第9章 使用阶段验算

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受弯构件
《桥规》第6.4.1条规定: 钢筋混凝土构件和B类预应力混凝土构件,在正常使用极限
状态下的裂缝宽度,应按荷载短期效应组合并考虑长期效应影 响进行验算。
2、裂缝最大宽度公式(“桥规”6.4.3条) 由大连理工学院提出的经验公式修正而成:
Wtk
C1C2C3
ss
Es
( 30 d
0.28 10
b
As s Asc c
拉力相等
h0 x
Asc As s / c ES As
(9—6)
Asc=αEsAs
Asc = ES As
b) 换算截面
结论:钢筋换算成混凝土后的面积是钢筋面积的αEs倍。
一、开裂截面的换算截面的几何性质计算
(1)矩形截面:
换算截面的面积A0
A0 bx ES As
施工阶段的截面应力。(“桥规”第7.2条内容)
对预应力混凝土构件:(见第13章) ①按弹性阶段来验算制造、运输、安装等施工阶段的截面应 力; (桥规第7.2条) ②另外还需验算使用阶段的截面应力。 (桥规第7.1条)
按弹性阶段来验算截面应力时,采用容许应力法计算, 该法以材料力学为基础。
2、变形(或挠度)验算:fd≤fL (桥规第6.5条)
二、全截面的换算截面几何性质
(1)矩形截面
砼匀质截面
h x
h x
h0
h0
as
As
b a)原截面
as
αESAs
b b)换算截面
换算截面面积 A0 bh (ES 1) As
(9—14)’
受压区高度 注意这里:
x bh2 / 2 (ES 1)Ash0
A0
n
x
xdA
A
i 1
Ai xi
若有受压钢筋,同理可以得到s ESc,其中ES Es / Ec
结论:钢筋的应力是同一位置处混凝土应力的αEs倍。
下图,将受拉钢筋 As换算成假想的受拉面积为A sc的混凝土:
b
b
h x
h0 x
As
Asc
a) 原截面
b) 换算截面 (砼匀质梁)
图9—2 换算前后截面
右图称为开裂截面的换算截面
钢筋换算面积Asc的计算:
(9—3)
ห้องสมุดไป่ตู้
受拉钢筋水平位置处,混凝土的拉应力与拉应变成正比:
c c Ec
(9—4)
c
M
x
s As c
(3)受拉区混凝土退出工作,拉力完全由钢筋承担 。由 (9—2)、(9—4)可得:
c c Ec=s Ec
因为 s s / Es
c
s
Es
Ec
s
/ ES
这里引入符号 ES Es / Ec ,得到s ESc
(9—16)
对T形截面 (9—16)也可改用下式计算T形截面全截面换算截面的惯性矩:
I0
1 3
bf x3
1 3
(bf
b)( x
hf )3
1 3
b(h
x)3
(ES
1)As (h0
x)2
(9—16) bf
x
h0
αEsAs
b
as
第三节 应力计算
规范要求对钢筋混凝土受弯构件,按短暂状况进行施工阶段 应力验算。施工荷载采用标准值,当有组合时不考虑荷载组合 系数。构件吊装时要考虑动力系数1.2或0.85。梁上行驶的吊机 (车)时应乘以1.15的荷载系数。用材料力学公式,验算条件是:
sti——按短暂状况计算时受拉区第 i 层钢筋的应力;
h0i——受压区边缘至受拉区第 i 层钢筋截面重心的距离;
fck——施工阶段相应于混凝土立方体抗压强度 fcu 的混凝土轴心抗压
强度标准值;
fsk ——普通钢筋抗拉强度标准值。
对于多层焊接骨架配筋的构件,应验算最外排钢筋的应力。
截面弯距M应根据施工时吊装或运输的吊点或支点位置计算。
双筋矩形梁 z0=0.9h0
T形梁
z0=0.92h0 或 z0=h0-h’f∕2
主拉应力限值:
短暂状况钢筋混凝土受弯构件的主应力推导请参阅其它书籍;
主应力验算实例见:①“公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵 设计规范·条文应用算例”P90~91,②“结构设计原理计算示 例”P144~146
第四节 受弯构件裂缝宽度计算
换算截面对中性轴的静矩 S0
受压区
Soc
1 2
bx 2
(9-7) (9-7)
受拉区 Sot ES As (h0 x)
(9-9)
b
h0 x
Asc=αEsAs
换算截面惯性矩 Icr
Icr
1 bx3 3
ES As (h0
x)2
(9—10)
由材料力学,开裂截面的中性轴通过了其换算截面的形心轴, Soc=Sot :
受压区高度 注意这里:
x bh2 / 2 (bf b)(hf)2 / 2 (ES 1)Ash0 (9—15)
A0
n
x
xdA
A
i 1
Ai xi
Sy
A0
A0
A0
换算截面对中性轴的惯性矩
I0
1 12
bh3
1 bh(
2
h
x)2
1 2
(bf
b)(hf )3
(bf
b)hf(
hf 2
x)2
(ES 1)As (h0 x)2
采用焊接钢筋骨架时,d 或de乘以1.3的系数;
换算原则:钢筋换算前后,钢筋单位截面积拥有的周长相等
换算直径de的推导:
由于
u di = de ,
As
1 4
di
2
1 4
de
2
de
4 As u
u—原全部纵筋周长
As—原全部纵筋面积
— 截面含筋率
As
bh0 (bf b)hf
当 0.02时,取=0.02;当 0.006时,取=0.006
第五节 受弯构件的变形(挠度)验算
钢筋混凝土受弯构件在使用荷载作用下将产生挠曲变形,过 大的变形将影响平稳行车及损坏桥面,为保证受弯构件的正常 使用,将使用荷载作用下的变形(挠度)值控制在容许的限值 以内。
Ssd SGK 0.7SQ1K /(1 ) SQ2K
长期效应组合式为:
Sld SGK 0.4[SQ1K /(1 ) SQ2K ]
车辆荷载效应不计冲击系数(即静荷载)
第二节 换算截面概念
钢筋砼处于第Ⅱ工作阶段,一般有以下三项基本假定: (1)平面假定:梁的正截面受力弯曲变形后,仍保持平面。
第九章 钢筋混凝土受弯构件的应 力、裂缝及变形计算
本章内容:
(1)施工阶段应力验算 属于短暂状况承载能力极限状态计算。
(2)使用阶段裂缝宽度验算 属于持久状况正常使用极限状态计算。
(3)使用阶段变形(挠度)验算 属于持久状况正常使用极限状态计算。
第一节 概述
1、应力验算:σ≤[σ] 对钢筋混凝土构件:按弹性阶段来验算制造、运输、安装等
Mkt Icr
(h0i
x)
0.75
fsk
(9—17) (9—18)
M
t ——由临时的施工荷载标准值产生的弯矩值;
k
x0 ——换算截面的受压区高度,按换算截面受压区和受拉区对中性
轴面积矩相等的原则求得;
Icr——开裂截面换算截面的惯性矩,根据已求得的受压区高度x0,
按开裂换算截面对中性轴惯性矩之和求得;
要点辨析:
(1)正常使用极限状态计算以带裂缝工作阶段(Ⅱ阶段)为 基础;
(2)抗裂计算是以整体工作阶段(Ⅰa阶段)为基础;
(3)承载能力极限状态以破坏阶段(Ⅲa阶段)为基础; (4)先进行承载能力极限状态的计算并设计好构件和钢筋,
再进行正常使用阶段的计算(或验算),后者对设计也 起控制作用。
(5)桥规6.1.1条规定:持久状况正常使用极限状态计算时 (裂缝宽度、挠度),采用荷载的短期效应组合、长期效 应组合或荷载短期效应组合并考虑长期效应影响。 对简支梁,短期效应组合式为:
C3—与构件受力性质有关的系数。钢筋混凝土板式受弯构件, C3=1.15,其它受弯构件,C3=1.0;轴心受拉构件,C3=1.2; 偏心受拉构件, C3=1.1,偏心受压构件, C3=0.9;
d—纵向受拉钢筋As的直径(mm);当主筋直径不同时,改用换算
直径de。
de
4 As u

de
nidi2 nidi
1、裂缝种类:
荷载裂缝:恒、活载——正常裂缝,需要计算的裂缝; 非荷载裂缝:收缩、构造、施工不合理产生,通过施工
和构造措施控制。
2、裂缝过大的危害: (1)引起钢筋锈蚀,影响构件寿命; (2)有损构件外观,造成使用者不安。
需要计算裂缝宽度的构件有: 钢筋混凝土受弯、受拉、偏心受压构件,B类预应力混凝土
)
(9—24)
上式概括了影响裂缝宽度的主要因素,如受拉钢筋应力, 钢筋直径,配筋率,钢筋表面形状,荷载特性,构件形状等。
Wtk 指钢筋一侧混凝土表面的裂缝最大宽度,式中:
C1—考虑钢筋表面形状的系数,光面钢筋C1=1.4,螺纹钢筋C1=1.0;
C2 —作用(或荷载)长期效应影响系数,C2=1+0.5Nl /Ns,其中 Nl、Ns分别为按作用(或荷载)长期效应组合、短期效应组 合计算的内力值(弯矩或轴向力)。组合中汽车荷载效应 可不计冲击系数;
1 2
bx 2
= ES As (h0
x)
得到中性轴位置:
x
ES As
b
1
2bh0
ES As
1
(9—11)
(2)T形截面
bf
bf
as h0 h'f x
as h0 x
αEsAs
b
αEsAs
b
a)第一类T形截面
b)第二类T形截面
图 9-3 开裂状态下T形截面换算截面计算图示
当 x hf 时,截面几何性质公式同开裂矩形截面; 当 x hf 时,中性轴在肋部,由Soc=Sot :
a
a
起吊点
支座位置
L
2、T形截面:
先用下式判断中性轴位置:
1 2
bf x2
ES
As (h0
x)
(9—19)
上式若算出 x hf ,按矩形梁计算;
若 x> hf,按(9—12)式重新计算 x,
再按(9—13)式计算Icr,混凝土、钢筋应力按(9—17)、 (9—18)式计算。
3、主应力验算
中性轴处主拉应力最大,且 主拉应力=主压应力=剪应力 受弯构件中性轴处主拉应力(剪应力)计算式为(7.2.5条):
t tp
Vkt bz0
ftk
Vkt ——由施工荷载标准值产生的剪力值; b ——矩形截面宽度、T形或I形截面的腹板宽度;
z0 ——受压区合力点至受拉钢筋合力点的距离,按受压区应力图形
为三角形确定;
f
tk
——施工阶段混凝土轴心抗压强度标准值。
z0——截面内力臂,可近似地取下列数值:
单筋矩形梁 z0=7∕8h0
Sy
A0
A0
A0
(9—15)’
换算截面对中性轴的惯性矩
I0
1 12
bh3
bh( 1 2
h
x)2
(ES
1)As (h0
x)2
(9—16)’
(2)T形截面
bf
bf
h'f
x
x
h0
h0
αEsAs As
as
b
b
as
图9-3 T形截面全截面换算截面计算图示
换算截面面积 A0 bh (bf b)hf (ES 1)As (9—14)
b
c
c
M
x
x
h0
h
s c
as
As
a)开裂截面
b)应变图
图9-1 受弯构件的开裂截面
c)应力图
s As
并认为粘接力使钢筋与同一水平线的混凝土应变相等,在应 变图上:
c
c
c
(9—1)
x (h0 x)
x h0
s c
(9—2)
s c
(2)弹性体假定,受压区混凝土的压应力与压应变成正比:
c
c
Ec
1 2
bf x2
1 2
(bf
b)( x
hf )2
ES As (h0
x)
解得: x A2 B A
(9—12)
A ES As (bf b)hf
b B 2ES Ash0 (bf b)(hf )2
b
得惯性矩为:
Icr bf x3 / 3 (bf b)( x hf) / 3 ES As (h0 x)2 (9—13)
1、矩形截面: 《桥规》第7.2.4条
受压区边缘混凝土纤维压应力
t cc
Mkt Icr
x 0.8 fck
受拉钢筋的拉应力
(9—17)
《桥规》里 x符号为x0
s ES c
t si
ES
Mkt Icr
(h0i
x)
0.75
fsk
(9—18)
t cc
M
t k
Icr
x 0.8 fck
t si
ES
计算荷载短期效应组合作用下的挠度、以及考虑荷载长期 效应影响的挠度,用结构力学方法计算。
目前规范限制荷载短期效应组合时人群及汽车荷载(不计 冲击力)作用下的长期挠度值;当由荷载短期效应组合并考 虑荷载长期效应影响的长期挠度值超过规定限值时,应设置 施工预拱度并进行预拱度计算。
3、限制裂缝宽度Wfk≤ [Wfk]
对钢筋混凝土构件(受弯、受拉、大偏心受压)及容许出 现裂缝的部分预应力混凝土B类构件,均应进行裂缝宽度 验算;(桥规第6.4条)
不允许带裂缝工作的构件、全预应力混凝土和部分预应力 混凝土A类构件,要求进行抗裂性验算。通过限制截面混 凝土拉应力的方式来控制。(桥规第6.3条)
对部分预应力砼B类构件,裂缝宽度计算方法见第14章。
对轴心受拉构件,ρ按全部受拉钢筋截面积的一半计算;
b f , hf —受拉翼缘的宽度与高度
h0 —截面有效高度
ss —受拉钢筋在短期荷载效应作用下的应力,对钢筋混凝
土受弯构件,
ss
Ms 0.87 Ash0
Es —钢筋弹性模量(Mpa)。
(9—24)式适用于矩形、T形、工形截面钢筋混凝土构件
裂缝限值
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