第八章正常使用极限状态

第八章钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算美观耐久性心理承受：不安全感，振动噪声对非结构构件的影响：门窗开关，隔墙开裂等振动、变形过大对其它结构构件的影响影响正常使用：如吊车、精密仪器适用性—承载能力极限状态安全性——结构的功能外观感觉裂缝过宽：钢筋锈蚀导致承载力降低，影响使用寿命对一般的钢筋混凝土结构而言，根据钢筋混凝土结构构件所处的环境类别以及荷载的短期和长期组合两种情况，分别规定了最大裂缝宽度的允许值。（附表五表1）对于承受水压的轴心受拉构件，小偏心受拉构件，应进行抗裂验算；对于发生裂缝后会引起严重渗漏的构件，也应进行抗裂验算。对预应力混凝土构件应根据环境条件类别和预应力钢筋种类（附录五表2）选用不同的裂缝控制等级。裂缝控制等级一级：严格要求不出现裂缝的构件，按荷载效应的短期组合进行计算，构件受拉边缘砼不应产生拉应力。二级：一般要求不出现裂缝的构件，按荷载效应的短期组合和长期组合分别进行计算，拉应力不应超过以砼拉应力系数控制的拉应力。三级：允许出现裂缝的构件，按荷载效应的短期组合和长期组合分别进行计算，最大裂缝宽度计算值不应超过允许值。变形要求水工建筑中，对于有严格限制变形要求的构件，以及截面尺寸特别单薄的装配式构件，需进行变形验算，控制构件的挠度不许超过允许挠度值（附录五表3）。预应力钢筋结构构件不满足正常使用极限状态对生命财产的危害性比不满足承载能力极限状态的要小，其相应的目标可靠指标[b]值要小些，故称正常使用极限状态验算，并在验算时采用荷载标准值、和材料强度标准值，结构系数d=1.0，设计状况系数ψ=1.0。本章的内容：1、抗裂验算；2、裂缝宽度计算（含影响耐久性的因素）；3、变形验算。8.2抗裂验算8.2.1轴心受拉构件tfssAcrN满足可靠指标的要求，引入拉应力限制系数对应荷载效应的短期组合对应荷载效应的长期组合对于钢筋混凝土构件的抗裂能力而言，钢筋所起的作用不大，混凝土即将开裂时，钢筋的应力很低，所以用增加钢筋的办法来提高构件的抗裂能力极不经济。构件抗裂能力主要是靠加大截面尺寸与提高混凝土强度等级来保证，也可采用预加应力或在混凝土中掺入钢纤维等措施。8.2.2受弯构件对应荷载效应的短期组合对应荷载效应的长期组合与截面的应力图形有关外，还与截面高度h、配筋率ρ及受力状态有关，截面高度越大，越小。所以塑性系数还应乘以高度影响系数（0.7+300/h)。截面的特征值换算见教材。8.2.3偏心受拉构件对应荷载效应的短期组合对应荷载效应的长期组合处于与1之间，可近似认为随截面的平均拉应力的大小，按线性规律在1与之间变化。偏心受拉构件在荷载效应的短期组合和长期组合下的抗裂验算公式：8.2.4偏心受压构件8.3裂缝开展宽度验算8.3.1裂缝的成因及对策荷载引起的裂缝非荷载引起的裂缝拉力弯矩剪力扭矩垂直裂缝，正截面裂缝主要裂缝成因(CrackWidth)1、温度变化引起的裂缝原因：热胀冷缩，且变形受到约束采取的措施：a.伸缩缝。b.对混凝土分层分块；c.低热水泥；d.人工冷却。（内外温差大）e.采用隔热（保温）措施2、混凝土收缩引起的裂缝原因：混凝土结硬时产生体积缩小，变形受到约束采取的措施：a.设置伸缩缝；b.改善水泥性能；c.降低水灰比；d.控制水泥用量和配筋率;e.设置构造筋;f.加强潮湿养护。3、基础不均匀沉降引起的裂缝采取的措施：a.构造措施；b.设置沉降缝；非荷载因素引起的裂缝4、混凝土塑性坍落引起的裂缝采取的措施：a.级配良好的骨料；b.控制水灰比；c.提高施工质量5、冰冻引起的裂缝采取的措施：填一定厚度的松散材料。6、钢筋锈蚀引起的裂缝采取的措施：a.提高混凝土的密实性和抗渗性；b.加大保护层厚度7、碱－骨料化学反应引起的裂缝采取的措施：a采用优质骨料和低碱水泥；b.提高密实性、控制水灰比8.3.2受力裂缝的开展宽度计算理论计算理论半理论半经验公式－我国建筑系统和水工系统规范数量统计公式－美国、俄罗斯及我国港工规范裂缝开展机理(半理论半经验）粘结滑移理论无粘结滑移理论综合理论原因：水泥的碱性溶液与活性骨料化学反应生成碱——硅酸凝胶，遇水膨胀1)当受拉区外边缘的混凝土达到混凝土的极限拉应变时，就处于即将出现裂缝的状态。2)在裂缝出现前，混凝土和钢筋的应变沿构件的长度基本上是均匀分布的。3)当受拉区外边缘的混凝土在最薄弱截面位置达到其极限拉应变后，出现第一条（批）裂缝。4)裂缝出现瞬间，裂缝截面位置的混凝土退出工作，应力降低为零，而钢筋承担的拉力突然增加。5)裂缝出现后，混凝土向裂缝两侧回缩，但非自由，受到钢筋的约束。混凝土与钢筋之间有相对滑移，产生粘结应力t。由于粘结应力的存在，随着距裂缝截面距离的增加，钢筋拉应力逐渐传递给混凝土而减小，混凝土拉应力由裂缝处的零逐渐增大，达到某一距离后后，钢筋和混凝土又重新恢复到未裂前的均匀状态。1、裂缝开展前后的应力状态6)当荷载有微小增加时，在应力大于砼实际抗拉强度的地方又将出现第二条裂缝。7）裂缝出现后，沿构件长度方向，钢筋与混凝土的应力是随着裂缝的位置而变化的，中和轴也不保持在一个水平面上，而是随着裂缝位置呈波浪形起伏。8)在荷载超过开裂荷载50%以上时，裂缝间距才趋于稳定。对正常配筋或配筋率较高的梁来说，在正常使用期间，可以认为裂缝间距已基本稳定。9)裂缝出齐后，随着荷载的继续增加，不再出现新裂缝，裂缝宽度不断开展。裂缝的开展是由于混凝土的回缩，钢筋的伸长，导致钢筋与混凝土之间不断产生相对滑移的结果，这是裂缝宽度计算的依据。裂缝的开展宽度有大有小，应考虑最大宽度。10)在荷载长期作用下，由于混凝土的滑移徐变和拉应力的松弛，将导致裂缝间受拉混凝土不断退出工作，使裂缝开展宽度增大，混凝土的收缩使裂缝间混凝土的长度缩短，也会引起裂缝的进一步开展。2、平均裂缝宽度wm平均裂缝宽度wm等于构件相邻裂缝区段内钢筋的平均伸长与相应水平处构件侧表面混凝土平均伸长的差值。忽略混凝土的拉伸变形受拉钢筋应变不均匀系数，表示裂缝间因混凝土受拉力而对钢筋应变所引起的影响，反映了裂缝间受拉混凝土参与工作的程度。确定参数的方法（以轴拉为例）：1）2）3）ψ3、最大裂缝宽度wmax8.3.3《水工混凝土结构设计规范》的裂缝宽度验算公式对于矩形、T形、工形截面的钢筋混凝土受拉、受弯、偏心受压构件，按荷载效应的短期组合和长期组合的最大裂缝宽度可分别按下列公式计算：小偏心受压构件当e0/h0≤0.55时，裂缝宽度较小，不必验算。水电站厂房吊车梁，可将计算所得的最大裂缝宽度乘以0.85。纵向钢筋应力可由下列公式计算：（一）轴心受拉构件（二）受弯构件（三）大偏心受压构件′（四）偏心受拉构件大偏心取正号，小偏心取负号大偏心受拉小偏心受拉8.3.4裂缝对耐久性的影响结构长期处于有腐蚀性介质或干湿交替的环境下，过宽的受拉裂缝会加速钢筋的锈蚀，对耐久性产生不利影响。钢筋的锈蚀主要决定于环境条件、保护层厚度和密实性。混凝土碳化、氧气与水分多种因素的存在导致钢筋的电化学反应，开始锈蚀。氯离子渗入时，钢筋锈蚀就会更严重。保护层较薄时，钢筋锈蚀会导致保护层剥落。钢筋的锈蚀过程1、结构建成到钢筋表面钝化膜破坏（T0）2、钢筋开始锈蚀到砼保护层出现胀裂（T1）3、保护层剥落，钢筋加速锈蚀变细直到构件丧失承载力（T3）砼保护层厚度的大小及保护层的密实性是决定T0的根本因素。环境条件与保护层厚度则是决定T1的两个主要原因。防止钢筋锈蚀的措施：1）合理选用混凝土原材料。2）提高混凝土的密实度。3）适当加大混凝土的保护层厚度。4）混凝土表面作防腐层，必要时设置专门的防渗层。5）采用耐腐蚀钢筋。6）通过理论计算将受拉裂缝宽度限制在允许范围之内。必要时布置构造钢筋、钢筋网、分布钢筋等。8.4变形验算（Deformation）f截面抗弯刚度EI体现了截面抵抗弯曲变形的能力，同时也反映了截面弯矩与曲率之间的物理关系。对于弹性均质材料截面，EI为常数，M-f关系为直线。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，而是随弯矩增大，呈曲线变化。正常使用阶段的挠度验算抗弯刚度B取代EIMyMuMcrEcI0MfA’B’C’D’ABCDⅠⅡⅢo8.4.1受弯构件的短期刚度Bs1、不出现裂缝的构件2、出现裂缝的构件8.4.2受弯构件的长期刚度Bl刚度降低的原因混凝土的徐变混凝土的收缩影响因素：受压钢筋的配筋率、加荷龄期、荷载的大小及持续时间、温度和湿度、混凝土的养护时间其他形状：矩形：试验表明：加荷初期，梁的挠度增长较快，以后增值很小。对一般尺寸的构件，可取1000天或3年；对于大尺寸构件，挠度增长可达十年以后仍未停止。考虑荷载长期作用对梁挠度影响的方法：（1）用不同方式及在不同程度上考虑混凝土徐变及收缩的影响来计算长期刚度；或直接计算由于荷载长期作用而产生的挠度增长和有收缩而引起的翘曲。（2）由试验结果确定荷载长期作用下的挠度增大系数θ，采用θ计算长期刚度。荷载长期作用下的挠度增大系数θ：4.00.2slslsBlMSBlMMSf2020)(（1）对应于荷载效应的短期组合20lBMSflsslsslBMMMB)1(长期抗弯刚度倒T形截面，挠度增大系数在上式基础上乘以1.2（2）对应于荷载效应的长期组合slBB长期抗弯刚度8.4.3受弯构件的挠度计算20lBMSfl验算][][llssffff刚度Bs的取值：简支梁可按跨中截面选取；悬臂梁可按支座截面选取；等截面的连续构件，刚度可取跨中截面和支座截面的平均值。若验算挠度不能满足时，则表示构件的截面抗弯刚度不足。可采用增加截面尺寸、提高混凝土强度等级和选用合理的截面形式等方法提高构件的强度。合理而有效的措施是增大截面的高度。