《水工钢筋混凝土结构》网上辅导材料

《水工钢筋混凝土结构》网上辅导材料之七第&10章钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算和装配式钢筋混凝土矩形渡槽设计第8章钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算一、抗裂验算抗裂就是不容许出现裂缝。对于一旦开裂就会严重影响使用性或耐久性的结构，应进行抗裂验算，采取措施保证其在正常使用阶段不开裂。1、轴心受拉构件的抗裂验算根据轴心受拉构件的抗裂极限状态：混凝土的拉应力cc=ft（图8-1）,拉应变&=铀；钢筋拉应力可根据钢筋和混凝土应变相等的关系求得（s=sEs=&Es=aituEc=aft。对换算截面面积Ao=Ac+aAs（这样才好利用力学中的匀质弹性体分析方法），由力的平衡条件可求得即将发生裂缝时的抗裂轴向拉力：Ncr=Acft+csAs=Acft+aftAs=ft（Ac+aAs）=ftAo在正常使用极限状态验算时，考虑目标可靠指标的要求，引进一个拉应力限制系数at，形成有限拉应力状态，并且混凝土抗拉强度取用标准值，荷载也取用标准值。所以,对于轴心受拉构件，在荷载效应的短期组合及长期组合下，应按下列公式分别进行抗裂验算：NsWactftkAoNiWactftkAo2、受弯构件的抗裂验算根据受弯构件的抗裂极限状态，即第3章讨论的受弯构件在第I阶段末尾将开裂的la状态计算构件抗裂弯矩Mr（见下图a）由于混凝土受拉区的塑性发展，拉应力图形为曲线形（见下图a）,可近似假定混凝土受拉区应力分布为见下图b所示的梯形，最终为分析方便，且能利用力学中的匀质弹性体计算方法，保持抗裂弯矩不变，转换为弹性应力分布（见下图c）。混凝土受拉区的塑性发展后，抗裂弯矩要大于弹性阶段（边缘混凝土的拉应力也是ft，但没有发展塑性）的值。因此，若转换为弹性应力分布，而要保持计算的抗裂弯矩不变，就必须改变应力图形的参数大小。这里在考虑塑性性质后，把弹性极限应力提高为丫£。McrbM厲经过这样的换算，就可把构件视作截面面积为A=Ac+aeAs+aeA's的匀质弹性体,引用材料力学的公式，可得出受弯构件正截面抗裂弯矩Mr的计算公式Mr=YrftkW同样，引进一个拉应力限制系数at,在荷载效应的短期组合及长期组合下，按下列公式分别进行抗裂验算：MwactftkYrW0MlwactftkYrW0如果验算公式两边同除以截面特征值（轴拉为Ao、受弯为制，实际相当于在荷载效应的短期组合和长期组合两种情况下，构件验算点拉应力不能超过由混凝土拉应力限制系数act控制的应力值actftk。偏心受力构件同样道理分析。M（M）wMr即满足抗裂要求。规范偏于安全出发用act对ftk进行了折减，也可宏观认为是对Mr的折减。拉应力限制系数act的采用，实际上就是对混凝土抗拉强度标准值进行折减以控制截面应力不超过一更保守的限定值。短期组合和长期组合的概念见第2章。3、偏心受力构件的抗裂验算偏心受力构件可采用与受弯构件相同的方法分析计算抗裂性能，但关键是混凝土塑性影响系数丫的确定。研究表明，偏心受拉构件受拉区塑化效应与受弯构件的塑化效应相比，有所减弱，这是因为它的受拉区应变梯度（受拉区边缘应变iu与截面受拉区高度的比值。）比受弯构件的应变梯度要小。但它的塑化效应又比轴心受拉构件的大，因为轴心受拉构件的应变梯度为零（见图8-5）。因此，偏心受拉构件的塑性影响系数丫偏拉应处于Y（受弯构件的塑性影响系数）与1（轴心受拉构件的塑性影响系数）之间，可近似地认为丫偏拉是随截面的平均拉应力（=Ns/Ao（萨N|/Ao）的大小，按线性规律在1与Y之间变化。偏心受压构件由于受拉区应变梯度比较大，塑化效应比较充分，因而其塑性影响系数丫偏压比受弯构件的y大。但在实际应用中，为简化计算并考虑偏于安全，取与受弯构件相同的数值，即取丫偏压二y。经变换后，就可得出偏心受力构件在荷载效应的短期组合和长期组合下的抗裂验算公式（8-19、8-19、8-22、8-23）。丫反映了截面塑性发展对构件抗裂性能的影响程度。4、提高构件抗裂能力的方法分析表明，开裂之前钢筋应力是很低的（混凝土的拉应变很低，钢筋与混凝土在开裂之前保持应变协调限制了钢筋应力的发展），即对于钢筋混凝土的抗裂能力而言，钢筋所起的作用不大，对抗裂贡献是很有限的。所以用增加钢筋配筋率的 办法 鲁班奖评选办法下载鲁班奖评选办法下载鲁班奖评选办法下载企业年金办法下载企业年金办法下载 来提高构件的抗裂能力是极不经济的，钢筋是在开裂后才有效发挥其限制裂缝作用。加大构件截面尺寸、特别是截面高度与提高混凝土的强度等级可有效提高构件抗裂能力。在混凝土中掺入纤维也可提高构件抗裂能力，最根本的方法是采用预应力混凝土结构，但这实际已超出普通钢筋混凝土结构的范围。二、裂缝宽度验算不必要求抗裂的构件，就可以放宽标准，允许其出现裂缝。但如果裂缝过宽，则会降低混凝土的抗渗性和抗冻性等使用功能，进而影响结构的耐久性和外观，并会引起使用者心理不安。因此，对这种构件就必须进行裂缝宽度验算，限制其裂缝宽度过大。1、引起裂缝的因素（1）荷载。荷载引起的混凝土的拉应变达到混凝土的极限拉应变时，混凝土就会开裂。（2）非荷载因素。温度变化，混凝土收缩，基础沉降，混凝土塑性坍塌，钢筋锈蚀，碱—骨料化学反应等非荷载因素引起的变形受到约束时，就可能产生裂缝。非荷载作用引起的裂缝目前还无法准确计算，但可从材料、设计和施工等方面采取措施予以减轻其危害。2、裂缝宽度计算公式（1）平均裂缝宽度平均裂缝宽度等于平均裂缝间距内钢筋和混凝土的平均受拉伸长之差（见图8-10）,即Wcr=smlcr-£mlcr='£c'lcrEs裂缝间钢筋应变不均匀系数书二$m/s,反映了裂缝间受拉混凝土参与受拉工作的程度。裂缝间钢筋的平均拉应变帥肯定小于裂缝截面处的钢筋应变S。显然，书值不会大于1。书值越小，表示混凝土承受拉力的程度越大，因为裂缝间钢筋的平均拉应变Sm肯定小，主要由混凝土承受拉力；书值越大，表示混凝土承受拉力的程度越小，各截面中钢筋的应力、应变也比较均匀；当书值等于1时，表示混凝土完全脱离受拉工作，钢筋应力趋于均匀。这是可以说是原裂缝间的混凝土都已开裂而退出工作，全为裂缝截面。（2）最大裂缝宽度在荷载长期作用下，由于钢筋与混凝土的粘结滑移徐变、拉应力松弛和受拉混凝土的收缩影响，导致裂缝间混凝土不断退出工作，钢筋平均应变增大，裂缝宽度随时间推移逐渐增大。我们要控制的就是钢筋处的最大裂缝宽度。经分析，按综合裂缝开展宽度计算理论给出了按荷载效应的短期组合（并考虑部分荷载长期作用的影响）和荷载效应长期组合的最大裂缝宽度：1）按荷载效应的短期组合（并考虑部分荷载长期作用的影响）的最大裂缝宽度Wmax3c0.1d_Re」bf2）按荷载效应长期组合的最大裂缝宽度csldWmax=吓2口3三~3c+0.1〒EsIte7这里主要讨论几个概念：pte纵向受拉钢筋的有效配筋率，pte=As/AteAte――有效受拉混凝土截面面积，取其重心与受拉较大一侧钢筋As（如是小偏拉，要按受拉较大的钢筋计算，包括应力，因此处裂缝宽度大）重心相一致的混凝土面积，即Ate=2abf（如图示中，两个a要相等且取较小值）（TSS，CTsl分别按荷载效应的短期组合和长期组合，根据第U阶段的截面应力特征计算。如图为受弯构件第u阶段的截面应力状态。详细请看教材。3、减小裂缝宽度的方法如果Wmax超过允许值，则应采取相应措施予以减小。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，以降低使用阶段的钢筋应力。裂缝宽度与钢筋应力基本成正比这些方法都能一定程度减小正常使用条件下的裂缝宽度。而适当增加配筋量不够经济合理。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。而截面尺寸和混凝土强度对构件裂缝宽度的影响很小。三、变形验算1、钢筋混凝土梁变形计算的特点n阶段截面应力和应变分布对于匀质弹性材料梁，当梁的截面尺寸和材料确定后，截面的抗弯刚度EI就为常数了，然后可按《材料力学》的公式计算变形。由图可知，钢筋混凝土梁由于塑性变形的出现以及裂缝的产生和发展，导致变形模量降低和截面惯性矩下降，使截面的抗弯刚度随着荷载的增加而不断降低。对其正常使用状况(即属第3章讨论的第i、n阶段)下的挠度进行计算时，采用恒定的刚度EI就不能反映梁的实际工作情况。所以规范用抗弯刚度B取代式中的EI,B是随弯矩M的增大而减小的变量。分析表明，刚度B确定后仍可按材料力学的计算公式计算梁的挠度。所以，钢筋混凝土梁的变形(挠度)计算就归结为抗弯刚度B的计2、受弯构件的短期刚度Bs不出现裂缝的构件Bs=0.85Eclo0.85――考虑混凝土出现塑性时弹性模量的降低系数。此为阶段I的刚度计算。出现裂缝的构件Bs=(0.025+0.28ap(1+0.55y+0.12YEcbho32、受弯构件的长期刚度Bi在荷载长期作用下，钢筋混凝土梁受压区混凝土将产生压缩徐变，受拉区混凝土与钢筋之间将产生粘结滑移徐变，使受拉混凝土不断退出工作，即使荷载不增加，挠度也将随时间的增加而增大。混凝土收缩也会造成梁刚度降低、变形增大。因此需要得到长期刚度B，以求最大挠度值。（1）荷载效应的短期组合（并考虑部分荷载长期作用影响）的刚度BiMsM2-1)MsBS（2）荷载效应的长期组合的刚度Bi=Bs/04、最小刚度原则构件的截面刚度随截面的内力和配筋大小而变，即沿构件跨度方向各截面刚度不等。为简化起见，在按材料力学方法计算受弯构件的变形时，取同号弯矩区段内截面的最小刚度作为该区段的平均刚度，而按等刚度或分段等刚度的构件进行计算。5、提高刚度的方法若验算挠度不能满足规范要求时，则表示构件的抗弯刚度不足。可以通过增加截面尺寸、提高混凝土强度等级、适当增加配筋量和选用合理的截面（如T形或工形等）的方法来提高刚度。但合理而有效的措施是适当增大截面的高度。采用预应力混凝土结构也可有效提高构件刚度。这里计算时，要把荷载效应组合的概念真正弄懂。在第2章已经讲过，短时间内，可能存在所有对结构不利的荷载都出现的组合，当然是指的变化着的活荷载的短时共存，再叠加上必然存在的永久荷载，这就是荷载效应的短期组合。也就是说此组合中，长、短期荷载都有，所以可称为荷载效应的短期组合（并考虑部分荷载长期作用影响）的情况，承载力计算也只用到此组合。而荷载效应的长期组合中，只有长期作用性质的那部分荷载，即可由短期组合中，把短时间内存在的活荷载去掉，只保留长期作用永久荷载和可变荷载准永久值。所以，可以知道：短期组合的载准值实际包含了长期组合的载准值。四、混凝土结构的耐久性结构的耐久性是指结构在使用环境下，对物理的、化学的以及其他使结构材料性能恶化的各种侵蚀的抵抗能力。混凝土结构的耐久性问题越来越受到人们的重视。在设计混凝土结构时，除了进行承载力计算、变形和裂缝验算外，还必须进行耐久性设计。由于影响因素的复杂，目前混凝土结构的耐久性设计实质上是针对影响耐久性能的主要因素提出相应的对策，即以概念设计为主。一般是采取措施一定来保证耐久性，提高耐久性的主要措施有：合理加大混凝土保护层的最小厚度；严格按规范控制裂缝宽度；注意保证混凝土原材料的质量；提高混凝土的密实度；采用耐腐蚀钢筋；在结构表面设置专门的防渗面层正常使用极限状态验算的基本概念一定要清楚，要看懂课本例题，会用基本公式进行计算。第10章装配式钢筋混凝土矩形渡槽设计这一章实际是一设计专题，结合水利工程一输水建筑物一一渡槽，使同学们了解如何利用前面学过的基本知识来解决一实际结构的设计问题，掌握设计过程和方法，建立工程设计概念。渡槽是渠道跨越河流、洼地和道路的输水建筑物，是水利工程中应用最广的交叉建筑物之一。渡槽结构和一般桥梁相似，由上部结构（槽身）和下部结构（墩、台或刚架）组成。一、渡槽上部结构——槽身选型1、纵向结构纵向结构可考虑选用梁式渡槽结构型式。梁式渡槽的槽身在纵向起梁的作用，墙体既横向挡水，又起纵向大梁抗弯作用，使横向挡水与纵向承重有机合一。采用简支梁式渡槽（见图示），施工方便，适应地基能力强。单跨简支梁式渡槽的优点是吊装方便，不受地形和渡槽高度的限制。缺点是槽身纵向正弯矩较大，且底板位于受拉区，对抗裂防渗不利。因此，简支梁式槽身的跨度一般需限制在15m以内。中小型渡槽常常采用此结构。2、横向结构矩形断面渡槽具有受力明确、计算可靠、施工简便等优点，钢筋混凝土梁式渡槽槽身多采用此种型式。小型渡槽常用的矩形断面渡槽有：（1）无横杆式（图10-4a）。在有通航要求或小型渡槽中采用无横杆的矩形槽。槽身侧墙在水平水压力作用下如同一悬臂板。缺点是在墙身较高时，侧墙底部弯矩较大。（2）有横杆式（图10-4b）。在无通航要求的渡槽中常采用有横杆的矩形槽，横杆间距常为2〜3m。槽顶设置的横杆可作为侧墙顶部的一个支点，槽身横向受力犹如框架结构，从而改善了侧墙和底板的受力条件。二、下部结构——支承刚架和基础（1）支承刚架刚架是由横梁和立柱刚性连接（刚节点）所组成的承重结构。刚架形式有单刚架、双刚架等（图10-5）。单刚架高度H—般在15m以内；双刚架承载力高、刚度大，高度一般可在25m以内。根据使用要求，刚架结构可以是单层多跨的或多层多跨的。当刚架高度只在5m以下时，一般采用单层刚架，在5m以上时，则宜采用双层刚架或多层刚架。（2）基础刚架立柱所受的荷载都要通过基础传给地基，柱下基础的类型很多，如槽身不宽，所受荷载不大，地基又是土基（粘土、砂土、碎石土地基），则基础可采用混凝土就地浇筑成的单独基础或条形基础。1）柱下单独基础柱下单独基础是一根柱下一个基础，常用的柱下单独基础有锥形基础和阶梯形基础两种（见图10-6）。2）条形基础两个柱基础连在一起，作成钢筋混凝土条形基础，如图10-8所示。三、槽身结构设计计算1、荷载及其组合（1）渡槽上作用的荷载结构自重；水重及水压力；人行道上的人群荷载；预制构件的吊装荷载，施工荷载等。（2）承载力计算的荷载组合渡槽槽身中的水深为设计流量下的设计水深时，与同时出现的其它荷载（结构自重+人群荷载）的组合，按持久状况的基本组合考虑；槽身中的水深为加大流量下的校核水深时，与同时出现的其它荷载（结构自重+人群荷载）的组合，按短暂状况的基本组合（3）正常使用验算的荷载组合短期组合（水深+人群荷载+结构自重）长期组合（设计水深+结构自重）。2、槽身横向计算槽身横向计算时，可沿纵向（顺槽身方向）取单位长度Im槽身为脱离体进行计算，不带横杆槽身结构计算简图如图所示。根据结构力学方法计算出各部分的内力，然后可按前面所学知识进行设计和验算。，以方在选择人行道板、侧墙及底板钢筋时，要注意钢筋间距互相协调（下图示）便施工时绑扎钢筋。协调就是三者的钢筋间距应是倍数关系，这可通过改变钢筋直径来调整。3、槽身纵向计算梁式渡槽的槽身纵向计算是受弯构件，但要注意其截面形式的复杂性，配筋方式的特殊性（可上图）。支承刚架和基础的设计方法可见其它有关教材。