1、鋼筋混凝土構件正常使用極限狀態驗算第1頁，共49頁，2022年，5月20日，23點1分，星期三第9章 鋼筋混凝土構件正常使用極限狀態驗算8.1 概述 鋼筋混凝土結構設計必須首先滿足承載能力極限狀態的要求，以保證結構安全可靠；此外還應滿足結構正常使用極限狀態對于裂縫和變形控制的要求，以保證結構構件的適用、美觀和耐久性。 第2頁，共49頁，2022年，5月20日，23點1分，星期三第9章 鋼筋混凝土構件正常使用極限狀態驗算 8.1.1抗裂驗算 抗裂就是不允許混凝土開裂。規范要求在荷載效應的短期組合和長期組合兩種情況下，構件驗算點拉應力不能超過由混凝土拉應力限制系數ct控制的應力值。 8.1.2裂縫

2、寬度驗算 一般的鋼筋混凝土結構，總是帶縫工作的。但對于一些構件需要進行裂縫寬度驗算。規范要求在荷載效應的短期組合（考慮部分荷載長期作用的影響）和長期組合兩種情況下構件的最大裂縫寬度不應超過允許值。第3頁，共49頁，2022年，5月20日，23點1分，星期三 8.1.4 可靠度水準 結構構件不滿足正常使用極限狀態對生命財產的危害性比不滿足承載能力極限狀態的要小，其相應的目標可靠指標b值要小些，故稱正常使用極限狀態驗算，并在驗算時采用荷載標準值、和材料強度標準值，結構系數d=1.0。第9章 鋼筋混凝土構件正常使用極限狀態驗算 8.1.3 變形驗算 對于有嚴格限制變形要求的構件以及截面尺寸特別單薄的

3、裝配式構件，就需要進行變形驗算，要求在荷載效應的短期組合（考慮部分荷載長期作用的影響）和長期組合兩種情況下，受彎構件最大撓度值不應超過允許值。 第4頁，共49頁，2022年，5月20日，23點1分，星期三8.2.1 軸心受拉構件滿足可靠指標的要求，引入拉應力限制系數第9章 鋼筋混凝土構件正常使用極限狀態驗算8.2 抗裂驗算對應荷載效應的長期組合對應荷載效應的短期組合圖8-1 抗裂軸向力計算圖第5頁，共49頁，2022年，5月20日，23點1分，星期三8.2.2 受彎構件第9章 鋼筋混凝土構件正常使用極限狀態驗算對應荷載效應的短期組合對應荷載效應的長期組合圖8-2 受彎構件正截面即將開裂時實際

4、應力圖形第6頁，共49頁，2022年，5月20日，23點1分，星期三8.2.3 偏心受拉構件對應荷載效應的短期組合對應荷載效應的長期組合第9章 鋼筋混凝土構件正常使用極限狀態驗算第7頁，共49頁，2022年，5月20日，23點1分，星期三第9章 鋼筋混凝土構件正常使用極限狀態驗算8.2.4 偏心受壓構件對應荷載效應的短期組合對應荷載效應的長期組合第8頁，共49頁，2022年，5月20日，23點1分，星期三第9章 鋼筋混凝土構件正常使用極限狀態驗算 一般情況混凝土的極限拉伸值tu=0.00010.00015，則混凝土即將開裂時，根據應變協調決定的各構件中鋼筋的拉應力s(0.00010.00015

5、)2.01052030N/mm2。可見此時鋼筋的應力是很低的，即對于鋼筋混凝土的抗裂能力而言，鋼筋所起的作用不大，所以用增加鋼筋的辦法來提高構件的抗裂能力既不經濟，也是不合理的。提高構件抗裂能力可通過加大構件截面尺寸與提高混凝土的強度等級，但最根本的方法是采用預應力混凝土結構。第9頁，共49頁，2022年，5月20日，23點1分，星期三8.3.1 裂縫的成因及對策荷載引起的裂縫非荷載引起的裂縫拉力彎矩剪力扭矩垂直裂縫，正截面裂縫主要裂縫成因Crack Width第9章 鋼筋混凝土構件正常使用極限狀態驗算8.3 裂縫開展寬度驗算第10頁，共49頁，2022年，5月20日，23點1分，星期三1、溫

6、度變化引起的裂縫原因：熱脹冷縮，且變形受到約束采取的措施：a.對混凝土分層分塊；b.低熱水泥；c. 人工冷卻2、混凝土收縮引起的裂縫原因：混凝土結硬時產生體積縮小，變形受到約束采取的措施：a.設置伸縮縫；b.改善水泥性能；c. 降低水灰比；d. 加強養護。3、基礎不均勻沉降引起的裂縫采取的措施：a.構造措施；b.設置沉降縫；第9章 鋼筋混凝土構件正常使用極限狀態驗算第11頁，共49頁，2022年，5月20日，23點1分，星期三4、混凝土塑性塌引起的裂縫采取的措施：a.級配良好；b.控制水灰比；c.提高施工質量5、冰凍引起的裂縫6、鋼筋銹蝕引起的裂縫采取的措施：a.提高混凝土的密實性；b.加大保

7、護層厚度第9章 鋼筋混凝土構件正常使用極限狀態驗算7、堿骨料化學反應引起的裂縫采取的措施：a采用優質骨料和低堿水泥；b.提高密實性第12頁，共49頁，2022年，5月20日，23點1分，星期三8.3.2 受力裂縫的開展寬度計算理論計算理論半理論半經驗公式我國建筑系統和水工系統規范數量統計公式美國、俄羅斯及我國港工規范裂縫開展機理粘結滑移理論無粘結滑移理論綜合理論第9章 鋼筋混凝土構件正常使用極限狀態驗算第13頁，共49頁，2022年，5月20日，23點1分，星期三1、裂縫開展前后的應力狀態aaacccbb(a)裂縫即將出現(b)第一批裂縫出現(c) 裂縫的分布及開展第9章 鋼筋混凝土構件正常使

8、用極限狀態驗算圖8-3 裂縫開展前后的應力應變狀態第14頁，共49頁，2022年，5月20日，23點1分，星期三在裂縫出現前，混凝土和鋼筋的應變沿構件的長度基本上是均勻分布的。當受拉區外邊緣的混凝土達到混凝土的極限拉應變時，就處于即將出現裂縫的狀態a階段。3)當受拉區外邊緣的混凝土在最薄弱截面位置達到其極限拉應變e0ct后，出現第一條（批）裂縫。4) 裂縫出現瞬間，裂縫截面位置的混凝土退出工作，應力降低為零，而鋼筋承擔的拉力突然增加。第9章 鋼筋混凝土構件正常使用極限狀態驗算第15頁，共49頁，2022年，5月20日，23點1分，星期三第9章 鋼筋混凝土構件正常使用極限狀態驗算5)裂縫出現后，

9、混凝土向裂縫兩側回縮，但非自由，受到鋼筋的約束。混凝土與鋼筋之間有相對滑移，產生粘結應力t。由于粘結應力的存在，隨著距裂縫截面距離的增加，鋼筋拉應力逐漸傳遞給混凝土而減小，混凝土拉應力由裂縫處的零逐漸增大，達到l后，粘結應力消失，混凝土中又重新建立起拉應力ct。6) 當距裂縫截面有足夠的長度 l 時，混凝土拉應力sct增大到ft，此時將在離裂縫截面l的另一薄弱截面處出現新的裂縫。第16頁，共49頁，2022年，5月20日，23點1分，星期三7) 如果兩條裂縫的間距小于2 l，則由于粘結應力傳遞長度不夠，混凝土拉應力不可能達到ft，因此將不會出現新的裂縫，裂縫的間距最終將穩定在（l 2 l）之間

10、，平均間距可取1.5 l。8)從第一條（批）裂縫出現到裂縫全部出齊為裂縫出現階段，該階段的荷載增量并不大，主要取決于混凝土強度的離散程度。9)裂縫間距的計算公式即是以該階段的受力分析建立的。第9章 鋼筋混凝土構件正常使用極限狀態驗算第17頁，共49頁，2022年，5月20日，23點1分，星期三10)裂縫出齊后，隨著荷載的繼續增加，裂縫寬度不斷開展。裂縫的開展是由于混凝土的回縮，鋼筋的伸長，導致鋼筋與混凝土之間不斷產生相對滑移的結果，這是裂縫寬度計算的依據。11) 在荷載長期作用下，由于混凝土的滑移徐變和拉應力的松弛，將導致裂縫間受拉混凝土不斷退出工作，使裂縫開展寬度增大，混凝土的收縮使裂縫間混

11、凝土的長度縮短，也會引起裂縫的進一步開展。第9章 鋼筋混凝土構件正常使用極限狀態驗算第18頁，共49頁，2022年，5月20日，23點1分，星期三2. 平均裂縫寬度wm平均裂縫寬度wm等于構件裂縫區段內鋼筋的平均伸長與相應水平處構件側表面混凝土平均伸長的差值。忽略混凝土的拉伸變形受拉鋼筋應變不均勻系數，反映了裂縫間受拉混凝土參與工作的程度。第9章 鋼筋混凝土構件正常使用極限狀態驗算第19頁，共49頁，2022年，5月20日，23點1分，星期三以軸拉為例：1）2）第9章 鋼筋混凝土構件正常使用極限狀態驗算第20頁，共49頁，2022年，5月20日，23點1分，星期三3）3. 最大裂縫寬度wmax

12、第9章 鋼筋混凝土構件正常使用極限狀態驗算第21頁，共49頁，2022年，5月20日，23點1分，星期三第9章 鋼筋混凝土構件正常使用極限狀態驗算8.3.3 裂縫寬度驗算1驗算要求wmaxwmax2減小裂縫寬度的方法適當減小鋼筋直徑，使鋼筋在混凝土中均勻分布；采用與混凝土粘結較好的變形鋼筋；適當增加配筋量（不夠經濟合理），以降低使用階段的鋼筋應力。對限制裂縫寬度而言最根本的方法也是采用預應力混凝土結構。第22頁，共49頁，2022年，5月20日，23點1分，星期三第23頁，共49頁，2022年，5月20日，23點1分，星期三第24頁，共49頁，2022年，5月20日，23點1分，星期三第25頁

13、，共49頁，2022年，5月20日，23點1分，星期三Deformation截面抗彎剛度EI 體現了截面抵抗彎曲變形的能力對于彈性均質材料截面，EI為常數，M-f 關系為直線。圖8-4 梁的變形第9章 鋼筋混凝土構件正常使用極限狀態驗算8.4 變形驗算第26頁，共49頁，2022年，5月20日，23點1分，星期三 由于混凝土開裂、彈塑性應力-應變關系和鋼筋屈服等影響，鋼筋混凝土適筋梁的M-f 關系不再是直線，而是隨彎矩增大，截面曲率呈曲線變化。MyMuMcrEcI0Mf第9章 鋼筋混凝土構件正常使用極限狀態驗算圖8-5 梁的M-f 關系第27頁，共49頁，2022年，5月20日，23點1分，星

14、期三第28頁，共49頁，2022年，5月20日，23點1分，星期三8.4.1 受彎構件的短期剛度Bs1. 不出現裂縫的構件2. 出現裂縫的構件8.4.2 受彎構件的長期剛度Bl剛度降低的原因：混凝土的徐變混凝土的收縮影響因素：受壓鋼筋的配筋率、加荷齡期、荷載的大小及持續時間、溫度和濕度、混凝土的養護時間第9章 鋼筋混凝土構件正常使用極限狀態驗算第29頁，共49頁，2022年，5月20日，23點1分，星期三荷載長期作用下的撓度增大系數：（1）對應于荷載效應的短期組合長期抗彎剛度第9章 鋼筋混凝土構件正常使用極限狀態驗算第30頁，共49頁，2022年，5月20日，23點1分，星期三（2）對應于荷載

15、效應的長期組合長期抗彎剛度8.4.3 受彎構件的撓度計算驗算第9章 鋼筋混凝土構件正常使用極限狀態驗算第31頁，共49頁，2022年，5月20日，23點1分，星期三 3. 提高剛度的方法 若驗算撓度不能滿足，則表示構件的抗彎剛度不足。增加截面尺寸，提高混凝土強度等級，增加配筋量及選用合理的截面（如T形或工形等），都可提高構件剛度。但合理而有效的措施是適當增大截面的高度。采用預應力混凝土結構也可有效提高構件剛度。第9章 鋼筋混凝土構件正常使用極限狀態驗算第32頁，共49頁，2022年，5月20日，23點1分，星期三8.4混凝土結構的耐久性問題：什么是耐久性要求？混凝土結構應能在自然和人為環境的化

16、學和物理作用下，滿足在規定的設計工作壽命內不出現無法接受的承載力減小、使用功能降低和不能接受的外觀破損等的情況。 由前已知，混凝土結構的可靠性包含安全性、適用性和耐久性三個方面的要求。 安全性要求主要用過承載能力計算和穩定性驗算解決； 適用性要求主要通過控制結構的變形和裂縫寬度來滿足；第33頁，共49頁，2022年，5月20日，23點1分，星期三耐久性定義：結構在預定設計工作壽命期內，在正常維護條件下，不需要進行大修和加固滿足，即可滿足正常使用和安全功能要求的能力。對于一般建筑結構，設計工作壽命為50年，重要的建筑物可取100年。近年來，隨著建筑市場化的發展，業主也可以對建筑的壽命提出更高要求

17、。對于其它土木工程結構，根據其功能要求，設計工作壽命也有差別，如橋梁工程一般要求在100年以上。第34頁，共49頁，2022年，5月20日，23點1分，星期三世界上經濟發達國家的工程建設大體上經歷了三個階段：大規模建設；新建與改建、維修并重；重點轉向既有建筑物的維修改造。目前經濟發達國家處于第三階段，結構因耐久性不足而失效，或為保證繼續正常使用而付出巨大維修代價，這使得耐久性問題變得十分重要。第35頁，共49頁，2022年，5月20日，23點1分，星期三 我國50年代開始大規模建設的工程項目，由于當時經濟基礎薄弱，材料標準和設計標準都較低，除一些重要的工程項目目前需要繼續維持其使用外，其它大部

18、分工程已達到其使用壽命。 我國真正進入大規模建設是在改革開放以后，因此國外發達國家在耐久性上所遇到的問題應引起我國工程技術人員的足夠重視，避免重蹈發達國家的覆轍，對國家經濟建設造成巨大浪費。第36頁，共49頁，2022年，5月20日，23點1分，星期三內部因素： 混凝土強度 滲透性 保護層厚度 水泥品種 標號和用量 外加劑等外部因素： 環境溫度 濕度 CO2含量 侵蝕性介質等影響混凝土結構耐久性的因素碳化 撓度過大(剛度降低）鋼筋銹蝕表面劣化強度劣化龜裂美觀第37頁，共49頁，2022年，5月20日，23點1分，星期三混凝土中堿性物質（Ca(OH)2）使混凝土內的鋼筋表明形成氧化膜，它能有效地

19、保護鋼筋，防止鋼筋銹蝕。但由于大氣中的二氧化碳（CO2）與混凝土中的堿性物質發生反應，使混凝土的Ph值降低。其他物質，如SO2、H2S，也能與混凝土中的堿性物質發生類似的反應，使混凝土的Ph值降低，這就是混凝土的碳化。當混凝土保護層被碳化到鋼筋表面時，將破壞鋼筋表面的氧化膜，引起鋼筋的銹蝕。此外，碳化還會加劇混凝土的收縮，可導致混凝土的開裂。因此，混凝土的碳化是混凝土結構耐久性的重要問題。混凝土的碳化從構件表面開始向內發展，到保護層完全碳化，所需要的時間與碳化速度、混凝土保護層厚度、混凝土密實性以及覆蓋層情況等因素有關。1、混凝土的碳化第38頁，共49頁，2022年，5月20日，23點1分，星

20、期三1）環境因素碳化速度主要取決于空氣中的CO2濃度和向混凝土中的擴散速度。空氣中的CO2濃度大，混凝土內外CO2濃度梯度也愈大，因而CO2向混凝土內的滲透速度快，碳化反應也快。空氣濕度和溫度對碳化反應速度有較大影響。因為碳化反應要產生水份向外擴散，濕度越大，水份擴散越慢。當空氣相對濕度大于80%，碳化反應的附加水份幾乎無法向外擴散，使碳化反應大大降低。而在極干燥環境下，空氣中的CO2無法溶于混凝土中的孔隙水中，碳化反應也無法進行。試驗表明，當混凝土周圍介質的相對濕度為50%75%時，混凝土碳化速度最快。環境溫度越高，碳化的化學反應速度越快，且CO2向混凝土內的擴散速度也越快。第39頁，共49

21、頁，2022年，5月20日，23點1分，星期三2）材料因素水泥是混凝土中最活躍的成分，其品種和用量決定了單位體積中可碳化物質的含量，因而對混凝土碳化有重要影響。單位體積中水泥的用量越多，會提高混凝土的強度，又會提高混凝土的抗碳化性能。水灰比也是影響碳化的主要因素。在水泥用量不變的條件下，水灰比越大，混凝土內部的孔隙率也越大，密實性就越差，CO2的滲入速度越快，因而碳化的速度也越快。水灰比大會使混凝土孔隙中游離水增多，有利于碳化反應。混凝土中外加摻合料和骨料品種對碳化也有一定的影響。第40頁，共49頁，2022年，5月20日，23點1分，星期三3） 施工養護條件混凝土攪拌、振搗和養護條件影響混凝

22、土的密實性，因而對碳化有較大影響。此外，養護方法與齡期對水泥的水化程度有影響，進而影響混凝土的碳化。所以保證混凝土施工質量對提高混凝土的抗碳化性能十分重要。第41頁，共49頁，2022年，5月20日，23點1分，星期三4）減小混凝土碳化的措施合理設計混凝土的施工配合比：一是要有足夠的水泥用量，一般不以少于300kg/m3，同時應盡量降低水灰比；盡量提高混凝土的密實性，增強抗滲性：砼應振搗密實，按施工規范養護，減小水分蒸發，避免產生表面裂縫；鋼筋應具有足夠的混凝土保護層：這是規范規定最小保護層的一個主要目的。混凝土碳化達到鋼筋表面需要一定的時間，稱為脫鈍時間，混凝土厚度越大，脫鈍時間越長。最小保

23、護層厚度與環境條件有關。第42頁，共49頁，2022年，5月20日，23點1分，星期三鋼筋銹蝕機理鋼筋銹蝕是影響鋼筋混凝土結構耐久性的最關鍵問題。混凝土中的鋼筋銹蝕實質為電化學腐蝕。2、鋼筋銹蝕第43頁，共49頁，2022年，5月20日，23點1分，星期三 當混凝土未碳化時，由于水泥的高堿性，鋼筋表面形成一層致密的氧化膜，阻止了鋼筋銹蝕電化學過程。當混凝土被碳化，鋼筋表面的氧化膜被破壞，在有水份和氧氣的條件下，就會發生銹蝕的電化學反應。影響鋼筋銹蝕的主要因素影響鋼筋銹蝕的主要因素是混凝土的含水量、水中的含氧量、混凝土的PH值、氯離子CI-的含量；還涉及到混凝土的密實度、混凝土的裂縫、混凝土中使

24、用的添加劑等。總之，凡是使上述因素發生變化的情況都會影響鋼筋的銹蝕程度。例如：第44頁，共49頁，2022年，5月20日，23點1分，星期三鋼筋銹蝕產生的鐵銹（氫氧化亞鐵Fe(OH)3），體積比鐵增加26倍，保護層被擠裂，使空氣中的水份更易進入，促使銹蝕加快發展。氧氣和水份是鋼筋銹蝕必要條件，混凝土的碳化僅是為鋼筋銹蝕提供了可能。裂縫的發生為氧氣和水份的浸入創造了條裂縫的出現僅是使裂縫處鋼筋局部脫鈍，使銹蝕過程得以開始，但它對銹蝕速度不起控制作用。因此，防止鋼筋銹蝕最重要的措施是在增加混凝土的密實性和混凝土的保護層厚度。第45頁，共49頁，2022年，5月20日，23點1分，星期三防止鋼筋銹蝕的措施減小混凝土的碳化，保證足夠的保護層厚度；采用涂面層；采用鋼筋阻銹劑；采用涂層鋼筋（環氧涂層鋼筋，已有生產)。第46頁，共49頁，2022年，5月20日，23點1分，星期三混凝土水化結硬后，內部有很多毛細孔。在澆筑混凝土時，為得到必要的和易性，往往會比水泥水化所需要的水多些。3.混凝土的凍融破壞多余的水份滯留在混凝土毛細孔中。低溫時水份因結冰產生體積膨脹，引起混凝土內部結構破壞。反復凍融多次