混凝土结构设计原理7-钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性

第7章钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性第7章裂缝、变形和耐久性本章重点了解混凝土构件裂缝的分类、成因和属于荷载因素引起的裂缝开展过程；掌握裂缝宽度验算的方法和要求；理解变形控制的方法和要求；理解影响混凝土结构的耐久性的因素和提高混凝土结构的耐久性的技术措施。第7章裂缝、变形和耐久性第7章裂缝、变形和耐久性概述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、变形和自振频率在一定时期内维持其安全性和适用性的能力对于超过正常使用极限状态的情况，由于其对生命财产的危害性比超过承载力极限状态要小，因此相应的可靠度水平可比承载力极限状态低一些。正常使用极限状态的计算表达式为：正常使用极限状态的几种荷载：1、荷载标准值2、荷载组合值（用于整体影响或影响较大时的验算）3、荷载频遇值时间比值为10%(用于局部影响时的验算）4、荷载准永久值时间比值为50％（用于长期影响时的验算）CS第7章裂缝、变形和耐久性概述7.1.1混凝土结构裂缝的分类与成因7.1裂缝宽度验算1.施工期间产生的裂缝（1）塑性混凝土裂缝（混凝土沉降裂缝、混凝土收缩裂缝）（2）温度裂缝（3）约束收缩裂缝（4）施工质量问题引起的裂缝（5）早期冻融作用引起的裂缝2.使用期间产生的裂缝（1）钢筋锈蚀引起的纵向裂缝（2）温度变化和收缩作用引起的裂缝（3）地基不均匀沉降引起的裂缝（4）冻融循环作用、碱骨料反应、盐-酸类反应引起的裂缝第7章裂缝、变形和耐久性7.1裂缝宽度验算非荷载作用引起的裂缝原因分析混凝土结构中存在拉应力是产生裂缝的必要条件。除荷载作用外，结构的不均匀沉降、收缩、温度变化，以及在混凝土凝结、硬化阶段等都会引起拉应力，从而产生裂缝。结构中主拉应力达到混凝土（当时）的抗拉强度时，并不立即产生裂缝，而是当拉应变达到极限拉应变etu时才出现裂缝。硬化后的混凝土极限拉应变约为150×10-6，即10m长的构件，产生1.5mm的很小受拉变形即会产生裂缝。由于混凝土材料的不均匀性，裂缝首先在强度最小的位置发生。裂缝发生前瞬间的应变分布会产生应变集中。不同龄期的混凝土，其裂缝断面状况有较大差别。龄期很短的混凝土，裂缝断面较为光滑，两裂缝不能完全闭合。而充分硬化后的混凝土，裂缝断面则呈不规则较为锋锐状态，两断面可以闭合。第7章裂缝、变形和耐久性7.1裂缝宽度验算开裂位置抗拉强度分布ft,min开裂前瞬间应变开裂前应变分布弹性受拉应变分布短龄期混凝土完全硬化混凝土(a)轴向抗拉强度分布(b)开裂前应变分布(c)混凝土开裂断面状况第7章裂缝、变形和耐久性7.1裂缝宽度验算材料原因水泥异常凝结引起的裂缝水泥方面第7章裂缝、变形和耐久性7.1裂缝宽度验算水泥水化热早强水泥超早强水泥普通水泥单位水泥用量280kg/m3坍落度10cm骨料最大粒径25mm龄期（日）绝热温度上升（℃）第7章裂缝、变形和耐久性7.1裂缝宽度验算变形自由变形实际变形拉应变温度分布应力分布拉压大体积混凝土的温度、应力分布和裂缝第7章裂缝、变形和耐久性7.1裂缝宽度验算骨料方面骨料中泥份引起的裂缝碱骨料反应引起的裂缝第7章裂缝、变形和耐久性7.1裂缝宽度验算混凝土下沉和泌水钢筋裂缝水平钢筋缝隙裂缝1~2mm/1m高梁墙柱沿高度方向沉降分布混凝土下沉引起的裂缝第7章裂缝、变形和耐久性7.1裂缝宽度验算施工原因材料混合不均匀长时间搅拌快速浇筑先后浇筑时差过长第7章裂缝、变形和耐久性7.1裂缝宽度验算模板变形支撑下沉支撑下沉第7章裂缝、变形和耐久性7.1裂缝宽度验算混凝土开裂钢筋锈蚀产生的裂缝水、CO2侵入开始锈蚀钢筋体积膨胀第7章裂缝、变形和耐久性7.1裂缝宽度验算第7章裂缝、变形和耐久性7.1裂缝宽度验算收缩裂缝温度裂缝墙板干燥收缩裂缝与边框架的变形结构干燥收缩变形温度裂缝结构干燥收缩变形与墙板裂缝第7章裂缝、变形和耐久性7.1裂缝宽度验算不均匀沉降产生的裂缝ABDCABDCA'沉降量AC节点间的伸长2AA=（=裂缝总宽度）(a)墙板的开裂(b)裂缝宽度第7章裂缝、变形和耐久性7.1裂缝宽度验算反复冻融产生的裂缝第7章裂缝、变形和耐久性7.1裂缝宽度验算3、荷载产生的裂缝(a)竖向荷载下的裂缝弯曲裂缝剪切裂缝剪切裂缝(b)地震作用下的裂缝(c)板在竖向荷载下的裂缝板底裂缝(d)剪力墙在地震作用下的裂缝第7章裂缝、变形和耐久性7.1裂缝宽度验算7.1.2裂缝控制的目的和要求1.裂缝控制的目的之一保证结构的耐久性要求2.规范对裂缝控制等级的划分和要求裂缝控制分为三级一级严格不允许出现裂缝二级一般要求不出现裂缝三级允许出现裂缝第7章裂缝、变形和耐久性7.1裂缝宽度验算裂缝的出现、分布与开展7.1.2裂缝宽度的计算理论1.粘结滑移理论第7章裂缝、变形和耐久性7.1裂缝宽度验算ctmAfluctss2ss1AfAAluAAmss2ss11）裂缝间距mctuAfldAfmctdfmt41ddfuAfllcmtmctcr45.15.1第7章裂缝、变形和耐久性7.1裂缝宽度验算te2crdltesteAA第7章裂缝、变形和耐久性7.1裂缝宽度验算2）裂缝宽度crsmccrsmsmcmcrcmsmm1lllweeeeee85.0)1(smcmeessssmEeecrsscmlEw平均裂缝宽度第7章裂缝、变形和耐久性7.1裂缝宽度验算2.无滑移理论ss1mEcw第7章裂缝、变形和耐久性7.1裂缝宽度验算te213crdcl3.粘结滑移理论与无滑移理论相结合根据试验分析，两者计算理论均存在于构件裂缝发展因素之中，对裂缝间距和裂缝宽度计算公式修正如下:te213ssccrssccrsmcmedcElElw第7章裂缝、变形和耐久性7.1裂缝宽度验算7.1.4裂缝宽度的验算limmaxww在裂缝平均间距的基础上，考虑混凝土质量的随机性系数，作为构件的最大裂缝宽度，并满足一定的耐久性要求。按荷载效应标准组合并考虑长期作用影响计算的最大裂缝宽度maxw最大裂缝宽度限值limw第7章裂缝、变形和耐久性7.1裂缝宽度验算建筑工程规范的计算方法maxwte213crdclte213sscmdcEw1、平均裂缝间距的计算teeq3cr08.09.1dcl第7章裂缝、变形和耐久性7.1裂缝宽度验算（2）裂缝截面钢筋应力的计算使用阶段（Ⅱ阶段）受拉钢筋应力可按下列公式计算：sskAkNsskA087.0hkMskskANs0ksk87.0AhM轴心受拉构件受弯构件第7章裂缝、变形和耐久性7.1裂缝宽度验算e0e'ekNfyAsf'yA'sNM'0sahsskAfyAsf'yA'sNsskA''sskAz020sksk12.087.0hehzzAzeN偏心受压构件s0skskahAeN偏心受拉构件第7章裂缝、变形和耐久性7.1裂缝宽度验算ssmsssm1eeeee（3）钢筋应力不均匀系数sksmeetesktk65.01.1f当0.2时，取0.2；当1.0时，取1.0；对直接承受重复荷载作用的构件，取1.0。第7章裂缝、变形和耐久性7.1裂缝宽度验算2、最大裂缝宽度)645.11(maxmwwte3sskclsmlsmax08.09.1dcEww)08.09.1(crmaxteeqsskdcEw3clscrcr构件受力特征系数。轴心受拉构件cr2.7；偏心受拉构件cr2.4；受弯构件和偏心受压构件cr2.1。第7章裂缝、变形和耐久性7.1裂缝宽度验算3、最大裂缝宽度验算limmaxww裂缝宽度验算的说明对于直接承受吊车荷载但不需作疲劳验算的吊车梁（如满足要求的预应力构件吊车梁），由于满载的概率很小，吊车最大荷载作用时间很短暂，可将计算出的最大裂缝宽度乘以系数0.85。对的偏心受压构件，可不验算裂缝宽度。这是因为试验表明，当偏心距较小时，受拉裂缝的宽度也较小，均能符合的要求，故规定不必验算。对于斜裂缝宽度，当配置受剪承载力所需的腹筋后，使用阶段的裂缝宽度一般小于0.2mm，故不必验算。对于由荷载以外诸因素引起的裂缝，如混凝土结硬时自身收缩引起的裂缝，温度变化引起的裂缝，混凝土干缩引起的裂缝，混凝土集料下沉引起的塑性沉降裂缝以及碱集料反应引起的裂缝等等，都不包括在内。000.55eh第7章裂缝、变形和耐久性7.1裂缝宽度验算例题7-1已知：mm3.0mkN42m,kN55mm35,N/mm100.2,N/mm01.2mm500,mm80,mm250,mm600,m2.7limmaxQkGk25s2tkff0wwMMaEfhhbblskGkQk554297kNmMMM解：（1）有关参数2.1crssteteff0.5()1008.10.5250500(600250)800.01110.01AAAbhbbh第7章裂缝、变形和耐久性7.1裂缝宽度验算kGkQk554297kNmMMM0s5002510465mmhha62ksks09710237.85Nmm0.870.871008.1465MAhtktesk10.650.652.011.11.10.6050.20.0111237.85f钢筋为HRB335级，故1.0222eq22012220.71mm220122iiiiinddnd（2）验算eqskmaxcrste1.90.080.297mm0.3mmdwcE满足要求第7章裂缝、变形和耐久性7.1裂缝宽度验算7.2变形控制7.2.1变形控制的目的和要求挠度变形限值。主要从以下几个方面考虑：1、保证结构的使用功能要求;2、防止对结构构件产生不良影响;3、防止对非结构构件产生不良影响;4、保证使用者的感觉在可接受的程度之内。limmaxff第7章裂缝、变形和耐久性7.2变形控制受弯构件的挠度限值构件类型挠度限值（以计算跨度l0计算）吊车梁：手动吊车电动吊车l0/500l0/600屋盖、楼盖及楼梯构件：当l0≤7m时当7m≤l0≤9m时当l09m时l0/200(l0/250)l0/250(l0/300)l0/300(l0/400)注：1、表中括号内数值适用于使用上对挠度有较高要求的构件；2、悬臂构件的挠度限值按表中相应数值乘以系数2.0取用。第7章裂缝、变形和耐久性7.2变形控制7.2.2受弯构件刚度的计算fEIMlEIqlf244853845均布：2lEIMSfEIMEIMlEIPlf23121481集中：MEIEIM第7章裂缝、变形和耐久性7.2变形控制=（两端刚接）水平力-侧移：312hEIV××=（集中荷载）荷载-挠度：48fp3lEIP×=弯矩-曲率：fEIM应力应变：eE刚度是反映力与变形之间的关系：××=（均布荷载）荷载-挠度：384fq25lEIq第7章裂缝、变形和耐久性7.2变形控制1.混凝土构件使用阶段受弯构件的应变特点MyMsMcrEcI0BsM第7章裂缝、变形和耐久性7.2变形控制ssmee0hcmsmeessMB（1）沿构件长度方向钢筋应力不均匀；（2）沿构件长度方向混凝土应变不均匀；（3）钢筋和混凝土平均应变符合截面平面假定。ccmcee第7章裂缝、变形和耐久性7.2变形