裂縫、變形及耐久性.ppt

1,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,9.1 概 述,9.1 概 述,外觀感覺,裂縫過寬：鋼筋銹蝕導(dǎo)致承載力降低， 影響使用壽命,耐久性,心理承受：不安全感，振動噪聲,對非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的影響：門窗開關(guān)，隔墻開裂等,振動、變形過大,對其它結(jié)構(gòu)構(gòu)件的影響,適用性,承載能力極限狀態(tài),結(jié)構(gòu)的 功能,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,2,9.1 概 述,對于超過正常使用極限狀態(tài)的情況，由于其對生命財產(chǎn)的危害性比超過承載力極限狀態(tài)要小，因此相應(yīng)的可靠度水平可比承載力極限狀態(tài)低一些。 正常使用極限狀態(tài)的計算表達(dá)式為，,Sk：作用效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值，如撓度變形和裂縫寬度，應(yīng)根據(jù)荷載標(biāo)準(zhǔn)值和材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值確定。 以受彎構(gòu)件為例，在荷載標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的彎矩可表示為， Mk = CGGk+CQQk,由于活荷載達(dá)到其標(biāo)準(zhǔn)值Qk的作用時間較短，故Mk稱為短期彎矩，其值約為彎矩設(shè)計值的50%70%。 由于在荷載的長期作用下，構(gòu)件的變形和裂縫寬度隨時間增長，因此需要考慮長期荷載的影響，長期彎矩可表示為， Mq= CGGk+yqCQQk yq為活荷載準(zhǔn)永久值系數(shù)（quasi-permanent load）,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,3,9.2 產(chǎn)生裂縫的原因,9.2 產(chǎn)生裂縫的原因 混凝土結(jié)構(gòu)中存在拉應(yīng)力是產(chǎn)生裂縫的必要條件。 除荷載作用外，結(jié)構(gòu)的不均勻沉降、收縮、溫度變化，以及在混凝土凝結(jié)、硬化階段等都會引起拉應(yīng)力，從而產(chǎn)生裂縫。 結(jié)構(gòu)中主拉應(yīng)力達(dá)到混凝土（當(dāng)時）的抗拉強(qiáng)度時，并不立即產(chǎn)生裂縫，而是當(dāng)拉應(yīng)變達(dá)到極限拉應(yīng)變etu時才出現(xiàn)裂縫。 硬化后的混凝土極限拉應(yīng)變etu約為15010-6，即10m長的構(gòu)件，產(chǎn)生1.5mm的很小受拉變形即會產(chǎn)生裂縫。 由于混凝土材料的不均勻性，裂縫首先在強(qiáng)度最小的位置發(fā)生。裂縫發(fā)生前瞬間的應(yīng)變分布會產(chǎn)生應(yīng)變集中。 不同齡期的混凝土，其裂縫斷面狀況有較大差別。齡期很短的混凝土，裂縫斷面較為光滑，兩裂縫不能完全閉合。而充分硬化后的混凝土，裂縫斷面則呈不規(guī)則較為鋒銳狀態(tài)，兩斷面可以閉合。,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,4,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,9.2 產(chǎn)生裂縫的原因,5,9.2 產(chǎn)生裂縫的原因,一、材料原因,水泥異常凝結(jié)引起的裂縫,受風(fēng)化的水泥，其品質(zhì)很不安定。 混凝土澆筑后達(dá)到一定強(qiáng)度前，在凝結(jié)硬化階段會產(chǎn)生如圖所示的短小的不規(guī)則裂縫。 隨著水泥品質(zhì)的改善，這種裂縫目前較少見到。,1、水泥方面,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,6,9.2 產(chǎn)生裂縫的原因,水泥水化熱,水泥用量在300kg/m3左右時，溫度上升為3040左右。,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,7,9.2 產(chǎn)生裂縫的原因,在實際結(jié)構(gòu)中，內(nèi)部因水化熱產(chǎn)生蓄熱的同時，構(gòu)件表面還產(chǎn)生放熱，使得構(gòu)件溫度經(jīng)上升后再下降。,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,8,11.4 產(chǎn)生裂縫的原因,9.2 產(chǎn)生裂縫的原因,構(gòu)件的最小尺寸大于800mm時，通?？烧J(rèn)為是大體積混凝土。對于大體積混凝土，內(nèi)部溫度較大，構(gòu)件外周溫度較低，內(nèi)外溫差很大，引起內(nèi)外混凝土膨脹變形差異。內(nèi)部混凝土膨脹受到外部混凝土的變形約束，而使構(gòu)件表面產(chǎn)生裂縫。這種裂縫在構(gòu)件表面通常呈直交狀況。,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,9,11.4 產(chǎn)生裂縫的原因,9.2 產(chǎn)生裂縫的原因,大型構(gòu)件與小尺寸構(gòu)件共同組成的結(jié)構(gòu)（如基礎(chǔ)梁與薄墻板、大尺寸梁與薄樓板等），以及梁柱框架結(jié)構(gòu)中均可能因溫差的影響產(chǎn)生裂縫。,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,10,11.4 產(chǎn)生裂縫的原因,9.2 產(chǎn)生裂縫的原因,2、 骨料方面,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,11,9.2 產(chǎn)生裂縫的原因,混凝土下沉和泌水,混凝土澆筑后，在凝結(jié)過程中會產(chǎn)生下沉和泌水，下沉量約為澆筑高度的1%。當(dāng)下沉受到鋼筋或周圍混凝土的約束也會產(chǎn)生裂縫。,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,12,9.2 產(chǎn)生裂縫的原因,二、施工原因,(a) 材料混合不均勻,(b) 長時間攪拌,(c) 快速澆筑,(d) 先后澆筑時差過長,混合材料不均勻：由于攪拌不均勻，材料的膨脹性和收縮的差異，引起局部的一些裂縫。 長時間攪拌：混凝土運(yùn)輸時間過長，長時間攪拌突然停止后很快硬化產(chǎn)生的異常凝結(jié)，引起網(wǎng)狀裂縫。,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,13,9.2 產(chǎn)生裂縫的原因,(a) 材料混合不均勻,(b) 長時間攪拌,(c) 快速澆筑,(d) 先后澆筑時差過長,澆筑速度過快：當(dāng)構(gòu)件高度較大，如一次快速澆筑混凝土，因下部混凝土尚未充分硬化，產(chǎn)生下沉，引起裂縫。 交接縫：澆筑先后時差過長，先澆筑的混凝土已硬化，導(dǎo)致交接縫混凝土不連續(xù)，這是結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫的起始位置，將成為結(jié)構(gòu)承載力和耐久性的缺陷。,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,二、施工原因,14,9.2 產(chǎn)生裂縫的原因,(e) 模板變形,(f) 支撐下沉,(g) 支撐下沉,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,15,9.2 產(chǎn)生裂縫的原因,三、荷載產(chǎn)生的裂縫,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,16,9.2 產(chǎn)生裂縫的原因,五、溫度裂縫,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,17,9.2 產(chǎn)生裂縫的原因,六、不均勻沉降產(chǎn)生裂縫,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,18,(a) 混凝土開裂,9.3 產(chǎn)生裂縫的原因,七、鋼筋銹蝕產(chǎn)生的裂縫,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,(b) 水、CO2侵入,(c) 開始銹蝕,19,9.2 產(chǎn)生裂縫的原因,七、鋼筋銹蝕產(chǎn)生的裂縫,使鋼筋產(chǎn)生銹蝕的原因有：骨料中含氯化鹽；外部進(jìn)入氯化鹽；混凝土碳化；保護(hù)層不足；過大的裂縫寬度。,鋼筋銹蝕產(chǎn)生體積膨脹可達(dá)原體積的數(shù)倍，使鋼筋位置處的混凝土受到內(nèi)壓力而產(chǎn)生裂縫，并隨之剝落。 這種裂縫沿鋼筋方向發(fā)展，且隨著銹蝕的發(fā)展混凝土剝離產(chǎn)生空隙，這可從敲擊產(chǎn)生的空洞聲得到判別。,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,20,9.2 產(chǎn)生裂縫的原因,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,碳化引起的銹蝕,氯離子引起的銹蝕,21,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,鋼筋阻銹劑形成保護(hù)膜,在陽極，保護(hù)膜阻止鐵離子的流失 在陰極，保護(hù)膜形成對氧的屏障,22,9.2 產(chǎn)生裂縫的原因,八、凍結(jié)溶解產(chǎn)生的裂縫,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,23,9.3 裂縫寬度的計算,9.3 裂縫寬度計算荷載引起的裂縫寬度 一、裂縫控制等級 產(chǎn)生裂縫的原因可分為兩大類：一是由荷載引起的裂縫；二是由非荷載引起的裂縫，如施工養(yǎng)護(hù)不善、溫度變化、基礎(chǔ)不均勻沉降以及鋼筋的銹蝕等。 對于非荷載原因的裂縫一般通過設(shè)置伸縮縫、加強(qiáng)施工養(yǎng)護(hù)以及避免不均勻沉降等措施來避免這類裂縫的出現(xiàn)和減小裂縫寬度。 本節(jié)僅就荷載產(chǎn)生的垂直裂縫問題加以討論，分析其產(chǎn)生裂縫的機(jī)理及計算最大裂縫寬度。 對于荷載產(chǎn)生的斜裂縫問題不作計算，一般來說，只要滿足前面有關(guān)章節(jié)的配筋構(gòu)造要求，可控制最大裂縫寬度小于0.2mm。,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,24,9.3 裂縫寬度的計算,一、裂縫控制等級 裂縫控制劃分為3個等級： (1)嚴(yán)格要求不出現(xiàn)裂縫。其具體規(guī)定是：在荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合作用下，構(gòu)件上不允許出現(xiàn)拉應(yīng)力。 (2)一般要求不出現(xiàn)裂縫。其具體規(guī)定是：在荷載短期效應(yīng)組合作用下，構(gòu)件上拉應(yīng)力應(yīng)小于混凝土的抗拉強(qiáng)度，在荷載效應(yīng)的準(zhǔn)永久組合作用下，構(gòu)件上不允許出現(xiàn)拉應(yīng)力。 (3)構(gòu)件在使用階段允許出現(xiàn)裂縫，但對其裂縫寬度需加以限制 第一種、第二種裂縫控制等級的構(gòu)件一般屬于預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件。一般來說，普通鋼筋混凝土構(gòu)件在使用中，其受拉區(qū)出現(xiàn)裂縫是難于避免的。然而，過大的裂縫寬度不僅影響結(jié)構(gòu)外觀，同時還會使鋼筋銹蝕加快，甚至影響結(jié)構(gòu)的正常使用，因此，必須對裂縫寬度加以限制。,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,25,9.3 裂縫寬度的計算,二、裂縫的出現(xiàn)、分布與開展,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,26,9.3 裂縫寬度的計算, 在裂縫出現(xiàn)前，混凝土和鋼筋的應(yīng)變沿構(gòu)件的長度基本上是均勻分布的。 當(dāng)混凝土的拉應(yīng)力達(dá)到抗拉強(qiáng)度時，首先會在構(gòu)件最薄弱截面位置出現(xiàn)第一條（批）裂縫。 裂縫出現(xiàn)瞬間，裂縫截面位置的混凝土退出受拉工作，應(yīng)力為零，而鋼筋拉應(yīng)力應(yīng)力產(chǎn)生突增Dss= ft /r，配筋率越小，Dss就越大。 由于鋼筋與混凝土之間存在粘結(jié)，隨著距裂縫截面距離的增加，混凝土中又重新建立起拉應(yīng)力sc，而鋼筋的拉應(yīng)力則隨距裂縫截面距離的增加而減小。 當(dāng)距裂縫截面有足夠的長度 l 時，混凝土拉應(yīng)力sc增大到ft，此時將出現(xiàn)新的裂縫。,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,27,9.3 裂縫寬度的計算, 如果兩條裂縫的間距小于2 l，則由于粘結(jié)應(yīng)力傳遞長度不夠，混凝土拉應(yīng)力不可能達(dá)到ft，因此將不會出現(xiàn)新的裂縫，裂縫的間距最終將穩(wěn)定在（l 2 l）之間，平均間距可取1.5 l。 從第一條（批）裂縫出現(xiàn)到裂縫全部出齊為裂縫出現(xiàn)階段，該階段的荷載增量并不大，主要取決于混凝土強(qiáng)度的離散程度。 裂縫間距的計算公式即是以該階段的受力分析建立的。 裂縫出齊后，隨著荷載的繼續(xù)增加，裂縫寬度不斷開展。裂縫的開展是由于混凝土的回縮，鋼筋不斷伸長，導(dǎo)致鋼筋與混凝土之間產(chǎn)生變形差，這是裂縫寬度計算的依據(jù)。 由于混凝土材料的不均勻性，裂縫的出現(xiàn)、分布和開展具有很大的離散性，因此裂縫間距和寬度也是不均勻的。但大量的試驗統(tǒng)計資料分析表明，裂縫間距和寬度的平均值具有一定規(guī)律性，是鋼筋與混凝土之間粘結(jié)受力機(jī)理的反映。,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,28,9.3 裂縫寬度的計算,三、裂縫間距,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,29,9.3 裂縫寬度的計算, 上式表明，當(dāng)配筋率r 相同時，鋼筋直徑越細(xì)，裂縫間距越小，裂縫寬度也越小，也即裂縫的分布和開展會密而細(xì)，這是控制裂縫寬度的一個重要原則。 但上式中，當(dāng)d /r 趨于零時，裂縫間距趨于零，這并不符合實際情況。 試驗表明，當(dāng)d /r 很大時，裂縫間距趨近于某個常數(shù)。該數(shù)值與保護(hù)層c 和鋼筋凈間距有關(guān)，根據(jù)試驗分析，對上式修正如下:,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,30,9.3 裂縫寬度的計算,對于受彎構(gòu)件，可將受拉區(qū)近似作為一軸心受拉構(gòu)件，根據(jù)粘結(jié)力的有效影響范圍，取有效受拉面積Ate=0.5bh+(bf-b)hf，因此將式中配筋率r 的用以下受拉區(qū)有效配筋率替換后，即可用于受彎構(gòu)件,采用rte 后，裂縫間距可統(tǒng)一表示為:,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,31,9.3 裂縫寬度的計算,根據(jù)試驗資料統(tǒng)計分析，并考慮受力特征的影響，對于常用的帶肋鋼筋，規(guī)范給出的平均裂縫間距l(xiāng)m的計算公式為:,軸心受拉構(gòu)件,c最外層縱向受拉鋼筋外邊緣到受拉區(qū)底邊的距離（mm），當(dāng)c20mm時，取c=20mm； d鋼筋直徑（mm），當(dāng)用不同直徑的鋼筋時，d 改用換算直徑4As/u，u為縱向鋼筋的總周長。,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,受彎構(gòu)件 偏心受壓構(gòu)件 偏心受拉構(gòu)件,32,9.3 裂縫寬度的計算,四、裂縫寬度計算,平均裂縫寬度,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,33,9.3 裂縫寬度的計算,鋼筋應(yīng)力不均勻系數(shù),由于鋼筋與混凝土間存在粘結(jié)應(yīng)力，隨著距裂縫截面距離的增加，裂縫間混凝土逐漸參與受拉工作，鋼筋應(yīng)力逐漸減小，因此鋼筋應(yīng)力沿縱向的分布是不均勻的。 裂縫截面處鋼筋應(yīng)力最大，裂縫中間鋼筋應(yīng)力最小，其差值反映了混凝土參與受拉工作的大小。,鋼筋應(yīng)力不均勻系數(shù)y 是反映裂縫間混凝土參加受拉工作程度的影響系數(shù),第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,34,9.3 裂縫寬度的計算,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,35,9.3 裂縫寬度的計算,當(dāng)y 1.0時，取y =1.0； 對直接承受重復(fù)荷載作用的構(gòu)件，取y =1.0。,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,36,9.3 裂縫寬度的計算,近似取hc/h =0.67，h/h0=1.1，,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,37,9.3 裂縫寬度的計算,裂縫截面處的鋼筋應(yīng)力sk,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,受彎構(gòu)件,軸心受拉構(gòu)件,偏心受拉構(gòu)件,式中e軸向拉力作用點(diǎn)至受壓區(qū)或受 拉較小邊縱向鋼筋合力點(diǎn)的距 離，e(e0+yc-as) yc 截面重心至受壓或較小受拉邊 緣的距離。,38,9.3 裂縫寬度的計算,裂縫截面處的鋼筋應(yīng)力sk,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,偏心受壓構(gòu)件,式中 Nk按荷載標(biāo)準(zhǔn)組合計算的軸向壓力值； eNk至受拉鋼筋A(yù)s合力點(diǎn)的距離； h0縱向受拉鋼筋合力點(diǎn)至受壓區(qū)合力點(diǎn) 的距離，且h00.87；近似地取 0.870.12(1f)(h0/e)2 當(dāng)偏心受壓構(gòu)件的 l0h14時，還應(yīng)考慮側(cè)向撓度的影響，即取上式中的ese0ys。此處，ys為截面重心至縱向受拉鋼筋合力點(diǎn)的距離，s是指使用階段的軸向壓力偏心距增大系數(shù)，可近似地取,當(dāng)l0h14時， 取s1.0。,39,9.3 裂縫寬度的計算,最大裂縫寬度,實測表明，裂縫寬度具有很大的離散性。 取實測裂縫寬度wt與上述計算的平均裂縫寬度wm的比值為t 。 大量裂縫量測結(jié)果統(tǒng)計表明，t 的概率密度分布基本為正態(tài)。 取超越概率為5%的最大裂縫寬度可由下式求得:,式中d 為裂縫寬度變異系數(shù)， 對受彎構(gòu)件和偏心受壓構(gòu)件，試驗統(tǒng)計得d =0.4，故取裂縫擴(kuò)大系數(shù)t =1.66。 對于軸心受拉和偏心受拉構(gòu)件，由試驗結(jié)果統(tǒng)計得最大裂縫寬度的擴(kuò)大系數(shù)為t =1.9。,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,40,9.3 裂縫寬度的計算,長期荷載的影響：由于混凝土的滑移徐變和拉應(yīng)力的松弛，會導(dǎo)致裂縫間混凝土不斷退出受拉工作，鋼筋平均應(yīng)變增大，使裂縫隨時間推移逐漸增大。 混凝土的收縮也使裂縫間混凝土的長度縮短，也引起裂縫隨時間推移不斷增大。 荷載的變動，環(huán)境溫度的變化，都會使鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)受到削弱，也將導(dǎo)致裂縫寬度不斷增大。 根據(jù)長期觀測結(jié)果，長期荷載下裂縫的擴(kuò)大系數(shù)為t l =1.5。,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,41,9.3 裂縫寬度的計算,軸心受拉構(gòu)件 acr =1.51.90.851.1=2.7,受彎構(gòu)件和偏心受壓構(gòu)件 acr =1.51.660.85=2.1,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,偏心受拉構(gòu)件 acr =1.51.90.85=2.4,裂縫寬度驗算,最大裂縫寬度,42,9.3 裂縫寬度的計算, 鋼筋有效約束區(qū)與裂縫寬度,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,43,9.3 裂縫寬度的計算,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,44,9.3 裂縫寬度的計算,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,五、影響裂縫寬度的主要因素 裂縫寬度與鋼筋應(yīng)力成正比，為了控制裂縫寬度，在普通鋼筋混凝土構(gòu)件中，不宜采用高強(qiáng)鋼筋。 帶肋鋼筋的粘結(jié)應(yīng)力比光面鋼筋大得多，為減小裂縫寬度應(yīng)盡可能采用帶肋鋼筋。 在相同截面面積時，直徑細(xì)的鋼筋有更多的外表面，這有利于提高與混凝土的粘結(jié)，減小裂縫寬度。因此，在施工允許的條件下，可采用直徑較細(xì)的鋼筋作為受拉鋼筋。 保護(hù)層越厚，鋼筋對外邊緣混凝土收縮變形的約束越小，裂縫寬度就越大，故不宜采用過厚的保護(hù)層。 采用預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件是減少裂縫寬度的最有效辦法。,45,9.4 受彎構(gòu)件的變形驗算,9.4 受彎構(gòu)件的變形驗算 一、變形限值 flim為撓度變形限值。主要從以下幾個方面考慮： 1、保證結(jié)構(gòu)的使用功能要求。結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生過大的變形將影響甚至喪失其使用功能，如支承精密儀器設(shè)備的梁板結(jié)構(gòu)撓度過大，將難以使儀器保持水平；屋面結(jié)構(gòu)撓度過大會造成積水而產(chǎn)生滲漏；吊車梁和橋梁的過大變形會妨礙吊車和車輛的正常運(yùn)行等。 2、防止對結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生不良影響。如支承在磚墻上的梁端產(chǎn)生過大轉(zhuǎn)角，將使支承面積減小、支承反力偏心增大，并會引起墻體開裂。 3、防止對非結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生不良影響。結(jié)構(gòu)變形過大會使門窗等不能正常開關(guān)，也會導(dǎo)致隔墻、天花板的開裂或損壞。,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,46,4、保證使用者的感覺在可接受的程度之內(nèi)。過大振動、變形會引起使用者的不適或不安全感。,9.4 受彎構(gòu)件的變形驗算,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,47,9.4 受彎構(gòu)件的變形驗算,二、鋼筋混凝土梁抗彎剛度的特點(diǎn),截面抗彎剛度EI 體現(xiàn)了截面抵抗彎曲變形的能力，同時也反映了截面彎矩與曲率之間的物理關(guān)系。剛度反映了力與變形之間的關(guān)系。 對于彈性均質(zhì)材料截面，EI為常數(shù)，M-f 關(guān)系為直線。,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,48,9.4 受彎構(gòu)件的變形驗算,由于混凝土開裂、彈塑性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和鋼筋屈服等影響，鋼筋混凝土適筋梁的M-f 關(guān)系不再是直線，而是隨彎矩增大，截面曲率呈曲線變化。,短期彎矩Msk一般處于第階段，剛度計算需要研究構(gòu)件帶裂縫時的工作情況。該階段裂縫基本等間距分布，鋼筋和混凝土的應(yīng)變分布具有以下特征：,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,49,9.4 受彎構(gòu)件的變形驗算,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,50,9.4 受彎構(gòu)件的變形驗算,三、短期剛度公式的建立 材料力學(xué)中曲率與彎矩關(guān)系的推導(dǎo),幾何關(guān)系,物理關(guān)系,平衡關(guān)系,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,51,9.4 受彎構(gòu)件的變形驗算,1、幾何關(guān)系：,2、物理關(guān)系：,3、平衡關(guān)系：根據(jù)裂縫截面的應(yīng)力分布,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,混凝土結(jié)構(gòu)中曲率與彎矩關(guān)系的推導(dǎo),52,9.4 受彎構(gòu)件的變形驗算,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,53,9.4 受彎構(gòu)件的變形驗算,四、參數(shù)h、z 和y 1、開裂截面的內(nèi)力臂系數(shù)h 試驗和理論分析表明，在短期彎矩Msk=（0.50.7）Mu范圍，裂縫截面的相對受壓區(qū)高度x 變化很小，內(nèi)力臂的變化也不大。對常用的混凝土強(qiáng)度和配筋情況，h 值在0.830.93之間波動。規(guī)范為簡化計算，取h=0.87。 2、受壓區(qū)邊緣混凝土平均應(yīng)變綜合系數(shù)z 根據(jù)試驗實測受壓邊緣混凝土的壓應(yīng)變，可以得到系數(shù)z 的試驗值。在短期彎矩Msk=（0.50.7）Mu范圍，系數(shù)z 的變化很小，僅與配筋率有關(guān)。規(guī)范根據(jù)試驗結(jié)果分析給出,受壓翼緣加強(qiáng)系數(shù),第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,54,9.4 受彎構(gòu)件的變形驗算,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,55,9.4 受彎構(gòu)件的變形驗算,3、鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù)y,rte為以有效受拉混凝土截面面積計算的受拉鋼筋配筋率。 Ate為有效受拉混凝土截面面積，對受彎構(gòu)件取,當(dāng)y 1.0時，取y =1.0； 對直接承受重復(fù)荷載作用的構(gòu)件，取y =1.0。,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,56,9.4 受彎構(gòu)件的變形驗算,在短期彎矩Msk=（0.50.7）Mu范圍，三個參數(shù)h、z 和y 中，h 和z 為常數(shù)，而y 隨彎矩增長而增大。 該參數(shù)反映了裂縫間混凝土參與受拉工作的情況，隨著彎矩增加，由于裂縫間粘結(jié)力的逐漸破壞，混凝土參與受拉的程度減小，平均應(yīng)變增大， y 逐漸趨于1.0，抗彎剛度逐漸降低。,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,57,9.4 受彎構(gòu)件的變形驗算,五、長期荷載作用下的抗彎剛度 在長期荷載作用下，由于混凝土和鋼筋徐變滑移、混凝土收縮等會使梁的撓度隨時間增長。受彎構(gòu)件長期荷載作用下的抗彎剛度B，可在短期剛度Bs的基礎(chǔ)上，用長期撓度與短期撓度的比值 來考慮荷載長期作用的影響。,長期抗彎剛度,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,撓度增大的影響系數(shù),當(dāng)0時，取2.0； 當(dāng)=時，取1.6； 當(dāng)為中間數(shù)值時，按線性內(nèi)插法取用 對翼緣位于受拉區(qū)的倒T形截面，應(yīng)增加20%,58,9.4 受彎構(gòu)件的變形驗算,六、受彎構(gòu)件的撓度變形驗算 由于彎矩沿梁長的變化的，抗彎剛度沿梁長也是變化的。但按變剛度梁來計算撓度變形很麻煩。 規(guī)范為簡化起見，取同號彎矩區(qū)段的最大彎矩截面處的最小剛度Bmin，按等剛度梁來計算。 這樣撓度的簡化計算結(jié)果比按變剛度梁的理論值略偏大。 但靠近支座處的曲率誤差對梁的最大撓度影響很小，且撓度計算僅考慮彎曲變形的影響，實際上還存在一些剪切變形，因此按最小剛度Bmin計算的結(jié)果與實測結(jié)果的誤差很小。,“最小剛度剛度原則”,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,59,9.4 受彎構(gòu)件的變形驗算,七、對受彎構(gòu)件撓度驗算的討論 1、影響短期剛度Bs的因素 彎矩Mk對Bs的影響是隱含在中的。若其他條件相同，Mk增大時，sk增大因而亦增大，Bs則相應(yīng)地減小。 具體計算表明，增大，Bs也略有增大。 截面形狀對Bs有所影響。當(dāng)有受拉翼緣或受壓翼緣時，都使Bs有所增大。 在常用配筋率12的情況下，提高混凝土強(qiáng)度等級對提高Bs的作用不大。 當(dāng)配筋率和材料給定時，截面有效高度h0對截面彎曲剛度的提高作用最顯著。,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,60,9.4 受彎構(gòu)件的變形驗算,七、對受彎構(gòu)件撓度驗算的討論 2、配筋率對承載力和撓度的影響 一根梁，如果滿足了承載力的計算要求，是否就滿足撓度的驗算要求呢？這就要看它的配筋率大小了。當(dāng)梁的尺寸和材料性能給定時，若其正截面彎矩設(shè)計值M比較大，就應(yīng)配置較多的受拉鋼筋方可滿足MuM的,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,要求。然而，配筋率加大對提高截面彎曲剛度并不顯著，因此就有可能出現(xiàn)不滿足撓度驗算的要求。 由圖可以看出：當(dāng)配筋率超過一定數(shù)值后，滿足了正截面承載力要求，就不滿足撓度要求。,61,9.4 受彎構(gòu)件的變形驗算,七、對受彎構(gòu)件撓度驗算的討論 3、跨高比對撓度的影響 從撓度計算公式可見，l0越大，f 越大。因此，在承載力計算前若選定足夠的截面高度或較小的跨高比l0h，配筋率又限制在一定范圍內(nèi)時，如滿足承載力要求，計算撓度也必然同時滿足。對此，可以給出不需作撓度驗算的最大跨高比。 根據(jù)工程經(jīng)驗，為了便于滿足撓度的要求，建議設(shè)計時可選用下列跨高比；對用HRB335級鋼筋配筋的簡支梁，當(dāng)允許撓度為l0200時，l0h在2010的范圍內(nèi)采取。當(dāng)永久荷載所占比重大時，取較小值；當(dāng)用HRB235級或HRB400級鋼筋配筋時，分別取較大值或較小值；當(dāng)允許撓度為l0250或l0300時，l0h取值應(yīng)相應(yīng)減少些；當(dāng)為整體肋形梁或連續(xù)梁時，則取值可大些。,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,62,9.5 混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性,9.5 混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性,混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)能在自然和人為環(huán)境的化學(xué)和物理作用下，滿足在規(guī)定的設(shè)計工作壽命內(nèi)不出現(xiàn)無法接受的承載力減小、使用功能降低和不能接受的外觀破損等的耐久性要求。 耐久性是指結(jié)構(gòu)在預(yù)定設(shè)計工作壽命期內(nèi)，在正常維護(hù)條件下，不需要進(jìn)行大修和加固滿足，而滿足正常使用和安全功能要求的能力。 對于一般建筑結(jié)構(gòu)，設(shè)計工作壽命為50年，重要的建筑物可取100年。 近年來，隨著建筑市場化的發(fā)展，業(yè)主也可以對建筑的壽命提出更高要求。對于其它土木工程結(jié)構(gòu)，根據(jù)其功能要求，設(shè)計工作壽命也有差別，如橋梁工程一般要求在100年以上。,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,63,9.5 混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性,世界上經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家的工程建設(shè)大體上經(jīng)歷了三個階段： 大規(guī)模建設(shè)； 新建與改建、維修并重； 重點(diǎn)轉(zhuǎn)向既有建筑物的維修改造。 目前經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家處于第三階段，結(jié)構(gòu)因耐久性不足而失效，或為保證繼續(xù)正常使用而付出巨大維修代價，這使得耐久性問題變得十分重要。 我國50年代開始大規(guī)模建設(shè)的工程項目，由于當(dāng)時經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)薄弱，材料標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)都較低，除一些重要的工程項目目前需要繼續(xù)維持其使用外，其它大部分工程已達(dá)到其使用壽命。 我國真正進(jìn)入大規(guī)模建設(shè)是在改革開放以后，因此國外發(fā)達(dá)國家在耐久性上所遇到的問題應(yīng)引起我國工程技術(shù)人員的足夠重視，避免重蹈發(fā)達(dá)國家的覆轍，對國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)造成巨大浪費(fèi)。,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,64,9.5 混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性,碳化,一、影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的因素,內(nèi)部因素： 混凝土強(qiáng)度 滲透性 保護(hù)層厚度 水泥品種 標(biāo)號和用量 外加濟(jì)等,外部因素： 環(huán)境溫度 濕度 CO2含量 侵蝕性介質(zhì)等,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,65,9.5 混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性,1、混凝土的凍融破壞, 混凝土水化結(jié)硬后，內(nèi)部有很多毛細(xì)孔。在澆筑混凝土?xí)r，為得到必要的和易性，往往會比水泥水化所需要的水多些。 多余的水份滯留在混凝土毛細(xì)孔中。低溫時水份因結(jié)冰產(chǎn)生體積膨脹，引起混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞。 反復(fù)凍融多次，就會使混凝土的損傷累積達(dá)到一定程度而引起結(jié)構(gòu)破壞。 防止混凝土凍融破壞的主要措施是降低水灰比，減少混凝土中多余的水份。 冬季施工時，應(yīng)加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，防止早期受凍，并摻入防凍劑等。,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,66,9.5 混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性,2、混凝土的堿集料反應(yīng), 混凝土集料中的某些活性礦物與混凝土微孔中的堿性溶液產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)稱為堿集料反應(yīng)。 堿集料反應(yīng)產(chǎn)生的堿-硅酸鹽凝膠，吸水后會產(chǎn)生膨脹，體積可增大34倍，從而混凝土的剝落、開裂、強(qiáng)度降低，甚至導(dǎo)致破壞。 引起堿集料反應(yīng)有三個條件： 混凝土的凝膠中有堿性物質(zhì)。這種堿性物質(zhì)主要來自于水泥，若水泥中的含堿量（Na2O，K2O）大于0.6%以上時，則會很快析出到水溶液中，遇到活性骨料則會產(chǎn)生反應(yīng)； 骨料中有活性骨料，如蛋白石、黑硅石、燧石、玻璃質(zhì)火山石、安山石等含SiO2的骨料； 水分。堿骨料反應(yīng)的充分條件是有水分，在干燥環(huán)境下很難發(fā)生堿骨料反應(yīng)。,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,67,9.5 混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性,3、侵蝕性介質(zhì)的腐蝕, 硫酸鹽腐蝕：硫酸鹽溶液與水泥石中的氫氧化鈣及水化鋁酸鈣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成石膏和硫鋁酸鈣，產(chǎn)生體積膨脹，使混凝土破壞。硫酸鹽除在一些化工企業(yè)存在外，海水及一些土壤中也存在。當(dāng)硫酸鹽的濃度（以SO2的含量表示）達(dá)到2時，就會產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕。 酸腐蝕：混凝土是堿性材料，遇到酸性物質(zhì)會產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，使混凝土產(chǎn)生裂縫、脫落，并導(dǎo)致破壞。酸不僅存在于化工企業(yè)，在地下水，特別是沼澤地區(qū)或泥炭地區(qū)廣泛存在碳酸及溶有CO2的水。此外有些油脂、腐植質(zhì)也呈酸性，對混凝土有腐蝕作用。 海水腐蝕：在海港、近海結(jié)構(gòu)中的混凝土構(gòu)筑物，經(jīng)常收到海水的侵蝕。海水中的NaCl、MgCl2、MgSO4、K2SO4等成分，尤其是Cl-和硫酸鎂對混凝土有較強(qiáng)的腐蝕作用。在海岸飛濺區(qū)，受到干濕的物理作用，也有利于Cl-和SO4的滲入，極易造成鋼筋銹蝕。,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,68,9.5 混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性,4、混凝土的碳化, 混凝土中堿性物質(zhì)（Ca(OH)2）使混凝土內(nèi)的鋼筋表明形成氧化膜，它能有效地保護(hù)鋼筋，防止鋼筋銹蝕。 但由于大氣中的二氧化碳（CO2）與混凝土中的堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，使混凝土的Ph值降低。其他物質(zhì)，如SO2、H2S，也能與混凝土中的堿性物質(zhì)發(fā)生類似的反應(yīng)，使混凝土的Ph值降低，這就是混凝土的碳化。 當(dāng)混凝土保護(hù)層被碳化到鋼筋表面時，將破壞鋼筋表面的氧化膜，引起鋼筋的銹蝕。此外，碳化還會加劇混凝土的收縮，可導(dǎo)致混凝土的開裂。 因此，混凝土的碳化是混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的重要問題。 混凝土的碳化從構(gòu)件表面開始向內(nèi)發(fā)展，到保護(hù)層完全碳化，所需要的時間與碳化速度、混凝土保護(hù)層厚度、混凝土密實性以及覆蓋層情況等因素有關(guān)。,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,69,9.5 混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性,1 環(huán)境因素 碳化速度主要取決于空氣中的CO2濃度和向混凝土中的擴(kuò)散速度?？諝庵械腃O2濃度大，混凝土內(nèi)外CO2濃度梯度也愈大，因而CO2向混凝土內(nèi)的滲透速度快，碳化反應(yīng)也快。 空氣濕度和溫度對碳化反應(yīng)速度有較大影響。因為碳化反應(yīng)要產(chǎn)生水份向外擴(kuò)散，濕度越大，水份擴(kuò)散越慢。當(dāng)空氣相對濕度大于80%，碳化反應(yīng)的附加水份幾乎無法向外擴(kuò)散，使碳化反應(yīng)大大降低。 而在極干燥環(huán)境下，空氣中的CO2無法溶于混凝土中的孔隙水中，碳化反應(yīng)也無法進(jìn)行。 試驗表明，當(dāng)混凝土周圍介質(zhì)的相對濕度為50%75%時，混凝土碳化速度最快。環(huán)境溫度越高，碳化的化學(xué)反應(yīng)速度越快，且CO2向混凝土內(nèi)的擴(kuò)散速度也越快。,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,70,9.5 混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性,2 材料因素 水泥是混凝土中最活躍的成分，其品種和用量決定了單位體積中可碳化物質(zhì)的含量，因而對混凝土碳化有重要影響。 單位體積中水泥的用量越多，會提高混凝土的強(qiáng)度，又會提高混凝土的抗碳化性能。 水灰比也是影響碳化的主要因素。在水泥用量不變的條件下，水灰比越大，混凝土內(nèi)部的孔隙率也越大，密實性就越差，CO2的滲入速度越快，因而碳化的速度也越快。 水灰比大會使混凝土孔隙中游離水增多，有利于碳化反應(yīng)。 混凝土中外加摻合料和骨料品種對碳化也有一定的影響。,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,71,9.5 混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性,3 施工養(yǎng)護(hù)條件 混凝土攪拌、振搗和養(yǎng)護(hù)條件影響混凝土的密實性，因而對碳化有較大影響。此外，養(yǎng)護(hù)方法與齡期對水泥的水化程度有影響，進(jìn)而影響混凝土的碳化。所以保證混凝土施工質(zhì)量對提高混凝土的抗碳化性能十分重要。 4 覆蓋層,不同飾面材料的碳化深度比,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,72,9.5 混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性, 當(dāng)混凝土未碳化時，由于水泥的高堿性，鋼筋表面形成一層致密的氧化膜，阻止了鋼筋銹蝕電化學(xué)過程。 當(dāng)混凝土被碳化，鋼筋表面的氧化膜被破壞，在有水份和氧氣的條件下，就會發(fā)生銹蝕的電化學(xué)反應(yīng)。 鋼筋銹蝕產(chǎn)生的鐵銹（氫氧化亞鐵Fe(OH)3），體積比鐵增加26倍，保護(hù)層被擠裂，使空氣中的水份更易進(jìn)入，促使銹蝕加快發(fā)展。 氧氣和水份是鋼筋銹蝕必要條件，混凝土的碳化僅是為鋼筋銹蝕提供了可能。 當(dāng)構(gòu)件使用環(huán)境很干燥（濕度40%），或完全處于水中，鋼筋的銹蝕極慢，幾乎不發(fā)生銹蝕。,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,5、鋼筋銹蝕 鋼筋銹蝕是影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的最關(guān)鍵問題。,73,9.5 混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性, 而裂縫的發(fā)生為氧氣和水份的浸入創(chuàng)造了條件，同時也使混凝土 的碳化形成立體發(fā)展。 但近年來的研究發(fā)現(xiàn)，銹蝕程度與荷載產(chǎn)生的橫向裂縫寬度無明顯關(guān)系，在一般大氣環(huán)境下，裂縫寬度即便達(dá)到0.3mm，也只是在裂縫處產(chǎn)生銹點(diǎn)。 這是由于鋼筋銹蝕是一個電化學(xué)過程，因此銹蝕主要取決于氧氣通過混凝土保護(hù)層向鋼筋表面的陰極的擴(kuò)散速度，而這種擴(kuò)散速度主要取決于混凝土的密實度。 裂縫的出現(xiàn)僅是使裂縫處鋼筋局部脫鈍，使銹蝕過程得以開始，但它對銹蝕速度不起控制作用。 因此，防止鋼筋銹蝕最重要的措施是在增加混凝土的密實性和混凝土的保護(hù)層厚度。,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,74,9.5 混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性,鋼筋銹蝕引起混凝土結(jié)構(gòu)損傷過程如下，首先在裂縫寬度較大處發(fā)生個別點(diǎn)的“坑蝕”，繼而逐漸形成 “環(huán)蝕”，同時向裂縫兩邊擴(kuò)展，形成銹蝕面，使鋼筋有效面積減小。嚴(yán)重銹蝕時，會導(dǎo)致沿鋼筋長度出現(xiàn)縱向裂縫，甚至導(dǎo)致混凝土保護(hù)層脫落，習(xí)稱“暴筋”，從而導(dǎo)致截面承載力下降，直至最終引起結(jié)構(gòu)破壞。,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,面積減小 屈服強(qiáng)度降低 粘結(jié)力降低,除增加混凝土的密實度和保護(hù)層厚度外，采用涂面層、鋼筋阻銹劑、涂層鋼筋等措施來防止鋼筋的銹蝕。,75,9.5 混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,76,9.5 混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性,二、結(jié)構(gòu)工作環(huán)境類別, 混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性與結(jié)構(gòu)工作的環(huán)境有密切關(guān)系。 同一結(jié)構(gòu)在強(qiáng)腐蝕環(huán)境中要比一般大氣環(huán)境中的使用壽命短。 對于不同環(huán)境，可以采取不同措施來保證結(jié)構(gòu)使用壽命。 如在惡劣環(huán)境，一味增加混凝土保護(hù)層是不經(jīng)濟(jì)的，效果也不一定好?？稍跇?gòu)件表面采用防護(hù)涂層。,第九章 鋼筋砼構(gòu)件的變形、裂縫及耐久性,77,9.5 混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性,三、耐久性極限狀態(tài)與耐久性設(shè)計, 混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性極限狀態(tài)，是指經(jīng)過一定使用年限后，結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)某一部分達(dá)到或超過某種特定狀態(tài)，以致結(jié)構(gòu)不能滿足預(yù)定功能的要求。 但經(jīng)過簡單修補(bǔ)、維修，費(fèi)用不大，可恢復(fù)使用要求的情況，可以認(rèn)為沒有達(dá)到耐久性極限狀態(tài)。 只有當(dāng)嚴(yán)重超出正常維修費(fèi)允許范圍時，結(jié)構(gòu)的使用壽命才終止。 1 對于不允許鋼筋銹蝕的構(gòu)件和環(huán)境，混凝土