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1、第11章正常使用阶段验算,11.1概述在建筑结构设计时，一般针对结构在施工和使用环境条件的不同而将结构设计分为三种设计状况。第一种是持久设计状况；在结构使用过程中一定出现，其持续时间很长的状况称为持久状况。第二种是短暂设计状况，在结构施工和使用过程中出现概率较大，而与设计使用年限相比持续期很短的状况称为短暂状况，第三种是偶然设计状况，在结构施工和使用过程中出现概率较小，且持续期很短的状况称为偶然状况。混凝土结构的极限状态设计，除对上述三种设计状况均应进行承载能力极限状态设计外，尚应对持久设计状况进行正常使用极限状态设计；而对短暂设计状况则可根据需要进行正常使用极限状态设计。,正常使用极限状态设
2、计是指在设计使用年限期间，使结构保持满足结构功能要求的能力，也就是具有可靠的适用性和耐久性。通常结构正常使用时的工作荷载（实际荷载）接近荷载的标准值。本章主要讲述混凝土结构耐久性设计方法和混凝土结构构件的变形及裂缝宽度的计算问题。规范规定的正常使用极限状态设计的表达式为：SC正常使用极限状态的设计值，取荷载标准组合,C结构构件达到正常使用要求的规定限值。主要是构件挠度变形的限值和裂缝宽度的限值。分别见附录A表A11和A10.对挠度，使计算值不超过规范规定的限值，即规范确定构件挠度变形的限值考虑如下几个方面：1）保证结构的使用功能要求；2）防止对结构构件产生不良影响；3）防止对非结构构件产生不良
3、影响；4）保证使用者的感觉在可接受的程度内。,11.2混凝土结构耐久性设计,11.2.1影响耐久性的主要因素混凝土结构的耐久性是指结构在设计使用期间，不需维修或只需花费少量资金维修就能够保持满足结构功能要求的能力。影响混凝土结构耐久性的因素要从混凝土结构内部和外部环境两个方面进行分析。混凝土结构的内部因素主要为混凝土结构的强度、保护层厚度、密实度、水泥品种、标号和用量、水灰比、氯离子和碱含量、外加剂用量以及结构和构件的构造等；外部环境因素主要为环境温度、湿度、二氧化碳含量、化学介质侵蚀、冻融及磨损等。混凝土结构在内部因素与外部因素的综合作用下，将会发生耐久性能下降和耐久性能失效问题，主要表现在
4、如,下几个方面。1混凝土的碳化混凝土碳化是指大气中的二氧化碳或其它酸性气体与混凝土中的碱性物质发生反应，使混凝土中性化，而使其碱性下降的现象。混凝土碳化对混凝土本身是无害的，但当碳化到钢筋表面时，会使混凝土中的钢筋保护膜破坏，造成了钢筋发生锈蚀的必要条件，同时使混凝土的收缩加大，导致混凝土开裂，从而造成混凝土的耐久性能下降或耐久性能失效。设计中减小碳化作用的措施主要是提高混凝土的密实性，增强抗渗性；合理设计混凝土的配合比；采用覆盖面层，覆盖面层可以隔离混凝土表面与大气环境的直接,接触，这对减小混凝土碳化十分有利；规定钢筋的混凝土保护层厚度，使混凝土碳化达到钢筋表面的时间，与建筑的设计使用年限相
5、等。2钢筋锈蚀钢筋锈蚀是指在水和氧气共同存在的条件下，水、氧气和铁发生电化学反应，在钢筋的表面形成疏松、多孔的锈蚀现象。钢筋锈蚀的必要条件是混凝土碳化使钢筋表面的氧化膜被破坏。钢筋锈蚀的危害是，锈蚀后其体积膨胀数倍，引起混凝土保护层脱落和结构开裂，进一步使空气中的水分和氧气更容易进入，加快锈蚀。防止钢筋锈蚀的主要措施是提高混凝土的密实性，增强抗渗性；采用覆盖面层；采用足够的保护层厚度等，以,防止水、二氧化碳、氯离子和氧气的侵人，减少钢筋锈蚀。还可采用钢筋阻锈剂以防止氯盐的腐蚀；采用防腐蚀钢筋如：环氧涂层钢筋、镀锌钢筋、不锈钢钢筋等；对于重大工程可对钢筋采用阴极保护法，包括牺牲阳极法和输人电流法
6、等。3混凝土冻融破坏混凝土冻融破坏是指处于饱和水状态的混凝土结构受冻时，其内部毛细孔中的水结冰膨胀产生涨力，使混凝土结构内部产生微裂损伤，这种损伤经多次反复冻融循环作用，将逐步积累，最终导致混凝土结构开裂，体积膨胀破坏。混凝土抗冻性指混凝土抵抗冻融的能力，混凝土抗冻性设计是混凝土耐久性设计的重要内容之一。4.混凝土的碱集料影响混凝土的集料中某些活性矿物与混凝土微孔中的碱性,溶液发生化学反应称为碱集料反应。碱集料反应的危害是其产生的碱一硅酸盐凝胶吸水膨胀使体积增大数倍，导致混凝土剥落、开裂，以至强度降低，造成耐久性破坏。5侵蚀性物质的影响在一些特殊环境条件下，混凝土会受到海水、硫酸盐、酸及盐类结
7、晶型等化学介质的腐蚀作用。其危害表现在化学物质的侵蚀造成混凝土松散破碎，出现裂缝；有些化学物质与混凝土中的一些成分进行化学反应，生成使体积膨胀的物质，引起混凝土结构的开裂和损伤破坏。混规以概念设计进行，以结构的环境类别和设计使用年限作为耐久性设计基础，针对影响耐久性能的主要因素采用相应的措施和构造设计。,11.2.2混凝土结构设计规范对耐久性的设计规定,1混凝土结构使用环境分类混凝土结构是在不同环境下工作的，混凝土结构的耐久性与其使用环境密切相关，对混凝土结构使用环境进行分类，就可以针对不同的环境类别进行耐久性设计，采取相应的措施，保证耐久性的要求。,2.混凝土结构设计使用年限设计规定的一个时
8、期，在这一规定时期内，结构只需进行正常使用和维护就能达到预期目的，完成预定的功能。建筑结构可靠度设计统一标准（GB50068-2001)根据建筑结构的重要程度将混凝土结构的设计使用年限分为四类。(1)纪念性建筑、特别重要的建筑结构：设计使用年限为100年。(2)普通房屋和构筑物：设计使用年限为50年。(3)易于替换的结构构件：设计使用年限为25年。(4)临时性结构：设计使用年限为5年。3耐久性设计的一般规定混凝土保护层厚度、裂缝宽度限值及变形控制等。,11.3受弯构件的变形验算,11.3.1钢筋混凝土梁的抗弯刚度的特点按材力弹性匀质材料受弯构件的挠度可以表示为：钢筋混凝土构件是由钢筋与混凝土这
9、两种受力性能很不相同的材料组成，钢筋混凝土梁，由于材料的非弹性性质和受拉区裂缝的不断开展，梁的刚度不是常数，而是随着荷载的增加不断降低。且开裂截面与非开裂截面的惯性矩（抗弯刚度）也不相同。因此钢筋混凝土结构变形的具体问题就在于确定构件合适的抗弯刚度EI。,按照材料力学，抗弯刚度与截面曲率之间的理论关系为:钢筋混凝土梁，由于材料 的非弹性性质和受拉区裂 缝的不断开展，梁的刚度 不是常数，而是随着荷载 的增加不断降低。对于给定的M，截面抗弯刚度为 M 关系曲线上該弯矩点与原点连线倾角的正切，为区别于弹性抗弯刚度，记为B。如图，曲线可分为三个阶段:（1）开裂前为第阶段，抗弯刚度有所下降，约为B=0.
10、85EI;,（2）开裂后直到钢筋屈服前为第阶段;（3）受拉钢筋屈服后进入第阶段。正常使用阶段，构件处于第阶段，因此抗弯刚度计算要研究构件带裂缝的工作情况。,在第阶段钢筋荷混凝土的应变分布具有如下特征：（1）钢筋 s 应变沿梁轴线方向呈波浪形变化，开裂截面处 s较大，未开裂截面，s随着离裂缝截面距离逐渐增加而减小。用 sm代表钢筋的平均应变，s表示开裂截面处钢筋的应变，将比值=sm/s 定义为钢筋应变不均匀系数。（2）受压区混凝土应变沿梁轴线方向也呈波浪形变化，开裂截面压应变较大，裂缝之间截面压应变较小。同样将压区混凝土平均应变 cm与开裂截面处混凝土压应变 c 的比值c=cm/c 称为混凝土应
11、变不均匀系数。（3）截面中和轴沿梁轴线方向呈波浪形变化，因此截面抗弯刚度沿梁轴线方向也是变化的。可以采用平均抗弯刚度计算变形。,在使用荷载 kM 作用下平均抗弯刚度（称为短期刚度）为：11.3.2刚度公式的建立按照材料力学关于抗弯刚度与截面曲率的关系，根据应变图的平截面假设（几何关系）、应力应变之间的物理关系和截面内力平衡关系，可以建立钢筋混凝土受弯构件的抗弯刚度计算公式。但钢筋混凝土受弯构件的上述三个关系与弹性材料梁有很大差别。（1）几何关系（应变曲率关系）截面平均曲率可以表示为：,（2）物理关系（应力应变关系）对裂缝截面有：（3）平衡关系如图用等效矩形应力图代替压区混凝土实际应力分布曲线，
12、其等效应力为 c，压区高度为 h0，压区混凝土合力点到受拉钢筋合力点之间的距离间的距离（内力偶臂）为 h0，由平衡关系得:有,将前面应力应变关系式以及平均应变和裂缝截面应变关系代入上式，得,使用荷载 M k作用下截面抗弯刚度：11.3.3参数、和（1）开裂截面的内力偶臂系数通常内力偶臂系数 在0.830.93之间波动，混规为简化计算，取=0.87。（2）受压区边缘混凝土平均综合系数实验表明，取决于配筋率和受压区截面的形状，混规取,式中（3）钢筋应变不均匀系数,式中：ftk 混凝土抗拉强度标准制；sk 荷载效应标准值作用下纵向受拉钢筋应力；te 按有效受拉区混凝土面积计算的配筋率，te=As/Ate，对受弯构件可取Ate=0.5bh+(bf-b)hf，bf和hf分别为受拉翼缘的宽度和厚度。当 1.0时，取=1.0；对直接承受重复荷载的构件，取=1.0。因此短期刚度计算公式：,
