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1、第9章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算,概述抗裂验算裂缝开展宽度验算变形验算,第9章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算,8.1 概述,钢筋混凝土结构设计必须首先满足承载能力极限状态的要求，以保证结构安全可靠；此外还应满足结构正常使用极限状态对于裂缝和变形控制的要求，以保证结构构件的适用、美观和耐久性。,第9章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算,8.1.1抗裂验算 抗裂就是不允许混凝土开裂。规范要求在荷载效应的短期组合和长期组合两种情况下，构件验算点拉应力不能超过由混凝土拉应力限制系数ct控制的应力值。,8.1.2裂缝宽度验算 一般的钢筋混凝土结构，总是带缝工作的。但对于一些构件需要进行
2、裂缝宽度验算。规范要求在荷载效应的短期组合（考虑部分荷载长期作用的影响）和长期组合两种情况下构件的最大裂缝宽度不应超过允许值。,8.1.4 可靠度水准 结构构件不满足正常使用极限状态对生命财产的危害性比不满足承载能力极限状态的要小，其相应的目标可靠指标b值要小些，故称正常使用极限状态验算，并在验算时采用荷载标准值、和材料强度标准值，结构系数d=1.0。,第9章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算,8.1.3 变形验算 对于有严格限制变形要求的构件以及截面尺寸特别单薄的装配式构件，就需要进行变形验算，要求在荷载效应的短期组合（考虑部分荷载长期作用的影响）和长期组合两种情况下，受弯构件最大挠度值不
3、应超过允许值。,8.2.1 轴心受拉构件,满足可靠指标的要求，引入拉应力限制系数,第9章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算,8.2 抗裂验算,对应荷载效应的长期组合,对应荷载效应的短期组合,图8-1 抗裂轴向力计算图,8.2.2 受弯构件,第9章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算,对应荷载效应的短期组合,对应荷载效应的长期组合,图8-2 受弯构件正截面即将开裂时实际 应力图形,8.2.3 偏心受拉构件,对应荷载效应的短期组合,对应荷载效应的长期组合,第9章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算,第9章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算,8.2.4 偏心受压构件,对应荷载效应的短期组合,对应
4、荷载效应的长期组合,第9章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算,一般情况混凝土的极限拉伸值tu=0.00010.00015，则混凝土即将开裂时，根据应变协调决定的各构件中钢筋的拉应力s(0.00010.00015)2.01052030N/mm2。可见此时钢筋的应力是很低的，即对于钢筋混凝土的抗裂能力而言，钢筋所起的作用不大，所以用增加钢筋的办法来提高构件的抗裂能力既不经济，也是不合理的。提高构件抗裂能力可通过加大构件截面尺寸与提高混凝土的强度等级，但最根本的方法是采用预应力混凝土结构。,8.3.1 裂缝的成因及对策,Crack Width,第9章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算,8.3 裂
5、缝开展宽度验算,1、温度变化引起的裂缝,原因：热胀冷缩，且变形受到约束,采取的措施：a.对混凝土分层分块；b.低热水泥；c.人工冷却,2、混凝土收缩引起的裂缝,原因：混凝土结硬时产生体积缩小，变形受到约束,采取的措施：a.设置伸缩缝；b.改善水泥性能；c.降低水灰比；d.加强养护。,3、基础不均匀沉降引起的裂缝,采取的措施：a.构造措施；b.设置沉降缝；,第9章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算,4、混凝土塑性塌引起的裂缝,采取的措施：a.级配良好；b.控制水灰比；c.提高施工质量,5、冰冻引起的裂缝,6、钢筋锈蚀引起的裂缝,采取的措施：a.提高混凝土的密实性；b.加大保护层厚度,第9章 钢
6、筋混凝土构件正常使用极限状态验算,7、碱骨料化学反应引起的裂缝,采取的措施：a采用优质骨料和低碱水泥；b.提高密实性,8.3.2 受力裂缝的开展宽度计算理论,计算理论,半理论半经验公式我国建筑系统和水工系统规范,数量统计公式美国、俄罗斯及我国港工规范,裂缝开展机理,粘结滑移理论,无粘结滑移理论,综合理论,第9章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算,1、裂缝开展前后的应力状态,(a)裂缝即将出现,(b)第一批裂缝出现,(c)裂缝的分布及开展,第9章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算,图8-3 裂缝开展前后的应力应变状态,在裂缝出现前，混凝土和钢筋的应变沿构件的长度基本上是均匀分布的。当受拉区外
7、边缘的混凝土达到混凝土的极限拉应变时，就处于即将出现裂缝的状态a阶段。,3)当受拉区外边缘的混凝土在最薄弱截面位置达到其极限拉应变e0ct后，出现第一条（批）裂缝。4)裂缝出现瞬间，裂缝截面位置的混凝土退出工作，应力降低为零，而钢筋承担的拉力突然增加。,第9章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算,第9章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算,5)裂缝出现后，混凝土向裂缝两侧回缩，但非自由，受到钢筋的约束。混凝土与钢筋之间有相对滑移，产生粘结应力t。由于粘结应力的存在，随着距裂缝截面距离的增加，钢筋拉应力逐渐传递给混凝土而减小，混凝土拉应力由裂缝处的零逐渐增大，达到l后，粘结应力消失，混凝土中又重
8、新建立起拉应力ct。,6)当距裂缝截面有足够的长度 l 时，混凝土拉应力sct增大到ft，此时将在离裂缝截面l的另一薄弱截面处出现新的裂缝。,7)如果两条裂缝的间距小于2 l，则由于粘结应力传递长度不够，混凝土拉应力不可能达到ft，因此将不会出现新的裂缝，裂缝的间距最终将稳定在（l 2 l）之间，平均间距可取1.5 l。8)从第一条（批）裂缝出现到裂缝全部出齐为裂缝出现阶段，该阶段的荷载增量并不大，主要取决于混凝土强度的离散程度。,9)裂缝间距的计算公式即是以该阶段的受力分析建立的。,第9章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算,10)裂缝出齐后，随着荷载的继续增加，裂缝宽度不断开展。裂缝的开展
9、是由于混凝土的回缩，钢筋的伸长，导致钢筋与混凝土之间不断产生相对滑移的结果，这是裂缝宽度计算的依据。11)在荷载长期作用下，由于混凝土的滑移徐变和拉应力的松弛，将导致裂缝间受拉混凝土不断退出工作，使裂缝开展宽度增大，混凝土的收缩使裂缝间混凝土的长度缩短，也会引起裂缝的进一步开展。,第9章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算,2.平均裂缝宽度wm,平均裂缝宽度wm等于构件裂缝区段内钢筋的平均伸长与相应水平处构件侧表面混凝土平均伸长的差值。,忽略混凝土的拉伸变形,受拉钢筋应变不均匀系数，反映了裂缝间受拉混凝土参与工作的程度。,第9章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算,以轴拉为例：,1）,2）,第
10、9章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算,3）,3.最大裂缝宽度wmax,第9章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算,第9章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算,8.3.3 裂缝宽度验算1验算要求wmaxwmax2减小裂缝宽度的方法适当减小钢筋直径，使钢筋在混凝土中均匀分布；采用与混凝土粘结较好的变形钢筋；适当增加配筋量（不够经济合理），以降低使用阶段的钢筋应力。,对限制裂缝宽度而言最根本的方法也是采用预应力混凝土结构。,Deformation,截面抗弯刚度EI 体现了截面抵抗弯曲变形的能力对于弹性均质材料截面，EI为常数，M-f 关系为直线。,图8-4 梁的变形,第9章 钢筋混凝土构件正常使
11、用极限状态验算,8.4 变形验算,由于混凝土开裂、弹塑性应力-应变关系和钢筋屈服等影响，钢筋混凝土适筋梁的M-f 关系不再是直线，而是随弯矩增大，截面曲率呈曲线变化。,第9章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算,图8-5 梁的M-f 关系,8.4.1 受弯构件的短期刚度Bs,1.不出现裂缝的构件,2.出现裂缝的构件,8.4.2 受弯构件的长期刚度Bl,刚度降低的原因：混凝土的徐变混凝土的收缩,影响因素：受压钢筋的配筋率、加荷龄期、荷载的大小及持续时间、温度和湿度、混凝土的养护时间,第9章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算,荷载长期作用下的挠度增大系数：,（1）对应于荷载效应的短期组合,长期抗
12、弯刚度,第9章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算,（2）对应于荷载效应的长期组合,长期抗弯刚度,8.4.3 受弯构件的挠度计算,验算,第9章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算,3.提高刚度的方法 若验算挠度不能满足，则表示构件的抗弯刚度不足。增加截面尺寸，提高混凝土强度等级，增加配筋量及选用合理的截面（如T形或工形等），都可提高构件刚度。但合理而有效的措施是适当增大截面的高度。采用预应力混凝土结构也可有效提高构件刚度。,第9章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算,8.4混凝土结构的耐久性,问题：什么是耐久性要求？,混凝土结构应能在自然和人为环境的化学和物理作用下，满足在规定的设计工作寿命内
13、不出现无法接受的承载力减小、使用功能降低和不能接受的外观破损等的情况。,由前已知，混凝土结构的可靠性包含安全性、适用性和耐久性三个方面的要求。安全性要求主要用过承载能力计算和稳定性验算解决；适用性要求主要通过控制结构的变形和裂缝宽度来满足；,耐久性定义：结构在预定设计工作寿命期内，在正常维护条件下，不需要进行大修和加固满足，即可满足正常使用和安全功能要求的能力。,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。,世界上
14、经济发达国家的工程建设大体上经历了三个阶段：,大规模建设；新建与改建、维修并重；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。,我国50年代开始大规模建设的工程项目，由于当时经济基础薄弱，材料标准和设计标准都较低，除一些重要的工程项目目前需要继续维持其使用外，其它大部分工程已达到其使用寿命。,我国真正进入大规模建设是在改革开放以后，因此国外发达国家在耐久性上所遇到的问题应引起我国工程技术人员的足够重视，避免重蹈发达国家的覆辙，对国家经济建设造成巨大浪费。,内部因素：混凝土强度 渗透性 保
15、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,影响混凝土结构耐久性的因素,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。当混凝土保护层被碳化到钢筋表面时，将破坏钢筋表面的氧化膜，引起钢筋的锈蚀。此外，碳化还会加剧混凝土的收缩，可导致混凝土的开裂。因此，混凝土的碳化是混凝土结构耐久性的重要问题。混凝土的碳
16、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。,1、混凝土的碳化,1）环境因素碳化速度主要取决于空气中的CO2浓度和向混凝土中的扩散速度。空气中的CO2浓度大，混凝土内外CO2浓度梯度也愈大，因而CO2向混凝土内的渗透速度快，碳化反应也快。空气湿度和温度对碳化反应速度有较大影响。因为碳化反应要产生水份向外扩散，湿度越大，水份扩散越慢。当空气相对湿度大于80%，碳化反应的附加水份几乎无法向外扩散，使碳化反应大大降低。而在极干燥环境下，空气中的CO2无法溶于混凝土中的孔隙水中，碳化反应也无法进行。试验表明，当混凝土周围介
17、质的相对湿度为50%75%时，混凝土碳化速度最快。环境温度越高，碳化的化学反应速度越快，且CO2向混凝土内的扩散速度也越快。,2）材料因素水泥是混凝土中最活跃的成分，其品种和用量决定了单位体积中可碳化物质的含量，因而对混凝土碳化有重要影响。单位体积中水泥的用量越多，会提高混凝土的强度，又会提高混凝土的抗碳化性能。水灰比也是影响碳化的主要因素。在水泥用量不变的条件下，水灰比越大，混凝土内部的孔隙率也越大，密实性就越差，CO2的渗入速度越快，因而碳化的速度也越快。水灰比大会使混凝土孔隙中游离水增多，有利于碳化反应。混凝土中外加掺合料和骨料品种对碳化也有一定的影响。,3）施工养护条件混凝土搅拌、振捣
18、和养护条件影响混凝土的密实性，因而对碳化有较大影响。此外，养护方法与龄期对水泥的水化程度有影响，进而影响混凝土的碳化。所以保证混凝土施工质量对提高混凝土的抗碳化性能十分重要。,4）减小混凝土碳化的措施合理设计混凝土的施工配合比：一是要有足够的水泥用量，一般不以少于300kg/m3，同时应尽量降低水灰比；尽量提高混凝土的密实性，增强抗渗性：砼应振捣密实，按施工规范养护，减小水分蒸发，避免产生表面裂缝；钢筋应具有足够的混凝土保护层：这是规范规定最小保护层的一个主要目的。混凝土碳化达到钢筋表面需要一定的时间，称为脱钝时间，混凝土厚度越大，脱钝时间越长。最小保护层厚度与环境条件有关。,钢筋锈蚀机理钢筋
19、锈蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性的最关键问题。混凝土中的钢筋锈蚀实质为电化学腐蚀。,2、钢筋锈蚀,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。,影响钢筋锈蚀的主要因素影响钢筋锈蚀的主要因素是混凝土的含水量、水中的含氧量、混凝土的PH值、氯离子CI-的含量；还涉及到混凝土的密实度、混凝土的裂缝、混凝土中使用的添加剂等。总之，凡是使上述因素发生变化的情况都会影响钢筋的锈蚀程度。例如：,钢筋锈蚀产生的铁锈（氢氧化亚铁Fe(OH)3），体积比铁增加26倍，保护层被挤裂
20、，使空气中的水份更易进入，促使锈蚀加快发展。氧气和水份是钢筋锈蚀必要条件，混凝土的碳化仅是为钢筋锈蚀提供了可能。裂缝的发生为氧气和水份的浸入创造了条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。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。,防止钢筋锈蚀的措施,减小混凝土的碳化，保证足够的保护层厚度；采用涂面层；采用钢筋阻锈剂；采用涂层钢筋（环氧涂层钢筋，已有生产)。,混凝土水化结硬后，内部有很多毛细孔。在浇筑混凝土时，为得到必要的和易性，往往会比水泥水化所需要的水多些。,3.混凝土的冻融破坏,多余的水份滞留在混凝土毛细孔中。低
21、温时水份因结冰产生体积膨胀，引起混凝土内部结构破坏。反复冻融多次，就会使混凝土的损伤累积达到一定程度而引起结构破坏。防止混凝土冻融破坏的主要措施是降低水灰比，减少混凝土中多余的水份。冬季施工时，应加强养护，防止早期受冻，并掺入防冻剂等。,混凝土集料中的某些活性矿物与混凝土微孔中的碱性溶液产生化学反应称为碱集料反应。碱集料反应产生的碱-硅酸盐凝胶，吸水后会产生膨胀，体积可增大34倍，从而混凝土的剥落、开裂、强度降低，甚至导致破坏。引起碱集料反应有三个条件：混凝土的凝胶中有碱性物质。这种碱性物质主要来自于水泥，若水泥中的含碱量（Na2O，K2O）大于0.6%以上时，则会很快析出到水溶液中，遇到活性
22、骨料则会产生反应；骨料中有活性骨料，如蛋白石、黑硅石、燧石、玻璃质火山石、安山石等含SiO2的骨料；水分。碱骨料反应的充分条件是有水分，在干燥环境下很难发生碱骨料反应。,4.混凝土的碱集料反应,硫酸盐腐蚀：硫酸盐溶液与水泥石中的氢氧化钙及水化铝酸钙发生化学反应，生成石膏和硫铝酸钙，产生体积膨胀，使混凝土破坏。硫酸盐除在一些化工企业存在外，海水及一些土壤中也存在。当硫酸盐的浓度（以SO2的含量表示）达到2时，就会产生严重的腐蚀。酸腐蚀：混凝土是碱性材料，遇到酸性物质会产生化学反应，使混凝土产生裂缝、脱落，并导致破坏。酸不仅存在于化工企业，在地下水，特别是沼泽地区或泥炭地区广泛存在碳酸及溶有CO2的水。此外有些油脂、腐植质也呈酸性，对混凝土有腐蚀作用。海水腐蚀：在海港、近海结构中的混凝土构筑物，经常收到海水的侵蚀。海水中的NaCl、MgCl2、MgSO4、K2SO4等成分，尤其是Cl-和硫酸镁对混凝土有较强的腐蚀作用。在海岸飞溅区，受到干湿的物理作用，也有利于Cl-和SO4的渗入，极易造成钢筋锈蚀。,5、侵蚀性介质的腐蚀,
