第9章 钢筋混凝土构件的变形、裂缝及混凝土结构的耐久性

主讲人：王永胜LanzhouUniversityofTechnology第9章钢筋混凝土构件的变形、裂缝及混凝土结构的耐久性本章重点掌握受弯构件截面刚度计算与变形验算方法；了解受弯构件竖向弯曲裂缝的出现和开展过程；掌握钢筋混凝土构件裂缝宽度计算与验算方法；了解截面的延性——一种变形能力；了解影响混凝土结构耐久性的因素；了解耐久性概念设计的基本方法。LanzhouUniversityofTechnology第9章钢筋混凝土构件的变形、裂缝及混凝土结构的耐久性概述构件的挠度和裂缝宽度验算属于正常使用极限状态。1正常使用极限状态结构或结构构件达到正常使用的某项规定限值或耐久性能的某种规定状态。◆影响正常使用或外观的变形（影响非结构构件、不安全感、不能正常使用（吊车）等）；◆影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括裂缝、漏水等）；◆影响正常使用的振动；◆影响正常使用的其他特定状态。LanzhouUniversityofTechnology第9章钢筋混凝土构件的变形、裂缝及混凝土结构的耐久性混凝土结构构件变形和裂缝宽度验算属于正常使用极限状态的验算，与承载能力极限状态计算相比，正常使用极限状态验算具有以下两个特点：①考虑到结构超过正常使用极限状态对生命财产的危害远比超过承载能力极限状态的要小，因此其目标可靠指标β值要小一些，故《规范》规定变形及裂缝宽度验算均采用荷载标准值或准永久值和材料强度的标准值。②由于可变荷载作用时间的长短对变形和裂缝宽度的大小有影响，故验算变形和裂缝宽度时应按荷载效应的标准组合或准永久组合值并考虑荷载长期作用的影响进行。LanzhouUniversityofTechnology第9章钢筋混凝土构件的变形、裂缝及混凝土结构的耐久性2控制挠度的理由①结构构件挠度过大会损害其使用功能；②梁板挠度过大会使其支承的脆性非承重墙装修脱落，墙体严重开裂，甚至压碎；③超过挠度限制会使用户感到不安；④梁端转动过大会使局部支承面积和支承反力位置改变，并将会危及砖墙（柱）的稳定等，使得构件受力性质与原设计计算模型不符。LanzhouUniversityofTechnology第9章钢筋混凝土构件的变形、裂缝及混凝土结构的耐久性裂缝荷载引起的裂缝：非荷载引起的裂缝：由材料收缩、温度变化、钢筋锈蚀后体积增大、地基不均匀沉降等产生的裂缝。(约占80%)与构件的受力特征有关。(约占20%)3裂缝形成的原因分析裂缝是工程结构中常见的一种作用效应，裂缝按其形成的原因可分为两大类：一类是由荷载作用引起的裂缝；另一类是由变形因素引起的裂缝。LanzhouUniversityofTechnology第9章钢筋混凝土构件的变形、裂缝及混凝土结构的耐久性裂缝产生的原因（1）混凝土的抗抗拉强度比其抗压强度低得多，当钢筋混凝土构件受到弯矩、剪力、拉力和扭矩等荷载效应组合作用时；（2）由于基础不均匀沉降，混凝土收缩和温度作用而产生的变形受到钢筋及其他构件约束时；（3）因钢筋锈蚀而体积膨胀时，以上3种情况使混凝土中产生拉应力，该拉应力超过混凝土抗拉强度而开裂；（4）冻融和化学作用等也会导致混凝土开裂。LanzhouUniversityofTechnology第9章钢筋混凝土构件的变形、裂缝及混凝土结构的耐久性NkNkNkNkNkNke0e0Tk(a)(b)(c)(e)(d)TkMkMk（a)轴心受拉；(b)偏心受拉；(c)偏心受压；(d)受弯和受剪；(e)受扭。LanzhouUniversityofTechnology第9章钢筋混凝土构件的变形、裂缝及混凝土结构的耐久性通常，裂缝宽度和挠度一般可分别用控制最大钢筋直径和最大跨高比来控制，只有在构件截面尺寸小、钢筋应力大时进行验算。为防止温度应力过大引起的开裂，规定了伸缩缝之间的最大间距。为防止由于钢筋周围混凝土过快地碳化失去对钢筋的保护作用，出现锈胀引起的沿钢筋纵向的裂缝，规定了钢筋的混凝土保护层的最小厚度。非荷载引起的裂缝LanzhouUniversityofTechnology第9章钢筋混凝土构件的变形、裂缝及混凝土结构的耐久性3裂缝宽度控制的理由（1）外观要求，裂缝开展过宽有损结构外观，令人产生不安全感；（2）过大裂缝会使钢筋锈蚀，影响结构的耐久性。LanzhouUniversityofTechnology第9章钢筋混凝土构件的变形、裂缝及混凝土结构的耐久性4裂缝控制的等级划分控制指标：应力和裂缝宽度（1）一级——严格要求不出现裂缝的构件，按荷载标准组合进行计算时，构件受拉边缘混凝土不应产生拉应力；（2）二级——一般要求不现裂缝的构件，按荷载标准组合进行计算时，构件受拉边缘混凝土拉应力不应超过混凝土轴心抗拉强度标准值ftk；（3）三级——钢筋混凝土构件的最大裂缝宽度可按荷载准永久组合并考虑长期作用影响的效应计算，预应力混凝土构件的最大裂缝宽度可按荷载标准组合并考虑长期作用影响的效应计算；其计算值均不应超过允许值。ckpc0ckpctkfLanzhouUniversityofTechnology第9章钢筋混凝土构件的变形、裂缝及混凝土结构的耐久性一级和二级抗裂要求的构件，一般要采用预应力；而普通的钢筋混凝土构件抗裂要求为三级，工作阶段都是带裂缝的。当裂缝宽度较大时，一是会引起钢筋锈蚀，二是使结构刚度减少、变形增加，再使用从而影响结构的耐久性和正常使用，同时给人不安全感。因此，对允许出现裂缝的钢筋混凝土构件，裂缝宽度必须加以限制，要求使用阶段最大裂缝宽度小于允许裂缝宽度。而且，沿裂缝深度裂缝宽度不相等，要验算的裂缝宽度则是指受拉钢筋重心水平处构件侧表面上的混凝土的裂缝宽度。需要进行裂缝宽度验算的构件包括：受弯构件、轴心受拉构件、偏心受拉构件、的偏心受压构件。000.55ehmaxlim对环境类别为二a类的预应力混凝土构件，在荷载准永久组合下，受拉边缘尚应符合下列规定：cqpctkfLanzhouUniversityofTechnology第9章钢筋混凝土构件的变形、裂缝及混凝土结构的耐久性3.3.5结构构件应根据结构类别和本规范表3.5.2条规定的环境类别，按表3.4.5的规定选用不同的裂缝控制等级及最大裂缝宽度限值lim。表3.4.5结构构件的裂缝控制等级及最大裂缝宽度的限值（mm）钢筋混凝土结构预应力混凝土结构环境类别裂缝控制等级lim裂缝控制等级lim一0.30（0.40）0.20二a三级0.10二b二级—三a、三b三级0.20一级—LanzhouUniversityofTechnology第9章钢筋混凝土构件的变形、裂缝及混凝土结构的耐久性裂缝宽度和变形的验算表达式如下：S≤CS——结构构件按荷载效应的标准组合或准永久组合并考虑长期作用影响得到的裂缝宽度或变形值；C——结构构件达到正常使用要求的规定限值、裂缝宽度和变形限值。式中:5裂缝宽度和变形验算由于变形因素引起的裂缝计算因素很多，不易准确把握，故此处裂缝宽度计算的裂缝主要是指荷载原因引起的裂缝。LanzhouUniversityofTechnology第9章钢筋混凝土构件的变形、裂缝及混凝土结构的耐久性niiciSSSS2kQQ1kGkk荷载效应的标准组合为：niiqiqSSS1kQGk荷载效应的准永久组合为：在进行荷载效应计算时，荷载组合有两种情况：LanzhouUniversityofTechnology第9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9.1.1截面抗弯刚度的概念及我国《规范》给出的定义材料力学中，匀质弹性材料梁的跨中挠度为20EIMlSf式中S——与荷载类型和支承条件有关的系数；EI——梁截面的抗弯刚度。由于是匀质弹性材料，所以当梁截面的尺寸确定后，其抗弯刚度即可确定且为常量，挠度f与M成线性关系。对钢筋混凝土构件，由于材料的非弹性性质和受拉区裂缝的开展，梁的抗弯刚度不是常数而是变化的。LanzhouUniversityofTechnology第9章钢筋混凝土构件的变形、裂缝及混凝土结构的耐久性Bs–––荷载效应标准组合或准永久组合下的受弯构件的短期刚度B–––按荷载效应标准组合或准永久组合并考虑荷载长期作用影响的抗弯刚度4kk05()384gqlfBB–––钢筋混凝土梁的挠度计算对于简支梁承受均布荷载作用时，用材料力学的公式，其跨中挠度：4kk05()384gqlfEILanzhouUniversityofTechnology第9章钢筋混凝土构件的变形、裂缝及混凝土结构的耐久性LanzhouUniversityofTechnology9.1.2纵向受拉钢筋应变不均匀系数9.1.3截面受弯刚度的计算公式1、截面的标准组合作用下受弯构件的短期刚度Bs短期刚度是指钢筋混凝土受弯构件在荷载准永久组合下的刚度值或预应力混凝土受弯构件在标准组合下的刚度值（以N·mm2计）。对矩形、T形、I字形截面受弯构件，短期刚度的计算公式为220ss0ss0sEEsmcmf61.150.213.5MhEAhEAhMB（1）短期刚度Bs的概念LanzhouUniversityofTechnology第9章钢筋混凝土构件的变形、裂缝及混凝土结构的耐久性当h'f0.2h0时，取h'f=0.2h0。fff0()bbhbh——钢筋的弹性模量Es和混凝土的弹性模量Ec的比值；ρ——纵向受拉钢筋的配筋率，；Es0Abh式中:——受压翼缘的加强系数；f220ss0ss0sEEsmcm61.150.213.5fMhEAhEAhMBLanzhouUniversityofTechnology第9章钢筋混凝土构件的变形、裂缝及混凝土结构的耐久性LanzhouUniversityofTechnologyteAteff0.5()Abhbbh——有效受拉混凝土面积。对受弯构件，近似取ψ——钢筋应变不均匀系数，是裂缝之间钢筋的平均应变与裂缝截面钢筋应变之比，它反映了裂缝间受拉混凝土对纵向钢筋应变的影响程度。ψ愈小，裂缝间混凝土协助钢筋抗拉作用愈强。该系数按下列公式计算tktes0.651.1f式中——以有效受拉混凝土截面面积计算、且考虑钢筋粘结性能差异后的有效纵向受拉钢筋的配筋率，。steteAAte0.2≤ψ≤1.0LanzhouUniversityofTechnology第9章钢筋混凝土构件的变形、裂缝及混凝土结构的耐久性——按荷载短期效应组合计算的裂缝截面处纵向受拉钢筋的应力，根据使用阶段（Ⅱ阶段）的应力状态及受力特征计算:s对受弯构件式中：M——按荷载标准组合或准永久组合计算的弯矩值。s00.87sMhALanzhouUniversityofTechnology第9章钢筋混凝土构件的变形、裂缝及混凝土结构的耐久性（2）短期刚度Bs的主要影响因素（1）钢筋和混凝土的强度级别；（2）纵筋的配筋率；（3）截面形状与尺寸；（4）构件所受荷载效应。220ss0ss0sEEsmcmf61.150.213.5MhEAhEAhMB注意：该公式仅适用于钢筋混凝土受弯构件，对于预应力混凝土受弯构件，按《混凝土结构设计规范》7.2.3条第2款计算确定。LanzhouUniversityofTechnology第9章钢筋混凝土构件的变形、裂缝及混凝土结构的耐久性2、受弯构件的刚度B长期刚度B是指考虑荷载长期效应组合时的刚度值。在荷载的长期作用下，由于受压区混凝土的徐变以及受拉区混凝土不断退出工作，即钢筋与混凝土间粘结滑移徐变、混凝土收缩，致使构件截面抗弯刚度降低，变形增大，故计算挠度时必须采用长期刚度B。《规范》建议采用荷载长期效应组合挠度增大的影响系数θ来考虑荷载长期效应对刚度的影响。长期刚度按下式计算：ksqks(1)MBBMMBB