第九章 钢筋混凝土构件 正常使用极限状态验算 §9-1 抗裂验算 一般要求 (1)抗裂就是不允许混凝土开裂。 (2)钢筋混凝土构件正截面抗裂验算应满足下式 (9-1) ——由荷载标准组合或准永久组合计算的验算 截面的混凝土拉应力值; ——混凝土抗拉强度标准值;
——混凝土拉应力限制系数(对水工混凝土结构构件, 荷载标准组合时, =0.85;荷载准永久组合时, =0.70)。
§9-2 钢筋混凝土结构裂缝宽度的验算 一、裂缝产生的原因: 1、荷载引起的裂缝: 占20%, 计算 ,式中 , 最大裂缝宽度限值。 占20%, 计算 ,式中 , 最大裂缝宽度限值。 9-1荷载引起的裂缝
图9-2 第一条裂缝至将出现第二条裂缝间混凝土及钢筋应力 2、非荷载引起的裂缝: 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。 二、裂缝宽度的计算方法 1、裂缝出现与分布规律 图9-2 第一条裂缝至将出现第二条裂缝间混凝土及钢筋应力
(1)在裂缝未出现前: (2)裂缝出现: (3)裂缝发展: 受拉区钢筋与混凝土共同受力;沿构件长度方向,各截面的受拉钢筋应力及受拉区混凝土拉应力大体上保持均等。 (2)裂缝出现: (3)裂缝发展: 在裂缝陆续出现后,沿构件长度方向, 钢筋与混凝土的应力是随着裂缝的位 置而变化的(图9-3)。 图9-3 中和轴、混凝土及钢筋应力随着裂缝位置变化情况
平均裂缝间距为 ——系数,对轴心受拉构件,取=1.1;对偏心轴心受拉 构件,取=1.05;对其他受力构件,取=1.0; 2、平均裂缝间距 平均裂缝间距为 (9-2) (9-3) ——系数,对轴心受拉构件,取=1.1;对偏心轴心受拉 构件,取=1.05;对其他受力构件,取=1.0; c——最外层纵向受力钢筋外边缘至受拉区底边的距离(mm),当c<20mm时,取c=20mm;当c>65mm时,取c=65mm;
——按有效受拉混凝土截面面积计算的纵向受拉钢筋配筋 率 。当 <0.01时,取 =0.01; ——有效受拉混凝土截面面积, 可按下列规定取用:对轴心受拉构件取构件截面面积;对受弯、偏心受压和偏心受拉构件,取腹板截面面积的一半与受拉翼缘截面面积之和(图9-4),即 此处 、 为受拉翼缘的宽度、高度;
——纵向受拉钢筋截面面积; ——纵向受拉钢筋的等效直径(mm); ——第 种纵向受拉钢筋的直径(mm); ——第 种纵向受拉钢筋的根数; 种纵向受拉钢筋的相对粘结特性系数,对带肋钢筋, 取1.0;对光面钢筋,取0.7。 ——第
图9-4 有效受拉混凝土截面面积
3、平均裂缝宽度 (1)平均裂缝宽度计算公式: , ——分别为裂缝间钢筋及混凝土的平均拉应变。 (9-4) , ——分别为裂缝间钢筋及混凝土的平均拉应变。 图9-5平均裂缝宽度计算图 (9-5) ——按荷载标准组合计算的构件纵向受拉钢筋应力。
(2)裂缝间钢筋应变不均匀系数ψ的计算: ψ值越小,表示混凝土承受拉力的程度越大;ψ值越大,表示混凝土承受拉力的程度越小 ψ值随钢筋应力的增大而增大 (9-6) 当<0.2时,取=0.2;当>1.0时,取=1.0。对直接承受重复荷载的构件,取=1.0。
4、最大裂缝宽度 =1.90 =1.66 =1.50。 (9-7) (9-8) ——构件受力特征系数,为前述各系数、 、 、的乘积。对轴心受拉构件取2.7,对偏心受拉构件取2.4;对受弯构件和偏心受压构件取2.1;
根据试验,偏心受压构件e0/h0≤0.55时,正常使用阶段裂缝宽度较小,均能满足要求,故可不进行验算。对于直接承受重复荷载作用的吊车梁,卸载后裂缝可部分闭合,同时由于吊车满载的概率很小,吊车最大荷载作用时间很短暂,可将计算所得的最大裂缝宽度乘以系数0.85。 ﹡如果超过允许值,则应采取相应措施,如适当减小钢筋直径,使钢筋在混凝土中均匀分布;采用与混凝土粘结较好的变形钢筋;适当增加配筋量(不够经济合理),以降低使用阶段的钢筋应力。这些方法都能一定程度减小正常使用条件下的裂缝宽度。但对限制裂缝宽度而言,最根本的方法也是采用预应力混凝土结构。
三、裂缝截面钢筋应力 1、轴心受拉构件 2、矩形截面偏心受拉构件 ——按荷载标准组合计算的轴向拉力值 (9-9) ——按荷载标准组合计算的轴向拉力值 2、矩形截面偏心受拉构件 (9-10) ——按荷载标准组合计算的轴向拉力值 e——轴向拉力作用点至纵向受压钢筋(对小偏心受拉构件, 为拉应力较小一侧的钢筋)合力点的距离,
3、受弯构件 Mk——按荷载标准组合计算的弯矩值。 图9-6偏心受拉构件截面应力图形 (a)小偏心受拉;(b)大偏心受拉 (9-11) 图9-7 受弯构件截面应力图形
4、大偏心受压构件 (9-12) (9-13) (9-14) (9-15) 由图9-8的力矩平衡条件可得 (9-16)
e——轴向压力作用点至纵向受拉钢筋合力点的距离; ——按荷载标准组合计算的轴向压力值; e——轴向压力作用点至纵向受拉钢筋合力点的距离; z——纵向受拉钢筋合力点至受压区合力点的距离; ——使用阶段的偏心距增大系数。当l0/h≤14时,可取=1.0; ——截面重心至纵向受拉钢筋合力点的距离; ——受压翼缘面积与腹板有效面积的比值, 当h‘ f>0.2h0时, 取h' f=0.2h0 图9-8 大偏心受压构件截面应力图形
§9-3 变形验算 一、一般要求 受弯构件的挠度限值。 钢筋混凝土受弯构件的变形计算是指对其挠度进行验算,按荷载标准组合并考虑长期作用影响计算的挠度最大值 ,应满足 (9-17) 受弯构件的挠度限值。
二、 钢筋混凝土受弯构件截面刚度 =M/EL,为截面曲率; s是与荷载形式、支承条件有关的挠度系数。 (9-18) =M/EL,为截面曲率; s是与荷载形式、支承条件有关的挠度系数。 如对于均布荷载作用下的简支梁,s=5/48。 对于钢筋混凝土适筋梁,其弯矩(M)与挠度(af)间的关系如图9-9的实线所示。可见其截面刚度不是常数,而是随着弯矩的变化而变化。在荷载标准组合作用下,钢筋混凝土受弯构件的截面抗弯刚度,简称短期刚度,用Bs表示;在荷载标准组合并考虑长期作用影响的截面抗弯刚度,简称长期刚度,用B表示。 图9-9 M-a f 与M-关系曲线
1、短期刚度Bs的计算 对于要求不出现裂缝的构件 对于允许出现裂缝的构件,钢筋混凝土受弯构件短期刚度Bs的计算公式: (9-19) I0换算截面惯性矩。 对于允许出现裂缝的构件,钢筋混凝土受弯构件短期刚度Bs的计算公式: (9-20) 按式(9-6)计算;f′按式(9-15)计算。
2、长期刚度B的计算 荷载长期作用下的挠度增大系数用表示,根据试验结果, 可按下式计算: (9-21) 式中,、 分别为纵向受拉和受压钢筋的配筋率。 当 />1时,取 /=1。对于翼缘在受拉区的T形截面值应比式(9-21)的计算值增大20%。 (9-22)
﹡提高截面刚度最有效的措施: (1)增加截面高度;增加受拉或受压翼缘可使刚度有 所增加; (2)当设计上构件截面尺寸不能加大时,可考虑增加 纵向受拉钢筋截面面积或提高混凝土强度等级来 提高截面刚度,但其作用不明显; (3)对某些构件还可以充分利用纵向受压钢筋对长 期刚度的有利影响,在构件受压区配置一定数 量的受压钢筋来提高截面刚度。
三、 钢筋混凝土受弯构件挠度计算 最小刚度原则: 即对于等截面构件,可假定各同号弯矩区段内的刚度相等,并取用该区段内最大弯矩处的刚度。对简支梁取最大正弯矩截面计算截面刚度;带悬挑的简支梁、连续梁或框架梁,取最大正弯矩截面的刚度和最小负弯矩截面的刚度,分别作为相应区段的刚度。