钢筋混凝土构件的裂缝、变形和混凝土构件的耐久性

第九章钢筋混凝土构件的裂缝、变形及混凝土结构的耐久性,台州学院建筑工程系邱战洪,混凝土结构原理,一、引言,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,二、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,二、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,二、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,二、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,二、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,二、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,二、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,二、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,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,三、横向受力裂缝宽度的计算1.粘结滑移理论,以轴心受拉为例,*基本假定就是：开裂后，裂缝处混凝土退出工作，钢筋和混凝土之间发生滑移，混凝土回缩至图中虚线的位置,*裂缝宽度=裂缝间钢筋和混凝土之间的变形差值,先求出裂缝间距,三、横向受力裂缝宽度的计算1.粘结滑移理论,构件的开裂：,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,三、横向受力裂缝宽度的计算1.粘结滑移理论,粘结长度：,三、横向受力裂缝宽度的计算1.粘结滑移理论,裂缝的平均间距：,三、横向受力裂缝宽度的计算1.粘结滑移理论,裂缝的平均间距：,为了和受弯构件相统一，定义：,有效配筋率,有效受拉面积,于是，对轴拉和受弯构件，平均裂缝间距的公式可统一写成：,三、横向受力裂缝宽度的计算1.粘结滑移理论,裂缝的平均宽度,裂缝处钢筋的应变,设称为裂缝间钢筋应力不均匀系数，则有,裂缝处钢筋的应力（计算见后面相关内容）,称为裂缝间混凝土自身伸长对裂缝宽度的影响系数，对受弯、轴心受拉和偏心受力构件，一般可取0.85。,三、横向受力裂缝宽度的计算2.无滑移理论,认为混凝土开裂后，混凝土与钢筋之间无相对滑移，裂缝的发展宽度与裂缝量测点距最近一根钢筋表面的距离c直接相关。,*Broms（美）Base（英）等人通过试验得出：,三、横向受力裂缝宽度的计算3.粘接滑移与无滑移理论的结合,上述两种理论和实际情况均有一定的差距，为此将二者结合起来，按下述公式进行计算分析：,各系数由试验分析确定,四、裂缝宽度的实用计算方法1.半理论半经验的方法,混凝土结构设计规范（GB50010）,水工钢筋混凝土结构设计规范,四、裂缝宽度的实用计算方法1.半理论半经验的方法,平均裂缝间距,c65时，取c=65,受弯:kl=1.0轴拉:kl=1.1,光圆，取0.7变形，取1.0,te0.01时，取te=0.01,四、裂缝宽度的实用计算方法1.半理论半经验的方法,平均裂缝宽度,四、裂缝宽度的实用计算方法1.半理论半经验的方法,裂缝的最大宽度,由裂缝的统计特性，按95%的保证率,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1.5,四、裂缝宽度的实用计算方法2.以数理统计分析为基础的计算方法,公路钢筋混凝土及预应力桥涵设计规范采用的方法,受拉钢筋的总周长,五、裂缝宽度的控制,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,由不同的规范根据具体的情况确定,六、受弯构件的变形与刚度1.截面抗弯刚度的特点,与荷载形式、支承条件有关的挠度系数,钢筋混凝土纯弯段截面抗弯刚度的特点：,*随着弯矩增大B不断降低,*短期荷载效应时的挠度对应短期刚度Bs,*长期荷载效应时的挠度对应长期刚度Bl(徐变、裂缝的不断发展等等),适筋梁的M-关系曲线,六、受弯构件的变形与刚度2.短期刚度Bs（荷载效应的标准组合）,解析刚度法,就平均应变而言符合平截面假定：,短期荷载效应,六、受弯构件的变形与刚度2.短期刚度Bs,解析刚度法,裂缝截面处的应力和应变,六、受弯构件的变形与刚度2.短期刚度Bs,解析刚度法,其中：,系数可由下式给出：,为裂缝截面处内力臂长度系数，可取0.87；,六、受弯构件的变形与刚度2.短期刚度Bs,混凝土结构设计规范GB50010-采用的就是上述公式，其中：,为裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数，其计算过程同裂缝验算；,则受弯构件的短期刚度可写出：,六、受弯构件的变形与刚度3.荷载长期作用下的刚度B,恒+活中“恒”,基本概念,Mq,活中“活”,Mk,+,六、受弯构件的变形与刚度3.荷载长期作用下的刚度B,考虑：用荷载效应的准永久组合对挠度增大的影响系数来考虑荷载长期效应对构件挠度的影响。,则混凝土结构设计规范GB50010给出如下公式：,混凝土结构设计规范GB50010根据天津大学和东南大学长期荷载试验的结果，给出的计算公式如下：,六、受弯构件的变形与刚度3.荷载长期作用下的刚度B,六、受弯构件的变形与刚度4.受弯构件的挠度计算,最小刚度原则,见附表4-1,六、受弯构件的变形与刚度5.对受弯构件挠度验算的讨论,1、影响短期刚度BS的因素（1）弯矩MK。MK增大，sk增大，因而也增大，BS相应减小。（2）具体计算表明，增大，BS也略有增大。（3）截面形状对BS从有所影响，受拉翼缘和受压翼缘都使截面的BS增大。（4）提高混凝土强度等级对提高BS的作用不大。（5）当配筋率和材料给定时，截面有效高度h0对截面弯曲刚度的提高作用最显著。,2、配筋率配筋率对承载力和挠度的影响不大，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。3、跨高比跨度l0越大，f也越大。4、混凝土结构构件变形限值（1）保证建筑的使用功能要求（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）保证人们的感觉在可接受程度,六、受弯构件的变形与刚度5.对受弯构件挠度验算的讨论,9.3混凝土构件的延性,9.3.1延性概念,结构、构件或截面延性是指从屈服开始到达到最大承载力或达到以后而承载力还没有显著下降期间的变形能力。即延性是反映构件的后期变形能力。,“后期”是指从钢筋开始屈服进入破坏阶段直到最大承载能力（或下降到最大承载能力的85）时的整个过程。,延性要求的目的：满足抗震方面的要求；防止脆性破坏；在超静定结构中，适应外界的变化；使超静定结构能充分的进行内力重分布。,9.3.2截面的延性的计算及影响因素截面的延性用延性系数来表达，计算时采用平截面假设。延性系数表达式：,9.4混凝土结构的耐久性,耐久性是指结构在设计使用年限内，在正常维护条件下，不需要进行大修和加固满足，而满足正常使用和安全功能要求的能力。,9.4.1耐久性的概念及其影响因素,耐久性设计依据主要是结构的环境类别、设计使用年限及考虑对混凝土材料的基本要求。,混凝土的碳化及钢筋的锈蚀是影响混凝土结构耐久性的最主要的综合因素。,碳化是混凝土中性化的形式，是指大气中的二氧化碳（CO2）不断向混凝土内部扩散，并与其中的碱性物质发生反应，使混凝土的PH值降低。,碳化对混凝土本身无害，其主要是当碳化至钢筋表面，氧化膜被破坏形成钢筋锈蚀的必要条件，同时含氧水份侵入形成钢筋锈蚀的充分条件，从而加剧混凝土开裂，导致结构破坏。,碳化影响因素有：环境因素和材料本身的性质。,凝土的碳化从构件表面开始向内发展，到保护层完全碳化，所需要的时间与碳化速度、混凝土保护层厚度、混凝土密实性以及覆盖层情况等因素有关。,9.4.2混凝土的碳化及钢筋的锈蚀,减小碳化措施有：,合理设计混凝土的配合比；提高混凝土的密实度、抗渗性；规定钢筋保护层的最小厚度；采用覆盖面层。,钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性的最关键问题,它是一个电化学过程，因此锈蚀主要取决于氧气通过混凝土保护层向钢筋表面的阴极的扩散速度，而这种扩散速度主要取决于混凝土的密实度。氧气和水份是钢筋锈蚀必要条件。,防止钢筋锈蚀措施有：增加混凝土的密实性和混凝土的保护层厚度，采用涂面层、钢筋阻锈剂、涂层钢筋、对钢筋采用阴极防护法等。,9.4.3耐久性设计,1.耐久性设计的目的及基本原则,耐久性概念设计的目的是指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。,耐久性概念设计的基本原则是根据结构的环境类别和设计使用年限进行设计。,规定最小保护层