钢筋混凝土正常使用极限状态验算PPT

1、关于钢筋混凝土正常使用极限状态验算第一张，PPT共六十一页，创作于2022年6月 结构构件达到影响正常使用或耐久性能的某项规定限值，超过该极限状态，结构就不满足预定的适用性或耐久性要求。正常使用极限状态：正常使用极限状态验算可能成为设计中控制情况。一般只对持久状况进行验算。 正常使用极限状态验算的可靠度要求较低，一般要求 = 1.0 2.0。材料强度和荷载采用标准值。水口规范中，还不考虑结构重要性系数。第二张，PPT共六十一页，创作于2022年6月正常使用极限状态的验算内容：1、正常使用的抗裂验算或裂缝宽度验算2、正常使用的挠度验算钢筋混凝土结构构件一般都是首先进行承载力计算以确定构件的截面尺

2、寸与配筋。因此变形、裂缝等正常使用极限状态的计算内容属于验算性质。如何同时保证承载能力极限状态与正常使用极限状态？第三张，PPT共六十一页，创作于2022年6月8.1 抗裂验算影响外观，产生不安全感缩短混凝土碳化到达钢筋的时间，钢筋提早锈蚀侵蚀环境中，加速钢筋锈蚀水头较大时，产生水力劈裂现象 一般混凝土结构都是带裂缝工作的，裂缝对混凝土结构有以下不利影响：第四张，PPT共六十一页，创作于2022年6月裂缝控制等级第五张，PPT共六十一页，创作于2022年6月一、轴心受拉构件钢筋与混凝土变形协调，即将开裂时， c=ft ； s=sEs = tuEs =Es ft / Ec = E ft第六张，P

3、PT共六十一页，创作于2022年6月为满足目标可靠指标要求，引进拉应力限制系数ct， ft 改用ftk :靠增加钢筋提高抗裂能力是不经济，不合理的。Nk 由荷载标准值计算的轴向力； ftk 砼轴心抗拉强度标准值； ct砼拉应力限制系数，ct=0.85； A0 换算截面面积，A0=Ac + EAs， E 钢筋和砼的弹性模量比，E= Es /Ec； As为钢筋截面面积；Ac为砼截面面积。第七张，PPT共六十一页，创作于2022年6月二、受弯构件受弯构件正截面即将开裂时，应力处于第I阶段末（Ia）。受拉区近似假定为梯形，塑化区占受拉区高度的一半。利用平截面假定，根据力和力矩的平衡，求出Mcr。 第八

4、张，PPT共六十一页，创作于2022年6月 更方便的是在保持Mcr相等的条件下，将受拉区梯形应力图 折换成直线分布应力图。受拉边缘应力为mft 。m为截面抵抗矩的塑性系数。换算后可直接用弹性体的材料力学公式进行计算。第九张，PPT共六十一页，创作于2022年6月A0=Ac + E As + E As 把钢筋换算为同位置的砼截面面积E As和E As：W0换算截面A0对受拉边缘的弹性抵抗矩； y0换算截面重心轴至受压边缘的距离； I0换算截面对其重心轴的惯性矩。为满足目标可靠指标的要求，引用拉应力限制系数ct ，荷载和材料强度均取用标准值。第十张，PPT共六十一页，创作于2022年6月m是受拉区

5、为梯形的应力图形，按抗裂弯矩相等的原则，折算成直线应力图形时，相应受拉边缘应力比值。m值与截面形状有关；m值与假定的受拉区应力图形有关； 各种截面的m值见附录5表4。m值还与截面高度h, m值随h值的增大而减小。乘以考虑截面高度影响的修正系数 ，其值不大于1.1。h以mm计，当h3000mm，取h=3000mm。第十一张，PPT共六十一页，创作于2022年6月三、偏心受拉构件 把钢筋换算为砼截面面积，将应力折换成直线分布，引入偏拉，采用迭加原理，用材料力学公式进行计算 ：偏拉为偏心受拉构件的截面抵抗矩塑性系数。第十二张，PPT共六十一页，创作于2022年6月轴拉构件应变梯度为零，轴拉1随应变梯

6、度加大，塑性影响系数加大。第十三张，PPT共六十一页，创作于2022年6月 近似：偏拉随平均拉应力=Nk/A0的大小，按线性规律在1与m之间变化： =0时（受弯）,偏拉m; =ctftk时（轴拉）,偏拉1第十四张，PPT共六十一页，创作于2022年6月偏心受拉构件抗裂验算公式：e0轴向拉力的偏心距；第十五张，PPT共六十一页，创作于2022年6月四、偏心受压构件偏压大于m，为简化计算并偏于安全取偏压m：第十六张，PPT共六十一页，创作于2022年6月8.2 裂缝开展宽度验算一、裂缝的成因和对策砼结构中存在拉应力是产生裂缝的必要条件。当混凝土拉应变达到极限拉应变etu 时出现裂缝。裂缝分荷载和非

7、荷载因素引起的两类 。非荷载因素如温度变化、砼收缩、基础不均匀沉降、塑性坍落、冰冻、钢筋锈蚀及碱一骨料化学反应等都能引起裂缝。水工钢筋砼结构中，大部分裂缝由非荷载因素引起。 第十七张，PPT共六十一页，创作于2022年6月1、由荷载引起的裂缝 裂缝宽度计算限于由弯矩、轴心拉力、偏心拉(压)力等引起的垂直裂缝（正截面裂缝）。剪力或扭矩引起的斜裂缝计算没有在规范中反映。对策：合理配筋，控制钢筋应力不过高，钢筋直径不过粗。第十八张，PPT共六十一页，创作于2022年6月2、由非荷载因素引起的裂缝温度变化混凝土收缩基础不均匀沉降冰冻钢筋锈蚀.1）温度变化引起的裂缝 温度变化产生变形即热胀冷缩。变形受到

8、约束，就产生裂缝。对策：设伸缩缝，减小约束，允许自由变形。大体积砼，内部温度大，外周温度低，内外温差大，引起温度裂缝。减小温度差：分层分块浇筑，采用低热水泥，埋置块石，预冷骨料，预埋冷却水管等。第十九张，PPT共六十一页，创作于2022年6月2）砼收缩引起的裂缝砼在空气中结硬产生收缩变形，产生收缩裂缝。对策：设伸缩缝，降低水灰比，配筋率不过高，设置构造钢筋使收缩裂缝分布均匀，加强潮湿养护。3）基础不均匀沉降引起的裂缝对策：构造措施及设沉降缝等。4）砼塑性坍落引起的裂缝对策：控制水灰比，采用适量减水剂，不漏振，不过振，避免泌水现象，在砼终凝前抹面压光。第二十张，PPT共六十一页，创作于2022年

9、6月5）冰冻引起的裂缝水在结冰时体积增加，孔道中水结冰会使砼胀裂。 6）钢筋锈蚀引起的裂缝钢筋锈蚀是电化学反应，钢筋生锈体积膨胀，产生顺筋裂缝，导致砼保护层剥落，影响结构耐久性。对策：提高砼密实度和抗渗性，适当加大保护层厚度。第二十一张，PPT共六十一页，创作于2022年6月7）碱-骨料化学反应引起的裂缝砼孔隙中水泥的碱性溶液与活性骨料(含活性SiO2)化学反应生成碱-硅酸凝胶，遇水膨胀，使砼胀裂。对策：选择低含碱量的水泥，限制活性骨料含量，高砼的密实度和采用较低的水灰比。第二十二张，PPT共六十一页，创作于2022年6月二、裂缝宽度计算理论概述2、半经验半理论公式1、数理统计公式 通过对大量

10、试验资料的分析，选出影响裂缝宽度的主要参数，进行数理统计后得出。 为我国规范采用，从力学模型出发推导出理论计算公式，用试验资料确定公式中系数。理论又可分为三类：粘结滑移理论无滑移理论综合理论第二十三张，PPT共六十一页，创作于2022年6月粘结滑移理论 裂缝开展是由于钢筋和砼之间不再保持变形协调而出现 相对滑移造成的。在一个裂缝区段(裂缝间距lcr)内，钢筋与砼伸长之差是裂缝开展宽度，lcr越大，越大。砼表面的裂缝宽度与内部钢筋表面处是一样的。钢筋和混凝土之间出现粘结滑移。第二十四张，PPT共六十一页，创作于2022年6月无粘结滑移理论假定裂缝开展后，砼截面在局部范围内不再保持为平面，钢筋与砼

11、之间的粘结力不破坏，相对滑移忽略不计表面裂缝宽度是受从钢筋到构件表面的应变梯度控制的，与保护层厚度c大小有关。综合理论 建立在前两种理论基础上，既考虑保护层厚度c的影响，也考虑钢筋可能出现的滑移。第二十五张，PPT共六十一页，创作于2022年6月三、裂缝开展机理及计算理论 荷载很小时，未出现裂缝，在纯弯段各个截面的拉应力大致相同。当达到混凝土的抗拉强度时，达到将裂未裂的状态。第一阶段末。 在混凝土最薄弱截面处出现第一批裂缝。（一条或几条）。钢筋应力和应变有突变，混凝土回缩，所以裂缝一旦出现就会有一定的宽度。a1、裂缝出现前后的应力状态第二十六张，PPT共六十一页，创作于2022年6月abcts

12、lcr 两者之间有相对滑移，直到共同变形。通过粘结应力的作用,混凝土又逐渐承受拉力。拉力从零到最大。一定距离后，两者应力恢复到开裂前的状态。 一定距离后，混凝土拉应力又达到最大，又可能产生新的裂缝。第二十七张，PPT共六十一页，创作于2022年6月 裂缝出现后，沿构件长度方向，钢筋与砼的应力随裂缝位置变化，中和轴随裂缝位置呈波浪形起伏。 第二十八张，PPT共六十一页，创作于2022年6月 由于砼质量不均，裂缝间距有疏有密。最大间距可为平均间距的1.32倍。 裂缝出现有先有后，荷载超过开裂荷载50以上时，裂缝间距才趋于稳定。 裂缝开展宽度有大有小，实际设计应考虑最大裂缝宽度。平均裂缝宽度m乘以扩

13、大系数最大裂缝宽度max第二十九张，PPT共六十一页，创作于2022年6月2、平均裂缝宽度m把问题理想化，裂缝是等间距的，同时发生的。荷载增加只加大裂缝宽度，不产生新的裂缝。各条裂缝宽度，在同一荷载下相等。第三十张，PPT共六十一页，创作于2022年6月2、平均裂缝宽度m钢筋重心处裂缝宽度wm等于两条相邻裂缝之间钢筋与砼伸长之差：sm、cm 分别为裂缝间钢筋及砼的平均应变； lcr 裂缝间距。砼的拉伸变形极小，略去不计：第三十一张，PPT共六十一页，创作于2022年6月裂缝截面钢筋应变s最大，非裂缝截面钢筋应变减小，钢筋的平均应变sm比裂缝截面钢筋应变s小。用受拉钢筋应变不均匀系数表示裂缝间因

14、砼承受拉力对钢筋应变的影响， =sm/s。 裂缝宽度主要取决于裂缝截面钢筋应力s、裂缝间距lcr和纵向受拉钢筋应变不均匀系数 。第三十二张，PPT共六十一页，创作于2022年6月对轴拉构件：（2） lcr 值 mlcr范围内纵向受拉钢筋与砼的平均粘结应力； u纵向受拉钢筋截面总周长，u=nd，n和d为钢筋的根数和直径。脱离体两端拉力差由粘结力平衡： Ate有效受拉砼截面面积 （1） s值第三十三张，PPT共六十一页，创作于2022年6月粘结滑移理论推求出的 lcr与钢筋直径d及有效配筋率teAsAte有关。无滑移理论认为保护层厚度c是影响构件表面裂缝宽度的主要因素。综合理论既考虑c的影响，也考

15、虑d及te的影响。第三十四张，PPT共六十一页，创作于2022年6月（3）值1，反映裂缝间受拉混凝土参与工作的程度；越大，钢筋受力越均匀，混凝土参与受拉作用越小；随着荷载增大，值越来越大；试验常数。第三十五张，PPT共六十一页，创作于2022年6月3、最大裂缝宽度max考虑构件受力特征和荷载长期作用的综合影响系数，对受弯构件和偏心受压构件，取 =2.1，对偏心受拉构件，取 =2.4；对轴心受拉构件，取 =2.7水工砼结构设计规范的裂缝宽度验算公式第三十六张，PPT共六十一页，创作于2022年6月c最外排纵向受拉筋外缘至拉区底边的距离(mm)， c65mm时，取c65mm；d受拉钢筋直径(mm)

16、，用不同直径时，改用换算直径 4As/u, u为钢筋总周长；te纵向受拉钢筋的有效配筋率， teAs/Ate，te0.03时，取te=0.03；第三十七张，PPT共六十一页，创作于2022年6月As 受拉区纵向钢筋截面面积； 受弯、偏拉及大偏压：取拉区纵筋面积， 全截面受拉的偏拉：取拉应力大一侧的钢筋面积， 轴拉：取全部纵筋面积Ate有效受拉砼截面面积；sk按荷载标准值计算的纵向受拉筋应力。第三十八张，PPT共六十一页，创作于2022年6月 Ate的取值受弯、偏拉及大偏压：Ate 2ab，a为As重心至截面受拉边缘的距离，b为矩形截面的宽度，有受拉翼缘的倒T形及工形截面，b为受拉翼缘宽度；轴拉

17、：取2als，ls为沿截面周边配置的受拉钢筋重心连线的总长度。 第三十九张，PPT共六十一页，创作于2022年6月钢筋应力sksk偏心受拉大偏心受压受弯轴心受拉构件形式第四十张，PPT共六十一页，创作于2022年6月使用裂缝宽度公式时应注意的问题：（1）只适用于常见的梁、柱构件（2）只适用于外力不随结构变形而改变的情况（3）只能用于配置带肋钢筋的构件（4）验算时，荷载应采用标准值（最大值），某些结构可变荷载很大却很少出现，最大裂缝宽度应乘以一个小于1的系数（5）不可减小保护层厚度以减小最大裂缝宽度（6）e0/h00.55的偏心受压构件对裂缝宽度很小的构件，可不进行验算第四十一张，PPT共六十一

18、页，创作于2022年6月四、裂缝控制措施 采用细而密的带肋钢筋，可使裂缝间距及裂缝宽度减小。适当增加受拉区纵筋配筋量。 采用更合理的结构外形，减小高应力区范围，降低应力集中程度，在应力集中区局部增配钢筋；在受拉区混凝土中设置或掺加钢纤维；在混凝土表面涂敷或设置防护面层等。 解决荷载裂缝问题的最根本的方法是采用预应力钢筋混凝土结构。第四十二张，PPT共六十一页，创作于2022年6月一、截面抗弯刚度及特点匀质弹性材料梁的跨中最大挠度S：与荷载形式、支承条件有关的参数。M：最大弯矩。l0：计算跨度。EI：截面抗弯刚度。E:材料弹性模量，I：截面惯性矩对于匀质弹性材料梁，抗弯刚度EI是一个常数，M-f

19、成正比。对于钢筋混凝土材料梁，仍用上述公式计算挠度，但抗弯刚度B不再是常量。8.3 受弯构件变形验算第四十三张，PPT共六十一页，创作于2022年6月钢筋混凝土梁抗弯刚度B=EI的特点（1）荷载较小，裂缝出现前（第阶段） （2）出现裂缝到受拉钢筋临近屈服（第阶段）（3）受拉钢筋屈服到混凝土压坏（第阶段）1、钢筋混凝土受弯构件的抗弯刚度B=EI随弯矩M增大而减小。2、由于混凝土徐变等影响，B随时间增大而减小 。 所以既要考虑荷载短期效应，还要考虑荷载长期效应，分别用Bs和B来表示。第四十四张，PPT共六十一页，创作于2022年6月二、受弯构件的短期刚度Bs 接近于匀质弹性材料梁，实际挠度比按弹性

20、公式算得的数值偏大。这是因为受拉区发生塑性，实际弹性模量E有所降低，而截面并未削弱。所以将换算截面的EI稍加修正即可。不出现裂缝的构件第四十五张，PPT共六十一页，创作于2022年6月出现裂缝的构件矩形、T形及工形截面构件的短期刚度： 纵向拉筋的配筋率； f 受压翼缘面积与腹板有效面积的比值； f 受拉翼缘面积与腹板有效面积的比值。第四十六张，PPT共六十一页，创作于2022年6月三、受弯构件的抗弯刚度B荷载长期作用下挠度增加的主要原因是混凝土的徐变和收缩。长期荷载下，压区砼徐变使挠度随时间增大。砼收缩引起梁刚度降低，挠度增大。考虑荷载长期作用对梁挠度影响的方法考虑砼徐变及收缩的影响计算长期刚

21、度，或直接计算荷载长期作用产生的挠度增长和自由收缩引起的翘曲；试验结果确定荷载长期作用的挠度增大系数，采用值计算长期刚度。值为荷载长期作用的挠度与即时产生的挠度的比值。第四十七张，PPT共六十一页，创作于2022年6月 我国水工规范采用第二种方法。根据对受弯构件长期挠度观测结果 、为受压筋和受拉筋的配筋率。 当 = 0时，= 2.0；当 = 时，= 1.6；当 为中间值， 按直线内插。抗弯刚度第四十八张，PPT共六十一页，创作于2022年6月四、受弯构件的挠度验算 用B代替材料力学公式中的EI，即可求得受弯构件的挠度。 某受弯构件，各处M不同，因此全长范围内的抗弯刚度也不同，支座处的弯矩小，抗

22、弯刚度大。如何取用M值计算抗弯刚度？最小刚度原则 取同号弯矩区段内弯矩最大截面的抗弯刚度作为该区段的抗弯刚度。对于简支梁，可取跨中截面的抗弯刚度；对于等截面的连续构件，抗弯刚度可取跨中截面和支座截面刚度的平均值。第四十九张，PPT共六十一页，创作于2022年6月增加截面高度增加纵向钢筋的面积选用合理的截面（如T形或工形等）配置一定受压钢筋提高混凝土强度等级 如果最大挠度超过规范的限值，则可采取：合理有效的措施是增大截面的高度。第五十张，PPT共六十一页，创作于2022年6月8.4 混凝土结构的耐久性要求耐久性作为混凝土结构可靠性的三大功能指标之一，越来越受到工程设计的重视，结构的耐久性设计也成

23、为结构设计的重要内容之一。 导致水工混凝土结构耐久性失效的原因主要有：混凝土的低强度风化；碱骨料反应；渗漏溶蚀；冻融破坏水质侵蚀；冲刷磨损和空蚀混凝土的碳化与钢筋锈蚀由荷载、温度、收缩等原因产生的裂缝以及止水失效等引起渗漏病害的加剧等一、耐久性的概念第五十一张，PPT共六十一页，创作于2022年6月内 因外 因混凝土强度、密实性、水泥用量、水灰比、氯离子含量、碱含量、外加剂用量、保护层厚度等温度、湿度、CO2含量、侵蚀性介质等综合作用 其中，混凝土碳化、钢筋锈蚀是最主要的综合因素。三、影响耐久性的因素第五十二张，PPT共六十一页，创作于2022年6月53三、混凝土的碳化碳化碳化是指大气中的CO

24、2不断向混凝土内部扩散，并与混凝土中的碱性物质Ca (OH)2发生中和反应，使混凝土的碱性下降（PH值降低）的现象。碳化是混凝土的中性化。危 害混凝土呈碱性，在钢筋表面生成致密的氧化膜，保护钢筋不锈蚀。当碳化至钢筋表面时，将会破坏氧化膜，使钢筋有锈蚀的危险。此外，碳化会加剧混凝土收缩，导致其开裂，影响耐久性环境因素：CO2的浓度、湿度、温度等自身因素：CaO含量、强度等级、内部密实度、孔隙率、孔径、 水灰比、保护层厚度等影响因素第五十三张，PPT共六十一页，创作于2022年6月54减小碳化的措施合理确定配合比，规定水泥用量的低限值和水灰比的高限值， 合理采用掺合料提高混凝土的密实性、抗渗性规定

25、保护层的最小厚度采用覆盖面层（水泥砂浆或涂料）碳酸试液测定。碳化深度与时间相关表达式，可预测碳化深度。碳化深度测定三、混凝土的碳化第五十四张，PPT共六十一页，创作于2022年6月55四、钢筋的锈蚀锈蚀 锈蚀是影响混凝土结构耐久性的关键问题之一。 钢筋表面氧化膜被破坏形成钢筋锈蚀的必要条件，含氧水份侵入是钢筋锈蚀的充分条件。 锈蚀机理是电化学腐蚀。过程：“坑蚀”、“环蚀”形成锈蚀面、“暴筋”危 害 钢筋锈蚀，体积膨胀，导致沿钢筋长度出现纵向裂缝，使保护层剥落，使钢筋截面削弱，承载力降低，最终使结构破坏或失效。环境因素：周围环境腐蚀性成分的含量自身因素：密实度、保护层厚度、氯离子含量等影响因素第五十五张，PPT共六十一页，创作于2022年6月56防止钢筋锈蚀措施降低水灰比，增加水泥用量，提高混凝土的密实度要有足够的混凝土保护层厚度严格控制氯离子含量采用覆盖层，防止CO2、O2、Cl的渗入。四、钢筋的锈蚀第五十六张，PPT共六十一页，创作于2022年6月57五、耐久性设计