第九章-混凝土结构变形、裂缝宽度及混凝土结构耐久性计算

第九章 混凝土结构变形、裂缝宽度及混凝土结构耐久性计算 概 述

对于超过正常使用极限状态的情况，由于其对生命财产的危害性比超过承载力极限状态要小，因此相应的可靠度水平可比承载力极限状态低一些。正常使用极限状态的计算表达式为，

S k ≤R k

作用效应标准值，如挠度变形和裂缝宽度，应根据荷载标准值和材料强度标准值确定。以受弯构件为例，在荷载标准值产生的弯矩可表示为， M k = CGG k +CQQ k

由于活荷载达到其标准值Q k 的作用时间较短，故称为短期弯矩，其值约为弯矩设计值的50%~70%。由于在荷载的长期作用下，构件的变形和裂缝宽度随时间增长，因此需要考虑上式中长期荷载的影响，长期弯矩可表示为，

Ml = CGGk+yqCQQk

yq 为活荷载准永久系数

9.1 钢筋混凝土受弯构件的挠度验算

9.1.1 截面弯曲刚度的概念定义

对混凝土受弯构件，混凝土受弯构件的截面抗弯刚度不为常数而是变化的，其主要特点如下：

（1）在裂缝出现前，曲线与直线OA 几乎重合，因而截面抗弯刚度仍可视为常数，并近似取0.85EcI 。当接近裂缝出现时，即进入第1阶段末时，曲⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧外观感觉用寿命致承载力降低，影响使裂缝过宽：钢筋锈蚀导——耐久性振动噪声心理承受：不安全感，门窗开关，隔墙开裂等对非结构构件的影响：振动、变形过大对其它结构构件的影响、精密仪器影响正常使用：如吊车——适用性—承载能力极限状态

—安全性—结构的功能

线已偏离直线，逐渐弯曲，说明截面抗弯刚度有所降低。出现裂缝后，即进入第Ⅱ阶段后，曲线发生转折，截面抗弯刚度明显降低。钢筋屈服后进人第Ⅲ阶段，此阶段M增加很少，截面抗弯刚度急剧降低。

(2)随配筋率ρ的降低而减小，截面尺寸和材料都相同的适筋梁，配筋率ρ大的，其M—φ曲线陡些，变形小些，相应的截面抗弯刚度大些；反之，截面抗弯刚度就小些。

(3)沿构件跨度，截面抗弯刚度是变化的，即使在纯弯区段，各个截面承受的弯矩相同，但曲率也即截面抗弯刚度却不相同，裂缝截面处的小些，裂缝间截面的大些。

(4)随加载时间的增长而减小，对一个构件保持不变的荷载值，则随时间的增长，截面抗弯刚度将会减小，但对一般尺寸的构件，三年以后可趋于稳定。在变形验算中，除了要考虑荷载的短期效应组合以外，还应考虑荷载的长期效应组合的影响，对前者采用短期刚度Bs，，对后者则采用长期刚度B 。

在混凝土受弯构件的变形验算中所用到的截面抗弯刚度，是指构件一段长度范围内的平均截面抗弯刚度(简称刚度)，相应的弯矩值为0.5～0.7Mu；考虑到荷载作用时间的影响，有短期刚度Bs 和长期刚度B的区别，且两者都随弯矩的增大而减小，随配筋率的降低而减小。

9.1.2 短期刚度Bs

考虑到荷载作用时间的影响，短期刚度Bs 的分析：裂缝基本等间距分布，钢筋和混凝土的应变分布具有以下特征：

1.沿梁长，受拉钢筋的拉应变和受压区边缘混凝土的压应变都是不均匀分

布的，裂缝截面处最大，裂缝间为曲线变化；

2.沿梁长，中和轴高度呈波浪形变化，裂缝截面处中和轴高度最小；

3.如果量测范围比较长（≥750），则各水平纤维的平均应变沿梁截面高度

的变化符合平截面假定。

9. 1.3 参数h、z 和y

1、开裂截面的内力臂系数η

试验和理论分析表明，在短期弯矩Mk=（0.6~0.8）Mu范围，裂缝截面的像对受压区高度x 变化很小，内力臂的变化也不大。对常用的混凝土强度和配筋情况，η值在0.83~0.93之间波动。《规范》为简化计算，取η=0.87。

2、受压区边缘混凝土平均应变综合系数ψ

根据试验实测受压边缘混凝土的压应变，可以得到系数ψ的试验值。在短期弯矩M k=（0.6~0.8）Mu范围，系数ψ的变化很小，仅与配筋率有关。《规范》根据试验结果分析给出。

3、钢筋应变不均匀系数ξ

钢筋的应变分布在弯矩相等的纯弯区段A—A内，钢筋应变是不均匀的。裂缝截面处最大，离开裂缝截面就逐渐减小。裂缝出现后受拉混凝土是参加工作的。随着荷载的增大，平均应变的增量比裂缝截面钢筋应变的增量大些，致两者的差距逐渐减小。随着荷载的增大，裂缝间受拉混凝土是逐渐退出工作的。ξ的大小还与以有效受拉混凝土截面面积计算的纵向受拉钢筋配筋率ρte有关。

参加工作的受拉混凝土主要是指钢筋周围内的那部份有效受拉混凝土面积当。ρte较小时，说明钢筋周围的混凝土参加受拉的有效相对面积大些，它所承担的总拉力也相对大些，对纵向受拉钢筋应变的影响程度也相应大些。

在短期弯矩Mk =（0.6~0.8）Mu范围，三个参数η、ψ和ξ中，η和ψ为常数，而ξ随弯矩增长而增大。该参数ξ反映了裂缝间混凝土参与受拉工作的情况，随着弯矩的增加，由于裂缝间粘结力的逐渐破坏，混凝土参与受拉的程度减小，平均应变增大，ξ逐渐趋于 1.0，使抗弯刚度逐渐降低。

9.1.4、长期荷载作用下---- 受弯构件度B

在长期荷载作用下，由于混凝土的徐变，会使梁的挠度随时间增长。此外、钢筋与混凝土间粘结滑移徐变、混凝土收缩等也会导致梁的挠度增大。对于受弯构件，《规范》要求按荷载标准效应组合并考虑荷载效应的长

期作用影响的刚度B 进行计算，并建议用荷载效应的准永久组合对挠度增大的影响系数q 来考虑荷载效应的准永久组合作用对刚度的影响。及即荷载长期作用部分的影响。

设荷载效应标准组合值为Mk ，准永久组合值为Mq ，则仅需对在Mq 下产生的那部分挠度乘以挠度增大的影响系数。因为在Mk 中包含有准永久组合值，因此对于(Mk-Mq)下产生的短期挠度部分是不必增大的。参照式(9—1)

9.1.5 受弯构件的挠度变形验算

由于弯矩沿梁长的变化的，因此抗弯刚度沿梁长也是变化的。但按变刚度梁来计算挠度变形很麻烦，《规范》为简化起见，取同一符号弯矩区段的最大弯矩截面处的最小刚度B min ，按等刚度梁来计算。这样挠度的简化计算结果比按变刚度梁的理论值略偏大。但由于靠近支座处的曲率误差对梁的最大挠度影响很小，且挠度计算仅考虑弯曲变形的影响，实际上还存在一些剪切变形，因此按最小刚度B min 计算的结果与实测结果的误差很小。这称为“最小刚度原则”。

“最小刚度原则”就是在简支梁全跨长范围内，按弯矩最大处的截面抗弯刚度，即按最小的截面抗弯刚度，用材料力学方法中不考虑剪切变形影响的公式来计算挠度。当构件上存在正负弯矩时，分别取同号弯矩区段内的最大弯矩截面的最小刚度计算挠度。

B min 代替匀质弹性材料梁截面抗弯刚度EI ，梁的挠度计算按《规范》要求，挠度验算应满足：

f ≤f lim (9—22)

式中 ， f lim ——允许挠度值，按附录附表13取用

f ——根据最小刚度原则并采用长期刚度B 进行计算的挠度，

当跨间为同号弯 矩时，由式(9-1)知: B

l M S f k 2

0 9.1.6 受弯构件挠度验算的几点说明

1、影响短期刚度Bs 的因素