钢筋混凝土结构设计之九混凝土构件的使用性能

1、电子教案适用专业：土木工程（路桥方向）湖南科技大学土木工程学院舒小娟钢筋混凝土结构设计第九章 混凝土构件的使用性能概述换算截面应力计算受弯构件的裂缝及最大裂缝宽度验算受弯构件变形验算混凝土结构耐久性9.0 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应力、裂缝和变形在一定时期内维持其安全性和适用性的能力1.计算内容9.0 概述 与承载能力极限状态比较，钢筋混凝土结构使用阶段的 计算特点：1.受弯构件、大偏心受压、受扭构件计算图式以带裂缝工作阶段为基础，轴压、偏压构件以正常使用不开裂阶段为基础。2. 在使用荷载下不产生过大的应力、裂缝和变

2、形，以验算为主。3. 正常使用的荷载效应组合中，汽车可不计入冲击系数，取短期效应和长期效应进行验算。2.计算特点MIIctsAssy短期组合设计值频遇值系数永久荷载标准值准永久值系数长期组合设计值9.1 受弯构件换算截面 平截面假定钢筋应变等于同一水平线的混凝土应变1. 基本假定 弹性体假定MIIctsAssyxc xcrs= cch0混凝土受压区应力分布近似认为三角形分布应力应变弹性关系 忽略混凝土拉应力9.1 受弯构件换算截面 换算截面概念将钢筋等效为同一水平线处混凝土面积2. 换算截面计算 求解xc高度即求解换算截面形心位置压区对中和轴的静矩xcbh0Asxcbh0EsAs拉区对中和轴的

3、静矩=应9.1 受弯构件换算截面2. 换算截面计算xcbh0Asxcbh0EsAs 开裂换算截面的面积 开裂换算截面惯性矩9.1 受弯构件换算截面 T梁全截面换算截面概念2. 换算截面计算 求解xc高度混凝土部分对中和轴的静矩截面不开裂，钢筋等效为混凝土钢筋（扣除所占混凝土面积后）对中和轴的静矩=应xcbfh0Asbxch0EsAsbfb全截面换算截面面积9.2 受弯构件应力计算1.短暂状况正应力验算 受拉钢筋重心处应力 施工阶段的结构受力图式与使用阶段会有很大不同，因而需要进行验算。xch0EsAsbfb施工阶段图式使用阶段图式受压区边缘混凝土压应力施工阶段混凝土轴压标准强度施工阶段临时弯矩

4、钢筋抗拉强度标准值MkMk9.4 受弯构件的变形与刚度9.4.1 受弯构件刚度计算就平均应变而言符合平截面假定，其曲率为：短期效应组合弯矩 使用阶段过大的变形影响结构正常使用，变形验算为正常使用极限状态验算的重要内容。对钢筋混凝土构件，公路桥规规定计算变形时的抗弯刚度为：*沿梁长刚度为变化值，简化为不变的刚度，称为等效刚度9.4.2 受弯构件挠度验算*挠度计算方法: 等截面梁按等效刚度，采用结构力学中的图乘法求解，变截面采用积分公式计算或近似采用分段图乘法计算。公路桥规短期效应组合并考虑作用长期效应影响的长期挠度值计算式：简支梁长期影响系数公路桥规短期效应组合并考虑作用长期效应影响的长期挠度值

5、验算式：公路桥规预拱度设置：9.2 构件裂缝控制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9.2.1 裂缝的分类与成因1.裂缝的分类9.2.1 裂缝的分类与成因固体下沉，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2. 裂缝的成因因施工程序而造成的受力裂缝施工中的受力裂缝先浇

6、段先浇段合龙段9.2.1 裂缝的分类与成因使用期间的裂缝-钢筋锈蚀引起的裂缝使用期间的裂缝-温度（气温）变化引起的裂缝使用期间的裂缝-地基不均匀沉降引起的裂缝9.2.1 裂缝的分类与成因使用期间的裂缝-外部环境引起的裂缝使用期间的裂缝-荷载引起的裂缝斜裂缝！垂直裂缝！纵向裂缝！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9.2.2横向受力裂缝宽度的计算理论1. 粘结滑移理论 认为裂缝控制主要取决于钢筋和混凝土之间的粘结性能，一个裂缝区段内，钢筋伸长和混凝土伸长之差即为平均裂缝宽度，混凝土表面宽度与钢筋处裂缝宽度一样。

7、裂缝的宽度裂缝处钢筋的平均应变裂缝间钢筋应力不均匀系数m s (s)llsmc(c)cm裂缝平均间距19.2.2横向受力裂缝宽度的计算理论 认为混凝土开裂后，混凝土与钢筋之间相对滑移可忽略不计，钢筋表面裂缝宽小于混凝土表面宽，钢筋保护层厚度是影响裂缝宽度的主要因素。*Broms（美）Base（英）等人通过试验得出：2. 无滑移理论C3. 综合理论 最大裂缝宽度与平均裂缝宽度的扩大系数 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。9.2.2 横向受力裂缝宽度的计算理论4. 数理统计法影响裂缝宽度的主要因素混凝土强度等级（抗拉强度），很小钢筋保护层厚度c受拉钢

8、筋应力ss钢筋直径d受拉钢筋配筋率钢筋外形 C1直接作用性质 C2构件受力性质 C3钢筋表面形状系数变形钢筋=1；光圆钢筋=1.4荷载作用的系数：短期静力荷载=1；长期或重复作用=1.5构件受力特征系数：受弯构件=1.0；大偏压构件=0.9；偏心受拉构件=1.1；轴心受拉构件=1.29.2.3 公路桥规横向受力裂缝宽度计算公式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钢筋表面形状系数：变形钢筋=1；光圆钢筋=1.4作用长期影响系数构件受力特征系数：板式受弯构件=1.15；其他受弯构件=1.0；偏压构件=0.9；偏心受拉构件=1.1；轴心受拉构件=1.29.2.4 公路桥规裂缝

9、宽度限值C由不同的规范根据具体的情况确定荷载作用条件环境条件最大容许裂缝宽度（mm）短期组合考虑长期效应类、类0.2类、类0.15公路桥规裂缝宽度限值要求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，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。影响因素：内部因素： 混凝土强度、渗透性、保护层厚度、水泥品种、标号和用量、外加济等；外部因素： 环境温度、湿度、CO2含量、 侵蚀性介质等。 混凝土的碳化碳化是混凝土中性化的形式，是指大气中的

10、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，但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。9.4.2 常见混凝土结构耐久性问题 钢筋的锈蚀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。钢筋锈蚀损伤过程：坑蚀环蚀 暴筋结构失效 混凝土冻融破坏在严寒地区，潮湿或饱和的混凝土受到冻融循环的作用。混

11、凝土发生冻融破坏与混凝土内部孔隙密切相关，一般认为，混凝土中水泥浆体中的水是以碱溶液的形式存在，因此，混凝土溶液结冰的冰点比普通水的冰点低，混凝土内部孔隙中的水在低于零度的情况下才能结冰，体积膨胀约9%，对毛细孔臂约束形成膨胀压力，使内部结构疏松，毛细孔径愈小，孔隙中水的冰点愈低。当混凝土处于饱水状态时，毛细孔中的水结冰，胶凝孔中的水处于过冷状态，这样使得胶凝孔中的水向毛细孔中冰的界面处渗透，于是在毛细孔中又产生一种渗透压力。由此可见，处于饱水状态的混凝土受冻时，其毛细孔臂同时承受膨胀和渗透两种压力。当这两种压力共同作用结果超过混凝土的抗拉强度时，混凝土就会开裂。在反复冻融循环作用下，混凝土中

12、的裂缝会贯通，其强度也会降低。9.4.2 常见混凝土结构耐久性问题水泥中的碱和骨料中的活性氧化硅发生化学反应，生成碱-硅酸凝胶并吸水产生膨胀压力，致使混凝土开裂的现象称为碱-骨料反应。混凝土中碱-骨料反应分3种情况：碱-硅反应，碱-碳酸盐反应，碱-硅酸盐反应。碱-骨料反应通常进行得很慢，因此，由碱-骨料反应引起的破坏往往要经过若干年后才会出现。但是，一旦由于碱-骨料膨胀反应破坏的混凝土将是无法修复的。9.4.2 常见混凝土结构耐久性问题 混凝土碱集料反应 侵蚀性介质腐蚀 1）硫酸盐腐蚀 2）酸腐蚀 3）海水腐蚀 4）盐类结晶型腐蚀9.4.2 常见混凝土结构耐久性问题 机械磨损1. 耐久性设计的

13、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，预期的自然坏境化学和物理作用，以及正常维护下，应能满足正常使用，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。9.4.3 耐久性设计基本要求 桥梁结构的环境类别见表9-1。 桥梁结构设计基准期为100年。2.保证耐久性的措施 混凝土碳化对混凝土结构耐久性影响主要使混凝土碱度降低，最终造成钢筋锈蚀，因此，必须减小、延缓混凝土的碳化，足够的混凝土保护层厚度是最简单有效的方法。对于耐久性要求较高的重要结构构件以及受沿海环境侵蚀的承重，当处于露天或室内高温环境时，混凝土最小保护层厚度应增加5m

14、m10mm。此外，提高混凝土密实度、增强抗渗性、对混凝土采用覆盖面层等措施可减缓或隔离CO2向混凝土内部渗透，大大提高混凝土抗碳化能力。9.4.3 耐久性设计基本要求裂缝控制 裂缝过宽易造成钢筋锈蚀，对于由荷载作用引起的裂缝，规定最大裂缝宽度限值，并进行裂缝宽度验算。这是指荷载作用下产生的横向裂缝宽度而言。对于不是由荷载作用而是由其他原因产生的裂缝，应针对不同情况采取相应措施。 规定混凝土保护层最小厚度2.保证耐久性的措施 预防碱-骨料膨胀反应的必要条件是：选择非活性骨料；控制水泥含碱量(包括外加剂和掺合料引入的碱)；防止外界水分渗入混凝土。三个条件满足一个即不会发生碱-骨料膨胀反应。但是，有

15、时要满足其中任何一个条件都是不可能的，或者是很不经济的。这时就应该采取其他措施。掺加引气剂，使砂浆中含有大量均匀分布的微小气泡，碱-硅酸凝胶能嵌进分散的孔隙中，从而降低肿胀压和渗透压。但是，对于活性较高的骨料和高碱水泥，引气不能作为防止碱-骨料膨胀反应破坏的有效措施。试验表明，砂浆的最优含气量约为10%，引气量过少达不到抑制效果。但是，这么高的含气量，混凝土的强度将会降低25%40%，因此，这种方法不适合于配制强度较高的混凝土。9.4.3 耐久性设计基本要求抑制碱-骨料反应2.保证耐久性的措施 在混凝土中掺加优质引气型高效减水剂，既能获得大量均匀分布的微小气泡，显著提高抗冻性，又能大幅度减小/。向混凝土内掺引气剂已成为提高耐久性的基本措施。这是因为，在混凝土受冻时，气泡能够容纳水而使冰冻产生的压力得以释放；气泡还能容纳混凝土内部的有害应力并使之缓解等。不同国家对抗冻混凝土的最低含气量提出不同要求。9.4.3 耐久性设计基本要求防治发生冻融破坏 混凝土的渗透性控制着水