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1、结构设计原理第七章 正常使用极限状态,主 讲 熊 峰,概述：正常使用极限状态对应于结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限制。影响正常使用及外观的变形影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括裂缝）影响正常使用的振动影响正常使用的其他特定状态,正常使用极限状态的荷载组合进行正常使用极限状态验算时采用荷载的标准值；不考虑结构的重要性系数；需要考虑荷载作用时间的长短对变形和裂缝宽度的影响。标准组合：主要用于当一个极限状态被超越时将产生严重的永久性损害的情况频遇组合：主要用于当一个极限状态被超越时将产生局部损害、较大变形或瞬间振动的情况准永久组合：主要用于当长期效应是决定性因素时的一些场合,7.
2、1 正常使用极限状态的限值7.1.1 挠度限值控制变形的原因保证建筑的使用功能要求防止结构性能与设计假定不符防止对非结构构件产生不良影响保证人们的感觉在可接受程度内挠度限值 钢筋混凝土受弯构件 附表23 钢结构受弯构件 表7-2,7.1.2 裂缝宽度限值确定最大裂缝宽度需考虑的因素外观要求耐久性要求（环境条件和构件的工作条件）规范规定的最大裂缝宽度 最大裂缝宽度 附表22,7.1.3 混凝土结构的耐久性混凝土的碳化碳化的概念 硅酸盐混凝土的初始碱度高，钢筋表面形成氧化膜。空气中的CO2与其中的碱性水化物反应而降低Ph值。影响碳化的因素：环境因素（CO2的浓度，相对湿度、温度交替变化）和材料本身
3、的性质（水泥用量、水灰比等）减小碳化的措施合理设计混凝土配合比，规定水泥用量的低限值和水灰比的高限值，合理采用掺合料；提高混凝土的密实性、抗渗性；规定混凝土保护层最小厚度；采用覆盖面层（水泥砂浆或涂料等）碳化深度的测定（碳酸试液）也可根据碳化深度和时间的关系预测碳化的深度,钢筋的锈蚀锈蚀的条件：氧化膜破坏和含氧水分侵入锈蚀的机理：电化学腐蚀，钢材中铁变成Fe2O3或Fe2O4而膨胀。锈蚀的发展过程：坑蚀、环蚀、锈蚀面，严重时体积膨胀，导致沿钢筋长度出现纵向裂缝，并使混凝土保护层剥离，习称“暴筋”防止钢筋锈蚀的措施降低水灰比，保证密实度，具有足够的混凝土保护层厚度，严格控制氯含量；采用覆盖层，防
4、止CO2、O2、Cl-的渗入；在海洋结构、强腐蚀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。,耐久性的概念及影响耐久性的主要因素混凝土结构的耐久性 在设计工作寿命期内，在正常维护下，必须保持适合于使用，而不需要进行维修加固。影响耐久性的主要因素混凝土的碳化和钢筋的锈蚀环境中的侵蚀性介质：防止有害物质散溢、采用耐酸或耐碱混凝土、铸石贴面等大气和雨雪造成的混凝土冻融循环：控制水灰比，提高密实性冬季施工加氯盐：严格禁止使用氯盐碱骨料反应：控制含活性成分的骨料，采用低碱水泥或掺入粉煤灰降低混凝土中的碱性。,耐久性概念设计(p40)混凝土结构使用环境分类分为
5、一、二（a、b）、三、四、五类混凝土结构设计的使用年限,保证耐久性的技术措施和构造要求1.结构设计技术措施,2.对混凝土材料的要求,3.施工要求：混凝土的密实性4.混凝土保护层最小厚度 主要与结构类型和环境类别有关，附表29,7.2 混凝土构件裂缝宽度验算7.2.1 裂缝产生的原因荷载引起的裂缝：需进行裂缝宽度验算混凝土硬化前产生的裂缝（塑性混凝土裂缝）：施工不当引起，减小水灰比，振捣密实，加强养护材料不良引起的裂缝：水泥的安定性不合标准，骨料中含有活性骨料，砂子中含有泥土，配合比、使用外加剂不当。温度应力引起的裂缝：大体积混凝土施工，环境温度的变化混凝土收缩引起的裂缝：选择合理的配比，加强养
6、护,7.2.2 裂缝控制等级一级：严格要求不出现裂缝的构件。在荷载的标准组合下，构件受拉边缘混凝土不产生拉应力，即二级：一般要求不出现裂缝的构件。要求构件受拉边缘混凝土按荷载准永久组合下进行计算时不产生拉应力，而按荷载标准组合计算时允许产生拉应力，但拉应力不得大于混凝土抗拉强度标准值，即三级：允许出现裂缝的构件。在荷载的标准组合下，并考虑荷载长期作用影响的最大裂缝宽度，应满足下列要求,7.2.3 裂缝宽度验算 裂缝计算理论有：黏结滑移理论、无滑移理论、综合理论,按上述理论可建立理论公式，其系数依赖试验和经验；另一类裂缝计算公式为统计公式，通过实测回归得出。,裂缝出现前后构件的应力状态,裂缝开展
7、前，钢筋、混凝土共同受力，开展后，裂缝截面混凝土应力降为0，钢筋应力突然增加,开裂后混凝土回缩，受到钢筋的约束，因而在长度l的范围内产生黏结应力，混凝土应力回升，钢筋应力下降。,长度超过l的混凝土仍处于受拉张紧状态，当混凝土应力达到ft时，会出现第二批裂缝。,理论上裂缝的间距为l，但由于混凝土的非均匀性，裂缝间距将不等，取平均值lm=1.5l。,平均裂缝间距,内力平衡条件,取钢筋为脱离体,传递长度,平均裂缝间距,考虑钢筋的表面特性和混凝土保护层厚度的影响,通过试验资料分析，规范给定公式,有效配筋率,钢筋相对黏结特性系数，表7-1。,钢筋等效直径,平均裂缝宽度wm平均裂缝宽度,令：,有：,钢筋应
8、变不均匀系数（反映了裂缝间受拉混凝土对纵向钢筋应变的影响程度）,对于直接承受动力荷载的结构构件，取,裂缝截面处钢筋的应力1）受弯构件,2）轴心受拉构件,3）偏心受拉构件,4）偏心受压构件,最大裂缝宽度及验算1）最大裂缝宽度,考虑裂缝宽度的不均匀性和长期荷载的影响等因素，裂缝宽度会比计算的增大，规范取：,上式求得的最大裂缝宽度是指具有95%保证率的相对最大裂缝宽度。,2）裂缝宽度验算,如不满足上式要求，可减少钢筋的直径，然后考虑壮大配筋率。,7.3 钢筋混凝土受弯构件变形计算7.3.1 截面抗弯刚度的概念匀质弹性材料梁的跨中挠度,截面抗弯刚度就是使截面产生单位转角需要施加的弯矩值。当梁的截面形状
9、、尺寸和材料已知时，梁的截面抗弯刚度为一常数。,但钢筋混凝土梁由于材料的非弹性性质和受拉区裂缝的发展，截面的抗弯刚度不是常数,钢筋混凝土梁的截面抗弯刚度M-曲线,抗弯刚度接近弹性刚度取,增长比M快，抗弯刚度下降,抗弯刚度急剧下降,钢筋混凝土梁截面抗弯刚度的特点,7.3.2 荷载标准组合作用下的短期刚度Bs,“第二阶段”梁受力的特点：,1）钢筋应变分布不均匀,2）混凝土应变分布不均匀,3）中和轴位置是变化的,4）平均应变与平均受压区高度间的关系符合平截面假定,平均曲率,平均应变sm、cm,进入第二阶段后混凝土受压区不能用初始弹性模量,裂缝截面处钢筋和混凝土的应力,钢筋应力,混凝土应力,将混凝土受压区曲线分布的应压力换算成平均压应力,钢筋和混凝土的平均应变,短期刚度的表达式,参数、的确定裂缝截面内力臂系数,混凝土平均应变综合系数,短期刚度计算式,7.3.3 按荷载标准组合作用并考虑荷载长期作用影响的刚度B 由于徐变等因素的影响，在荷载长期作用下，钢筋混凝土受弯构件将增大规范建议用荷载准永久组合作用下的挠度增大系数来考虑荷载长期作用对刚度的影响,7.3.4 受弯构件的挠度验算最小刚度原则 就是在简支梁全跨长范围内，都按弯矩最大处的截面弯曲刚度，用材料力学中不考虑剪切变形影响的公式计算挠度。挠度验算式,作业：p7-2 第2、4、6题,
