新编-水工钢筋混凝土结构分析4-精品课件.ppt
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- 新编 水工 钢筋混凝土 结构 分析 精品 课件
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1、第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.1 概 述 第八章第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 概概 述述在概述中将说明下面在概述中将说明下面5 5个问题:个问题:正常使用极限状态重要性正常使用极限状态重要性结构的极限状态分类结构的极限状态分类 正常使用极限状态可靠度小于承载能力极限状态正常使用极限状态可靠度小于承载能力极限状态抗裂验算与裂缝宽度验算之间的关系抗裂验算与裂缝宽度验算之间的关系要求抗裂的构件(绝大多数构件带裂缝工作)要求抗裂的构件(绝大多数构件带裂缝工作)第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.1 概 述1 1、正常使用极限
2、状态重要性、正常使用极限状态重要性:从钢筋混凝土设计理论看正常使用极限状态重要性。从钢筋混凝土设计理论看正常使用极限状态重要性。钢筋混凝土设计理论经历了三个阶段:钢筋混凝土设计理论经历了三个阶段:容许应力法容许应力法破损阶段法破损阶段法极限状态法极限状态法第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.1 概 述v容许应力法的缺陷容许应力法的缺陷假定混凝土为线性材料不符合实际。假定混凝土为线性材料不符合实际。容许应力取值依靠经验,曾多次提高。容许应力取值依靠经验,曾多次提高。无法用实验验证设计是否可靠。无法用实验验证设计是否可靠。无法得到总的可靠度概念。无法得到总的可靠度概念。无法得到正常使用
3、时的状态,如裂缝宽度与变形。无法得到正常使用时的状态,如裂缝宽度与变形。v破损阶段法的缺陷破损阶段法的缺陷无法了解正常使用阶段是否满足要求,裂缝与变形无法了解正常使用阶段是否满足要求,裂缝与变形。v极限状态法:极限状态法:分承载能力与正常使用二种极限状态:分承载能力与正常使用二种极限状态:承载能力极限状态破损阶段法承载能力极限状态破损阶段法正常使用极限状态抗裂与裂缝宽度、变形正常使用极限状态抗裂与裂缝宽度、变形第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.1 概 述从设计的控制条件看正常使用极限状态重要性。从设计的控制条件看正常使用极限状态重要性。一般,先进行承载能力极限状态的计算,确定钢筋
4、用一般,先进行承载能力极限状态的计算,确定钢筋用量;然后进行正常使用极限状态验算。量;然后进行正常使用极限状态验算。以受弯构件为例:以受弯构件为例:承载能力:承载能力:正截面抗弯:纵向受力钢筋正截面抗弯:纵向受力钢筋 斜截面抗剪:箍筋、弯起钢筋斜截面抗剪:箍筋、弯起钢筋 斜截面抗弯:有弯起钢筋时,斜截面抗弯:有弯起钢筋时,抵抗弯矩图抵抗弯矩图正常使用:抗裂设计:抗裂验算正常使用:抗裂设计:抗裂验算 限裂设计:裂缝宽度限裂设计:裂缝宽度 抗裂或限裂设计:变形验算抗裂或限裂设计:变形验算 8.1 概 述第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算但对水工混凝土结构,但对水工混凝土结构,正常使用极限状
5、态往往是控制正常使用极限状态往往是控制状态。举例:状态。举例:第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.1 概 述第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.1 概 述第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.1 概 述第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.1 概 述输水隧洞输水隧洞闸室中心线结构锚杆第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.1 概 述闸室中心线底块与中间块:底块与中间块:双面双向双面双向25200;上块:上块:竖向:竖向:20200水平:水平:15200但对水工混凝土结构,但对水工混凝土结构,正常使用极限状态往往是控制正常使用极限状态往往是控制
6、状态。举例:状态。举例:v引水隧洞衬砌:在岩石上开挖,衬砌是防止渗漏,减引水隧洞衬砌:在岩石上开挖,衬砌是防止渗漏,减小水阻力。小水阻力。第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.1 概 述第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.1 概 述2 2、结构的极限状态分为两类:、结构的极限状态分为两类:v承载能力极限状态承载能力极限状态:结构或构件达到最大承载力或不适应承载的过大变结构或构件达到最大承载力或不适应承载的过大变形。形。超过该极限状态,结构就不能满足预定的安全性要超过该极限状态,结构就不能满足预定的安全性要求。求。对各种结构构件都应进行该极限状态设计。对各种结构构件都应进行
7、该极限状态设计。采用采用荷载设计值荷载设计值及材料及材料强度设计值强度设计值。荷载效应采用荷载效应采用基本组合基本组合及及偶然组合偶然组合。第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.1 概 述v正常使用极限状态:正常使用极限状态:结构构件达到影响正常使用或耐久性能的某项规定限值。结构构件达到影响正常使用或耐久性能的某项规定限值。采用荷载标准值及材料强度标准值。采用荷载标准值及材料强度标准值。荷载效应采用标准组合。荷载效应采用标准组合。一般只对持久状况进行验算。一般只对持久状况进行验算。验算内容验算内容:抗裂验算、裂缝宽度验算及变形验算。:抗裂验算、裂缝宽度验算及变形验算。第八章 钢筋混凝
8、土构件正常使用极限状态验算 8.1 概 述v抗裂验算范围:抗裂验算范围:承受水压的轴拉、小偏拉构件承受水压的轴拉、小偏拉构件发生裂缝后引起严重渗漏构件。发生裂缝后引起严重渗漏构件。v裂缝宽度验算范围:裂缝宽度验算范围:一般钢筋混凝土构件。绝大多数构件是带裂缝工作的。一般钢筋混凝土构件。绝大多数构件是带裂缝工作的。v变形验算范围:变形验算范围:严格限制变形的构件。如:严格限制变形的构件。如:吊车梁,挠度过大时会妨碍吊车正常行驶;吊车梁,挠度过大时会妨碍吊车正常行驶;闸门顶梁,变形过大时会使闸门顶梁与胸墙底梁之间止闸门顶梁,变形过大时会使闸门顶梁与胸墙底梁之间止水失效。水失效。第八章 钢筋混凝土构
9、件正常使用极限状态验算 8.1 概 述v裂缝宽度验算的目的:裂缝宽度验算的目的:一般的钢筋混凝土构件总是带裂缝工作的。但过宽的裂一般的钢筋混凝土构件总是带裂缝工作的。但过宽的裂缝会产生下列不利影响:缝会产生下列不利影响:心理:心理:过宽的裂缝影响外观,并使人心理上产生不安全过宽的裂缝影响外观,并使人心理上产生不安全感;感;耐久性:耐久性:在裂缝处,缩短了混凝土碳化到达钢筋表面的在裂缝处,缩短了混凝土碳化到达钢筋表面的时间,导致钢筋提早锈蚀,影响结构的耐久性;时间,导致钢筋提早锈蚀,影响结构的耐久性;裂缝面水压:裂缝面水压:当水头较大时,渗入裂缝的水压会使裂缝当水头较大时,渗入裂缝的水压会使裂缝
10、进一步扩展。进一步扩展。因此,而裂缝宽度验算,根据使用要求使裂缝宽度小于因此,而裂缝宽度验算,根据使用要求使裂缝宽度小于相应的限值。相应的限值。第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.1 概 述v裂缝宽度限值的确定:裂缝宽度限值的确定:裂缝宽度限值理应根据下列因素取值:裂缝宽度限值理应根据下列因素取值:结构的功能要求结构的功能要求 环境条件对钢筋的腐蚀影响环境条件对钢筋的腐蚀影响 钢筋种类对腐蚀的敏感性钢筋种类对腐蚀的敏感性 荷载作用时间荷载作用时间 目前,混凝土规范规范考虑裂缝宽度限值的影响因素各目前,混凝土规范规范考虑裂缝宽度限值的影响因素各有侧重,具体规定并不完全一致。有侧重,具
11、体规定并不完全一致。DL/T5057-2009、SL191-2019根据环境类别,规定了最根据环境类别,规定了最大裂缝宽度限值,如附录五表大裂缝宽度限值,如附录五表1所列。所列。3 3、正常使用极限状态可靠度小于承载能力极限状态、正常使用极限状态可靠度小于承载能力极限状态承载能力极限状态:承载能力极限状态:计算计算正常使用极限状态:正常使用极限状态:验算验算v原因是:原因是:正常使用极限状态是在承载能力得到保证前提的正常使用极限状态是在承载能力得到保证前提的验验算算。正常使用极限状态不满足所造成的危害小于承载能。正常使用极限状态不满足所造成的危害小于承载能力极限状态。力极限状态。第八章 钢筋混
12、凝土构件正常使用极限状态验算 8.1 概 述v表现在:表现在:承载能力承载能力 正常使用正常使用荷载:设计值标准值荷载:设计值标准值 强度:设计值标准值强度:设计值标准值结构系数:结构系数:1.2 无无 (DL)设计状况系数:设计状况系数:1.0、0.95 无无 (DL)重要性系数:重要性系数:1.1、1.0、0.90 相同相同(DL)安全系数:安全系数:1.35、1.20、1.15 无无 (SL)第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.1 概 述4 4、抗裂验算与裂缝宽度验算之间的关系、抗裂验算与裂缝宽度验算之间的关系抗裂公式与裂缝宽度公式并不配套。抗裂公式与裂缝宽度公式并不配套。一
13、个构件能满足抗裂验算,但裂缝宽度计算值也许会一个构件能满足抗裂验算,但裂缝宽度计算值也许会很大。很大。对一般的抗裂构件,满足抗裂验算后,不必进行裂缝对一般的抗裂构件,满足抗裂验算后,不必进行裂缝宽度验算。宽度验算。对特别重要的抗裂构件,满足抗裂缝验算后,还须进对特别重要的抗裂构件,满足抗裂缝验算后,还须进行裂缝宽度验算。行裂缝宽度验算。所谓所谓“双控双控”。第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.1 概 述第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.2 抗裂验算 8.1 8.1 抗裂验算抗裂验算8.1.1 8.1.1 轴心受拉构件轴心受拉构件即将开裂时即将开裂时:c=ft;s=sE
14、s=cEs=cEcEs/Ec=E ftcrtcssNf AA0()tcEtstcEstf Af Af AAf A第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.2 抗裂验算 为满足目标可靠指标要求,引进为满足目标可靠指标要求,引进拉应力限制系数拉应力限制系数ct,ft 改用改用 ftk:0kcttkNfA Nk由由荷载标准值计算得到的荷载标准值计算得到的轴向力;轴向力;ftk混凝土轴心抗拉强度混凝土轴心抗拉强度标准值标准值;ct混凝土拉应力限制系数,对荷载效应标准组混凝土拉应力限制系数,对荷载效应标准组 组合,组合,ct=0.85;Ao换算截面面积,换算截面面积,Ao=Ac+EAs,E=Es/
15、Ec;第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.2 抗裂验算v混凝土即将开裂时钢筋的拉应力混凝土即将开裂时钢筋的拉应力2030N/mm2,可,可见此时的钢筋应力是很低的。见此时的钢筋应力是很低的。用增加钢筋面积的方法来用增加钢筋面积的方法来提高构件的抗裂能力是极不合理的。提高构件的抗裂能力是极不合理的。v提高构件抗裂能力的措施主要有:提高构件抗裂能力的措施主要有:加大构件截面尺寸加大构件截面尺寸提高混凝土抗拉强度提高混凝土抗拉强度在局部混凝土中掺入钢纤维在局部混凝土中掺入钢纤维最根本的方法则是采用预应力混凝土构件最根本的方法则是采用预应力混凝土构件 第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态
16、验算 8.2 抗裂验算8.1.2 8.1.2 受弯构件受弯构件 受弯构件正截面即将开裂时,应力处于第受弯构件正截面即将开裂时,应力处于第I阶段末。阶段末。受拉区近似假定为梯形,塑化区占受拉区高度的一半。受拉区近似假定为梯形,塑化区占受拉区高度的一半。利用平截面假定,根据力和力矩的平衡,求出利用平截面假定,根据力和力矩的平衡,求出Mcr。实际的实际的应力与应变图形应力与应变图形 假定的假定的应力图形应力图形 第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.2 抗裂验算 更方便的是在保持更方便的是在保持Mcr相等的条件下,将受拉区梯相等的条件下,将受拉区梯形应力图折换成直线分布应力图。换算后可直接
17、用弹形应力图折换成直线分布应力图。换算后可直接用弹性体的性体的材料力学公式材料力学公式进行计算。进行计算。受弯构件抗裂验算方法受弯构件抗裂验算方法应用材料力学公式应用材料力学公式材力公式适用于均质、线性材料。为能利用材力公材力公式适用于均质、线性材料。为能利用材力公式先进行二方面工作:式先进行二方面工作:将钢筋与混凝土二种材料的构件转化成均质材料。将将钢筋与混凝土二种材料的构件转化成均质材料。将钢筋转化成位置上钢筋转化成位置上E 倍的混凝土。倍的混凝土。第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.2 抗裂验算0cEsEsAAAA000IWhy根据开裂弯矩不变的原则,引入塑性影响系数,将非根
18、据开裂弯矩不变的原则,引入塑性影响系数,将非线性应力图形简化成线性应力图形。线性应力图形简化成线性应力图形。8.2 抗裂验算第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算根据平衡,得极限方程:根据平衡,得极限方程:第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.2 抗裂验算0WM0WMfcrtm将抗拉强度采用标准值,引入拉应力限制系数,来考将抗拉强度采用标准值,引入拉应力限制系数,来考虑可靠度。虑可靠度。0kmcttkMf W 0crmtMfW Mk按荷载标准值计算得到的弯矩值。按荷载标准值计算得到的弯矩值。第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.2 抗裂验算 m值与假定的受拉区应力图形有
19、关,各种截面的值与假定的受拉区应力图形有关,各种截面的m值见值见附录五表附录五表4。m值还与截面高度值还与截面高度h有关。有关。根据根据h值的不同,对值的不同,对m值进行修正,乘以考虑截面高值进行修正,乘以考虑截面高度影响的修正系数,其值不大于度影响的修正系数,其值不大于1.1。h3007.0 0kmcttkMf W 式中:式中:h以以mm计,当计,当h3000mm,取,取h=3000mm。第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.2 抗裂验算v工字形换算截面特征值工字形换算截面特征值0()ffAbhbb h2200()()()222()()fffffEsEsffffEsEshhbhbb
20、bb hhAhAaybhbb hbb hAA()ffEsEsbb hAA333f0f0ff00()()()333b ybbyhb hyI322f0fEs00Es0()()()()3bb hyhA hyA ya第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.2 抗裂验算v单筋工字形换算截面特征值也可按下式计算:单筋工字形换算截面特征值也可按下式计算:hy)425.05.0(E03E0)19.00833.0(bhI第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.2 抗裂验算8.1.3 8.1.3 偏心受拉构件偏心受拉构件把钢筋换算为混凝土截面面积,引入把钢筋换算为混凝土截面面积,引入偏心受拉构件的
21、截偏心受拉构件的截面抵抗矩塑性系数面抵抗矩塑性系数,用材料力学公式进行计算,用材料力学公式进行计算:00kkcttkMNfWA偏拉 Mk按荷载标准值计算得到的弯矩值;按荷载标准值计算得到的弯矩值;Nk按荷载标准值计算得到的弯矩值。按荷载标准值计算得到的弯矩值。关键:关键:?偏拉第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.2 抗裂验算应变梯度定义:应变梯度定义:应变随截面高度的变化率。应变随截面高度的变化率。轴拉构件应变梯度为零,轴拉构件应变梯度为零,轴拉轴拉1,而受弯构件,而受弯构件m1。说说明随应变梯度加大,塑性影响系数加大。明随应变梯度加大,塑性影响系数加大。应变梯度:应变梯度:轴拉构
22、件偏拉构件受弯构件轴拉构件偏拉构件受弯构件塑性影响系数:塑性影响系数:1 轴拉轴拉 m第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.2 抗裂验算假定假定:偏拉偏拉随截面平均拉应力随截面平均拉应力的大小,按线性规律在的大小,按线性规律在1与与m之之间变化。间变化。=0时(受弯),时(受弯),偏拉偏拉=m;=ft时(轴拉),时(轴拉),偏拉偏拉=1。(用(用设计表达式表达相当于设计表达式表达相当于ct ft)0(1)kmmcttkNAf偏拉第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.2 抗裂验算,e0轴向拉力的偏心距。轴向拉力的偏心距。tkctm0km0kfANWM0kkMN e取:取:00
23、000mcttkkmf AWNe AW 则:则:第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.2 抗裂验算8.1.4 8.1.4 偏心受压构件偏心受压构件tkct0k0kfANWM偏压关键:关键:偏压i第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.2 抗裂验算偏压偏压大于大于m,为简化计算并偏于安全取,为简化计算并偏于安全取偏压偏压m。00kkmcttkMNfWA 第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.2 抗裂验算v SL191-2019规范与规范与DL/T5057-2009规范的抗裂验算公规范的抗裂验算公式形式相同。式形式相同。v荷载效应荷载效应(Mk、Mk)计算方法不同的计算
24、方法不同的。在在SL191-2019规范的正常使用极限状态设计表达式中,规范的正常使用极限状态设计表达式中,不考虑结构重要性系数。不考虑结构重要性系数。(Mk、Mk)就是荷载标准值产就是荷载标准值产生的内力总和。生的内力总和。DL/T5057-2009规范的正常使用极限状态设计表达式规范的正常使用极限状态设计表达式中,考虑了结构重要性系数中,考虑了结构重要性系数。(Mk、Mk)就是荷载标准就是荷载标准值产生的内力总和与结构重要性系数的乘积。值产生的内力总和与结构重要性系数的乘积。第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.2 抗裂验算v因而,两本规范所得结论会有所差异。因而,两本规范所得结
25、论会有所差异。v从概念上讲,将具有不同重要性的结构对正常使用限从概念上讲,将具有不同重要性的结构对正常使用限值要求的不同,放在荷载效应中来体现不尽合理。值要求的不同,放在荷载效应中来体现不尽合理。如能放在限值上(如拉应力限制系数的大小、裂缝宽如能放在限值上(如拉应力限制系数的大小、裂缝宽度限值的大小与挠度的大小)来体现更为合理。度限值的大小与挠度的大小)来体现更为合理。第八章 钢筋混凝土构件正常使用极限状态验算 8.2 抗裂验算例题:例题:某压力水管系某压力水管系4级水工建筑物,其内半径级水工建筑物,其内半径r=500mm,管,管壁厚壁厚100mm,采用,采用C25混凝土和混凝土和HRB335
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