第8章 正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算.ppt

第8章鋼筋混凝土構(gòu)件正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算 安全性 適用性 耐久性 結(jié)構(gòu)的功能要求 結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài) 承載能力極限狀態(tài) 正常使用極限狀態(tài) 第34567章 第8章 結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到影響正常使用或耐久性能的某項(xiàng)規(guī)定限值 超過該極限狀態(tài) 結(jié)構(gòu)就不滿足預(yù)定的適用性或耐久性要求 正常使用極限狀態(tài) 正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算可能成為設(shè)計(jì)中控制情況 一般只對持久狀況進(jìn)行驗(yàn)算 正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算的可靠度要求較低 一般要求 1 0 2 0 材料強(qiáng)度和荷載采用標(biāo)準(zhǔn)值 水口規(guī)范中 還不考慮結(jié)構(gòu)重要性系數(shù) 正常使用極限狀態(tài)的驗(yàn)算內(nèi)容 1 正常使用的抗裂驗(yàn)算或裂縫寬度驗(yàn)算 2 正常使用的撓度驗(yàn)算 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件一般都是首先進(jìn)行承載力計(jì)算以確定構(gòu)件的截面尺寸與配筋 因此變形 裂縫等正常使用極限狀態(tài)的計(jì)算內(nèi)容屬于驗(yàn)算性質(zhì) 如何同時(shí)保證承載能力極限狀態(tài)與正常使用極限狀態(tài) 影響外觀 產(chǎn)生不安全感縮短混凝土碳化到達(dá)鋼筋的時(shí)間 鋼筋提早銹蝕侵蝕環(huán)境中 加速鋼筋銹蝕水頭較大時(shí) 產(chǎn)生水力劈裂現(xiàn)象 一般混凝土結(jié)構(gòu)都是帶裂縫工作的 裂縫對混凝土結(jié)構(gòu)有以下不利影響 裂縫控制等級 一 軸心受拉構(gòu)件 鋼筋與混凝土變形協(xié)調(diào) 即將開裂時(shí) c ft s sEs tuEs Esft Ec Eft 為滿足目標(biāo)可靠指標(biāo)要求 引進(jìn)拉應(yīng)力限制系數(shù) ct ft改用ftk 靠增加鋼筋提高抗裂能力是不經(jīng)濟(jì) 不合理的 Nk 由荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算的軸向力 ftk 砼軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值 ct 砼拉應(yīng)力限制系數(shù) ct 0 85 A0 換算截面面積 A0 Ac EAs E 鋼筋和砼的彈性模量比 E Es Ec As為鋼筋截面面積 Ac為砼截面面積 二 受彎構(gòu)件 受彎構(gòu)件正截面即將開裂時(shí) 應(yīng)力處于第I階段末 受拉區(qū)近似假定為梯形 塑化區(qū)占受拉區(qū)高度的一半 利用平截面假定 根據(jù)力和力矩的平衡 求出Mcr 更方便的是在保持Mcr相等的條件下 將受拉區(qū)梯形應(yīng)力圖折換成直線分布應(yīng)力圖 受拉邊緣應(yīng)力為 mft m為截面抵抗矩的塑性系數(shù) 換算后可直接用彈性體的材料力學(xué)公式進(jìn)行計(jì)算 A0 Ac EAs EAs 把鋼筋換算為同位置的砼截面面積 EAs和 EAs W0 換算截面A0對受拉邊緣的彈性抵抗矩 y0 換算截面重心軸至受壓邊緣的距離 I0 換算截面對其重心軸的慣性矩 為滿足目標(biāo)可靠指標(biāo)的要求 引用拉應(yīng)力限制系數(shù) 荷載和材料強(qiáng)度均取用標(biāo)準(zhǔn)值 各種截面的值見附錄五表4 三 偏心受拉構(gòu)件 把鋼筋換算為砼截面面積 將應(yīng)力折換成直線分布 引入 采用迭加原理 用材料力學(xué)公式進(jìn)行計(jì)算 為偏心受拉構(gòu)件的截面抵抗矩塑性系數(shù) 偏心受拉構(gòu)件抗裂驗(yàn)算公式 e0 軸向拉力的偏心距 三 偏心受拉構(gòu)件 四 偏心受壓構(gòu)件 8 2裂縫開展寬度驗(yàn)算 一 裂縫的成因和對策 拉應(yīng)力超過了混凝土的抗拉強(qiáng)度 裂縫 1 由荷載引起的裂縫 一般總是與主拉應(yīng)力方向大致垂直 最先發(fā)生在荷載效應(yīng)較大和混凝土抗拉能力最薄弱處 彎矩 軸拉 偏拉 壓 剪力 扭矩 和彎矩共同作用 垂直裂縫或正截面裂縫 斜裂縫 由荷載引起的裂縫主要通過合理的配筋來控制正常使用條件下的裂縫不致過寬 2 由非荷載因素引起的裂縫 溫度變化 混凝土收縮 基礎(chǔ)不均勻沉降 冰凍 鋼筋銹蝕 二 裂縫寬度計(jì)算理論概述 1 半經(jīng)驗(yàn)半理論公式 2 數(shù)理統(tǒng)計(jì)公式 粘結(jié)滑移理論 無滑移理論 綜合理論 為我國規(guī)范采用 通過對大量試驗(yàn)資料的分析 選出影響裂縫寬度的主要參數(shù) 進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)后得出 三 裂縫開展機(jī)理及計(jì)算理論 荷載很小時(shí) 未出現(xiàn)裂縫 在純彎段各個(gè)截面的拉應(yīng)力大致相同 當(dāng)達(dá)到混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí) 達(dá)到將裂未裂的狀態(tài) 第一階段末 在混凝土最薄弱截面處出現(xiàn)第一批裂縫 一條或幾條 鋼筋應(yīng)力和應(yīng)變有突變 混凝土回縮 所以裂縫一旦出現(xiàn)就會有一定的寬度 a 1 裂縫出現(xiàn)前后的應(yīng)力狀態(tài) a b ct s lcr 兩者之間有相對滑移 直到共同變形 通過粘結(jié)應(yīng)力的作用 混凝土又逐漸承受拉力 拉力從零到最大 一定距離后 兩者應(yīng)力恢復(fù)到開裂前的狀態(tài) 一定距離后 混凝土拉應(yīng)力又達(dá)到最大 又可能產(chǎn)生新的裂縫 裂縫出現(xiàn)后 沿構(gòu)件長度方向 鋼筋與砼的應(yīng)力隨裂縫位置變化 中和軸隨裂縫位置呈波浪形起伏 由于砼質(zhì)量不均 裂縫間距有疏有密 最大間距可為平均間距的1 3 2倍 裂縫出現(xiàn)有先有后 荷載超過開裂荷載50 以上時(shí) 裂縫間距才趨于穩(wěn)定 裂縫開展寬度有大有小 實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)考慮最大裂縫寬度 平均裂縫寬度 m 乘以擴(kuò)大系數(shù) 最大裂縫寬度 max 2 平均裂縫寬度 m 鋼筋重心處裂縫寬度wm等于兩條相鄰裂縫之間鋼筋與砼伸長之差 sm cm 分別為裂縫間鋼筋及砼的平均應(yīng)變 lcr 裂縫間距 砼的拉伸變形極小 略去不計(jì) 裂縫截面鋼筋應(yīng)變 s最大 非裂縫截面鋼筋應(yīng)變減小 鋼筋的平均應(yīng)變 sm比裂縫截面鋼筋應(yīng)變 s小 用受拉鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù) 表示裂縫間因砼承受拉力對鋼筋應(yīng)變的影響 sm s 裂縫寬度主要取決于裂縫截面鋼筋應(yīng)力 裂縫間距l(xiāng)cr和縱向受拉鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù) 1 值 對軸拉構(gòu)件 2 lcr值 m lcr范圍內(nèi)縱向受拉鋼筋與砼的平均粘結(jié)應(yīng)力 u 縱向受拉鋼筋截面總周長 u n d n和d為鋼筋的根數(shù)和直徑 脫離體兩端拉力差由粘結(jié)力平衡 Ate 有效受拉砼截面面積 粘結(jié)滑移理論推求出的lcr與鋼筋直徑d及有效配筋率 As Ate有關(guān) 無滑移理論認(rèn)為保護(hù)層厚度c是影響構(gòu)件表面裂縫寬度的主要因素 綜合理論既考慮c的影響 也考慮d及的影響 3 值 1 反映裂縫間受拉混凝土參與工作的程度 越大 鋼筋受力越均勻 混凝土參與受拉作用越小隨著荷載增大 值越來越大 試驗(yàn)常數(shù) 3 最大裂縫寬度 max 考慮構(gòu)件受力特征和荷載長期作用的綜合影響系數(shù) 對受彎構(gòu)件和偏心受壓構(gòu)件 取 2 1 對偏心受拉構(gòu)件 取 2 4 對軸心受拉構(gòu)件 取 2 7 水工砼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 的裂縫寬度驗(yàn)算公式 c 最外排縱向受拉筋外緣至拉區(qū)底邊的距離 mm c 65mm時(shí) 取c 65mm d 受拉鋼筋直徑 mm 用不同直徑時(shí) 改用換算直徑4As u u為鋼筋總周長 te 縱向受拉鋼筋的有效配筋率 te As Ate te 0 03時(shí) 取 te 0 03 As 拉區(qū)縱向鋼筋截面面積 受彎 偏拉及大偏壓 取拉區(qū)縱筋面積 全截面受拉的偏拉 取拉應(yīng)力大一側(cè)的鋼筋面積 軸拉 取全部縱筋面積Ate 有效受拉砼截面面積 sk 按荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算的縱向受拉筋應(yīng)力 Ate的取值 受彎 偏拉及大偏壓 Ate 2ab a為As重心至截面受拉邊緣的距離 b為矩形截面的寬度 有受拉翼緣的倒T形及工形截面 b為受拉翼緣寬度 軸拉 取2als ls為沿截面周邊配置的受拉鋼筋重心連線的總長度 鋼筋應(yīng)力 sk sk 偏心受拉 大偏心受壓 受彎 軸心受拉 構(gòu)件形式 使用裂縫寬度公式時(shí)應(yīng)注意的問題 1 只適用于常見的梁 柱構(gòu)件 2 只適用于外力不隨結(jié)構(gòu)變形而改變的情況 3 只能用于配置帶肋鋼筋的構(gòu)件 4 驗(yàn)算時(shí) 荷載應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)值 最大值 某些結(jié)構(gòu)可變荷載很大卻很少出現(xiàn) 最大裂縫寬度應(yīng)乘以一個(gè)小于1的系數(shù) 5 不可減小層厚度以減小最大裂縫寬度 6 對的偏心受壓構(gòu)件 裂縫寬度很小 可不進(jìn)行驗(yàn)算 四 裂縫控制措施 采用細(xì)而密的帶肋鋼筋 可使裂縫間距及裂縫寬度減小 適當(dāng)增加受拉區(qū)縱筋配筋量 采用更合理的結(jié)構(gòu)外形 減小高應(yīng)力區(qū)范圍 降低應(yīng)力集中程度 在應(yīng)力集中區(qū)局部增配鋼筋 在受拉區(qū)混凝土中設(shè)置或摻加鋼纖維 在混凝土表面涂敷或設(shè)置防護(hù)面層等 解決荷載裂縫問題的最根本的方法是采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu) 一 截面抗彎剛度及特點(diǎn) 勻質(zhì)彈性材料梁的跨中最大撓度 S 與荷載形式 支承條件有關(guān)的參數(shù) M 最大彎矩 l0 計(jì)算跨度 EI 截面抗彎剛度 E 材料彈性模量 I 截面慣性矩 對于勻質(zhì)彈性材料梁 抗彎剛度EI是一個(gè)常數(shù) M f成正比 對于鋼筋混凝土材料梁 仍用上述公式計(jì)算撓度 但抗彎剛度B不再是常量 8 3受彎構(gòu)件變形驗(yàn)算 鋼筋混凝土梁抗彎剛度B EI的特點(diǎn) 1 荷載較小 裂縫出現(xiàn)前 第 階段 2 出現(xiàn)裂縫到受拉鋼筋臨近屈服 第 階段 3 受拉鋼筋屈服到混凝土壓壞 第 階段 1 鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的抗彎剛度B EI隨彎矩M增大而減小 2 由于混凝土徐變等影響 B隨時(shí)間增大而減小 所以既要考慮荷載短期效應(yīng) 還要考慮荷載長期效應(yīng) 分別用Bs和B來表示 二 受彎構(gòu)件的短期剛度Bs 接近于勻質(zhì)彈性材料梁 實(shí)際撓度比按彈性公式算得的數(shù)值偏大 這是因?yàn)槭芾瓍^(qū)發(fā)生塑性 實(shí)際彈性模量E有所降低 而截面并未削弱 所以將換算截面的EI稍加修正即可 不出現(xiàn)裂縫的構(gòu)件 出現(xiàn)裂縫的構(gòu)件 矩形 T形及工形截面構(gòu)件的短期剛度 縱向拉筋的配筋率 受壓翼緣面積與腹板有效面積的比值 受拉翼緣面積與腹板有效面積的比值 三 受彎構(gòu)件的抗彎剛度B 荷載長期作用下?lián)隙仍黾拥闹饕蚴腔炷恋男熳兒褪湛s 長期荷載下 壓區(qū)砼徐變使撓度隨時(shí)間增大 砼收縮引起梁剛度降低 撓度增大 考慮荷載長期作用對梁撓度影響的方法 考慮砼徐變及收縮的影響計(jì)算長期剛度 或直接計(jì)算荷載長期作用產(chǎn)生的撓度增長和自由收縮引起的翹曲 試驗(yàn)結(jié)果確定荷載長期作用的撓度增大系數(shù) 采用 值計(jì)算長期剛度 值為荷載長期作用的撓度與即時(shí)產(chǎn)生的撓度的比值 我國水工規(guī)范采用第二種方法 根據(jù)對受彎構(gòu)件長期撓度觀測結(jié)果 為受壓筋和受拉筋的配筋率 當(dāng)時(shí) 當(dāng)時(shí) 當(dāng) 為中間值 按直線內(nèi)插 抗彎剛度 四 受彎構(gòu)件的撓度驗(yàn)算 用B代替材料力學(xué)公式中的EI 即可求得受彎構(gòu)件的撓度 如某受彎構(gòu)件 各處M不同 因此全長范圍內(nèi)的抗彎剛度也不同 支座處的彎矩小 抗彎剛度大 如何取用M值計(jì)算抗彎剛度 最小剛度原則 取同號彎矩區(qū)段內(nèi)彎矩最大截面的抗彎剛度作為該區(qū)段的抗彎剛度 對于簡支梁 可取跨中截面的抗彎剛度 對于等截面的連續(xù)構(gòu)件 抗彎剛度可取跨中截面和支座截面剛度的平均值 增加截面高度增加縱向鋼筋的面積選用合理的截面 如T形或工形等 配置一定受壓鋼筋提高混凝土強(qiáng)度等級 如果最大撓度超過規(guī)范的限值 則可采取 合理有效的措施是增大截面的高度 8 4混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性要求 耐久性作為混凝土結(jié)構(gòu)可靠性的三大功能指標(biāo)之一 越來越受到工程設(shè)計(jì)的重視 結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)也成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一 導(dǎo)致水工混凝土結(jié)構(gòu)耐久性失效的原因主要有 混凝土的低強(qiáng)度風(fēng)化 堿 骨料反應(yīng) 滲漏溶蝕 凍融破壞 水質(zhì)侵蝕 沖刷磨損和空蝕 混凝土的碳化與鋼筋銹蝕 由荷載 溫度 收縮等原因產(chǎn)生的裂縫以及止水失效等引起滲漏病害的加劇等 一 耐久性的概念 二 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的要求 1 混凝土結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境類別 水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境劃分為5個(gè)類別 詳見附錄1 2 保證耐久性的技術(shù)措施及構(gòu)造要求 1 混凝土原材料的選擇和施工質(zhì)量控制 2 混凝土耐久性的基本要求 最低強(qiáng)度等級 最小水泥用量 最大水灰比 最大氯離子含量 最大堿含量 3 鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度 4 混凝土的抗?jié)B等級 5 混凝土的抗凍等級 6 混凝土的抗化學(xué)侵蝕要求 7 結(jié)構(gòu)型式與配筋 抗?jié)B等級分為W2 W4 W6 W8 W10 W12六級 抗?jié)B等級分為F400 F300 F250 F150 F100 F50七級 正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算時(shí) 荷載應(yīng)取值 材料強(qiáng)度應(yīng)取值 計(jì)算適筋梁的開裂時(shí)的彎矩時(shí) 應(yīng)以 為依據(jù) A 第一階段末B 第二階段末C 第三階段始D 第三階段末 可以減小鋼筋混凝土受彎構(gòu)件裂縫寬度的措施為 A 增大鋼筋直徑B 提高混凝土強(qiáng)度等級C 提高鋼筋強(qiáng)度等級D 增加鋼筋用量 混凝土保護(hù)層的作用是和 結(jié)構(gòu)的功能要求為 鋼筋混凝土梁在正常使用時(shí) A 通常是帶裂縫工作的B 一旦出現(xiàn)裂縫 裂縫貫通全截面C 一旦出現(xiàn)裂縫 沿全長混凝土與鋼筋間的粘結(jié)力喪盡D 由于配置了鋼筋 所以一般不會出現(xiàn)裂縫 標(biāo)準(zhǔn) 標(biāo)準(zhǔn) A D 保護(hù)鋼筋不過早銹蝕 保護(hù)鋼筋和混凝土的可靠粘結(jié) 安全 適用 耐久 A 結(jié)構(gòu)可靠指標(biāo) 增大 其失效概率pf將 結(jié)構(gòu)構(gòu)件超過承載能力極限狀態(tài)后 說明其功能要求的不夠 鋼筋混凝土梁的抗彎剛度EI不是常量 隨著荷載彎矩的增加而 鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的抗彎剛度EI A 恒定不變B 不是常量 隨荷載的增大而增大C 不是常量 隨時(shí)間的增長而減小D 不是常量 但因變化量小可按常量計(jì)算 正常配筋的鋼筋混凝土梁從加載到破壞 正截面應(yīng)力狀態(tài)經(jīng)歷了哪幾個(gè)階段 每個(gè)階段的主要特點(diǎn)是什么 減小 安全性 減小 C 計(jì)算適筋的受彎構(gòu)件的變形和裂縫寬度的應(yīng)力階段是 A 第 a階段B 第 階段C 第 a階段D 第 階段 B 將承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)表達(dá)式相比 A 正常使用極限狀態(tài)表達(dá)式中無需荷載分項(xiàng)系數(shù)B 承載能力極限狀態(tài)表達(dá)式中無需荷載分項(xiàng)系數(shù)C 正常使用極限狀態(tài)表達(dá)式中需要材料強(qiáng)度分項(xiàng)系數(shù)D 承載能力極限狀態(tài)表達(dá)式中無需結(jié)構(gòu)重要性系數(shù) 按照結(jié)構(gòu)的功能要求 結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)可以分為 不是混凝土保護(hù)層的作用 A 保護(hù)鋼筋不發(fā)生銹蝕B 保證鋼筋和混凝土的粘結(jié)C 保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐久性要求D 保護(hù)混凝土不被腐蝕 某結(jié)構(gòu)因材料強(qiáng)度被超過而發(fā)生破壞 這時(shí)結(jié)構(gòu)不能滿足 的功能要求 A 安全性B 適用性C 耐久性D 穩(wěn)定性 在鋼筋混凝土適筋梁正截面受彎性能試驗(yàn)中 當(dāng) 時(shí) 標(biāo)志著梁由第 階段進(jìn)入第 階段 A 受拉鋼筋屈服B 受拉區(qū)混凝土開裂C