向受拉钢筋配筋率增大，延性系数减小；,受压钢筋配筋率增大，延性系数可增大；,砼极限压应变增大，延性系数提高；,砼强度等级提高，而钢筋屈服强度适当降低，也可使延性系数有所提高。,提高截面曲率延性系数的主要措施：,限制纵向受拉钢筋的配筋率(2.5%)以及受压区高度(0.250.35,h,0,),；,规定受压钢筋和受拉钢筋的最小比例,(0.30.5,),；,在弯矩较大的区段适当加密箍筋。,9.3.3、偏心受压构件截面曲率延性的分析,BACK,与,受弯,构件的差别主要是偏心受压构件存在轴向压力，致使受压区高度增大，截面曲率延性系数降低较多。为了防止出现小偏心受压破坏形态，保证偏心受压构件截面具有一定的延性，应限制轴压比。,偏心受压构件配箍率的大小，对截面曲率延性系数的影响较大。如图，含箍特征值对承载力作用不十分显著，但对破坏阶段的应变影响较大。如采用密排的封闭箍筋或在矩形、方形箍内附加其它形式的箍筋（如螺旋形、井字形等构成复式箍筋）以及采用螺旋箍筋，都能有效地提高受压区砼的极限压应变值，从而增大截面曲率延性。,9.4 混凝土结构的耐久性,返回,9.4.1、耐久性的概念与主要影响因素,9.4.2、混凝土的碳化,9.4.3、钢筋的锈蚀,9.4.4、耐久性设计,9.4.1、耐久性的概念与主要影响因素,BACK,砼,结构的耐久性：在设计使用年限内，在正常维护下，必须保持适合于使用，而不需进行维修加固。砼结构耐久性设计主要根据结构的环境类别和设计使用年限进行，同时考虑对砼材料的基本要求。在我国，采用满足耐久性规定的方法进行进行耐久性设计，实质上是针对影响耐久性能的主要因素提出相应的对策。,影响耐久性能的主要因素：,内部因素：砼的强度、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；,外部因素：环境条件，包括温度、湿度、二氧化碳含量、侵蚀性介质等。,砼中的高碱性，在钢筋表面形成氧化膜，能有效地保护钢筋；,砼的碳化及钢筋锈蚀是影响砼结构耐久性的最主要的综合因素；,环境中的侵蚀性介质对砼结构的耐久性能影响很大；,普通大气和雨雪造成砼干缩循环及冻融循环控制水灰比制成密实砼；,冬季施工在砼中掺氯化钠，如掺量控制不严，将造成钢筋锈蚀；,砼的碱集料反应吸水膨胀。,9.4.2、混凝土的碳化,BACK,在,硅酸盐水泥砼中，初始碱度较高，,pH=12.513.5，,钢筋表面生成致密的氧化膜，,pH,11.5时氧化膜是稳定的。,碳化使,pH,值降低，对砼本身是无害的，但碳化至钢筋表面时，将破坏氧化膜，钢筋有锈蚀的危险，此外会加剧砼的收缩，可导致砼开裂。,影响砼碳化的因素,环境因素：二氧化碳浓度、相对湿度、温度变化等,材料本身的性质：水泥用量、水灰比、砼保护层厚度及砼表面设覆盖层等,减小碳化的措施,合理设计砼配合比，规定水泥用量的低限值和水灰比的高限值，合理采用掺合料；,提高砼的密实性，抗渗性；,规定钢筋保护层的最小厚度；,采用覆盖面层（水泥砂浆或涂料等）。,碳化深度可用碳酸试液测定。我国砼结构规范耐久性科研组提出了碳化深度与时间相关的表达式，可预测碳化深度。,9.4.3、钢筋的锈蚀,BACK,砼碳化至钢筋表面使氧化膜破坏是钢筋锈蚀的必要条件，含氧水分侵入是钢筋锈蚀的充分条件。裂缝较宽处的个别点“坑蚀”-“环蚀”-锈蚀面-钢筋截面削弱-体积膨胀导致沿钢筋长度的砼出现纵向裂缝，并使砼保护层剥落，“暴筋”-承载力降低，最终失效。,主要影响因素,砼非常致密，水灰比又低，则氧气透入困难，可使钢筋锈蚀显著减弱；,氯离子的存在将导致钢筋表面氧化膜的破坏，并与,Fe,生成金属氯化物；,一旦锈蚀开始，与横向裂缝及其宽度就没多大关系；,增大砼保护层厚度可以延缓钢筋的锈蚀；,把大范围内出现沿钢筋的纵向裂缝作为判别砼结构构件寿命终结的标准。,防止钢筋锈蚀的主要措施,砼本身要降低水灰比，保证密实度，有足够的保护层厚度，严格控制含氯量；,采用覆盖层，防止,CO,2,、O,2,、Cl,-,的渗入；,在海工结构、强腐蚀介质中的砼结构中，采用钢筋阻锈剂、防腐蚀钢筋等；,对钢筋采用阴极防护法。,9.4.4、耐久性设计1,耐久性设计的目的：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，满足既定功能的要求。,原则：根据结构的环境类别和设计使用年限进行设计。,砼结构使用环境类别,砼结构的设计使用年限：完全碳化亦即钢筋表面氧化膜被破坏所需的时间,t,1,，,氧化膜破坏至钢筋锈蚀一定量所需时间,t,2,，（t,1,+t,2,）,后至构件承载力开始下降所需时间,t,3,；,T,1,=t,1,，T,2,=t,1,+t,2，,T,3,=t,1,+t,2,+t,3,保证耐久性的技术措施及构造要求,结构设计技术措施,未经技术鉴定及设计许可，不能改变结构的使用环境，不得改变结构的用途；,对于结构中使用环境较差的构件，宜设计成可更换或易更换的构件；,宜根据环境类别，规定维护措施及检查年限；对重要的结构，宜在与使用环境类别相同的适当位置供耐久性检查的专用构件；,对于暴露在侵蚀性环境中的结构构件，其受力钢筋可采用环氧涂层带肋钢筋，预应力筋应有防护措施。在此情况下宜采用高强度等级的砼。,9.4.4、耐久性设计2,对砼材料的要求,用于一、二和三类环境中设计使用年限为50年的结构砼，应控制,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含量,；,设计期限为100年且处于一类环境中的砼结构，应符合下列规定：,钢筋砼结构的砼强度等级不应低于,C30，,预应力砼结构不低于,C40；,砼中氯离子含量不得超过水泥用量的0.06%；,宜使用非碱活性骨料；当使用碱活性骨料时，砼中碱含量不应超过3.0,kg/m,3,；,砼保护层厚度按表中规定增加40%；当采用有效的表面防护措施时，可减少；,在使用过程中应定期维护。,设计年限为100年且处于二、三类环境中的砼结构应采用专门有效的措施；,对于特殊结构，为防止碱集料反应，应对骨料及掺合料提出具体要求；,处于寒冷及严寒环境中结构的砼，有抗渗要求的砼，均应遵照有关规范符合相应等级的要求。,施工要求,砼的耐久性主要取决于它的密实性，应高度重视砼的施工质量，控制商品砼的各个环节，加强对砼的养护，防止过早受荷等。,9.4.4、耐久性设计3,BACK,砼保护层最小厚度,砼保护层最小厚度是从保证钢筋与砼共同工作，满足对受力钢筋有效锚固以有保证耐久性要求为依据的。,纵向受力钢筋及预应力钢筋、钢丝、钢绞线的,砼保护层厚度是指从钢筋外缘到砼外边缘的距离,，它不应小于钢筋的公称直径。,处于一类环境中的构件，主要从保证有效锚固及耐火性的要求加以确定。处于二、三类环境中的构件，主要是按设计使用年限砼保护层完全碳化确定的。,当梁、柱纵向受力钢筋的砼保护层厚度大于40,mm,时，应对保护层采用有效的防裂构造措施,，如在保护层中配置表面钢筋网片。,板、墙、壳中分布钢筋保护层厚度不应小于10,mm；,梁、柱中箍筋和构造钢筋的保护层厚度不应小于15,mm。,不能一味增大保护层厚度,，因为增大厚度一方面不经济，另一方面使裂缝宽度较大，效果不好；较好的方法是采用防护覆盖层，并规定维修年限。,