第八章正常使用极限状态.ppt
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1、水工钢筋混凝土结构,武汉大学土木建筑工程学院 李大庆,第八章 混凝土构件的变形及裂缝宽度验算,陛柱柬慢蚁谣亡骸说玖情抨捕钠心斌默便灰旭叔爱扑霸盐隘昧竟巢药花肺第八章正常使用极限状态水工混凝土结构,第一节 概 述,一、正常使用极限状态的验算要求,为保证结构的安全,所有结构构件均应进行承载能力计算。为保证结构的正常使用和耐久性,构件应进行变形和裂缝控制验算,保证其不超过规范的限值。 结构变形的影响:变形过大时会影响设备的正常运行;增大结构的振动幅度。 裂缝对结构的影响:降低混凝土的抗渗和抗冻性能、可能引起钢筋锈蚀、影响结构的耐久性、还会影响结构的外观。,曼袍抑摊姥黍纹岗更瓶掘堪侮醛输曝庞速耘嘶悟妄
2、讼拟追涌篷地敲咬舟冕第八章正常使用极限状态水工混凝土结构,结构构件不满足正常使用极限状态所造成的危害性比不满足承载能力极限状态时的危害性要小,故其相应的目标可靠指标b值可以小一些。 规范规定,在变形及裂缝控制验算时,荷载和材料强度分别采用其标准值(仅长期组合时可变荷载采用其准永久值),而结构重要性系数仍按原规定取用。,吱嫉藤填缓莆雌霉击辞逊测扩霸嫩辑睛辟都峙痞备惠虏于悉末唁败熊钳歼第八章正常使用极限状态水工混凝土结构,二、变形和裂缝宽度的限值及混凝土拉应力限制系数的取值 1. 变形限值 受弯构件的最大挠度不应超过规范的允许值。而规范的允许值主要是根据以往的工程经验确定的。 2. 最大裂缝宽度限
3、值 结构最大裂缝宽度不应超过规范的允许值。规范的最大裂缝宽度允许值主要考虑了防止钢筋锈蚀及保证结构的耐久性,同时考虑了结构外观的要求。结构最大裂缝宽度允许值是针对荷载作用下产生的竖向裂缝宽度的。 3. 抗裂度验算时的混凝土拉应力限制系数act 规范规定,轴拉和小偏拉构件及发生裂缝后会产生严重后果的构件,应进行抗裂度验算。抗裂度验算时,构件受拉边缘的拉应力不应超过以混凝土拉应力限制系数act控制的应力值。在荷载效应短期组合及荷载效应长期组合下,act分别取为0.85及0.7。,帐处爵除斟谊讽黎蕊述谢然妇怯美衅湍拣那玄捻畴功某攻版闷堰酗姚辉馁第八章正常使用极限状态水工混凝土结构,三、耐久性要求 结
4、构的耐久性就是指结构在设计基准期内不需维修或只需少量维修就能满足预定的功能要求的能力。规范规定设计基准期一般情况下为50年。 混凝土结构的耐久性及裂缝控制水平与其环境条件有关,因此,根据结构所处的环境条件,规范提出了相应的耐久性设计要求。 规范所划分的水工建筑物环境类别为: 一类室内正常环境: 二类露天环境,长期处于地下或水下的环境; 三类水位变动区,或者有侵蚀性地下水的地下环境 四类海浪及盐雾作用区,潮湿及严重侵蚀的环境。 结构设计时可根据结构表层实际保护措施的效果及预期的施工质量控制水平,适当提高或降低结构的环境类别。 临时建筑及大体积结构内的混凝土可不考虑耐久性要求。,运鳖恼勾编竣奉悲掀
5、既姬粤泡扁畦厅枷谊扳诉许添邦摸镶乎龚获裴或旁屎第八章正常使用极限状态水工混凝土结构,第二节 混凝土结构的耐久性问题,一、耐久性的概念及其影响因素 耐久性是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即可满足正常使用和安全功能要求的能力。 耐久性设计的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: 1. 内部因素:砼强度、渗透性、保护层厚度、水泥品种、 水泥标号和用量、外加剂等; 2. 外部因素:环境温度与湿度、CO2含量、侵蚀性介质。 3. 主要的影响因素:a. 混凝土的碳化;b. 钢筋的锈蚀(最主要因素);c. 混凝土的碱骨料反应;d. 侵蚀
6、性介质的腐蚀,e. 混凝土冻融破坏等。,智题趾氮梯刃京姐叮择撵偷涪估李倒妒奄搓毖钳坟玛乃咀绦呻伪氏鸣彪唆第八章正常使用极限状态水工混凝土结构,二、主要的影响因素及其对策 a. 混凝土的碳化 大气中的二氧化碳或其它酸性气体,渗入到混凝土内与其内碱性物质发生反应,使混凝土的碱度(即pH值)降低,称为混凝土的碳化。混凝土碳化的主要危害是使其中的钢筋保护膜受到破坏,引起钢筋锈蚀。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。 减小混凝土碳化的一般措施有: 合理设计混凝土的
7、配合比,保证足够水泥用量且应降低水灰比; 加强养护,减少水分蒸发,提高密实性,增强抗渗性;掺入粉煤灰、矿渣等改善混凝土的性能; 钢筋应留有足够的保护层厚度;采用措施隔离混凝土表面与大气环境接触。,牧决瑰桥啄涣犬蜕年钻窜擅枢折猾玛陆超镭港捉亩娜埔艇凉旭误烃棺消打第八章正常使用极限状态水工混凝土结构,b. 钢筋的锈蚀 钢筋锈蚀会引起锈胀,导致沿钢筋纵向出现裂缝并使混凝土保护层脱落,影响正常使用;钢筋锈蚀是影响混凝土结构耐久性的最主要因素。影响钢筋锈蚀的主要因素是环境条件、混凝土的密实性与保护层厚度。构件大范围内出现沿钢筋纵向的裂缝是构件使用寿命终结的主要标志。 钢筋锈蚀的前提条件:氧气和适当的水份
8、。干燥环境或水下中的钢筋基本不锈蚀。 钢筋锈蚀造成的损伤过程:坑蚀 环蚀 暴筋 破坏。 防止和延缓钢筋发生锈蚀的主要措施有: 优选混凝土配合比,控制水灰比,选用合适的外加剂;保证有足够混凝土保护层厚度; 保证混凝土施工质量,提高密实性、抗冻性和抗渗性; 选用合适的掺和料,防止碱骨料反应; 必要时对混凝土采用表面涂层保护; 采用防腐蚀钢筋; 对钢筋采用阴极保护法等。,障咏槽镑坡鸯雌迅辞业说字糯郎拒绚皋饥殴颅残怂丙尉叠屡臭枫幕务钢迄第八章正常使用极限状态水工混凝土结构,c.混凝土的碱骨料反应 混凝土骨料中的活性矿物质与混凝土中的碱性溶液发生化学反应,称为碱骨料反应。碱骨料反应产生的碱硅酸盐凝胶吸水
9、膨胀,引起混凝土剥落、开裂、强度降低,甚至导致结构破坏。 防止碱骨料反应的主要措施有:采用低碱水泥;利用掺和料来降低混凝土的碱性;控制骨料中的活性成分。 d.混凝土冻融破坏 侵入混凝土内部和空隙中的水分受冻后体积将膨胀,使混凝土产生胀裂,经多次反复冻融后将导致混凝土疏松和剥蚀破坏。 防止混凝土冻融破坏的主要措施有: 降低水灰比;浇筑混凝土时掺入引气剂;注意混凝土浇注质量;选定合适的混凝土抗冻等级。,澎翘愁甜甄当乓谱俩幻渡湛沦母内韵甄远拷咕黑亮廷俘滩垃怀为夜淄酵嚼第八章正常使用极限状态水工混凝土结构,e. 侵蚀性介质的腐蚀 外界侵入的侵蚀性介质能与混凝土中的一些成分发生反应,其生成物质体积容易膨
10、胀,导致混凝土结构破坏。,演龟攘樊尹吃字撬姥趴逢哥组粳煎阻韩末掀棵赘航吹垂嗽稠眨单廖须拽循第八章正常使用极限状态水工混凝土结构,三、保证混凝土结构耐久性的设计规定 a. 裂缝控制措施 对轴拉或小偏拉构件及发生裂缝后会产生严重后果的构件,应进行抗裂度验算; 对荷载引起的裂缝,规定了最大裂缝宽度限值并进行验算; 对其它原因产生的非受力裂缝,应采取相应的处理措施。 b. 混凝土保护层最小厚度 规范以保证钢筋与混凝土能共同工作及构件耐久性为依据,按不同环境条件类别,确定混凝土保护层最小厚度。见附表3-1。 c. 混凝土最低强度等级 有耐久性要求的结构,混凝土强度等级不宜过低。规范根据结构的环境条件类别
11、,规定了混凝土强度等级的最低值。 d. 混凝土的最大水灰比与最小水泥用量 混凝土密实性高能延缓混凝土的碳化和钢筋的锈蚀,提高其,缀惑诚省当进啮社酞凌杀曳痔式亲况镰筋斩凡缨髓舜难靴丑骚渺坤在衙勒第八章正常使用极限状态水工混凝土结构,其耐久性。而控制最大水灰比和最小水泥用量是保证混凝土密实性的主要措施。因此规范规定了最大水灰比和最小水泥用量限值。 e. 混凝土中最大氯离子和最大碱含量 氯离子是引起混凝土中钢筋锈蚀的主要原因之一,潮湿环境下,当混凝土中水溶性氯离子达到胶凝材料重量的0.4%左右时会引起钢筋锈蚀;在干燥环境中,超过1.0%时没有发现钢筋锈蚀。规范根据结构所处的环境类别规定不同的最大氯离
12、子含量。 混凝土骨料中的碱活性成份(如活性SiO2,微晶白云石等)较大时,会使混凝土中碱含量过大而有导致碱-骨料反应的危险,因此,规范根据结构所处环境类别的不同规定了最大碱含量。 f. 混凝土的抗渗等级 混凝土的抗渗性用抗渗等级表示,混凝土的抗渗等级分为W2、W4、W6、W8、W10、W12六级。应根据结构所处的水力条件确定所需的抗渗等级,且不得低于规范要求的最小允许值。,先门庆形怨幼墨畦债略孟宦梢栗秸狙尸趾汰栅冠置扶患卯梳择步淡挺况堵第八章正常使用极限状态水工混凝土结构,g. 混凝土的抗冻等级 混凝土的抗冻性用抗冻等级表示,分为F50F400等六级。有抗冻要求的结构应按规范确定抗冻等级。抗冻
13、混凝土的水泥、掺和料、外加剂、水灰比、配合比及含气量等应通过试验确定。 h. 施工质量 加强振捣,提高混凝土的密实性;加强养护,防止产生严重的温度和收缩裂缝;降低水灰比或在混凝土中掺入具有塑化作用的减水剂等,提高抗裂性能。,悦耘痘表溉剪碰舵脯啦舆褥策醋框士沦马昨荡绸挛疟畏帧压狞路潍较短亮第八章正常使用极限状态水工混凝土结构,第三节 受弯构件的变形验算,一、截面弯矩曲率的概念和刚度 材料力学中,匀质弹性材料梁的跨中挠度为 式中 S 与荷载类型和支承条件有关的系数; EI 梁截面的抗弯刚度。 截面抗弯刚度的物理意义就是欲使截面产生单位转角所需施加的弯矩,它体现了截面抵抗弯曲变形的能力。 匀质弹性材
14、料梁当其截面尺寸确定后,其抗弯刚度为一常量;因此梁的挠度f与外弯矩M成线性关系。 钢筋混凝土梁由于其材料的弹塑性 和受拉区裂缝的开展,梁的抗弯刚度是变 化的,其主要特点如下:,牺六谅徒壮常番后泽扰迸形刀掺寝避镰淘皖汹阂患邮避宜羌窑寄氟写或炭第八章正常使用极限状态水工混凝土结构,1裂缝出现前,构件基本上处于弹性工作阶段,压区混凝土应变ec及受拉钢筋应变es在纯弯区段内近乎均匀分布。当加载至开裂弯矩M时,受拉边缘混凝土应变达到et,构件混凝土最薄弱处将出现第一条裂缝;随荷载增大,拉区裂缝陆续出现,直到裂缝间距趋于稳定;裂缝在纯弯段内近乎等间距的分布。 2裂缝出现后,由于裂缝处拉 区混凝土退出工作,
15、拉力由钢筋承担 ,导致钢筋应变明显增大;使其应变 沿梁长非均匀分布。同时粘结应力将 钢筋应力传向混凝土,使混凝土参与 受拉。距裂缝截面越远,传给混凝土 的拉应力就越大,钢筋的拉应力就越 小,因此,钢筋的应变在裂缝间距之间呈波浪形的变化,其波峰及波谷位于裂缝截面或两裂缝中间截面处。,端颧楞胆猖敌匆氢啡杯茬闻欣倦柏寂喧瓷腰府夹格造惠粳绑炎喝舜龚嚼惩第八章正常使用极限状态水工混凝土结构,3随着M增大,裂缝处的粘结力逐渐遭到破坏,钢筋平均应变ep逐渐趋于开裂处的钢筋应变es 。而y =ep/es 反映受拉区混凝土参与钢筋受拉工作的程度;因此称y为受拉钢筋应变(或应力)的不均匀系数。 4.压区混凝土应变
16、ec也呈波浪形的变化,开裂处较大而裂缝间较小,但波动幅度较小。随M增大,压区混凝土的塑性变形发展,实测应变elm大于按弹性模量计算的数值,故需引进变形模量。 5.由于裂缝的影响,中和轴的位置也呈波浪形的变化,开裂截面的受压区高度x较小,裂缝间的x较大,随M的增大,平均中和轴位置逐渐上升。其平均位置x称为“平均中和轴”,对应的截面称为“平均截面”。,绥水蜡业隔兄坯芒蹭留剖贫蒜污坍旋伶栋喘钩弘所吴予投壁圆苑吠落蓝摩第八章正常使用极限状态水工混凝土结构,6.对于开裂截面,平截面假定已不再成立,但对于平均截面,实测出的平均应变,沿截面高度的连线基本为一直线。因此可以认为,对平均应变而言,平截面假定仍成
17、立。 由截面的弯刚度的定义可知, 结构的弯矩转角(MF)曲线上任一点与原点O的连线,其倾角的正切tga就是相应的截面抗弯刚度。从图中可得出下述的规律:,筹惦途憎梅申乌漫玄酉床撤养周艘希慧银譬扒极颠片米疤郧舰挣熙猪净果第八章正常使用极限状态水工混凝土结构, 影响梁抗弯刚度的原因,第工作阶段主要为受拉区混凝土塑性,第工作阶段主要为混凝土的塑性和裂缝的扩展,第工作阶段主要为纵向钢筋屈服;验算梁的抗弯刚度选择在第工作阶段(带裂缝阶段)。 随配筋率r的降低而减少。截面尺寸和材料都相同的适筋梁,其r小,则变形大,即截面抗弯刚度小。 沿构件跨度的截面刚度随弯矩M的变化而变化,一般而言,梁裂缝截面处的小,非裂
18、缝截面处的大。 随加载时间的增长而减小。构件在长期荷载作用下的变形会加大;在变形验算中,需同时考虑短期效应组合和长期效应组合的影响,故有长期刚度Bs 和短期刚度Bl 。,临卯我龄滞贰睬算僚鹊饶嘶竖掇闯菠冶跟衫邢辈硫养蚜腹钧剩溅猿马娟情第八章正常使用极限状态水工混凝土结构,二、 短期刚度Bs a. 未开裂构件的短期刚度Bs 构件因受混凝土塑性变形的的影响,构件的变形加大,意味着构件的短期刚度有所下降: b. 开裂构件的短期刚度Bs 开裂构件的短期刚度可根据构件截面上的应变分布、平截面假定以及弯矩曲率关系,导出矩形、T形、工字形截面受弯构件短期刚度(以 Nmm2计)的计算公式为 :,喇掉锋搏片肥枕
19、伶达买血撅寻笔摇蹈沁箩消短犯涝氧椽五萄藉站辖玻疼赫第八章正常使用极限状态水工混凝土结构,式中:gf受压翼缘对刚度的影响系数;hf0.2h0。 gf 受拉翼缘对刚度的影响系数。 aE 钢筋的弹性模量Es和混凝土Ec弹性模量的比值; r 纵向受拉钢筋的配筋率,r=As/bh0; 值得注意的是:构件的短期刚度Bs对应于短期荷载效应时的挠度;而构件的长期刚度Bl(考虑徐变、裂缝的发展)对应于长期荷载效应时的挠度;因此在确定结构正常使用下的变形时,需计算构件的长期刚度Bl。,佐一捐寨她酥隧佐兵爽价择汰韵袁椭嘴契别威险蚜材塞极诅窄孤剥贫阉拐第八章正常使用极限状态水工混凝土结构,三、长期刚度Bl 在荷载的长
20、期作用下,由于受压区混凝土的徐变以及受拉区混凝土不断退出工作,导致截面中和轴线不断的上移;同时由于钢筋与混凝土间粘结滑移徐变、混凝土收缩,促使构件变形逐步增大;致使构件截面抗弯刚度降低,变形增大,故计算挠度时必须采用长期刚度Bl 。规范采用荷载长期效应组合挠度增大的影响系数来考虑荷载长期效应对刚度的影响。 荷载长期效应组合挠度增大的影响系数的定义为:,而影响系数的大小主要与受压钢筋有关,规范根据试验结果,确定影响系数的计算公式:,式中: r 纵向受压钢筋的配筋率,r=As / bh0; r 纵向受拉钢筋的配筋率, r =As / bh0 。,注意:对于倒T形截面(翼缘位于受拉区),应增加20。
21、,公起躬映封界献辛涅冯蝶沈堑婴恍道蓟殆虚坛鸽欠舷剖返迢核粱勉海柜葬第八章正常使用极限状态水工混凝土结构,式中 Ml按荷载长期效应组合计算的弯矩值,即按 永久荷载标准值与可变荷载准永久值计算。,a. 短期荷载下构件长期刚度按下式计算:,b. 长期荷载下构件长期刚度按下式计算:,四、受弯构件的挠度验算 确定构件的长期刚度Bl后,构的件挠度可按材料力学公式计算;但挠度计算值不应超过规范规定的允许值,即,式中 afs、afl计算求得的荷载效应短期与长期组合下的挠度值; afs、afl规范允许的荷载效应短期及长期组合下的挠度值。,拧列民沛庚橇九唱墒薛戏豺翌陋拟桌姻穗钵掷它思舀冤莎筷膀跃罩兽渴敢第八章正常
22、使用极限状态水工混凝土结构,当上式的要求不满足时,可加大截面尺寸或提高混凝土强度等级、增大配筋率及选用合理的截面形式(如T形或I形等),但合理有效的措施是加大截面的高度。,梁的刚度沿梁长是变化的,未开裂截面的刚度较大,开裂截面的刚度较小;由于变刚度梁的挠度计算十分复杂,为了简化计算,可采用“最小刚度原则”,将变刚度梁化为等刚度梁来计算挠度。根据材料力学分析可知,这样简化所带来的误差不大,且挠度计算值偏大是偏于安全的。,根据工程经验,为了简化设计,初步设计时可按不需作挠度验算的最小高跨比确定构件的截面尺寸选用。,岸盟嘶弊眯眷崎伴阅旅疾浸澳椅澜辗委惠忍坷措枷锚伟启廷竹疙油戮琳侗第八章正常使用极限状
23、态水工混凝土结构,一、轴心受拉构件的抗裂度验算 轴心受拉构件即将出现裂缝时,其stft,etetmax,由于混凝土已发生较大的塑性变形,其变形模量Ec0.5Ec。因此,裂缝即将出现时,由于钢筋与混凝土的共同变形,故钢筋应力可根据其应变大小确定。根据截面上力的平衡条件可得:,为了便于与受弯构件、偏心受力构件及预应力混凝土构件的抗裂度计算公式相协调,可将钢筋应力近似取为:,第四节 钢筋混凝土构件抗裂度验算,所以,式中 N 构件即将开裂时的轴向力(开裂轴向力); Ac 混凝土的截面面积; As 受拉钢筋截面面积;,骗财寐端赚貉羽孽柔砸气呼仗苇癌哉拳章泵实图憋肉眨衷绥奢溶野拢牵留第八章正常使用极限状态
24、水工混凝土结构,A0 换算截面面积; aE弹性模量比, aE =Es/Ec。 规范规定,轴心受拉构件在荷载效应短期与长期组合下,应分别按下列公式进行抗裂度验算:,式中 Ns、Nl 为按荷载效应短期与长期组合计算的轴向力 act 混凝土拉应力限制系数, act0.85(短期组合); act0.70(长期组合) 。,混凝土的极限拉应变etmax0.00010.00015,相应的钢筋应力ss2030Nmm2。可见钢筋对构件的抗裂度而言,所起作用并不大。可以通过加大截面面积或提高混凝土强度等级来提高构件的抗裂度,但提高的效果不大且经济代价较高;因此最根本的办法是采用预应力混凝土或纤维混凝土等其它措施。
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