混凝土结构设计原理 教学课件 ppt 作者 周新刚 等 第十章 钢筋混凝土正常使用极限状态验算与耐久性设计

1、混凝土结构设计原理,第十章 正常使用极限状态验算 及耐久性设计,章节要点,第十章 正常使用极限状态验算 及耐久性设计,本章主要讲述正常使用极限状态的验算和耐久性。主要内容包括正常使用极限状态验算与耐久性设计的目的、基本要求与方法。正常使用极限状态验算有两个主要内容，一是受弯构件的变形验算，二是构件的裂缝验算；耐久性设计主要包括混凝土耐久性的概念、环境分类、主要耐久性措施及基本规定等。,本章内容,第十章 正常使用极限状态验算 及耐久性设计, 10-1 概述 10-2 受弯构件的变形计算 10-3 正截面裂缝宽度验算 10-4 混凝土结构的耐久性,10-1 概述,第十章 正常使用极限状态验算 及耐久性设计,混凝土结构构件承载力的计算原理和设计方法,混凝土结构构件的变形与裂缝计算原理以及耐久性要求,安全可靠,适用耐久,2010版规范新增了楼板振动控制的要求，以保证建筑使用的舒适度。,结构的耐久性是指结构在预定的使用期间内不需要大修或加固而仍能满足其预定安全性和适用性要求的能力。,10-1 概述,第十章 正常使用极限状态验算 及耐久性设计,正常使用 极限状态,可逆,当产生超过这一状态的荷载卸除

2、后，结构构件仍能恢复到正常的状态 。,当产生超过这一状态的荷载卸除后，结构构件不能恢复到正常的状态。,一般情况下，可逆的程度介于可逆与不可逆之间，其可靠指标为01.5。可逆的程度越高，结构构件所受的荷载越小，可靠指标就越小，反之越大。,不可逆,对于正常使用极限状态，结构构件应分别按荷载的准永久组合、标准组合、准永久组合并考虑长期作用的影响或标准组合并考虑长期作用的影响。,10-1 概述,第十章 正常使用极限状态验算 及耐久性设计,标准组合,不可逆正常使用极限状态设计,可逆正常使用 极限状态设计,长期效应是决定 性因素的正常使 用极限状态设计,频遇组合,准永久组合,第十章 正常使用极限状态验算 及耐久性设计,10-2 受弯构件的变形计算,受弯构件应有足够的刚度,正常使用极限状态的计算挠度值,挠度变形限值,受压构件：,不需要对其变形进行计算。在侧向力的作用下，需要限制其层间的弹性位移,受弯构件(均质的、处于弹性状态 )：挠度,挠度系数，与支承条件、荷载类型及分布有关；,10.2.1 截面刚度,图10-1 受弯构件的,关系,混凝土构件,10-2 受弯构件的变形计算,第十章 正常使用极限状态验

3、算 及耐久性设计,对于要求不出现裂缝的构件，抗弯刚度近似为0.85EcI0 对于允许出现裂缝的构件，0.5 0.7 区段内，任一点与坐标原点o连线的割线斜率。,考虑长期荷载作用对变形的影响，截面的刚度与裂缝有关，而裂缝与弯矩有关。,受弯构件的刚度分布, 10-2 受弯构件的变形计算,第十章 正常使用极限状态验算 及耐久性设计,10.2.2 截面短期刚度 1.刚度公式的建立,10-2 受弯构件的变形计算,第十章 正常使用极限状态验算 及耐久性设计,图10-3 受弯构件钢筋与混凝土的应变分布,平均曲率,-钢筋的平均应变；,-混凝土的平均应变。,短期刚度,裂缝处钢筋与混凝土的应变为：,引入钢筋和混凝土的应变沿构件长度方向分布的不 均匀系数 ，则平均应变：,和,10-2 受弯构件的变形计算,第十章 正常使用极限状态验算 及耐久性设计,得到钢筋混凝土受弯构件的短期刚度为：,图10-4 正常使用状态的截面应力图,根据截面平衡条件得：,10-2 受弯构件的变形计算,第十章 正常使用极限状态验算 及耐久性设计,由此得裂缝截面处钢筋和混凝土压区边缘的应力为：,则,简化为,10-2 受弯构件的变形计算,第

4、十章 正常使用极限状态验算 及耐久性设计,受压区边缘混凝土 平均应变综合系数,对于T型和I型截面，截面应力分布见下图：,图10-4 T形截面的截面应力图,10-2 受弯构件的变形计算,第十章 正常使用极限状态验算 及耐久性设计,影响短期刚度Bs的因素： 弯矩增大，刚度减小； 配筋率增大，刚度略有增大； 有受拉和受压翼缘，刚度略有增大； 在12%配筋率的情况下，提高混凝土强度等级对提高刚度的影响不大； 当配筋率和材料给定时，提高截面高度对提高截面刚度影响显著。,10-2 受弯构件的变形计算,第十章 正常使用极限状态验算 及耐久性设计,2）在 的情况下，弯矩对混凝土受压区平均应变综合系数 影响较小，配筋率与受压区的形状对 的影响较大，其变化规律见图10-6。,2. 参数,的确定,1）开裂截面的内力臂系数,对于常用情况，,，平均值为0.87。,。,规范为简化计算，取,10-2 受弯构件的变形计算,第十章 正常使用极限状态验算 及耐久性设计,10-2 受弯构件的变形计算,第十章 正常使用极限状态验算 及耐久性设计,图10-6 混凝土压区平均应变综合系数,根据实验结果回归分析得到的计算公式为：,

5、3）钢筋应变不均匀系数,应变不均匀系数与弯矩的比值成线性关系，见图10-7：,反映的是裂缝间混凝土协助钢筋抗拉作用的程度,10-2 受弯构件的变形计算,第十章 正常使用极限状态验算 及耐久性设计,当 时，取,图10-7 弯矩与应力不均匀系数的关系,时，取,；当,时，取,对直接承受重复荷载的构件，取,10-2 受弯构件的变形计算,第十章 正常使用极限状态验算 及耐久性设计,10.2.3 长期荷载作用下的刚度,10-2 受弯构件的变形计算,第十章 正常使用极限状态验算 及耐久性设计,在长期荷载作用下，由于受到受压徐变、钢筋与混凝土粘结滑移徐变等的影响，钢筋混凝土构件的刚度会逐渐减小，变形逐渐增大。标准组合作用下的长期挠度 ：,可推导钢筋混凝土受弯构件长期挠度的计算公式：,标准 组合,准永久 组合,长期荷载作用刚度降低的原因: 受压混凝土徐变； 受拉混凝土的应力松弛； 混凝土和钢筋的徐变滑移； 钢筋平均应变增大； 受拉混凝土退出工作； 受压混凝土塑性发展； 曲率增大、刚度减低、挠度增大。,第十章 正常使用极限状态验算 及耐久性设计,10-2 受弯构件的变形计算,10.2.4 受弯构件挠度变形

6、的计算,10-2 受弯构件的变形计算,第十章 正常使用极限状态验算 及耐久性设计,最小刚度原则,规范规定按最大弯矩计算的最小刚度计算挠度。 弯矩越大，刚度越小，最大弯矩处的刚度实际上是受弯构件的最小刚度。按这个刚度计算挠度其计算值会比理论值偏大。但靠近支座处的曲率误差对梁的挠度的影响较小，靠近支座的区域还存在剪切变形、甚至裂缝，而剪切变形和裂缝在刚度计算中并没有考虑。综合考虑上述两方面的因素，按最小刚度计算带来的误差比较小。,10-3 正截面裂缝宽度验算,第十章 正常使用极限状态验算 及耐久性设计,裂缝,结构裂缝,非结构裂缝：,垂直裂缝：,斜裂缝：,主要由受弯、受拉或 偏心受力产生。,主要由受剪和受扭产生， 属于脆性破坏。,一般指由于收缩、温度变形、结构不均匀沉降、钢筋锈蚀等间接作用引起。,混凝土结构正截面裂缝宽度与裂缝的开展机理及裂缝处混凝土的开裂变形有关，其主要影响因素是混凝土与钢筋之间的粘结应力。,10.3.1 裂缝的出现、分布和开展过程,10-3 正截面裂缝宽度验算,第十章 正常使用极限状态验算 及耐久性设计,(a) 裂缝即将出现,图10-9 裂缝的出现、分布与相应的应力分布,

7、(b) 第一批裂缝出现,(c)裂缝的分布及开展,第十章 正常使用极限状态验算 及耐久性设计,10-3 正截面裂缝宽度验算,图10-10 (b) 有滑移,图10-10 (a) 无滑移,构件表面的裂缝宽度主要由钢筋表面的回缩形成。,裂缝宽度主要取决于裂缝间距，而裂缝间距可以根据上述的裂缝开展过程分析求出。,第十章 正常使用极限状态验算 及耐久性设计,10-3 正截面裂缝宽度验算,10.3.2 裂缝宽度计算原理与方法,平均裂缝间距,图10-11,受弯构件即将出现第二条裂缝时钢筋、混凝土及其粘结应力,基本原理：首先确定平均裂缝间距和平均裂缝宽度，然后对平均裂缝宽度乘以扩大系数，确定最大裂缝宽度。,10-3 正截面裂缝宽度验算,第十章 正常使用极限状态验算 及耐久性设计,钢筋与混凝土之间粘结应力的最大值； 钢筋与混凝土之间粘结应力系数； 有效受拉混凝土截面面积。 内力臂系数；,混凝土承担的 钢筋承担的,第十章 正常使用极限状态验算 及耐久性设计,10-3 正截面裂缝宽度验算,混凝土和钢筋之间的粘结强度大约与混凝土的抗拉强度成正比，因此，可将 取为常数。,考虑混凝土保护层厚度的影响,最外层纵向受拉

8、钢筋外边缘至受拉区底边的 距离(mm)； 纵向受拉钢筋相对粘结特征系数； 经验系数（常数）。,第十章 正常使用极限状态验算 及耐久性设计,10-3 正截面裂缝宽度验算,根据试验资料的分析并参考以往的工程经验， 的计算公式为：,受拉区纵向钢筋的等效直径（mm），当受拉区纵向钢筋为一种直径时 ； 系数，对轴心受拉取1.1，其它取1.0 ； 受拉区第i种纵向钢筋的公称直径(mm)； 受拉区第i种纵向钢筋的相对粘结特征系数； 受拉区第i种纵向钢筋的根数；,第十章 正常使用极限状态验算 及耐久性设计,平均裂缝宽度,10-3 正截面裂缝宽度验算,构件受力特征系数；,图10-13 受弯构件开裂后的裂缝宽度,规范对受弯、偏心受压构件统一取 ， 其它情况取0.85。,第十章 正常使用极限状态验算 及耐久性设计,10-3 正截面裂缝宽度验算,最大裂缝宽度,最大裂缝宽度与平均裂缝宽度的关系：,最大裂缝宽度公式：,荷载长期作用的裂缝增大系数，取值为1.5， 短期荷载作用的具有95%保证率的裂缝扩大系数，对于受弯和偏心受压为1.66；对于偏心受拉和轴心受拉为1.9。,第十章 正常使用极限状态验算 及耐久性设计,

9、10.3.3 裂缝宽度验算,10-3 正截面裂缝宽度验算,表10-3 混凝土构件的裂缝宽度限制,第十章 正常使用极限状态验算 及耐久性设计,10.3.4 影响荷载裂缝宽度的因素及控制荷载裂缝的措施,10-3 正截面裂缝宽度验算,影响荷载裂缝 宽度的因素,钢筋应力,钢筋的直径,保护层厚度,配筋率,钢筋的外形,不宜采用高强度钢筋,采用带肋钢筋,选用较细直径的钢筋,选用合适的保护层厚度 配置钢筋网片,采取的措施,第十章 正常使用极限状态验算 及耐久性设计,10-4 混凝土结构的耐久性,10.4.1 概述,结构的耐久性指结构及其构件在可能引起材料性能劣化的各种作用下能够长期维持其原有性能的能力。,材料劣化,钢筋的腐蚀,混凝土的腐蚀与损伤,混凝土的碳化或中性化 氯离子的侵蚀,冻融循环 干湿交替 碱骨料反应 硫酸盐的侵蚀,混凝土结构中钢筋腐蚀的条件是：有害介质能穿过混凝土保护层达到钢筋表面，而且能破坏钢筋周围的钝化膜。,10-4 混凝土结构的耐久性,第十章 正常使用极限状态验算 及耐久性设计,钢筋的腐蚀,混凝土中钢筋被腐蚀的充分条件是钢筋周围的钝化膜被破坏，能使钢筋发生锈蚀反应,钝化膜是如何被破坏的？,1）混凝土的中性化和碳化,图10-14 混凝土碳化示意图,能与混凝土中碱性物质发生反应，使混凝土的碱性降低的过程，称为混凝土的中性化。,混凝土碳化是大气中的CO2向混凝土内扩散，与混凝土中的Ca(OH)2发生反应生成CaCO3的过程。,第十章 正常使用极限状态验算 及耐久性设计,主要化学反应为：,10-4 混凝土结构的耐久性,第十章 正常使用极限状态验算 及耐久性设计,10-4 混凝土结构的耐久性,2）氯离子侵蚀,图 10-16 氯离子引起钢筋腐蚀原理图,形成腐蚀电池 破坏钝化膜 去极化 加速腐蚀,氯离子的副作用,10-4 混凝土结构的耐久性,第十章 正常使用极限状

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