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1、,第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算,结构的基本要求：要具有足够的可靠性。,安全性适用性耐久性,结构设计首先按承载能力极限状态进行计算，以保证结构安全使用；然后按正常使用极限状态进行验算，以保结构的适用性及耐久性。,正常使用极限状态 超过该极限状态，结构就不满足预定的适用性和耐久性要求。产生过大的变形，影响正常使用和外观；(不安全感等）产生过宽的裂缝，对耐久性有影响或者产生人们心理上不能接受的感觉；(钢筋锈蚀、不安全感、漏水等）产生过大的振动影响使用。,内 容 简 介,抗裂验算裂缝宽度验算变形验算,进行正常使用极限状态验算,8-1 概述,一、抗裂验算,水工规范规定：应对承受水压的轴心受
2、拉构件、小偏心受拉构件进行抗裂验算。对于产生裂缝后会引起严重渗漏的其他构件，也应进行抗裂验算。按荷载效应的短期组合和长期组合分别计算，构件受拉边缘混凝土的拉应力不应超过混凝土拉应力限制系数控制的应力值。,二、裂缝宽度验算,1、普通钢筋混凝土结构,普通钢筋砼结构在使用荷载的作用下，总是带裂缝工作的。,水工规范规定：在荷载效应的短期组合和长期组合两种情况下，验算构件的最大裂缝宽度不应超过允许值。（340页表1）,8-1 概述,二、裂缝宽度验算,2、预应力混凝土结构,水工规范规定：一级为严格要求不出现裂缝的构件。按荷载效应的短期组合进行计算，构件受拉边缘混凝土不应产生拉应力。二级为一般要求不出现裂缝
3、的构件。按荷载效应的短期组合和长期组合分别计算，构件受拉边缘混凝土允许产生拉应力，但拉应力不应超过混凝土拉应力限制系数控制的应力值。三级为允许出现裂缝的构件。在荷载效应的短期组合和长期组合两种情况下，验算构件的最大裂缝宽度不应超过允许值。（340页表2）,三、变形验算,水工规范规定：在荷载效应的短期组合和长期组合两种情况下，验算受弯构件的最大挠度值不应超过允许值。（340页表3）,8-1 概述,水工建筑物，构件截面尺寸一般都较大，刚度大，一般都能满足变形要求。但某些受弯构件，如吊车梁、闸门顶梁若变形过大，将影响使用。,四、可靠度水准,水工规范规定：正常使用极限状态进行验算时，荷载分项系数、材料
4、强度分项系数以及结构系数都取1.0，即荷载和材料强度都采用其标准值。,8-1 概述,由于超出正常使用极限状态而产生的后果不像超过承载能力极限状态所造成的后果那样严重。,82 抗裂验算,一、轴心受拉构件的抗裂验算,（一）抗裂极限状态,轴心受拉构件在即将发生开裂时，混凝土的拉应力达到其轴心抗拉强度，拉应变达到极限拉应变。,钢筋与混凝土共同变形：,若将钢筋面积换算成假想的混凝土的面积，则构件总的换算截面面积,（二）抗裂轴力,（三）抗裂验算,对于轴心受拉构件，在荷载效应的短期组合和长期组合下，应按下列公式进行抗裂验算：,二、受弯构件的抗裂验算,（一）抗裂极限状态,受弯构件即将 开裂的瞬间（如图）：,（
5、二）抗裂弯矩Mcr,为方便起见，采用等效换算的方法。即在保持抗裂弯矩相等的条件下，将应力曲线图形等效折算成直线分布的应力图形。,引用材料力学公式，可得出受弯构件正截面抗裂弯矩的计算公式：,经过换算，就可把构件视作匀质弹性体，截面面积为,（三）截面抵抗矩塑性系数,（四）抗裂验算,三、偏心受拉构件的抗裂验算,四、偏心受压构件的抗裂验算,式中符号意义与前相同。,五、提高构件抗裂能力的方法,构件在即将发生开裂时，钢筋的应力是很低的。,所以，用增加钢筋的办法提高构件的抗裂能力是极不经济的；提高构件抗裂能力主要是：加大构件截面尺寸；提高混凝土的强度等级；在混凝土中掺入钢纤维;采用预应力混凝土结构。,83
6、裂缝开展宽度验算,一般钢筋混凝土构件在使用条件下是带裂缝工作的。,一、裂缝的成因及对策,（一）荷载作用引起的裂缝,包括：1、由弯矩、轴向拉力、偏心拉（压）力引起的垂直裂缝，or称为正截面裂缝；（正截面裂缝宽度可以计算）2、由剪力、扭矩引起的斜裂缝，or称为斜截面裂缝。（斜截面裂缝宽度计算内容研究还不充分）,对于荷载作用引起的裂缝，只要通过合理配筋，例如选用粘结好的变形钢筋、钢筋直径不过粗、钢筋在混凝土中均匀分布就可以控制裂缝宽度。,1、材料原因,水泥异常凝结引起的裂缝,受风化的水泥，其品质很不安定。混凝土浇筑后达到一定强度前，在凝结硬化阶段会产生如图所示的短小的不规则裂缝。随着水泥品质的改善，
7、这种裂缝目前较少见到。,水泥方面,（二）非荷载作用引起的裂缝,骨料方面,为了控制此种裂缝，应选择优质和低含碱量的水泥和骨料，采用较低的水灰比和掺用适量的加气剂。,2、混凝土下沉和泌水,混凝土浇筑后，在凝结过程中会产生下沉和泌水，下沉量约为浇筑高度的1%。当下沉受到钢筋或周围混凝土的约束也会产生裂缝。,3、施工原因,(a)材料混合不均匀,(b)长时间搅拌,(c)快速浇筑,(d)先后浇筑时差过长,混合材料不均匀：由于搅拌不均匀，材料的膨胀性和收缩的差异，引起局部的一些裂缝。长时间搅拌：混凝土运输时间过长，长时间搅拌突然停止后很快硬化产生的异常凝结，引起网状裂缝。,(a)材料混合不均匀,(b)长时间
8、搅拌,(c)快速浇筑,(d)先后浇筑时差过长,浇筑速度过快：当构件高度较大，如一次快速浇筑混凝土，因下部混凝土尚未充分硬化，产生下沉，引起裂缝。交接缝：浇筑先后时差过长，先浇筑的混凝土已硬化，导致交接缝混凝土不连续，这是结构产生裂缝的起始位置，将成为结构承载力和耐久性的缺陷。,3、施工原因,(e)模板变形,(f)支撑下沉,(g)支撑下沉,4、收缩裂缝,混凝土在空气中结硬时要体积缩小，产生收缩变形。如果构件受到边界约束就会产生收缩裂缝；配筋多的构件，也易产生局部收缩裂缝；新老混凝土界面上也容易产生收缩裂缝。防止措施：设置收缩缝，改善水泥性能，降低水灰比，水泥用量不宜过多，配筋率不宜过高。,5、温
9、度裂缝,结构构件随着温度变化而产生变形，即热胀冷缩。可设置伸缩缝。大体积混凝土硬化过程中，水泥和水反应，放出大量热。热量散不去，产生温度应力，是结构内部受压外部受拉。防止措施：浇筑混凝土时进行合理分块，采用低热水泥，在混凝土内部埋置预冷骨料，加强养护以及预埋冷却水管通冷水等。,6、不均匀沉降产生裂缝,基础不均匀沉降，部分结构构件被迫变形而引起裂缝。防止措施：根据地基条件及上部结构形式采用合理的构造措施，如设置沉降缝等。,7、钢筋锈蚀产生的裂缝,防止措施：提高混凝土的密实度和抗渗性；适当加大混凝土的保护层厚度。,8、反复冻融产生的裂缝,二、裂缝的出现、分布与开展,在裂缝出现前，混凝土和钢筋的应变
10、沿构件的长度基本上是均匀分布的。当混凝土的拉应力达到抗拉强度时，首先会在构件最薄弱截面位置出现第一条（批）裂缝。（图a)裂缝出现瞬间，裂缝截面位置的混凝土退出受拉工作，应力降为零，而钢筋拉应力应力产生突增（图b)。配筋率越小，钢筋的应力增量就越大。由于钢筋与混凝土之间存在粘结，随着距裂缝截面距离的增加，混凝土中又重新建立起拉应力sc，而钢筋的拉应力则随距裂缝截面距离的增加而减小。当距裂缝截面有足够的长度 l 时，混凝土拉应力sc增大到ft，此时将出现新的裂缝。（图b、c中的-截面）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，截面弯矩达到0.5Mu0.7Mu.,由
11、以上分析可见：裂缝的开展是由于混凝土的回缩，钢筋不断伸长，导致钢筋与混凝土之间产生变形差。由于混凝土材料的不均匀性以及截面尺寸的偏差等因素的影响，裂缝的出现、分布和开展具有很大的离散性，因此裂缝间距和宽度也是不均匀的。但大量的试验统计资料分析表明，裂缝间距和宽度的平均值具有一定规律性，是钢筋与混凝土之间粘结受力机理的反映。,二、平均裂缝间距,1、影响裂缝平均间距 大小 的主要因素,混凝土受拉区面积相对大小 如果混凝土受拉区面积相对较大，裂缝间距就比较大。混凝土保护层厚度c的大小 试验表明，当混凝土保护层厚度较大时，裂缝间距就大。,钢筋与混凝土之间的粘结作用 钢筋与混凝土之间的粘结作用大，裂缝间
12、距就小。钢筋与混凝土之间粘结作用的大小，与钢筋表面特征有关，与钢筋单位长度内侧表面积的大小有关。所以用变形钢筋时裂缝间距就比用光面钢筋时的裂缝间距小;在钢筋截面面积相同的条件下，钢筋根数多、直径细时，裂缝间距小。,2、裂缝平均间距 计算公式,根据试验资料统计分析，并考虑受力特征的影响，对于常用的带肋钢筋，规范给出受弯构件的裂缝间距lm的计算公式为:,各个字母的含义请见下页,第八章 钢筋砼构件正常使用极限状态验算,8.3 裂缝开展宽度的验算,Ate有效受拉砼截面面积；(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
13、翼缘宽度；全截面受拉的偏拉：取拉应力较大一侧钢筋的相应有效受拉砼截面面积；轴拉：取2als，ls为沿截面周边配置的受拉钢筋重心连线的总长度)；,三、平均裂缝宽度,由于钢筋与混凝土伸长量不等，而造成裂缝开展。,平均裂缝宽度等于混凝土在裂缝截面处的回缩量，也就是在平均裂缝间距长度范围内的钢筋伸长量，与和钢筋位于同一高度处的受拉混凝土纤维伸长量之差，即,式中：表示纵向钢筋平均拉应变。表示与纵向钢筋相同水平处测表面混凝土平均拉应变。,砼的变形很小，可忽略,则,引入钢筋应变不均匀系数y来表示裂缝间的混凝土对钢筋应变所产生影响。,四、最大裂缝宽度,实测表明，裂缝宽度具有很大的离散性。最大裂缝宽度由平均裂缝
14、宽度乘以“扩大系数”得到。,大量研究表明，包括长期荷载影响在内的最大裂缝宽度可取为平均裂缝宽度的两倍。,水工混凝土设计规范规定：对矩形、T形、倒T形和I形截面的钢筋混凝土受弯构件，按荷载效应标准组合（并考虑长期作用的影响）及长期组合的最大裂缝宽度的基本计算公式为：,（一）轴心受拉构件,（二）受弯构件,（三）大偏心受压构件,（四）偏心受拉构件,五、最大裂缝宽度的验算,由于影响结构耐久性和建筑观感的是裂缝的最大开展宽度，因此应对它进行验算，要求最大裂缝宽度的计算值不超过规范规定的限值。,六、减小裂缝宽度的措施,增大钢筋截面面积As，就能增大配筋率，并能减小钢筋拉应力，从而可使最大裂缝宽度减小。但这
15、样将增加工程造价，因此，这是一种措施，但并不是最好的措施。采用变形钢筋，同时采用细直径钢筋，减小,可以使最大裂缝宽度减小，效果比较明显，而又不增加工程费用，因此，是减小裂缝宽度的有效措施。提高混凝土强度等级，可以减小 值，从而减小裂缝宽度，但这样作同样要增加工程费用。增大构件截面尺寸，意味着降低配筋率，虽可以减小一点 值，但却使 增大，完全有可能出现相反效果，反而使裂缝宽度增大。所以，这不是办法。,六、减小裂缝宽度的措施,增大钢筋截面面积As，就能增大配筋率，并能减小钢筋拉应力，从而可使最大裂缝宽度减小。但这样将增加工程造价，因此，这是一种措施，但并不是最好的措施。采用变形钢筋，同时采用细直径
16、钢筋，减小,可以使最大裂缝宽度减小，效果比较明显，而又不增加工程费用，因此，是减小裂缝宽度的有效措施。提高混凝土强度等级，可以减小 值，从而减小裂缝宽度，但这样作同样要增加工程费用。增大构件截面尺寸，意味着降低配筋率，虽可以减小一点 值，但却使 增大，完全有可能出现相反效果，反而使裂缝宽度增大。所以，这不是办法。,减小钢筋直径采用变形钢筋增加配筋量采用预应力混凝土结构,七、裂缝对耐久性的影响,（一）裂缝影响耐久性的原因,一般的钢筋混凝土构件总是带裂缝工作的，裂缝的出现加快了混凝土的碳化，也是使钢筋开始锈蚀的主要条件。钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性的最关键问题。,（二）钢筋锈蚀的破坏机理,钢
17、筋锈蚀引起混凝土结构破坏过程如下，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。,（1）混凝土本身要保证密实度（降低水灰比、改善混凝土的级配、掺减水剂、妥善振捣加强养护），具有足够的保护层厚度，严格控制含氯量。（2）采用覆盖层，防止CO2、O2、Cl-的渗入。（3）在强腐蚀性介质中的混凝土结构中，可采用钢筋阻锈剂、防腐蚀钢筋、环氧涂层钢筋、镀锌钢筋、不锈钢钢筋等。（4）对钢筋采用阴极防护法。采用此方
18、法可防止钢筋的溶解，使钢筋表面氧化膜更为完整和稳定。阴极防护法只用于重大工程中。（5）按设计规范，将受拉裂缝宽度限制在允许的范围内。,（三）防止钢筋锈蚀的主要措施,84 变形验算,如何计算f？材料力学公式：,均质弹性梁 抗弯刚度EI为常量 f与M成正比。,所以钢筋混凝土受弯构件f与M不成正比。,一、挠度计算,钢筋混凝土梁的抗弯刚度不是常数是随荷载增大而降低的值。因为：1.混凝土是弹塑性材料,E是变化的，荷载大，E变小；2.混凝土开裂后,截面减小,使I变小。,(1)裂缝出现前，M-f接近直线。(2)出现裂缝后，出现转折点A。砼塑性发展，变形模量降低；截面开裂，抗弯刚度降低。(3)钢筋屈服，出现第
19、二个转折点C，截面刚度急剧降低。,由于砼开裂、弹塑性应力-应变关系和钢筋屈服等影响，钢筋砼适筋梁的M-f 关系不再是直线。,钢筋砼梁，用抗弯刚度B代替EI，B随M增大而减小。刚度B确定后可用材料力学公式计算梁的挠度。水工规范对钢筋砼梁抗弯刚度采用简化计算方法。,钢筋混凝土梁的挠度验算归结为抗弯刚度的计算问题。,二、短期刚度Bs,（一）不出现裂缝的构件,（二）出现裂缝的构件,三、长期刚度 Bl,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。尤其是拉区钢筋较多而压区很少或未配，压区砼自由收缩，梁上部缩短。拉区砼收缩受钢筋约束，砼受拉，可出现裂缝。影响砼徐变和收缩的因素如受
20、压钢筋的配筋率，加荷龄期，荷载的大小、持续时间及养护条件等对长期挠度的增长有影响。,、为受压筋和受拉筋的配筋率。(As/bho，As/bho)0，=2.0；，1.6；为中间值，按直线内插。翼缘位于拉区的倒T形截面，挠度增大系数乘以1.2。,考虑荷载长期作用对梁挠度的影响 试验结果确定荷载长期作用的挠度增大系数值为荷载长期作用的挠度与即时产生的挠度的比值。,1、对于荷载效应的短期组合（并考虑部分荷载的长期作用的影响）时,矩形、T形及工形截面受弯构件的长期刚度Bl,2、对于荷载效应的长期组合,8.4 变 形 验 算,四、受弯构件的挠度计算 将Bl代替EI，挠度值按材料力学公式求得。挠度计算值不应超
21、过340页表3规定的允许值。,fs、fl按短期及长期组合对应的长期刚度Bl进行 计算所求得的挠度值。,f为挠度允许值。主要从以下几个方面考虑：1、保证结构的使用功能要求。过大的变形将影响甚至丧失结构构件使用功能，如支承精密仪器设备的梁板结构挠度过大，难以使仪器保持水平；屋面结构挠度过大会造成积水产生渗漏；吊车梁和桥梁的过大变形会妨碍吊车和车辆的正常运行等。2、防止对结构构件产生不良影响。支承在砖墙上的梁端产生过大转角，使支承面积减小、支承反力偏心增大，引起墙体开裂。3、防止对非结构构件产生不良影响。结构变形过大会使门窗等不能正常开关，导致隔墙、天花板的开裂或损坏。4、保证使用者的感觉在可接受的程度之内。过大振动、变形会引起使用者的不适或不安全感。,由于弯矩沿梁长是变化的，抗弯刚度沿梁长也是变化的。但按变刚度梁来计算挠度变形很麻烦。规范为简化起见，取同号弯矩区段的最大弯矩截面处的最小刚度，按等刚度梁来计算。计算Bl，简支梁取跨中截面的刚度，即按跨中截面取；悬臂梁按支座截面取；等截面连续构件，取跨中和支座截面刚度的平均值。,“最小刚度原则”,注 意,则应采取措施减小挠度，即增大构件的刚度：增加截面尺寸 提高混凝土强度等级 增加配筋量 选用合理的截面形式,例题见186页,若 不能满足,五、减小受弯构件挠度的措施,
