《裂缝和变形》PPT课件.ppt

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1、第9章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性,9.1 概述9.2 裂缝宽度验算9.3 受弯构件挠度验算9.4 耐久性设计,9.1 概述,第9章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性,耐久性结构在所处的工作环境中，在设计使用年限内，在正常维护条件下不需要进行大修就能完成预定功能的能力。如混凝土不发生严重风化、腐蚀、脱落，钢筋不发生锈蚀等。,适用性是结构在正常使用荷载作用下具有良好的工作性能，如不产生影响使用的过大挠度或振幅，不产生让使用者感到不安的裂缝等。,安全性是结构在设计使用期限内，应能承受正常施工、正常使用时可能出现的各种作用的能力。在作用（如地震）或偶然事件（如爆炸）发生时及发生后，结构能保

2、持整体稳定，不致发生连续倒塌。,结构的功能,承载能力极限状态,正常适用极限状态,第9章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性,对于结构的正常使用极限状态，应当使用荷载的标准值和准永久值，材料强度采用标准值。正常使用极限状态主要验算构件的裂缝宽度以及变形（刚度）。验算时应当考虑短期效应组合以及长期效应组合两种情况。,正常使用极限状态的计算表达式：,荷载效应的标准组合：,荷载效应的频遇组合：,荷载效应的准永久组合：,第9章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性,9.2 裂缝宽度验算,裂缝,荷载引起的裂缝：,非荷载引起的裂缝：,占20%ct ft 计算wmax wmax,材料收缩、温度变化、混凝土碳化后

3、引起钢筋锈蚀、地基不均匀沉降。（占80%）,通常，裂缝宽度和挠度一般可分别用控制最大钢筋直径和最大跨高比来控制，只有在构件截面尺寸小，钢筋应力高时进行验算。,为防止温度应力过大引起的开裂，规定了最大伸缩缝之间的间距。,为防止由于钢筋周围砼过快的碳化失去对钢筋的保护作用，出现锈胀引起的沿钢筋纵向的裂缝，规定了钢筋的混凝土保护层的最小厚度。,非荷载引起的裂缝,第9章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性,9.2.1 验算公式,裂缝控制：规范根据对结构构件裂缝的不同要求，将裂缝控制分为三个等级：一级：严格要求不出现裂缝的构件；按荷载标准组合计算时，构件受拉边缘混凝土不应产生拉应力。二级：一般要求不出现

4、裂缝的构件；按荷载标准组合计算时，构件受拉边缘混凝土不应大于混凝土抗拉强度标准值；而按荷载准永久组合计算时，构件受拉边缘混凝土不宜出现拉应力，有可靠经验时可适当放松；三级：允许出现裂缝的构件；按荷载标准组合并考虑长期作用影响计算时，构件的最大裂缝宽度应满足附表规定的限值。,钢筋混凝土构件的裂缝控制等级均为三级：,第9章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性,9.2.1 wmax计算方法1 建筑工程规范关于wmax的计算方法,N,N,(a),(b),(c),(d),Ncr,Nk,Nk,Ns,1,1,第9章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性,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

5、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。裂缝出现瞬间，裂缝截面位置的混凝土退出受拉工作，应力为零，而钢筋拉应力应力产生突增Dss=ft/r，配筋率越小，Dss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。,第9章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性,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。如果两条裂缝的间距小于粘结应力传递长度，混凝土拉应力不可能达到 ft，因此将不会出现新的裂缝，裂缝出现完成。从第一条（批）

6、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。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 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性,裂缝出齐后，随着荷载的继续增加，砼回缩，钢筋不断伸长，在一定区段由钢筋与砼应变差的累积量，即形成了裂缝宽度。这是裂缝宽度计算的依据。粘结滑移理论认为裂缝宽度是由于钢筋与混凝土之间的粘结破坏，出现相对滑移，引起裂缝处混凝土的回缩引起的。,(b),(a),(c),(d),(e),第9章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性,平均裂缝宽度m,式中：c=0.85，sm=sk,c分布,s分布,(a),(c),(b),第9

7、章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性,平均裂缝间距lcr的计算,与受力特性有关的系数，轴心受拉=1.1，受弯、偏心受压=1.0，偏心受拉=1.05。c 最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区底边的距离（保护层厚度），20c65。纵向受拉钢筋的相对粘结特征系数，光面钢筋=0.7，变形钢筋=1.0。deq受拉区纵向钢筋的等效直径。te 截面的纵向钢筋有效配筋率,第9章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性,Ate=,矩形、T形截面倒T形截面、工字形截面,第9章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性,裂缝截面钢筋应力sk的计算,0.87h0,h0,Nk,skAs,Mk,C,skAs,(a)轴心受拉,(b)受

8、弯,轴心受拉：,受 弯：,第9章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性,e,e0,e,Nk,h0as,As,As,e,nse0s,As,As,sAs,C,Cc,z,skAs,Nk,(c)偏心受拉,(d)偏心受压,C,skAs,sAs,偏心受拉：,偏心受压：,第9章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性,钢筋应力不均匀系数的计算,(0.2 1.0),由于钢筋与混凝土间存在粘结应力，随着距裂缝截面距离的增加，裂缝间混凝土逐渐参与受拉工作，钢筋应力逐渐减小，因此钢筋应力沿纵向的分布是不均匀的。裂缝截面处钢筋应力最大，裂缝中间钢筋应力最小，其差值反映了混凝土参与受拉工作的大小。钢筋应力不均匀系数y 是反映

9、裂缝间混凝土参加受拉工作程度的影响系数。,第9章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性,最大裂缝宽度wmax,短期荷载的影响：在荷载短期效应组合作用下，取实测裂缝宽度wt与上述计算的平均裂缝宽度wm的比值为荷载短期效应裂缝扩大系数ts。大量裂缝测量结果统计表明，ts的概率密度分布基本为正态分布。根据可靠概率95%的要求，对轴心受拉和偏心受拉构件，ts=1.9，对受弯和偏心受压构件，ts=1.66。长期荷载的影响：由于混凝土的滑移徐变和拉应力的松弛以及混凝土的收缩等因素，使裂缝随时间推移逐渐增大。长期荷载下裂缝的扩大系数t l=1.5。,第9章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性,当配筋率r相同时

10、，钢筋直径越细，裂缝间距越小，裂缝宽度也越小，也即裂缝的分布和开展会密而细，这是控制裂缝宽度的一个重要原则。,受弯和偏心受压构件：acr=1.51.660.85=2.1偏心受拉构件：acr=1.51.90.851.05=2.4轴心受拉构件：acr=1.51.90.851.1=2.7,2 公路桥涵规范关于wmax的计算方法,第9章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性,9.3 受弯构件挠度验算,9.3.1 验算公式,9.3.2 af,max的计算方法1 建筑工程受弯构件af,max的计算方法 钢筋混凝土受弯构件挠度计算的特点,材料力学中均布荷载：,对于弹性均质材料截面，EI为常数，M-af 关系为

11、直线。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-af 关系不再是直线，EI不再为常数。,钢筋混凝土梁的挠度与弯矩的作用是非线性的。,(a),(b),第9章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性,短期刚度Bs的计算,式中：,第9章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性,p215,Mk 荷载短期效应组合算得的弯矩。(恒载活载)标准值。,Mq 荷载长期效应组合算得的弯矩。(恒载活载q)标准值。,挠度增大系数。=2.0 0.4/,Bs 短期刚度。,第9章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性,长期刚度B的计算,受弯构件挠度的计算,取同一弯矩符号区段内最小刚度作为其等效刚度，

12、视构件为等刚度梁按材力的方法计算。“最小刚度刚度原则”,提高刚度的有效措施 h0,或As 即增加,第9章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性,2 公路桥涵工程受弯构件af,max的计算方法,第9章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性,8.4 耐久性设计,耐久性是指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而满足正常使用和安全功能要求的能力。混凝土结构的耐久性极限状态，是指经过一定使用年限后，结构或结构某一部分达到或超过某种特定状态，以致结构不能满足预定功能的要求。但经过简单修补、维修，费用不大，可恢复使用要求的情况，可以认为没有达到耐久性极限状态。只有当严重超出正常维修

13、允许范围时，结构的使用寿命才终止。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。,碳化,影响混凝土结构耐久性的因素：,内部因素：混凝土强度 渗透性 保护层厚度 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,第9章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性,1 混凝土的冻融破坏,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。多余的水份滞留在混凝土毛细孔中。低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

14、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。,第9章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性,2 混凝土的碱集料反应,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

15、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。,第9章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性,3 侵蚀性介质的腐蚀,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

16、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。,第9章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性,4 混凝土的碳化,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

17、，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。,第9章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性,5 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

18、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。,第9章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性,6 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

19、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。,第9章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性,7 施工养护条件混凝土搅拌、振捣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。8 覆盖层,不同饰面材料的碳化深度比,第9章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性

20、,9 钢筋锈蚀钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性的最关键问题。,第9章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性,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。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，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。当构件使用环境很干燥（湿度40%），或完全处于水中，钢筋的锈蚀极慢，几乎不发生锈蚀。而裂缝的发生为氧气和水份的浸入创造

21、了条件，同时也使混凝土的碳化形成立体发展。,第9章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性,但近年来的研究发现，锈蚀程度与荷载产生的横向裂缝宽度无明显关系，在一般大气环境下，裂缝宽度即便达到0.3mm，也只是在裂缝处产生锈点。这是由于钢筋锈蚀是一个电化学过程，因此锈蚀主要取决于氧气通过混凝土保护层向钢筋表面的阴极的扩散速度，而这种扩散速度主要取决于混凝土的密实度。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。此外，还可采用涂面层、钢筋阻锈剂、涂层钢筋等措施来防止钢筋的锈蚀。,第9章 钢筋

22、混凝土构件的裂缝、变形和耐久性,钢筋锈蚀引起混凝土结构损伤过程：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，俗称“暴筋”，从而导致截面承载力下降，直至最终引起结构破坏。,第9章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性,9.4.1 结构的工作环境分类,同一结构在强腐蚀环境中要比一般大气环境中的使用寿命短。如在恶劣环境，一味增加混凝土保护层是不经济的，效果也不一定好。可在构件表面采用防护涂层。,第9章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性,9.4.2 结构耐久性设计

23、 P2419.4.3 对混凝土的基本要求 P241-242,第9章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性,保证耐久性的措施：,最小保护层厚度：为保证耐久性和钢筋的粘结力，对一、二、三类环境一般建筑结构（设计工作寿命50年），规范规定了最小混凝土保护层厚度。对四、五类环境种的建筑结构，应按专门规定考虑。当对结构设计工作寿命有更高要求时（100年），混凝土保护层厚度应将表5-1的数值乘以1.4或采用表面防护，定期维修等措施。混凝土的要求：耐久性的另一个重要方面是混凝土密实性，因为密实性好对延缓混凝土的碳化和钢筋锈蚀有很大作用。提高混凝土密实性主要是减小水灰比和保证水泥用量。若混凝土种氯离子含量过大，则会对钢筋锈蚀有恶劣影响。,第9章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性,其他措施 对于结构中使用环境较差的构件，宜设计成可更换或易更换的构件。对于暴露在侵蚀性环境中的结构和构件，宜采用带肋环氧涂层钢筋，预应力钢筋应有防护措施。采用有利提高耐久性的高强混凝土。,第9章 钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性,