混凝土结构基本原理 课件 第7-9章 预应力混凝土构件的基本原理、混凝土结构的疲劳验算、混凝土结构的耐久性设计

第7章预应力混凝土构件的基本原理辽宁省大学资源共享课

混凝土结构基本原理

FundamentalsofConcreteStructures第9章预应力混凝土结构的基本原理本节习题本节例题§7.1概述§7.2张拉控制应力及预应力损失§7.3后张法构件端部锚固区的局部受压验算§7.4预应力混凝土轴心受拉构件的计算§7.5先张法预应力混凝土受弯构件设计§7.6预应力混凝土构件的构造要求1、熟悉预应力混凝土结构的基本概念2、熟悉预应力混凝土轴心受拉及受弯构件的受力过程分析、预应力损失及其计算；2、掌握预应力混凝土轴心受拉及受弯构件的各阶段受力分析及设计方法；4、熟悉预应力混凝土结构的施工工艺及构造要求。重点：预应力混凝土的基本知识及轴心受拉及受弯构件的设计难点：各阶段预应力损失的计算第7章学习目标7.1.1预应力混凝土(prestressedconcrete)的基本概念§7.1预应力混凝土概述1.普通钢筋混凝土的缺点：（1）在使用荷载下带裂缝工作：影响耐久，功能！刚度！疲劳性！若不裂，加大截面面积增加自重。不开裂

3=20～30M/

a（2）难以利用高强度材料。与

max对应的

3=200N/mm2，而高强钢丝可达1800N/mm2

。提高混凝土强度等级对提高构件的抗裂性能和控制裂缝宽度的作用不大。克服混凝土抗拉强度低的缺点，预应力混凝土结构。生活中预应力桶箍，使木板预受压，在使用中受水的张力，受拉搬书上架–双手对书施加预压力，书就不会掉下来2.预应力混凝土的发展木锯的锯条：锯条工作时受压，会发生压屈，但锯条的受拉性能好，拧紧拉绳使锯条受拉，不易产生压屈自行车的辐条：–辐条细，受载后受压易压屈；钢圈截面较大可受压，旋紧辐条，使辐条预先受拉，在受力时不会产生压屈橡皮筋捆饭票2.预应力混凝土的发展应用；初期阶段1886年前后，加利福尼亚旧金山工程师P.H.Jackson申请了在混凝土拱内张紧钢拉杆作楼板的专利1988年，德国的C.E.W.Doehring在混凝土楼板受荷前时拉力的钢筋来加强混凝土的专利1908年，美国的C.R.Steiner提出了二次张拉的建议1925年内布拉斯加州的R.E.Dill试用无粘结的做法法国的弗莱西奈E.Freyssinet在1928年考虑混凝土收缩和徐变产生的损失，提出预应力混凝土必须采用高强钢材和高强混凝土，这是预应力混凝土在理论上关键的突破工程实用阶段直到1939年，E.Freyssinet发明了短部锚固用的锥形契等，在工艺上提供了切实可行的方法，使预应力结构得到工程应用的真正推广40年代，弗莱西奈E.Freyssinet设计跨越法国马恩河，孔径为55m的luzancy桥，人们才接受预应力损失可以控制和计算的见解迅速发展阶段40年代：第二次世界大战结束后,预应力混凝土大规模推广，由于西欧对工业、交通、城市建设急待恢复和重建，钢材供应十分紧张的情况下，原先钢结构的工程纷纷改为预应力混凝土结构，应用范围，也从桥梁、工厂扩大到土木、建筑工程的各个领域1950年国际上成立了预应力混凝土协会（简称为FIP）1960年，预应力混凝土桥已经成为美国的标准做法世界普及阶段美国：大规模的预应力混凝土的推广，是第二次世界大战结束后，由于西欧对工业、交通、城市建设急待恢复和重建，钢材供应十分紧张的情况下，原先钢结构的工程纷纷改为预应力混凝土结构，应用范围，也从桥梁、工厂扩大到土木、建筑工程的各个领域日本德国比利时待续

我国预应力的发展50、60年代：预制构件，3-6米的楼板，吊车梁，大型屋面板，12–18米的大梁，36米以内的屋架等－提倡工业化施工70年代，北京和江、浙一带建了不少的升板结构，和少量的预应力框架结构80年代：由于无粘结预应力混凝土的推广，多、高层大开间的预应力平板体系，大量地采用预应力混凝土结构桥梁，特种结构等大量采用预应力混凝土结构90年代：高层房屋的楼板跨度大；采用预应力梁减少新世纪：预应力混凝土的应用：大跨度结构（大跨度桥梁）；

特种结构（防漏、防渗和压力容器）；

对构件的刚度和变形控制要求较高的结构构件。

所谓预应力砼，就是事先人为地在混凝土或钢筋混凝土中引入内部应力，而且其数值和分布有利于抵消使荷载产生的应力，称其为预应力混凝土。7.1.1预应力砼的基本原理：

a.预先在受拉区施加一 对偏心压力Np，下边缘 产生压应力σpc

b.在外荷载作用下，下边 缘产生拉应力σc

c.截面上最后应力状态为 前面两者叠加

该结构也可认为是人为地引入某一反向荷载，用以抵消使用荷载的一种配筋混凝土epNpspcsc1.预应力混凝土的优点：节省材料，减轻自重，增加跨越能力。提高构件的抗裂性、增加截面刚度。可以减小混凝土梁的竖向剪力和主拉应力。结构质量安全可靠。预加力还可以作为结构构件的连接手段，促进了桥梁结构新体系与施工方法的发展。2.预应力混凝土的缺点：最主要的问题是在使用阶段如何保持有效预应力不至于降低到最小。需要有一定的专门设备和配备一支技术熟练的专业队伍。预应力反拱度不易控制。?请回答！7.1.2预应力混凝土的特点预应力度预应力度（λ）：由预加应力大小确定的消压弯矩MO与外荷载产生的弯矩M的比值，即λ=M0/M式中：λ—预应力度；M0—消压弯矩。即将控制截面边缘由预加力产生的预压应力抵消为零时所施加的荷载弯矩；M—使用荷载（不包括预加力）作用下控制截面的弯矩。7.1.3预应力混凝土分类(1)全预应力混凝土(2)有限预应力混凝土加筋混凝土结构的分类——截面受拉边缘不出现拉应力——截面受拉边缘的拉应力不超过混凝土抗拉强度值不施加预应力的混凝土结构(3)部分预应力混凝土相当于我国《规范》的一级抗裂：严格要求不出现裂缝相当于我国《规范》的二级抗裂：一般要求不出现裂缝——允许截面受拉边缘产生大于其强度的拉应力相当于我国《规范》的三级抗裂：允许出现裂缝，但需限制最大裂缝宽度(4)普通钢筋混凝土一、混凝土——《规范》要求采用高强混凝土，一般预应力混凝土构件的混凝土不低于C30，当采用高强钢丝时不低于C40。★可以施加较大的预压应力，提高预应力效率；★有利于减小构件截面尺寸，以适用大跨度的要求；★具有较高的弹性模量，有利于提高截面抗弯刚度，减少预压时的弹性回缩；★徐变较小，有利于减少徐变引起的预应力损失；★与钢筋有较大粘结强度，减少先张法预应力筋的应力传递长度；★有利于提高局部承压能力，便于后张锚具的布置和减小锚具垫板的尺寸；★强度早期发展较快，可较早施加预应力，加快施工速度，提高台座、模具、夹具的周转率，降低间接费用7.1.4预应力混凝土材料（2）预应力钢材的种类：二、钢材（1）对钢材的要求：

（1）高强度（fptk可达1860Mpa） （2）塑性好 （3）低松弛（应力松弛：长度保持不变而应力随时间降低的现象） （4）耐腐蚀（应力腐蚀：高应力钢丝腐蚀速度增快） （5）与混凝土之间有足够的粘结强度（先张法） （6）良好的加工性能（后张法，镦头锚）

（1）冷拉热轧钢筋等其他钢材 （2）消除应力钢丝 （3）钢绞线 （4）热处理钢筋◆

预应力钢筋的强度越高越好。◆

而且在预应力混凝土制作和使用过程中，由于种种原因，预应力筋中预先施加的张拉应力会产生损失，因此，为使得扣除应力损失后仍具有较高的张拉应力，也必须使用高强钢筋（丝）作预应力筋。◆

为避免在超载情况下发生脆性破断，预应力筋还必须具有一定的塑性。同时还要求具有良好的加工性能，以满足对钢筋焊接、镦粗的加工要求。◆

对钢丝类预应力筋，还要求具有低松弛性和与混凝土良好的粘结性能，通常采用‘刻痕’或‘压波’方法来提高与混凝土粘结强度。（3）预应力钢筋1）冷拉低合金钢筋◆通常将Ⅳ级热轧钢筋经冷拉后作为预应力筋，抗拉强度可达580MPa。◆为解决粗直径钢筋的连接问题，钢筋表面轧制成不带纵向肋的精制螺纹，可用套筒直接连接。◆但随着近年来高强钢丝和钢绞线的大量生产，这种预应力筋的应用已很少。2）中高强钢丝中高强钢丝是采用优质碳素钢盘条，经过几次冷拔后得到。中强钢丝的为800~1000MPa，高强钢丝的强度为1470~1860MPa。钢丝直径为3~9mm。为增加与混凝土粘结强度，钢丝表面可采用‘刻痕’或‘压波’，也可制成螺旋肋。刻痕钢丝螺旋肋钢丝消除应力钢丝：钢丝经冷拔后，存在有较大的内应力，一般都需要采用低温回火处理来消除内应力。消除应力钢丝的比例极限、条件屈服强度和弹性模量均比消除应力前有所提高，塑性也有所改善。3）钢绞线

钢绞线是用2、3、7股高强钢丝扭结而成的一种高强预应力筋，其中以7股钢绞线应用最多。7股钢绞线的公称直径为9.5~15.2mm，通常用于无粘结预应力筋，强度可高达1860MPa。2股和3股钢绞线用途不广，仅用于某些先张法构件，以提高与混凝土的粘结强度。无粘结预应力束4）热处理钢筋

用热轧中碳低合金钢经过调质热处理后制成的高强度钢筋，直径为6~10mm，抗拉强度为1470MPa。除冷拉低合金钢筋外，其余预应力筋的应力-应变曲线均无明显屈服点，采用残余应变为0.2%的条件屈服点作为抗拉强度设计指标。返回按照张拉钢筋与浇捣混凝土的先后次序分为：

先张法（pretensioningmethod）：张拉钢筋支模、浇砼砼达到一定强度剪丝产生预应力7.2.1预应力的施加方法先张法是靠粘结力来传递并保持预加应力的。顺序：7.2预应力混凝土的施工工艺

后张法（post-tensioningmethod）：浇砼，预留孔道达到强度，穿筋张拉钢筋，锚固孔道灌浆锚环契块后张法是靠工作锚具来传递并保持预加应力的。锚具千斤顶波纹管施工顺序：

后张法动画(1)锚、夹具构件制作完后，能取下重复使用–––夹具用于永久固定钢筋、作为构件的一部分–––锚具不同种类的锚具，有不同的固定原理。同时固定预应力筋不同。锚具不同则回缩量不同，尺寸外形对构件的影响不同。其作用为固定力筋。7.2.2锚具与张拉设备1）对锚、夹具的要求：A.安全可靠，其本身具有足够的强度和刚度。B.应使预应力钢筋在锚具内尽可能不产生滑移，以减少预应力损失。C.构造简单，便于机械加工制作。D.使用方便，省材料、价格低。2)锚具的形式：锚具的型式繁多，按其传力锚固受力原理，可分为三类：依靠摩擦力锚固的锚具。依靠承压锚固的锚具。依靠粘结力锚固的锚具。如楔形锚、锥形锚和用于锚固钢绞线的JM锚与夹片式群锚等。如墩头锚、钢筋螺纹锚等。如先张法的筋束锚固，以及后张法固定端的钢绞线压花锚具等。其它设备：2.预加应力的其它设备千斤顶制孔器抽拔橡胶管螺旋金属波纹管穿索机压浆机张拉台座（先张法）

卷扬机千斤顶3、锚具和夹具

10.4预应力混凝土的材料及锚夹具夹片式锚具第7章预应力混凝土构件的基本原理PrestressedConcreteStructure沈阳工业大学多媒体辅助教学课程

混凝土结构设计原理

DesignPrincipleforConcreteStructure1.定义：7.3.1张拉控制应力

其值为张拉设备（如千斤顶油压表）所指示的总张拉力除以预应力钢筋面积得到的应力值。

张拉控制应力(controlstressbyspreadout)是指预应力钢筋在进行张拉时所控制达到的最大应力值。张拉控制应力及预应力损失§7.32.张拉控制应力大小的确定：

考虑因素：

的确定原则：与预应力筋的钢种及施加预应力的方法有关。a.

con

。产生的预应力大，抗裂性好

con>0.4fptk0.5fpykb.

con

过高，可能引起张拉时钢丝拉断也只能适当。或Pcr

与Pu过干接近c.

与所采用的钢筋种类和张拉方式有关。软钢，硬，先张，后张在考虑提高施工阶段的抗裂性及减少应力松驰、摩擦、钢筋分批张拉及台座之间的温差损失时，可以提高0.05fptk(0.05fpyk)3.张拉控制应力允许值钢筋种类张拉方法先张法后张法消除应力钢丝、钢绞线0.75fptk0.75fptk热处理钢筋0.70fptk0.65fptk张拉控制应力值上限当符合下列情况之一时，上表中的限值可提高0.05fptk:（1）要求提高构件在施工阶段的抗裂性能而在使用阶段受压区内设置的预应力钢筋（2）要求部分抵消由于应力松弛、摩擦、钢筋分批张拉以及预应力钢筋与张拉台座之间的温差等因素产生的预应力损失张拉控制应力下限：σcon≥0.4fptk引起预应力损失的原因有六大类。先分别找出这些损失出现的原因，再根据先张法和后张法的施工特点，了解不同预应力损失的组合。

con–

l=

P–––有效预应力。1.定义

预应力钢筋的张拉应力在预应力混凝土构件施工及使用过程中，由于张拉工艺和材料特性等原因是在不断降低的，这种预应力钢筋应力的降低，称为预应力损失（thecostofprestressingforce)。7.3.2预应力损失2.预应力损失种类瞬时损失长期损失预应力筋与孔道壁之间的摩擦引起的损失锚具变形和钢筋内缩引起的损失温差损失混凝土弹压损失钢筋松弛损失混凝土收缩、徐变损失

对于不同种类的锚具、不同施工方法，可能还存在其他预应力损失。如：锚圈口摩阻损失等，应根据具体情况逐项考虑其影响。?请回答！a–––回缩量l–––张拉端～锚固端距离（1）张拉端锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失

l1：按下式计算：式中：Es–––预应力钢筋的弹性模量减小措施l1：小变形夹具，减少垫板，增加台座长度。后张法：x–––从张拉端至计算截面的孔道长度(m)可用投影长度。

–––从张拉端至计算截面曲线孔道长度的夹角(rad)。当

+kx0.2时，

l2=

con(kx+

)（2）预应力钢筋与孔道壁之间的摩擦引起的损失

l2：措施l2：减小摩擦，两端张拉，超张拉。加热养护：此时砼未结硬。筋自由伸长，而台座不动。松了–––产生温差损失小钢模生产的构件无此项损失。（3）受张拉的钢筋与承受拉力的设备之间的温差引起的预应力损失

l3：措施l3：采用二次升温养护：

t020使砼达到一定强度，再升温；钢模上张拉预应力钢筋。（1）应力松弛现象：指钢筋在高应力状态下，由于钢筋的塑性变形而使应力随时间的增长而降低的现象。（2）应力松弛：长度不变，应力随时间增长而降低。应力松弛的特点与钢种有关。软钢小而硬钢大，与时间有关，先快后慢。一天完成80%，一小时为50%。（4）预应力钢筋的应力松弛引起的损失

l4：措施l4：超张拉，减少

l4，让

l4先部分完成。（3）利用超引拉工序可以减少

l4超张拉工序：对钢筋

从01.05

con(持荷2min)

con对钢丝

从01.05

con(持荷2min)0

con超张拉的持荷2min，已将部分的松弛完成，所以可达到减少

l4的目的。钢种一次张拉超张拉冷拉热轨钢筋.热处理钢筋0.05

con碳素钢丝.钢铰线冷拔低碳钢筋0.035

con

=1.0

=0.90.085

con0.065

con当con0.5l4=0

应力不高，其徐变不明显。（4）

l4的计算

收缩、徐变将引起构件缩短，钢筋回缩，引起

l3，砼徐变f'cn此时预应力的大小，纵筋含钢率等：先张法：（5）砼收缩、徐变引起的预应力损失

l5：后张法：

、

'–––受拉区、受压区预应力筋和非预应力筋的含钢率。

pc、

'pc–––产生第一批预应力损失后的预应力损失后，受拉区、受压区预应力钢筋在各自合力点处砼的法向压应力

l5还可考虑环境和时间因素的影响干燥('l5)

l5(1.02～1.03)高温('l5)

l50.5)时间影响：

l5('l5)

j–––预加应力至承受外荷的天数(j120天)措施l5：控制

pc(完成第一批损失后的砼预应力)，

'pc

0.5f'c，f'c不太小，减小收缩徐变的一些措施。后张法中，用螺旋式预应力钢筋作配筋的环形构件：电杆、水池、压力管道等。直接在混凝土上进行张拉。这时筋对构件产生外壁的径向压力，使砼局部挤压，钢筋松驰，引起

l6d>3m，

l6=0d

3m，取

l6=30N/mm2

（6）混凝土的局部挤压引起的预应力损失

l6

：

先张法构件：砼预压前

lI=

l1+

l2+

l3砼预压后

lII=

l5

后张法构件：砼预压前

lI=

l1+

l2砼预压后

lII=

l4+

l5+

l6总损失：

l

=

li

+

lII先张法：

l4

110N/mm2后张法：

l4

80N/mm27.3.3预应力损失的组合当先张法计算得到的预应力损失小于110mpa时，取110mpa；当后张法计算得到的预应力损失小于80mpa时，取80mpa。通常情况，先张法的预应力损失大于后张法的预应力损失。

预应力损失组合：先张法后张法

先张法：

l4

110N/mm2后张法：

l4

80N/mm2

混凝土预压前损失（第一批损失)

混凝土预压后损失（第二批损失)

预应力总损失针对引起不同预应力损失的原因，寻找措施

l1：小变形夹具，减少垫板，增加台座长度。

l2：减小摩擦，两端张拉，超张拉。

l3：采用二次升温养护：

t020使砼达到一定强度，再升温；钢模上张拉预应力钢筋。

l4：超张拉，减少

l4，让

l4先部分完成。

l5：控制

pc(完成第一批损失后的砼预应力)，

'pc

0.5f'c，f'c不太小，减小收缩徐变的一些措施。7.3.4减小预应力损失的措施：【拓展训练1】试说明下图中的预应力原理。

返回§7.3后张法构件端部锚固区的局部受压验算：7.3.1端部受压截面尺寸验算：

为了满足构件端部局部受压区的抗裂要求，防止该区段混凝土由于施加预应力而出现沿构件方向的裂缝，对配置间接钢筋的混凝土结构构件，其局部受压区的截面尺寸应符合下列要求：式中：—混凝土局部受压净面积；—混凝土局部受压承载力的提高系数；—张拉时混凝土的轴心抗压强度设计值。7.3.2局部受压承载力计算：式中：-配置间接钢筋范围以内混凝土核心面积；-配置间接钢筋的局部受压承载力提高系数；—间接钢筋的体积配筋率。

锚固区段配置间接钢筋（焊接钢筋网或螺旋式钢筋）可以有效地提高锚固区段的局部受压强度，防止局部受压破坏。当配置方格网式或螺旋式间接钢筋，且其核芯面积时，局部受压承载力应按下式计算：返回第7章预应力混凝土构件的基本原理PrestressedConcreteStructure沈阳工业大学多媒体辅助教学课程

混凝土结构设计原理

DesignPrincipleforConcreteStructure§7.4预应力混凝土轴心受拉构件的计算7.4.1轴心受拉构件各阶段的应力分析1.先张法构件：（1）施工阶段：a）张拉预应力钢筋：此时：预应力钢筋应力为，混凝土应力为0，非预应力钢筋应力为0。b）完成第一批损失（混凝土受到预压应力之前)：此时，预应力钢筋应力：混凝土应力：c）放张预应力钢筋：预应力钢筋应力：非预应力钢筋应力：根据截面内力平衡条件：式中：A0=Ac+

E·As+

E·Ap－换算截面面积。扣除孔道，钢筋等后的截面面积的砼截面面积。d）完成第二批损失（混凝土受到预压应力之后)：非预应力筋应力：预应力筋应力：砼的有效预压应力，用于抗裂性验算

pcI、

pcII

可分别将Np=(

con–

2)Ap看作外力除以构件的核算截面面积。

《规范》规定，当受拉区非预应力钢筋AS大于0.4AP时，应考虑非预应力筋由于混凝土收缩和徐变引起的内力影响：

sII=

E

pcII+

l5非预应力钢筋由于混凝土收缩和徐变引起的应力。式中：使用阶段受力过程的三个特征点：N

N0(

c=0)Ncr(

c=ftk)Nu(fpy)（2）使用阶段：N0N00NcrNcrftkNuNua)加荷至混凝土应力为零：

c=0

s=l5

p=p0=con–l

N0=

p0Ap–

sAs=(

con–

l)Ap–

l5As=

pcII·A0

式中Np0–––消压轴力，抵消截面上混凝土有效预压应力所需的轴向力。b)加载至构件截面即将开裂：

c=ftk

s=

Eftk–

l5

p=

con–

l+

Eftk

截面平衡：Ncr=ftk·Ac+

sAs+

pAp式中Ncr–––预应力轴拉构件即将开裂所能承受的轴向力。Ncr=(ftk+

pcII)A0

(预应力存在可以提高抗裂性)c)加载至构件破坏：

c=0

s=fy

p=fpy

所以：Nu=fpy·Ac+fy·As

(应力的存在不能提高正截面承截力)Nu–––极限承截力。a)浇注混凝土，养护直至钢筋张拉前，认为截面中不产生任何应力。

c=pcI

s=E

pcI

pe=con–l2

2.后张法构件：（1）施工阶段：b)张拉预应力钢筋；根据截面平衡：

peAp=

c·Ac+

s·

As式中：

Ac–––扣除非预应力钢筋所占的混凝土截面面积以及预留孔道的面积。c)完成第一批损失（混凝土受到预压应力之前）：

c=

pcI

sI=

E

pcI

peI=con–l1–l2=lI

截面平衡：

peIAp=

cAc+

sI·

Asd)完成第二批损失（混凝土受到预压应力之后）：

c=pcII

sII=E

pcII

p=con–l截面平衡：

pAp=

cAc+

sII·

Asa)消压(加载到混凝土应力为零)

c=0

s=

E

pcII+

l5–

E

pcII=

l5(压)

p=

con–

l

+

E

pcII截面平衡：N0=

pAp–As

s=

pcII·A0（2）使用阶段：N0N00b)加载至裂缝即将出现

c=ftk

s=

Eftk–

l5(拉)

p=

con–

l+

E

pcII+

Eftk截面平衡：Ncr=

pAp+As

s+Ac·ftk=(

pcII+ftk)A0NcrNcrftkc)加载至破坏：

c=0

s=fy

p=fpyNu=fpy·Ap+fy·As作业：比较先、后张法各阶段的应力状态及公式的表达。NuNu1.正截面承载力：r0N

Nu=fyAs+fpy·Apr0–––结构重要性系数；N

–––轴力设计值式中，主要用来求Ap和As，一般按构造设As求Ap。7.4.2轴心受拉构件使用阶段的计算2.裂缝控制验算：裂缝控制等级分为三级。(1)严格要求不出现裂缝的构件(一级)

sc–

pcII0

sc–––按荷载短期效应值合求得的砼的法向应力

pcII–––扣除全部预应力损失后的砼预压应力即：在荷载短期效应组合下，不出现拉应力。(2)一般要求不出现裂缝的构件(二级)短期效应组合：

sc–

pc

ctrftk式中

ct–––砼拉应力控制系数。例：碳素钢丝，

ct=0.3r

–––受拉区砼塑性影响系数。轴拉构件取1.0即：在荷载短期效应组合下，允许出现拉应力，但一定有限值；在荷载长期效应组合下，不允许出现拉应力。长期效应组合：

lc–

pc0

lc–––荷载长期效应组合下的砼法向应力。Nl/A。(3)允许开裂，但限制裂缝密度(三级)Wmax[Wmas]

cr轴拉

cr=2.7受弯、偏压

cr=2.1偏拉

cr=2.4先张法：放松预应力钢筋时构件承载力验算。后张法：张拉钢筋时构件承载力验算，端部锚固区局压验算。7.4.3轴心受拉构件施工阶段的验算（1）张拉（或放张）预应力钢筋时，构件的承载力验算：混凝土的预压应力应符合下列条件：式中：fc'–––放松(张拉)预应力钢筋时砼立方体抗压强度相应的抗压强度设计值，直线内插。例：C3075％22.5在20.25中插

cc–––放松(张拉)钢筋时砼的预应压力在施工阶段：fcn'

0.75砼强度设计值。a.防止局压传递段劈裂(抗裂)–––局部受压区的截面尺寸要求。Fl

1.5fcAln式中：Fl

–––

局部受压面上作用的局部压力设计值Fl

=1.2

conApAln

–––

局部受压净面积，从锚具边45°成拉垫板扩散至构件表面减去孔道，凹槽部分。（2）构件端部锚固区的局部承压验算：

–––

砼局压强度提高素数，“套箍”作用Al

–––

局压面积Ab

–––

局压时计算底面积，按同心、对称原则确定b.局部受压承载力计算：为防止构件端部的局压破坏，配方格网式或螺旋式间接钢筋。Fl

(fc+2ρv

corfy)Aln式中

ρv

–––

体积配筋率【拓展训练】试用预应力原理和分析方法分析下图中木工锯工作时的受力。

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混凝土结构设计原理

DesignPrincipleforConcreteStructure§7.5先张法预应力混凝土受弯构件设计

预应力构件在使用阶段截面不产生拉应力或不开裂，从而把原有的脆性材料性质转变为弹性材料。

在计算时，均可把全部预应力钢筋的合力视为作用在换算截面上的外力，将混凝土作为理想弹性体按材料力学公式确定其应力。7.5.1受弯构件的应力分析1.施工阶段（1）先张法构件换算截面重心轴在Npo作用下截面任意点的混凝土法向应力为：相应的预应力钢筋及非预应力钢筋的应力分别为：1）完成第一批损失时（混凝土受预压应力之前）：式中

NpoI

–––

已出现第一批预应力损失NpoI

=(

con–

lI)Ap+('con–'lI)A'p在预应力钢筋合力处砼受到的法向压应力：法向压应力引导砼压缩，同时预应力筋受压为

E

pcI，所以：

peI

=

con–

lI–

E

pcI(yp)'peI

='con–'lI–

E'pcI(y'p)2)完成第二批损失时（混凝土受预压应力之后）：NpoII

–––

完成全部预应力损失后预应力钢筋的合力。NpoII

=(

con–

l)Ap+('con–'l)A'p–σl5As-‘l5

A‘S同理：预应力钢筋的有效预应力：

pe

=

con–

l

–

E

pcII(yp)'pe

='con–'l

–

E'pcII(y'p)（2）后张法构件净截面重心轴在Np作用下截面任意点的混凝土法向应力为：相应的预应力钢筋及非预应力钢筋的应力分别为：1）完成第一批损失时（混凝土受预压应力之前）：式中

NpI

–––

已出现第一批预应力损失NpI

=(

con–

l)Ap+('con–'l)A'p在预应力钢筋合力处砼受到的法向压应力：法向压应力引导砼压缩，同时预应力筋受压为

e

pcI，所以：

peI

=

con–

lI–

E

pcI(yp)'peI

='con–'lI–

E'pcI(y'p)2)完成第二批损失时（混凝土受预压应力之后）：NpII

–––

完成全部预应力损失后预应力钢筋的合力。NpII

=(

con–

l)Ap+('con–'l)A'p–σl5As-‘l5

A‘S同理：预应力钢筋的有效预应力：

pe

=

con–

l

–

E

pcII(yp)'pe

='con–'l

–

E'pcII(y'p)

p(y0)=

con–

l

–

E

pcII(yp)+

E

pcII(y0)=

con–

l2.使用阶段1）加荷至受拉边缘混凝土预压应力为零

加载至受弯构件截面下边缘应力为零时，当外荷载作用的弯矩使截面下边缘产生的拉应力正好为

pcII(y0)–––消压状态，相应的弯矩称为消压弯矩。由材力知：

p(y'0)进一步减少式中：W0

–––

换算截面受拉力缘的弹性抵抗矩。2）加载至受拉区砼即将开裂时：

E'c=0.5Ec

p,cr=

con–

l

+IEftk

'p进一步减少Mcr=M0+Mscr=(

pcII+rmftk)W0

预应力提高了抗裂性能。考虑塑性开裂弯矩3）加载至构件破坏时：

pu=fpy='con–'l

–

E'pcII–f'py+

E'pcII='con–'l

–f'py(以拉应力的形式表达)7.5.2受弯构件使用阶段正截面承载力计算1.破坏阶段的截面应力状态

预应力混凝土受弯构件与普通钢筋混凝土受弯构件相似，当ξ≤ξb时，破坏时截面上受拉区的预应力钢筋先到达屈服强度，而后受压区混凝土被压碎使构件破坏。如截面上还配置位于受压区的预应力钢筋A’p和非预应力钢筋As、A’s，这些钢筋的应力均可按平截面假定确定。（１）界限破坏时截面相对受压区高度ξb的计算对有屈服点的钢筋(热轧钢筋和冷拉钢筋)与普通钢筋混凝土不同之处：对无屈服点的钢筋(钢丝、钢铰成)

p0=

con–

l

–––

受拉区预应力钢筋合力点处砼法向应力为零时预应力钢筋的应力。（2）求任意位置处预应力钢筋及非预应力钢筋的应力可由平截面假定得出。

设预应力钢筋的预拉应力为σpoi

，则对于距混凝土受压边缘为hoi的预应力钢筋的应力σpei为：如配置有非预应力钢筋，则其应力为：预应力钢筋的应力σpei

应符合下列条件：

当σpei

为拉应力且其值大于fpy

时，取σpei=

fpy

；当σpei

为压应力且其绝对值大于（σpoi–f’py

)的绝对值时，取σpei=σpoe-

f’py

。非预应力钢筋的应力σei

应符合下列条件：

当σsi

为拉应力且其值大于fy

时，取σsi=

fy

；当σsi

为压应力且其绝对值大于f’y

时，取σsi=

f’y

。（3）求受压区预应力钢筋的应力达到破坏时，预应力钢筋Ap’中的应力为：2.正截面受弯承载力计算

预应力受弯构件在荷载作用下发生破坏时，预应力钢筋先达到屈服，然后受压区混凝土达到弯曲抗压强度而破坏。

如果在截面上还有非预应力钢筋，破坏时其应力均能达到屈服强度。

而受压区预应力钢筋在施工阶段是受拉，进入使用阶段后随着外荷载的增加，其拉应力逐渐减小，在破坏时的应力可能仍为拉应力，也可能变为压应力。（1）矩形截面：适用条件：2'

x

bh0

由平衡条件可得：

–––

纵向受压钢筋(包括预应力筋和非预应力钢筋)合力点至受压区边缘的距离，当

pu

为拉应力时，

用

s

代替。上式中：—受压区纵向预应力钢筋的应力。—受压区纵向非预应力钢筋合力点、受压区纵向预应力钢筋合力作用点至受压区边缘的距离。当时，则正截面承载力可按下列公式计算：

当为压应力时，取当为拉应力时，取（2）T形截面：x

hf第一类x

>hf第二类hfbf

判别T形截面类型：

当符合上述条件时，为第一类T形截面，即x

hf

，构件可按宽度为bf

的矩形截面计算，否则为第二类T形截面，即x

>hf

。复核截面时：设计截面时：1）第一类T形截面的计算混凝土受压区高度x应满足下列适用条件：2'

x

bh0

2）第二类T形截面的计算混凝土受压区高度x应满足下列适用条件：2'

x

bh0

利用正截面承截力计算公式，要求在已知M的条件下，确定As,A

s,Ap,A

p。当不配A

p时，可按构造确定As,A

s，利用基本公式求x和Ap；当配置A

p时，可先不考虑A

p，并按构造确定As及A

s，估算Ap，再按A

p=(0.15~0.25)Ap，再由公式计算

pn，计算Ap和A

p。裂缝控制等级：

sc–

pcII0

sc–

pcII

ctrftk

lc–

pcII07.5.3受弯构件使用阶段正截面抗裂度验算（1）严格要求不出现裂缝的构件在荷载的短期效应组合下应符合下列要求：（2）一般要求不出现裂缝的构件1）在荷载的短期效应组合下应符合下列要求：2）在荷载的长期效应组合下应符合下列要求：7.5.4受弯构件正截面裂缝宽度验算

受弯构件由于预应力的存在，阻滞了斜裂缝的出现和开展，增加了砼剪压区的高度和骨料咬合力，提高了斜截面抗剪强度Vp。

V

Vcs+VpVp=0.05Np0式中：Np0

–––

计算截面上砼的法向预应力为零

时，预应力钢筋和非预应力钢筋的合力。7.5.5受弯构件斜截面受剪承载力计算当Np0>0.3fcA0

取

Np0=0.3fcA0

过大的压力可能降低抗剪强度当构件同时配有箍筋和弯筋时：V

Vcs+VP+0.8

fyAsbsin

s+0.8

fpyApbsin

p一般在公式中，Vp、Vw、Vwp均已确定，按剪力设计值求得：Np0=Ap

p0+

Ap''p0–As

ls–A's'ls主要措施是限制主拉应力和主压应力。（1）限制主拉应力严格不裂

tp0.85ftk一般不裂

pt=0.95ftk7.5.6受弯构件斜截面抗裂度验算（2）限制主压应力

cp0.6fck

tp和

cp

均可利用材力的公式求解。

（3）斜截面抗裂度验算位置1）跨内不利位置的截面

如弯矩和剪力较大的截面，或截面外形有突变的截面。2）在沿截面高度上，应选择换算截面重心处和截面宽度剧烈改变处

如I

形截面上、下翼缘与腹板交界处。

先张法预应力是靠钢筋和砼之间的粘结作用传递的，因此需要一定的范围才能建立，在验算时应考虑传递长度和锚固区长度这些因素的影响。1）不允许出现裂缝的构件2）允许出现裂缝的构件，当预拉区不配置预应力钢筋时7.5.7受弯构件施工阶段的验算

cc、

ct是相应施工阶段计算截面边缘纤维混凝土最大拉应力和压应力。例：先张法构件：制作阶段：运输及安装阶段：

预应力受弯构件由于预应力的作用产生反拱(向上的挠曲变形)，在使用荷载作用下产生的变形要抵消一部分反拱，所以预应力构件的变形将较普砼构件小一些。7.5.8受弯构件变形验算预应力受弯构件的挠度可由这两部分叠加而得。（1）预应力作用产生的反拱：E

c=0.5Ec式中Np0

–––

完成全部预应力损失后的预应力合力大小。（2）荷载作用下的挠度计算：按最小刚度原则，按结力的方法求：Bs–––考虑Bl按荷载短期效应组合计算并考虑荷载长期效应组合的影响。（3）变形验算：

fl–

fpl[

fmax]

预应力混凝土受弯构件设计步骤确定：截面尺寸，混凝土、预应力钢筋和非预应力钢筋的强度及弹性模量，放张时混凝土强度等级，预应力钢筋的张拉控制应力，施工方法，初定预应力钢筋及非预应力钢筋的截面面积，外荷载引起的内力，结构重要性系数。计算预应力损失值计算混凝土有效预压应力值使用阶段正截面承载力计算满足不满足预应力混凝土受弯构件设计步骤验算预应力钢筋的传递长度范围的承载力及抗裂度先张先张先张使用阶段斜截面受剪承载力计算满足使用阶段斜截面抗裂度验算满足变形验算满足结束施工阶段（制作、运输、吊装）的验算满足不满足不满足不满足不满足使用阶段正截面抗裂度及裂缝宽度验算返回第7章预应力混凝土构件计算PrestressedConcreteStructure沈阳工业大学多媒体辅助教学课程

混凝土结构设计原理

DesignPrincipleforConcreteStructure1.截面形式和尺寸对于预应力轴心受拉构件，通常采用正方形或矩形截面；对于预应力受弯构件，可采用T形、I形、箱形等截面。§7.6预应力混凝土构件的构造要求7.6.1一般规定预应力受弯构件其截面高度；翼缘宽度一般可取，翼缘厚度可取，腹板可取2.预应力纵向钢筋的布置直线布置：曲线布置：折线布置：适用于荷载和跨度不大时，施工时用先张法和后张法均可。适用于荷载和跨度较大时，施工时一般用后张法。适用于荷载和跨度较大时，施工时一般用先张法。3.非预应力纵向钢筋的布置配置非预应力纵向钢筋的作用：

施加预应力过程中产生的拉应力。防止施工阶段因混凝土收缩和温差引起预拉区裂缝。防止构件在制作、堆放、运输、吊装时出现裂缝或减小裂缝宽度。非预应力纵向钢筋的强度等级宜低于预应力钢筋。在预应力钢筋弯折处，应加密箍筋或沿弯折处内侧布置非预应力钢筋网片，以加强在钢筋弯折区段的混凝土。4.预拉区纵向钢筋的配筋率及直径（1）施工阶段预拉区不允许出现裂缝的构件，预拉区纵向钢筋的配筋率：（2）施工阶段预拉区允许出现裂缝，而在预拉区不配置预应力钢筋的构件，当算得的截面边缘纤维混凝土拉应力时，预拉区纵向钢筋的配筋率；当，则在0.15%和0.4%之间按直线内插。（3）预拉区非预应力纵向钢筋的直径，对光面钢筋不宜大于12mm，变形钢筋不宜大于14mm，并沿构件预拉区的外边缘均匀布置。5.构件端部的构造钢筋

如在构件端部的预应力钢筋不能均匀布置而需集中布置在端部截面的下部或集中布置在上部和下部时，应在构件端部0.2h范围设置竖向附加的焊接钢筋网、封闭式箍筋或其他形式的构造钢筋。

对槽形板类构件，宜在构件端部100mm范围内，沿构件板面设置附加的横向钢筋，以防板面端部产生纵向裂缝。6.预应力钢筋的接头

（1）轴心受拉构件必须采用焊接接头，受弯构件宜优先采用焊接接头。Ⅵ级钢筋必须采用闪光对焊。

（2）轴心受拉构件的受力钢筋不得采用非焊接的搭接接头。

（3）直接承受中、重级工作制吊车的构件，其纵向受拉钢筋不得采用绑扎搭接接头，且不得在钢筋上焊有任何附件，也不宜采用焊接接头。。

（4）在一个截面内有焊接接头的受拉钢筋截面面积占受拉钢筋总截面面积的百分率≤25%，此外有焊接接头的截面之间的距离应≥45d。7.6.2先张法构件的构造要求1.钢丝（筋）间距

应根据浇注混凝土、施加预应力及钢筋锚固等要求确定。

预应力钢筋的净距不应小于其直径，且不小于25mm，预应力钢丝的净距不宜小于15mm。2.钢筋的粘结和锚固宜采用变形钢筋、刻痕钢丝、钢铰线等。3.钢筋的保护层

为了保证钢筋与外围混凝土的粘结锚固，防止放松预应力钢筋时在构件端部沿预应力钢筋周围出现裂缝，必须有一定的混凝土保护层厚度。其取值同普通钢筋混凝土构件。4.端部附加钢筋为防止放松预应力钢筋时，端部产生裂缝。

可在端部设置螺旋筋、钢筋网或在端部加密横向钢筋。1.预留孔道（1）预留孔道之间的净距不应小于25mm；孔道至构件边缘的净距不应小于25mm，且不宜小于孔道直径的一半。（2）孔道的直径应比预应力钢筋束外径、钢筋对焊接头处外径或需穿过孔道的锚具外径大10mm~15mm。（3）在构件两端及跨中应设置灌浆孔或排气孔，其孔距不宜大于12m。7.6.3后张法构件的构造要求（4）凡制作时需要预先起拱的构件，预留孔道宜随构件同时起拱。（5）孔道灌浆要求密实，水泥强度等级不应低于M20，其水灰比宜为0.4~0.45；为减少收缩，宜掺入0.01%水泥浆用量的铝粉。2.曲线预应力钢筋的曲率半径（1）钢丝束、钢铰线束以及钢筋直径d≤12mm的钢筋束，不宜小于4m。（2）12mm<d≤25mm的钢筋，不宜小于12m。（3）d>25mm的钢筋，不宜小于15m。

对折线配筋的构件，在折线预应力钢筋弯折处的曲率半径可适当减小。3.锚具

后张法预应力钢筋的锚固应选用可靠的锚具，其制作方法和质量要求应符合国家现行《混凝土结构工程施工及验收规范》的规定。

构件端部尺寸，应考虑锚具的布置、张拉设备的尺寸和局部受压的要求，在必要时应适当加大。

在预应力钢筋锚具下及张拉设备的支承处，应采用预埋钢垫板及附加横向钢筋网片或螺旋式钢筋等局部加强措施。4.端部混凝土的局部加强返回6.对采用块体拼装构件的要求

采用块体拼装的构件，其接缝平面应垂直于构件的纵向轴线。

当接头承受内力时，缝隙间应灌注不低于块体强度等级的细石混凝土或水泥砂浆，并根据需要在接头处及其附近区段内用加大截面或增设焊接网等方式进行局部加强，必要时可设置钢板焊接接头

当接头不承受内力时，缝隙间应灌注不低于C15的细石混凝土或M15的水泥砂浆混凝土结构基本原理

FundamentalsofConcreteStructure第8章混凝土受弯构件的疲劳验算主讲：王海军教授

许多钢筋混凝土结构承受重复荷载的作用，如钢筋混凝土吊车梁受到重复荷载的作用，道桥受到车辆振动的影响，混凝土基础受到汽锤的重复冲击，港口海岸的混凝土结构受到波浪冲击等。对于这类结构的设计，需要考虑结构构件的疲劳强度问题。

疲劳验算时，荷载应取用标准值，对吊车荷载尚应乘以动力系数，吊车荷载的动力系数按现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB50008-2012的规定取用；对跨度不大于12m的吊车梁，可取用一台最大吊车荷载。混凝土在重复荷载作用下的应力-应变曲线混凝土在荷载重复作用下引起的破坏称为疲劳破坏。疲劳强度：荷载重复作用下使应力应变曲线始终保持密合直线的最大应力值；8.1混凝土和钢筋的疲劳性能8.1.1混凝土的疲劳性能应力大小应力幅疲劳强度影响疲劳应力比值计算公式：?请回答！混凝土的疲劳强度用疲劳试验测定。采用100×100×300mm或150×150×450mm的棱柱体，将试件在200万次或其以上的循环荷载而发生破坏的压应力值称为混凝土的疲劳抗压强度，以fcf表示。混凝土的轴心抗压疲劳强度设计值、轴心抗拉疲劳强度设计值可由其相应的静载强度设计值乘以疲劳强度修正系数γp确定。γp

与疲劳应力比ρcf

有关，应力比越大，修正系数越大。疲劳强度：钢筋在周期性重复动荷载作用下，经过一定循环次数后，钢材的破坏特征将从塑性破坏变成脆性断裂，这种破坏称为钢筋的疲劳破坏。低于静力荷载下钢筋的极限强度，有时还低于屈服强度。钢筋的疲劳强度是指在规定应力幅内，经受一定次数（我国规定200万次）循环荷载后发生疲劳破坏的最大应力值。8.1.2钢筋的疲劳性能①疲劳应力幅是影响钢筋疲劳强度的主要因素。钢筋疲劳强度受到许多因素的影响。普通钢筋预应力钢筋②最小应力值大小对疲劳强度有重要影响。③钢筋外表面的几何尺寸和钢筋直径等也都有一定的影响。④焊接对钢筋疲劳强度也有明显的影响。钢筋的疲劳强度和疲劳寿命常用应力幅

和应力循环次数n的关系曲线来表示，称为

-n曲线《规范》考虑钢筋疲劳应力比的钢筋疲劳应力幅限值如表：

§8.2钢筋混凝土受弯构件的疲劳验算1、基本假定8.2.1正截面疲劳验算钢筋混凝土受弯构件疲劳验算包括正截面和斜截面。◆①

平截面假定◆②受压区混凝土的法向应力图形为三角形；◆③不考虑受拉区混凝土的抗拉强度，拉应力全部由钢筋承受；◆④采用换算截面计算，钢筋截面面积换算为混凝土截面面积的换算系数取钢筋弹性模量与混凝土疲劳变形模量的比值，即

2.基本计算公式根据基本假定，钢筋混凝土受弯构件正截面疲劳的计算应力图形如图。①受压区边缘纤维混凝土的最大应力应符合下列条件：（8-3）—疲劳验算时考虑相应荷载组合下产生的最大弯矩值；—疲劳验算时与验算弯矩相应方向的换算截面的受压区高度；—疲劳验算时与验算弯矩相应方向的换算截面的惯性矩；—混凝土轴心抗压疲劳强度设计值②纵向受拉钢筋应力幅应符合下列条件：（8-5）—钢筋疲劳应力幅限值，按表8-4和表8-5取用；—疲劳验算时受拉区第i层纵向钢筋的应力幅；

（8-8）其中式中

——疲劳验算时同一截面上在相应荷载组合下产生的最大弯矩值

和最小弯矩值；

——分别由和引起相应截面受拉区第i层纵向钢筋的应力；

——与验算弯矩和相应方向的截面受压区边缘至受拉区第I

层纵向钢筋截面重心的距离。8.2.2斜截面疲劳验算

1.斜截面疲劳破坏特征斜截面的疲劳破坏与静载作用下的破坏相似，随着剪跨比不同，也大致分为斜压破坏、剪压破坏和斜拉破坏。①配置箍筋的梁，斜裂缝出现前，箍筋应变和应力很小；斜裂缝出现后，混凝土退出工作而导致穿过斜裂缝的箍筋应变和应力急剧增大，而分配给混凝土承担的剪力却随荷载重复次数的增加而降低，发生了明显的应力重分布。应力重分布的结果是加重了箍筋的负担。当重复荷载增大到使箍筋应力接近其疲劳应力幅限值时，首先在腹板中部穿过斜裂缝的某肢箍筋产生疲劳断裂。以后，随着荷载重复次数的继续增加，箍筋逐根疲劳断裂．最后导致梁发生疲劳破坏。梁从斜截面第一根箍筋疲劳断裂后到完全破坏，一般要经历数万次到数十万次的过程，并不断产生应力重分布。2.影响斜截面疲劳强度的因素凡影响斜截面静力受剪承载力的因素（如剪跨比、混凝土强度、纵向钢筋抗拉强度和配筋率、箍筋抗拉强度和配筋率、截面尺寸和形状等），都将影响斜截面疲劳强度。此外，荷载重复次数及荷载水平也将影响斜截面疲劳强度②配置有箍筋和弯起钢筋的构件，在多次重复荷载作用下，在通常情况下，弯起钢筋的应力幅大于相应的箍筋应力幅。因此，弯起钢筋往往先于箍筋发生疲劳断裂。因此，不提倡采用弯起钢筋作为抵抗斜截面疲劳的钢筋。3.斜截面疲劳应力计算和疲劳强度验算对仅配有箍筋的构件，因受拉区混凝土不参加工作，故中和轴处的主拉应力等于中和轴处的剪应力（8-14）式中——疲劳验算时取用的剪力；

b——矩形截面宽度、T形或I形截面的腹板宽度；

——受压区合力点至受拉钢筋合力点的距离疲劳强度验算，分两种情况：①对于中和轴处的混凝土剪应力符合公式（8-15）要求的区段，其剪应力全部由混凝土承受。（8-15）式中——混凝土轴心抗拉疲劳强度设计值；

——疲劳验算时在相应荷载组合下构件验算截面的最大剪力值②对于中和轴处的混凝土剪应力不符合式（8-15）要求的区段，其剪应力由箍筋和混凝土共同承受。箍筋的疲劳应力幅应符合：（8-17）式中——箍筋疲劳应力幅限值；——疲劳验算时的箍筋应力幅，钢筋混凝土受弯构件斜截面上箍筋的应力幅应按下列公式计算（8-18）（8-19）（8-20）——疲劳验算时构件验算截面的最大剪力幅值；——疲劳验算时在相应荷载组合下构件验算截面的最大剪力值；

——疲劳验算时在相应荷载组合下构件验算截面的最小剪力值

——最大剪力幅相对值；

s——沿构件长度方向箍筋的间距；

——配置在同一截面内箍筋各肢的全部截面面积。第9章混凝土结构的耐久性设计混凝土结构基本原理

FundamentalsofConcreteStructure3个知识点：①耐久性的概念及其影响因素；②混凝土的碳化及钢筋的锈蚀；③耐久性设计。学习要求：掌握变形和裂缝宽度的验算方法；熟悉减小构件变形和裂缝宽度的措施。

世界上经济发达国家的工程建设大体上经历了三个阶段：⑴大规模建设；⑵新建与改建、维修并重；⑶重点转向既有建筑物的维修改造。目前经济发达国家处于第三阶段，结构因耐久性不足而失效，或为保证继续正常使用而付出巨大维修代价，这使得耐久性问题变得十分重要。“五倍定律”：即认为设计时如果不考虑混凝土的耐久性而节省1美元，以后就必然将花费5美元来进行维修，如果混凝土出现纵向沿筋裂缝，那还需要增加费用25美元，更加严重的破坏则需追加费用高达125美元。2010版《混凝土结构设计规范》首次引入了耐久性设计的内容。2021版《混凝土结构通用规范》首次引入了耐久性极限状态概念。混凝土结构耐久性的概念§9.1◆耐久性是指在设计工作年限内，在不丧失重要用途或不需要过度的不可预期的维护条件下，结构及其构件能够满足结构的使用性、承载能力及稳定性要求的能力。◆《建筑结构可靠度设计统一标准》对于一般建筑结构，设计工作寿命为50年，重要的建筑物可取100年。◆近年来，随着建筑市场化的发展，业主也可以对建筑的寿命提出更高要求。对于其它土木工程结构，根据其功能要求，设计工作寿命也有差别，如桥梁工程一般要求在100年以上。◆1)影响承载能力和正常使用的材料性能劣化，如：预应力钢筋和直径较细的受力主筋具备锈蚀条件，构件表面出现冻融损伤等。2)影响耐久性能的裂缝、变形、缺口、外观、材料削弱等，如：混凝土构件表面出现锈蚀裂缝，表面出现高速气流造成的空蚀损伤，表面出现介质侵蚀造成的损伤，表面出现风沙和人为作用造成的磨损等。3)影响耐久性能的其他特定状态，如：因撞击等造成的表面损伤，出现生物性作用损伤等。◆混凝土结构的耐久性设计主要根据结构的环境类别和设计使用年限进行。当结构所处的环境对其耐久性有较大影响时，应根据不同的环境类别采用相应的结构材料、设计构造、防护措施、施工质量要求等，并应制定结构在使用期间的定期检修和维护制度，使结构在设计使用年限内不致因材料的劣化而影响其安全或正常使用。耐久性极限状态碳化内部因素：混凝土强度渗透性保护层厚度水泥品种标号和用量外加剂等外部因素：环境温度湿度

CO2含量侵蚀性介质等混凝土结构耐久性的影响因素§9.2钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性的最关键问题。9.2.1钢筋锈蚀（1）钢筋锈蚀的危害？钢筋截面面积减少混凝土保护层开裂剥落粘结性能退化◆当混凝土未碳化时，由于水泥的高碱性，钢筋表面形成一层致密的氧化膜，阻止了钢筋锈蚀电化学过程。◆当混凝土被碳化，钢筋表面的氧化膜被破坏，在有水份和氧气的条件下，就会发生锈蚀的电化学反应。(a)混凝土开裂(b)水、CO2侵入(c)开始锈蚀(d)钢筋体积膨胀①混凝土碳化引起的钢筋锈蚀（2）什么原因引起的钢筋锈蚀？◆锈蚀是一个电化学过程：钢筋在水、氧气和电子作用下会形成电池，电子从阳极不断流向阴极，在阳极附近形成铁锈。只要不断有水和氧气供应，就会越锈越严重。◆氧气和水份是钢筋锈蚀必要条件。当构件使用环境很干燥（湿度<40%）或完全处于水中，钢筋的锈蚀极慢甚至无。◆钢筋锈蚀产生的铁锈（氢氧化亚铁Fe(OH)3），体积比铁增加2~6倍，保护层被挤裂，使空气中的水份更易进入，促使锈蚀加快发展。钢筋锈蚀的发生机理？钢筋锈蚀引起混凝土结构损伤过程：，首先在裂缝宽度较大处发生个别点的“坑蚀”，继而逐渐形成“环蚀”，同时向裂缝两边扩展，形成锈蚀面，使钢筋有效面积减小。严重锈蚀时，会导致沿钢筋长度出现纵向裂缝，甚至导致混凝土保护层脱落，习称“暴筋”，从而导致截面承载力下降，直至最终引起结构破坏。◆我们猜想，是不是与裂缝宽度和混凝土密实度有关！！◆近年来的研究发现，锈蚀程度与横向裂缝宽度无明显关系，在一般大气环境下，裂缝宽度即便达到0.3mm，也只是在裂缝处产生锈点。裂缝的出现仅是使裂缝处钢筋局部脱钝，使锈蚀过程得以开始，但它对锈蚀速度不起控制作用。◆由于钢筋锈蚀是一个电化学过程，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。◆◆因此，防止钢筋锈蚀最重要的措施是在增加混凝土的密实性和混凝土的保护层厚度。钢筋锈蚀的快慢与什么有关？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防止钢筋锈蚀措施除增加混凝土的密实度和保护层厚度外，采用涂面层、钢筋阻锈剂、涂层钢筋等措施来防止钢筋的锈蚀。①氯离子侵蚀引起的钢筋锈蚀氯离子引起的锈蚀除增加混凝土的密实度和保护层厚度外，采用涂面层、钢筋阻锈剂、涂层钢筋等措施来防止钢筋的锈蚀。钢筋阻锈剂形成保护膜在阳极，保护膜阻止铁离子的流失;在阴极，保护膜形成对氧的屏障9.2.2混凝土的碳化◆混凝土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。◆碳化的危害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。◆混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。◆碳化影响因素有：环境因素和材料本身的性质。如水灰比、水泥品种与用量、骨料品种与粒径、外掺加剂、养护方法与龄期、CO2浓度、相对湿度。◆混凝土中碱性物质（Ca(OH)2）使混凝土内的钢筋表明形成氧化膜，它能有效地保护钢筋，防止钢筋锈蚀。◆但由于大气中的二氧化碳（CO2）与混凝土中的碱性物质发生反应，使混凝土的Ph值降低。其他物质，如SO2、H2S，也能与混凝土中的碱性物质发生类似的反应，使混凝土的Ph值降低，这就是混凝土的碳化。化学反应CO2+H2O→H2CO3Ca(OH)2