钢筋混凝土正常使用极限状态验算.pptx

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,#,结构构件达到影响正常使用或耐久性能的某项规定限值，超过该极限状态，结构就不满足预定的适用性或耐久性要求。,正常使用极限状态：,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。,正常使用极限状态验算的可靠度要求较低，一般要求,=1.0 2.0,。材料强度和荷载采用标准值。水口规范中，还不考虑结构重要性系数。,正常使用极限状态的验算内容：,1,、正常使用的抗裂验算或裂缝宽度验算,2,、正常使用的挠度验算,钢筋混凝土结构构件一般都是首先进行承载力计算以确定构件的截面尺寸与配筋。因此变形、裂缝等正常使用极限状态的计算内容属于验算性质。,如何同时保证承载能力极限状态与正常使用极限状态？,8.1,抗裂验算,影响外观，产生不安全感,缩短混凝土碳化到达钢筋的时间，钢筋提早锈蚀,侵蚀环境中，加速钢筋锈蚀,水头较大时，产生水力劈裂现象,一般混凝土结构都是带裂缝工作的，裂缝对混凝土结构有以下不利影响：,裂缝控制等级,一级,严格不出现裂缝,无拉应力,一般为压力容器、水池、管道、核工作室等，以及预应力混凝土构件,二级,一般不出现裂缝,拉应力小于允许值,三级,允许开裂，裂缝宽度不超出允许值,一般钢筋混凝土结构,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,=,t,u,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,，,f,t,改用,f,tk,:,靠增加钢筋提高抗裂能力是不经济，不合理的。,N,k,由荷载标准值计算的轴向力,；,f,tk,砼轴心抗拉强度标准值,；,ct,砼拉应力限制系数,，,ct,=0.85,；,A,0,换算截面面积,，,A,0,=,A,c,+,E,A,s,，,E,钢筋和砼的弹性模量比,，,E,=E,s,/E,c,；,A,s,为钢筋截面面积,；,A,c,为砼截面面积,。,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（,Ia,）。,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。,A,0,=,A,c,+,E,A,s,+,E,A,s,把钢筋换算为同位置的砼截面面积,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。,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。,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,5,表,4,。,m,值还与截面高度,h,m,值随,h,值的增大而减小。,乘以考虑截面高度影响的修正系数,，,其值不大于,1.1,。,h,以,mm,计，当,h,3000mm,，取,h=,3000mm,。,三、偏心受拉构件,把钢筋换算为砼截面面积，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：,偏拉,为,偏心受拉构件的截面抵抗矩塑性系数,。,轴拉构件应变梯度为零,，,轴拉,1,随应变梯度加大，塑性影响系数加大。,近似,：,偏拉,随平均拉应力,=N,k,/A,0,的大小，按线性规律在,1,与,m,之间变化：,=0,时（受弯）,偏拉,m,;,=,ct,f,tk,时（轴拉）,偏拉,1,偏心受拉构件抗裂验算公式：,e,0,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,：,8.2,裂缝开展宽度验算,一、裂缝的成因和对策,砼结构中存在,拉应力,是产生裂缝的必要条件。,当混凝土拉应变达到,极限拉应变,e,tu,时出现裂缝。,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、砼收缩、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。,水工钢筋砼结构中，大部分裂缝由非荷载因素引起。,1,、由荷载引起的裂缝,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。,对策,：,合理配筋，控制钢筋应力不过高，钢筋直径不过粗。,2,、由非荷载因素引起的裂缝,温度变化,混凝土收缩,基础不均匀沉降,冰冻,钢筋锈蚀,.,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。,大体积砼，,内部温度大，外周温度低，,内外温差大，引起温度裂缝。,减小温度差,：,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。,2,）砼收缩引起的裂缝,砼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,）砼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，在砼终凝前抹面压光。,5,）冰冻引起的裂缝,水在结冰时体积增加，孔道中水结冰会使砼胀裂。,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，导致砼保护层剥落，影响结构耐久性。,对策,：,提高砼密实度和抗渗性，适当加大保护层厚度。,7,）碱,-,骨料化学反应引起的裂缝,砼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,-,硅酸凝胶，遇水膨胀，使砼胀裂。,对策,：,选择低含碱量的水泥，限制活性骨料含量，高砼的密实度和采用较低的水灰比。,二、裂缝宽度计算理论概述,2,、半经验半理论公式,1,、数理统计公式,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。,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,粘结滑移理论,裂缝开展是由于钢筋和砼之间不再保持变形协调而出现 相对滑移造成的。,在一个裂缝区段,(,裂缝间距,l,cr,),内，,钢筋与砼伸长之差是裂缝开展宽度,，,l,cr,越大，,越大。,砼表面的裂缝宽度与内部钢筋表面处是一样的。,钢筋和混凝土之间出现粘结滑移。,无粘结滑移理论,假定裂缝开展后，砼截面在局部范围内不再保持为平面，,钢筋与砼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。,综合理论,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。,三、裂缝开展机理及计算理论,荷载很小时，未出现裂缝，在纯弯段各个截面的拉应力大致相同。当达到混凝土的抗拉强度时，达到将裂未裂的状态。第一阶段末。,在混凝土最薄弱截面处出现第一批裂缝。（一条或几条）。钢筋应力和应变有突变，混凝土回缩，所以裂缝一旦出现就会有一定的宽度。,a,1,、裂缝出现前后的应力状态,a,b,ct,s,l,cr,两者之间有相对滑移，直到共同变形。通过粘结应力的作用,混凝土又逐渐承受拉力。拉力从零到最大。一定距离后，两者应力恢复到开裂前的状态。,一定距离后，混凝土拉应力又达到最大，又可能产生新的裂缝。,裂缝出现后，沿构件长度方向，钢筋与砼的应力随裂缝位置变化，中和轴随裂缝位置呈波浪形起伏。,由于砼质量不均，裂缝间距有疏有密。最大间距可为平均间距的,1.3,2,倍。,裂缝出现有先有后，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，实际设计应考虑,最大裂缝宽度,。,平均裂缝宽度,m,乘以扩大系数,最大裂缝宽度,max,2,、平均裂缝宽度,m,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。,2,、平均裂缝宽度,m,钢筋重心处裂缝宽度,w,m,等于两条相邻裂缝之间钢筋与砼伸长之差：,sm,、,cm,分别为裂缝间钢筋及砼的平均应变；,l,cr,裂缝间距。,砼的拉伸变形极小，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,表示裂缝间因砼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,纵向受拉钢筋应变不均匀系数,。,对轴拉构件：,（,2,）,l,cr,值,m,l,cr,范围内纵向受拉钢筋与砼的平均粘结应力；,u,纵向受拉钢筋截面总周长，,u=n,d,，,n,和,d,为钢筋的根数和直径。,脱离体两端拉力差由粘结力平衡：,A,te,有效受拉砼截面面积,（,1,）,s,值,粘结滑移理论推求出的,l,cr,与,钢筋直径,d,及,有效配筋率,t,e,A,s,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,t,e,的影响。,（,3,）,值,1,，反映裂缝间受拉混凝土参与工作的程度；,越大，钢筋受力越均匀，混凝土参与受拉作用越小；,随着荷载增大，,值越来越大；,试验常数。,3,、最大裂缝宽度,max,考虑构件受力特征和荷载长期作用的综合影响系数，对受弯构件和偏心受压构件，取,=2.1,，对偏心受拉构件，取,=2.4,；对轴心受拉构件，取,=2.7,水工砼结构设计规范,的裂缝宽度验算公式,c,最外排纵向受拉筋外缘至拉区底边的距离,(mm),，,c,65mm,时，取,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；,te,纵向受拉钢筋的有效配筋率，,te,A,s,/,A,te,，,te,0.03,时，取,te,=0.03,；,A,s,受拉区纵向钢筋截面面积；,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,te,有效受拉砼截面面积；,sk,按荷载标准值计算的纵向受拉筋应力。,A,te,的取值,受弯、偏拉及大偏压,：,A,te,2,ab,，,a,为,A,s,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,：取,2a,l,s,，,l,s,为沿截面周边配置的受拉钢筋重心连线的总长度。,钢筋应力,sk,sk,偏心受拉,大偏心受压,受弯,轴心受拉,构件形式,使用裂缝宽度公式时应注意的问题：,（,1,）只适用于常见的梁、柱构件,（,2,）只适用于外力不随结构变形而改变的情况,（,3,）只能用于配置带肋钢筋的构件,（,4,）验算时，荷载应采用标准值（最大值），某些结构可变荷载很大却很少出现，最大裂缝宽度应乘以一个小于,1,的系数,（,5,）不可减小保护层厚度以减小最大裂缝宽度,（,6,）,e,0,/,h,0,0.55,的偏心受压构件对裂缝宽度很小的构件，可不进行验算,四、裂缝控制措施,采用细而密的带肋钢筋，可使裂缝间距及裂缝宽度减小。,适当,增加受拉区纵筋配筋量。,采用更合理的结构外形，减小高应力区范围，降低应力集中程度，在应力集中区局部增配钢筋；在受拉区混凝土中设置或掺加钢纤维；在混凝土表面涂敷或设置防护面层等。,解决荷载裂缝问题的最根本的方法是采用预应力钢筋混凝土结构。,一、截面抗弯刚度及特点,匀质弹性材料梁的跨中最大挠度,S,：与荷载形式、支承条件有关的参数。,M,：最大弯矩。,l,0,：计算跨度。,EI,：截面抗弯刚度。,E,:,材料弹性模量，,I,：截面惯性矩,对于匀质弹性材料梁，,抗弯刚度,EI,是一个常数，,M,-,f,成正比,。,对于钢筋混凝土材料梁，仍用上述公式计算挠度，但,抗弯刚度,B,不再是常量,。,8.3,受弯构件变形验算,钢筋混凝土梁,抗弯刚度,B,=,EI,的特点,（,1,）荷载较小，裂缝出现前（第,阶段）,（,2,）出现裂缝到受拉钢筋临近屈服（第,阶段）,（,3,）受拉钢筋屈服到混凝土压坏（第,阶段）,1,、钢筋混凝土受弯构件的,抗弯刚度,B,=,EI,随弯矩,M,增大而减小,。,2,、由于混凝土徐变等影响，,B,随时间增大而减小,。,所以既要考虑荷载短期效应，还要考虑荷载长期效应，分别用,B,s,和,B,来表示。,二、受弯构件的短期刚度,B,s,接近于匀质弹性材料梁，实际挠度比按弹性公式算得的数值偏大。这是因为受拉区发生塑性，实际弹性模量,E,有所降低，而截面并未削弱。所以将,换算截面,的,EI,稍加修正即可。,不出现裂缝的构件,出现裂缝的构件,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。,三、受弯构件的抗弯刚度,B,荷载长期作用下挠度增加的主要原因是混凝土的徐变和收缩。,长期荷载下，压区砼徐变使挠度随时间增大。,砼收缩引起梁刚度降低，挠度增大。,考虑荷载长期作用对梁挠度影响的方法,考虑砼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。,值为荷载长期作用的挠度与即时产生的挠度的比值。,我国水工规范采用第二种方法。根据对受弯构件长期挠度观测结果,、,为受压筋和受拉筋的配筋率。,当,=0,时,，,=,2.0,；,当,=,时,，,=1.6,；,当,为中间值,，,按直线内插,。,抗弯刚度,四、受弯构件的挠度验算,用,B,代替材料力学公式中的,EI,，即可求得受弯构件的挠度。,某受弯构件，各处,M,不同，因此全长范围内的抗弯刚度也不同，支座处的弯矩小，抗弯刚度大。如何取用,M,值计算抗弯刚度？,最,小,刚,度,原,则,取同号弯矩区段内弯矩最大截面的抗弯刚度作为该区段的抗弯刚度。对于简支梁，可取跨中截面的抗弯刚度；对于等截面的连续构件，抗弯刚度可取跨中截面和支座截面刚度的平均值。,增加截面高度,增加纵向钢筋的面积,选用合理的截面（如,T,形或工形等）,配置一定受压钢筋,提高混凝土强度等级,如果最大挠度超过规范的限值，则可采取：,合理有效的措施是增大截面的高度。,8.4,混凝土结构的耐久性要求,耐久性作为混凝土结构可靠性的三大功能指标之一，越来越受到工程设计的重视，结构的耐久性设计也成为结构设计的重要内容之一。,导致水工混凝土结构耐久性失效的原因主要有：,混凝土的低强度风化；,碱骨料反应；,渗漏溶蚀；,冻融破坏,水质侵蚀；,冲刷磨损和空蚀,混凝土的碳化与钢筋锈蚀,由荷载、温度、收缩等原因产生的裂缝以及止水失效等引起渗漏病害的加剧等,一、耐久性的概念,内 因,外 因,混凝土强度、密实性、水泥用量、水灰比、氯离子含量、碱含量、外加剂用量、保护层厚度等,温度、湿度、,CO,2,含量、侵蚀性介质等,综合作用,其中，,混凝土碳化,、,钢筋锈蚀,是最主要的综合因素。,三、影响耐久性的因素,52,三、混凝土的碳化,碳化,碳化是指大气中的,CO,2,不断向混凝土内部扩散，并与混凝土中的碱性物质,Ca(OH),2,发生中和反应，,使混凝土的碱性下降（,PH,值降低）的现象,。碳化是混凝土的中性化。,危 害,混凝土呈碱性，在钢筋表面生成致密的氧化膜，保护钢筋不锈蚀。,当碳化至钢筋表面时，将会破坏氧化膜，使钢筋有锈蚀的危险。,此外，碳化会加剧混凝土收缩，导致其开裂，影响耐久性,环境因素：,CO,2,的浓度、湿度、温度等,自身因素：,CaO,含量、强度等级、内部密实度、孔隙率、孔径、,水灰比、保护层厚度等,影响因素,53,减小碳化,的措施,合理确定配合比，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,提高混凝土的密实性、抗渗性,规定保护层的最小厚度,采用覆盖面层（水泥砂浆或涂料）,碳酸试液测定。,碳化深度与时间相关表达式，可预测碳化深度。,碳化深度,测定,三、混凝土的碳化,54,四、钢筋的锈蚀,锈蚀,锈蚀是影响混凝土结构耐久性的关键问题之一。,钢筋表面氧化膜被破坏形成钢筋锈蚀的必要条件，含氧水份侵入是钢筋锈蚀的充分条件。,锈蚀机理是电化学腐蚀。过程：,“,坑蚀,”,、,“,环,蚀,”,形成锈蚀面、,“,暴筋,”,危 害,钢筋锈蚀，体积膨胀，导致沿钢筋长度出现纵向裂缝，使保护层剥落，使钢筋截面削弱，承载力降低，最终使结构破坏或失效。,环境因素：周围环境腐蚀性成分的含量,自身因素：密实度、保护层厚度、氯离子含量等,影响因素,55,防止钢筋,锈蚀措施,降低水灰比，增加水泥用量，提高混凝土的密实度,要有足够的混凝土保护层厚度,严格控制氯离子含量,采用覆盖层，防止,CO,2,、,O,2,、,Cl,的渗入。,四、钢筋的锈蚀,56,五、耐久性设计,1,、耐久性设计的必要性,“,五倍定律,”：设计时对钢筋防护少花,1,元钱，出现问题时就需要花,5,元钱补救。,1998,年美国土木工程学会的一份材料估计，他们需要,1.3,万亿美元来处理国内基础设施工程存在的问题，仅维修与更换桥面板就需,800,亿美元；,加拿大蒙特利尔一座水电站由于耐久性问题需,15,亿加元修补维修；,湛江港建成后不到,20,年就由于钢筋锈蚀全面进行大修；,1980,年建成的宁波北仑港,10,万吨级矿石码头，使用不到,10,年上部结构就因钢筋严重锈蚀而破损；,我国第一座城市大型立交桥北京西直门立交桥,1980,年建成，,19,年后拆除重建；,济南黄河公路大桥,1990,年建成，,10,年后因吊杆损坏发生局部桥面坍塌。,大量的工程实践表明，耐久性问题不容忽视，否则后患无穷。,57,3,、耐久性概念设计,2,、耐久性设计的目标,我国,混凝土结构设计规范,规定的混凝土结构耐久性设计还不是定量设计，而是以混凝土,结构的环境类别,和,设计使用年限,为依据的,概念设计,。,使结构在正常维护条件下，不需要进行大修就能达到设计使用年限。,：混凝土完全碳化所需时间,：钢筋开始锈蚀至保护层沿钢筋开裂所需时间,：结构预期使用年限,目标,：,（,1,）结构的环境类别,附录,1,（,2,）保证耐久性的技术措施及构造要求,1,）混凝土原材料的选择和施工质量控制,2,）混凝土耐久性的基本要求,最低强度等级,最小水泥用量,最大水灰比,最大氯离子含量,最大碱含量,3,）钢筋的混凝土保护层厚度,SL191-2008,规范对保护层厚度有具体规定。,6,）混凝土的抗化学侵蚀要求,7,）结构型式与配筋,4,）混凝土的抗渗等级,抗渗等级分为,W2,、,W4,、,W6,、,W8,、,W10,、,W12,六级。,5,）混凝土的抗冻等级,抗渗等级分为,F400,、,F300,、,F250,、,F150,、,F100,、,F50,七级。,