第九章
钢筋混凝土受弯构件的应力、裂缝、变形验算钢筋混凝土受弯构件的应力裂缝变形验算Checking Computation of Stress, Crack Checking Computation of Stress Crack and Reflection of RC Flexural Members and Reflection of RC Flexural Members
本章的主要内容：
z钢筋混凝土受弯构件使用阶段的计算特点。
z换算截面的概念以及几何特性的计算。
z 钢筋混凝土短暂状况的应力验算。
z 受弯构件爱你的裂缝及最大裂缝宽度验算。
z受弯构件的变形验算。
z 受弯混凝土结构的耐久性
建筑工程钢筋混凝土构件裂缝、变形验算
z
概述
一、两种极限状态的区别
z承载能力极限状态计算：
讨论构件在各种不同受力状态下的承载力计算，承载力计算是保证结构安全的首要条件，由此决定了构件的尺寸、材料、配筋及构造。
z正常使用极限状态验算：
钢筋混凝土构件除了可能由于强度破坏或失稳等
原因达到承载能力极限状态以外，还可能由于构件变形或裂缝过大等影响构件的适用性及耐久性，而达不到结构正常使用要求。因此，对于所有的钢筋混凝土构件都要求进行承载力计算，而对某些构件，还要根据使用条件进行正常使用极限状态的验算，以保证在正常使用情况下的应力、裂缝和变形小于正常使用极限状态的限值。
二、正常使用极限状态验算的内容：
z施工阶段的砼和钢筋应力验算。
z使用阶段的变形。
z使用阶段的最大裂缝宽度。
三、正常使用阶段的特点（与承载能力极限状态相比）
z计算依据不同：承载能力极限状态是以破坏阶段（Ⅲa）的状态为建立计算图式的基础；而使用阶段一般是指第Ⅱ阶段，即梁带裂缝工作阶段。
z影响程度不同：与承载能力极限状态相比，超过正常使用极限状态所造成的后果（如人员伤亡和经济损失）的危害性和严重性相对要小一些、轻一些，因而可适当放宽对其可靠性的保证率的要求。
z计算的内容不同：
?承载能力极限状态：包括截面设计和截面复核。
其计算决定了构件设计尺寸、材料、配筋数量及钢筋布
M d≤M u。
置，以保证：γ
?正常使用阶段：验算正常使用情况下裂缝宽度和变形小于规范规定的各项限值。
z荷载效应及抗力的取值不同
?承载能力极限状态：汽车荷载应计入冲击系数，作用（或荷载）效应及结构构件的抗力均应采用考虑了分项系数的设计值；在多种作用（或荷载）效应情况下，应将各效应设计值进行最不利组合，并根据参与组合的作用（或荷载）效应情况，取用不同的效应组合系数。
?正常使用极限状态：汽车荷载应可不计冲击系数，作用（或荷载）效应应取用短期效应和长期效应的一种或几种组合。短期效应组合就是永久作用（结构自重）标准值与可变作用频遇值效应的组合；长期效应组合则为永久作用标准值与可变作用准永久值效应的组合
§9.2 换算截面
一、第二工作阶段的基本假定：
z平截面假定
z 弹性体假定（压区砼近似按线性分布）
z受拉区完全不承担拉应力。拉应力完全由钢筋承受。
))
α)β)χ)
η
η
a)开裂截面b)应力分布c)开裂截面的计算图式
二、换算截面
z定义：
将钢筋和混土两种材料组成的实际截面换算成为一种拉压性能相同的假想材料组成的匀质截面即换算截面。
z 换算原则：换算前后合力的大小和作用点的位置不变。
c
sc s s A A σσ=∵c c
c c E εεεεσσ)
(s c εε=平截面假定∴
s
Es A α=s A 式中：sc
A
——钢筋截面积换算成假想的受拉混凝土截面积c s Es E E =α——钢筋混凝土构件截面的换算系数，
即钢筋的换算面积
等于弹性模量比。
三、开裂截面的换算截面
z定义：钢筋混凝土受弯构件受力进入第Ⅱ工作阶段（带裂
缝工作阶段）后，通常假定受拉区混凝土完全不承受拉应力，拉应力由钢筋承受。将受压区的混凝土面积和受拉区的钢筋换算面积所组成的截面称为钢筋混凝土构件开裂截面的换算截面。
ξξ
图9－2 换算截面图
a)原截面b)换算截面
z 几何特性
s
Es sc A bx A bx A α+=+=0?换算截面对中性轴静矩:
0A ?开裂截面的换算截面面积:
S
1受压区2
受拉区
()
x h A S s Es t ?=00α
开裂截面的换算截面惯性矩:cr I ()0x h A bx I s Es cr ?+=α3受压区高度x ：
矩形截面：对于受弯构件，开裂截面的中性轴通过其换算截面的t c S S 00=形心轴，即，得到
??
2s Es A bh b
A αα?
?
T 形截面：
b ′h x ′≤时：按宽度为的矩形截面计算开裂截面的
f f ①换算截面几何特性。
②h x ′>f 时：表明中性轴位于T 形截面的肋部。
?A
B A x +=
h b b h A h b b A 2
′?′+′?′+αα()()B A f
f s Es f
f s Es 0=
=
，换算截面对其中性轴的惯性矩:
cr I
α)β)
ξσσ
图9－3 开裂状态下T形截面换算计算图式
a)第一类T型截面b)第二类T型截面
四、全截面的换算截面
z 定义：砼全截面面积和钢筋的换算面积所组成的截面。z 几何特性：
s
Es
f f A h b b bh A )1()(0?+′?′+=α
22x =
13
23)
)((1)1(h b b x h bh bh I ′?′+?+=1Α
Εσσ
Ασ
图9-4全截面换算示意图
图9-4 全截面换算示意图a)原截面b)换算截面
8钢筋混凝土构件的变形和裂缝宽度验算 一、选择题 1.进行变形和裂缝宽度验算时（） A.荷载用设计值，材料强度用标准值 B.荷载和标准值，材料强度设计值 C.荷载和材料强度均用设计值 D.荷载和材料强度用标准值 2.钢筋混凝土受弯构件的刚度随受荷时间的延续而（） A.增大 B.不变 C.减小 D.与具体情况有关 3.提高受弯构件的刚度（减小挠度）最有效的措施是（） A.提高混凝土强度等级 B.增加受拉钢筋截面面积 C.加大截面的有效高度 D.加大截面宽度 4.为防止钢筋混凝土构件裂缝开展宽度过大，可（） A.使用高强度钢筋 B.使用大直径钢筋 C.增大钢筋用量 D.减少钢筋用量 5.一般情况下，钢筋混凝土受弯构件是（） A.不带裂缝工作的 B.带裂缝工作的 C.带裂缝工作的，但裂缝宽度应受到限制 D.带裂缝工作的，裂缝宽度不受到限制 6.为减小混凝土构件的裂缝宽度，当配筋率为一定时，宜采用（） A.大直径钢筋 B.变形钢筋 C.光面钢筋 D.小直径变形钢筋 7.当其它条件相同的情况下，钢筋的保护层厚度与平均裂缝宽度的关系是( ) A.保护层愈厚,裂缝宽度愈大 B.保护层愈厚,裂缝宽度愈小 C.保护层厚度与裂缝宽度无关 D.保护层厚度与裂缝宽度关系不确定 8.计算钢筋混凝土构件的挠度时需将裂缝截面钢筋应变值乘以不均匀系数 ，这是因为（）。 A.钢筋强度尚未充分发挥 B.混凝土不是弹性材料 C.两裂缝见混凝土还承受一定拉力 D.钢筋应力与应力不成正比
9.下列表达（）为错误。 A.验算的裂缝宽度是指钢筋水平处构件侧表面的裂缝宽度 B.受拉钢筋混凝土应变不均匀系数ψ愈大，表明混凝土参加工作程度愈小 C.钢筋混凝土梁采用高等级混凝土时，承受力提高有限，对裂缝宽度和刚度的影响也很有限 D.钢筋混凝土等截面受弯构件，其截面刚度不随荷载变化，但沿构件长度变化 二、判断题 1.一般来说，裂缝间距越小，其裂缝开展宽度越大。 2.在正常使用情况下，钢筋混凝土梁的受拉钢筋应力越大，裂缝开展宽度也越大。 3.在其它条件不变的情况下，采用直径较小的钢筋可使构件的裂缝开展宽度减小。 4.裂缝间纵向受拉钢筋的应变不均匀系数ψ接近与1时，说明受拉混凝土将完全脱离工作。 5.在钢筋混凝土结构中，提高构件抗裂度的有效办法是增加受拉钢筋用量。 6.无论是受拉构件还是受弯构件，在裂缝出现前后，裂缝处的钢筋应力会发生突变。 7.钢筋混凝土梁抗裂弯矩的大小主要与受拉钢筋配筋率的大小有关。 8.当梁的受压区配有受压钢筋时，可以减小梁在长期荷载作用下的挠度。 9.超过正常使用极限状态所产生的后果较之超过承载力极限状态的后果要严重的多。 三、填空题 1.钢筋混凝土受弯构件的裂缝宽度和挠度是以的应力状态为计算依据的。 2.受弯构件的挠度，在长期荷载作用下将会时间而。着主要是由于影响造成的。 3.裂缝间受拉钢筋应变不均匀系数ψ越大，受弯构件的抗弯刚度越，而混凝土参与受拉工作的程度越。 4.钢筋混凝土梁截面抗弯刚度随弯矩增大而。 5.弹性匀质材料的M-φ关系，当梁的材料和截面尺寸确定后，截面弯抗刚度EI 是，钢筋混凝土梁，开裂后梁的M-φ关系是，其刚度不是，而是随弯矩而变化的值。M小B ，M大B 。 6.减小裂缝宽度最有效的措施是。 7.变形和裂缝宽度控制属于极限状态。应在构件的得到保证的前提下，再验算构件的变形或裂缝宽度。验算时荷载采用，材料强度采用。 8.平均裂缝宽度位置取。
15 裂缝宽度验算：B墙8*15 15．1 基本资料 15．1．1 工程名称：一泵房地下室外墙 15．1．2 矩形截面受弯构件构件受力特征系数αcr ＝ 2.1 截面尺寸 b×h ＝ 1000×500mm 15．1．3 纵筋根数、直径：第 1 种：10Φ20 受拉区纵向钢筋的等效直径 deq ＝∑(ni * di^2) / ∑(ni * υ * di) ＝ 20mm 带肋钢筋的相对粘结特性系数υ ＝ 1 15．1．4 受拉纵筋面积 As ＝ 3142mm 钢筋弹性模量 Es ＝ 200000N/mm 15．1．5 最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区底边的距离 c ＝ 40mm 纵向受拉钢筋合力点至截面近边的距离 as ＝50mm ho ＝ 450mm 15．1．6 混凝土抗拉强度标准值 ftk ＝ 2.2N/mm 15．1．7 按荷载效应的标准组合计算的弯距值 Mk ＝ 226kN·m 15．1．8 设计时执行的规范： 《混凝土结构设计规范》（GB 50010－2002），以下简称混凝土规范 15．2 最大裂缝宽度验算 15．2．1 按有效受拉混凝土截面面积计算的纵向受拉钢筋配筋率ρte，按下式计算：ρte ＝ As / Ate （混凝土规范 8.1.2－4） 对矩形截面的受弯构件：Ate ＝ 0.5 * b * h ＝ 0.5*1000*500 ＝ 250000mm ρte ＝ As / Ate ＝ 3142/250000 ＝ 0.01257 15．2．2 按荷载效应的标准组合计算的纵向受拉钢筋的等效应力σsk，按下列公式计算：受弯：σsk ＝ Mk / (0.87 * ho * As) （混凝土规范 8.1.3－3） σsk ＝ 226000000/(0.87*450*3142) ＝ 184N/mm 15．2．3 裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数ψ，按混凝土规范式 8.1.2－2 计算：ψ ＝ 1.1 - 0.65 * ftk / (ρte * σsk) ＝ 1.1-0.65*2.2/(0.01257*184) ＝ 0.479 15．2．4 最大裂缝宽度ωmax，按混凝土规范式 8.1.2－1 计算： ωmax ＝αcr * ψ * σsk * (1.9 * c + 0.08 * deq / ρte ) / Es ＝ 2.1*0.479*184*(1.9*40+0.08*20/0.0126)/200000 ＝ 0.188mm<0.2mm 9 裂缝宽度验算：A墙4.9*11.9 9．1 基本资料 9．1．1 工程名称：一泵房地下室外墙 9．1．2 矩形截面受弯构件构件受力特征系数αcr ＝ 2.1 截面尺寸 b×h ＝ 1000×500mm 9．1．3 纵筋根数、直径：第 1 种：8Φ20 受拉区纵向钢筋的等效直径 deq ＝∑(ni * di^2) / ∑(ni * υ * di) ＝ 20mm 带肋钢筋的相对粘结特性系数υ ＝ 1 9．1．4 受拉纵筋面积 As ＝ 2513mm 钢筋弹性模量 Es ＝ 200000N/mm 9．1．5 最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区底边的距离 c ＝ 40mm 纵向受拉钢筋合力点至截面近边的距离 as ＝50mm ho ＝ 450mm 9．1．6 混凝土抗拉强度标准值 ftk ＝ 2.2N/mm 9．1．7 按荷载效应的标准组合计算的弯距值 Mk ＝ 188.86kN·m 9．1．8 设计时执行的规范：
第3章 受弯构件正截面承载力 一、判断题 1． 混凝土保护层厚度越大越好。（ x ） 2． 对于' f h x ≤的T 形截面梁，因为其正截面受弯承载力相当于宽度为' f b 的矩形截面梁，所以其配筋率应按0 'h b A f s =ρ来计算。（ x ） 3． 板中的分布钢筋布置在受力钢筋的下面。（ x ） 4． 在截面的受压区配置一定数量的钢筋对于改善梁截面的延性是有作用的。（ ） 5． 双筋截面比单筋截面更经济适用。（ x ） 6． 截面复核中，如果b ξξ>，说明梁发生破坏，承载力为0。（ x ） 7． 适筋破坏的特征是破坏始自于受拉钢筋的屈服，然后混凝土受压破坏。（ ） 8． 正常使用条件下的钢筋混凝土梁处于梁工作的第Ⅲ阶段。（ x ） 9． 适筋破坏与超筋破坏的界限相对受压区高度b ξ的确定依据是平截面假定。（ ） 二、单选题 1．（ ）作为受弯构件正截面承载力计算的依据。 A ．Ⅰa 状态；B. Ⅱa 状态；C. Ⅲa 状态；D. 第Ⅱ阶段。 2．（ ）作为受弯构件抗裂计算的依据。 A ．Ⅰa 状态；B. Ⅱa 状态；C.Ⅲa 状态；D.第Ⅱ阶段。 3．（ ）作为受弯构件变形和裂缝验算的依据。 A ．Ⅰa 状态；B. Ⅱa 状态；C.Ⅲa 状态；D.第Ⅱ阶段。 4．受弯构件正截面承载力计算基本公式的建立是依据哪种破坏形态建立的（ ）。 A 、少筋破坏； B 、适筋破坏； C 、超筋破坏； D 、界限破坏。 5．下列那个条件不能用来判断适筋破坏与超筋破坏的界限（ ）。 A ．b ξξ≤； B ．0h x b ξ≤； C ．' 2s a x ≤； D ．max ρρ≤。 6．受弯构件正截面承载力计算中，截面抵抗矩系数s α取值为：（ ）。 A ．)5.01(ξξ-； B ．)5.01(ξξ+； C ．ξ5.01-； D ．ξ5.01+。 7．受弯构件正截面承载力中，对于双筋截面，下面哪个条件可以满足受压钢筋的屈服（ ） 。 A ．0h x b ξ≤；B ．0h x b ξ>；C ．'2s a x ≥；D ．' 2s a x <。 8．受弯构件正截面承载力中，T 形截面划分为两类截面的依据是（ ）。 A 、计算公式建立的基本原理不同； B 、受拉区与受压区截面形状不同； C 、破坏形态不同； D 、混凝土受压区的形状不同。 9．提高受弯构件正截面受弯能力最有效的方法是（ ）。
第八章混凝土构件变形和裂缝宽度验算 一、填空题： 1、钢筋混凝土构件的变形或裂缝宽度过大会影响结构的适用性、耐久性。 2、规范规定，根据使用要求，把构件在荷载标准值作用下产生的裂缝和变形控制在允许范围内。 3、在普通钢筋混凝土结构中，只要在构件的某个截面上出现的拉应力超过混凝土的抗拉强度，就将在该截面上产生垂直于拉应力方向的裂缝。 4、平均裂缝间距就是指裂缝出齐后的裂缝宽度的平均值。 5、平均裂缝间距的大小主要取决于钢筋和混凝土之间的粘结强度。 6、影响平均裂缝间距的因素有纵筋配筋率、纵筋直径、纵筋表面形状、混凝土保护层厚度。 7、钢筋混凝土受弯构件的截面抗弯刚度是一个变量，它随着荷载值和 加荷时间而变化。 8、钢筋应变不均匀系数的物理意义是反映裂缝之间受拉混凝土与纵向受拉钢筋应变的影响程度。 9、变形验算时一般取同号弯矩区段内弯矩最大截面抗弯刚度作为该区段的抗弯刚度。 10、规范用用长期效应组合挠度增大系数来考虑荷载长期效应对刚度的影响。 二、判断题： 1、混凝土结构构件只要满足了承载力极限状态的要求即可。（×） 2、混凝土构件满足正常使用极限状态的要求是为了保证安全性的要求。（） 3、构件中裂缝的出现和开展使构件的刚度降低、变形增大。（） 4、裂缝按其形成的原因，可分为由荷载引起的裂缝和由变形因素引起的裂缝两大类。（） 5、实际工程中，结构构件的裂缝大部分属于由荷载为主引起的。（） 6、引起裂缝的变形因素包括材料收缩、温度变化、混凝土碳化及地基不均匀沉降等。（） 7、荷载裂缝是由荷载引起的主应力超过混凝土抗压强度引起的。（） 8、进行裂缝宽度验算就是将构件的裂缝宽度限制在规范允许的范围之内。（） 9、规范控制温度收缩裂缝采取的措施是规定钢筋混凝土结构伸缩缝最大间距。（） 10、规范控制由混凝土碳化引起裂缝采取的措施是规定受力钢筋混凝土结构保护层厚度。（） 11、随着荷载的不断增加，构件上的裂缝会持续不断地出现。（）
8.2.5 裂缝宽度验算及减小裂缝宽度的主要措施 对裂缝宽度的限制，应从保证结构耐久性，钢筋不被锈蚀及过宽的裂缝影响结构外观，引起人们心理上的不安两个因素来考虑。 《混凝土结构设计规范》（GB50010）规定，钢筋混凝土构件在荷载的标准组合下，并考虑长期作用影响的最大裂缝宽度，应符合下式规定： （8-20） 式中w max——按荷载的标准组合并考虑长期作用影响计算的构件最大裂缝宽度，按式； w lim——裂缝宽度限值，根据构件所处的环境类别（表8-1）不同，裂缝宽度限值取表8-2中的值。 表8-1 混凝土结构的使用环境类别 表8-2 混凝土结构构件的最大裂缝宽度限值w lim (mm)
《公路钢筋混凝土和预应力混凝土桥涵设计规范》（JTJ023）规定，钢筋混凝土构件在正常使用极限状态下的裂缝宽度，应按作用短期效应组合并考虑长期效应影响进行验算，且不得超过以下规定的限值： 一般环境0.20mm 有气态、液态或固态侵蚀物质环境0.10mm 这里，一般环境系指寒冷和严寒、无侵蚀物质影响的地面和水下及与土直接接触的环境；有气态、液态或固态侵蚀物质环境系指包括海水、使用除冰盐在内及工业污染的环境。 从影响裂缝宽度的主要因素以及两本规范的裂缝宽度计算公式中我们发现，当设计计算发现裂缝宽度超限，或要求减小裂缝宽度时，选择较细直径的钢筋及变形钢筋是最为经济的措施。因为同样面积的钢筋，直径小则其周长与面积比就大，这就增大了钢筋与混凝土间的粘结力，采用变形钢筋亦是这个道理。粘结力大，可使裂缝间距缩短，裂缝即多而密，裂缝间距内钢筋与混凝土之间的变形差就小，裂缝宽度减小。 但是，当采用上述措施仍不能满足要求时，亦可增大钢筋截面面积，从而增大截面的配筋率，减小钢筋的工作应力，减小平均裂缝间距；当然，有时也可采取改变截面形式及尺寸或提高混凝土强度等级等办法。 8.2.6 小结 两本规范的裂缝宽度计算公式相差较大（见表8-3）。从理论基础上看，《混凝土结构设计规范》（GB50010）采用一般裂缝理论，然后通过试验数据统计回归的方法确定其中的系数；《公路钢筋混凝土与预应力混凝土桥涵设计规范》（JTJ023）公式则纯粹是建立在试验统计分析基础上的。但二者所反映的裂缝宽
第4章受弯构件的正截面承载力计算 1．具有正常配筋率的钢筋混凝土梁正截面受力过程可分为哪三个阶段，各有何特点？ 答：第Ⅰ阶段：混凝土开裂前的未裂阶段 当荷载很小，梁内尚未出现裂缝时，正截面的受力过程处于第Ⅰ阶段。由于截面上的拉、压应力较小，钢筋和混凝土都处于弹性工作阶段，截面曲率与弯矩成正比，应变沿截面高度呈直线分布（即符合平截面假定），相应的受压区和受拉区混凝土的应力图形均为三角形。 随着荷载的增加，截面上的应力和应变逐渐增大。受拉区混凝土首先表现出塑性特征，因此应力分布由三角形逐渐变为曲线形。当截面受拉边缘纤维的应变达到混凝土的极限拉应变时，相应的拉应力也达到其抗拉强度，受拉区混凝土即将开裂，截面的受力状态便达到第Ⅰ阶段末，或称为Ⅰa阶段。此时，在截面的受压区，由于压应变还远远小于混凝土弯曲受压时的极限压应变，混凝土基本上仍处于弹性状态，故其压应力分布仍接近于三角形。 第Ⅱ阶段：混凝土开裂后至钢筋屈服前的裂缝阶段 受拉区混凝土一旦开裂，正截面的受力过程便进入第Ⅱ阶段。在裂缝截面中，已经开裂的受拉区混凝土退出工作，拉力转由钢筋承担，致使钢筋应力突然增大。随着荷载继续增加，钢筋的应力和应变不断增长，裂缝逐渐开展，中和轴随之上升；同时受压区混凝土的应力和应变也不断加大，受压区混凝土的塑性性质越来越明显，应力图形由三角形逐渐变为较平缓的曲线形。 在这一阶段，截面曲率与弯矩不再成正比，而是截面曲率比弯矩增加得更快。 还应指出，当截面的受力过程进入第Ⅱ阶段后，受压区的应变仍保持直线分布。但在受拉区由于已经出现裂缝，就裂缝所在的截面而言，原来的同一平面现已部分分裂成两个平面，钢筋与混凝土之间产生了相对滑移。这与平截面假定发生了矛盾。但是试验表明，当应变的量测标距较大，跨越几条裂缝时,就其所测得的平均应变来说，截面的应变分布大体上仍符合平截面假定，即变形规律符合“平均应变平截面假定”。因此，各受力阶段的截面应变均假定呈三角形分布。 第Ⅲ阶段：钢筋开始屈服至截面破坏的破坏阶段 随着荷载进一步增加，受拉区钢筋和受压区混凝土的应力、应变也不断增大。当裂缝截面中的钢筋拉应力达到屈服强度时，正截面的受力过程就进入第Ⅲ阶段。这时，裂缝截面处的钢筋在应力保持不变的情况下将产生明显的塑性伸长，从而使裂缝急剧开展，中和轴进一步上升，受压区高度迅速减小，压应力不断增大，直到受压区边缘纤维的压应变达到混凝土弯曲受压的极限压应变时，受压区出现纵向水平裂缝，混凝土在一个不太长的范围内被压碎，从而导致截面最终破坏。我们把截面临破坏前（即第Ⅲ阶段末）的受力状态称为Ⅲa阶段。 在第Ⅲ阶段，受压区混凝土应力图形成更丰满的曲线形。在截面临近破坏的Ⅲa阶段，受压区的最大压应力不在压应变最大的受压区边缘，而在离开受压区边缘一定距离的某一纤维层上。这和混凝土轴心受压在临近破坏时应力应变曲线具有“下降段”的性质是类似的。至于受拉钢筋，当采用具有明显流幅的普通热轧钢筋时，在整个第Ⅲ阶段，其应力均等于屈服强度。 2．钢筋混凝土梁正截面受力过程三个阶段的应力与设计有何关系？ 答：Ⅰa阶段的截面应力分布图形是计算开裂弯矩M cr的依据；第Ⅱ阶段的截面应力分布图形是受弯构件在使用阶段的情况，是受弯构件计算挠度和裂缝宽度的依据；Ⅲa阶段的截面应力分布图形则是受弯构件正截面受弯承载力计算的依据。 3．何谓配筋率？配筋率对梁破坏形态有什么的影响？ 答：配筋率ρ是指受拉钢筋截面面积A s与梁截面有效面积bh0之比（见图题3-1），即
第十章受弯构件的裂缝与变形验算 第一节概述 1. 一、钢筋混凝土受弯构件在使用阶段的计算特点： 1.使用阶段一般指梁带裂缝工作阶段。 2.使用阶段计算是按照构件使用条件对已设计的构件进行计算，以保证在使用情况下的应力、裂缝和变形小于正常使用极限状态的限值。当构件验算不满足要求时，必须按承载能力极限状态要求对已设计好的构件进行修正、调整，直至满足两种极限状态的设计要求。 3.使用阶段计算中涉及到的内力，是各种使用荷载在构件截面上各自产生的同类型内力，按荷载组合原则简单叠加，不带任何荷载系数。 二、结构按正常使用极限状态设计采用的两种效应组合： 1 1.作用短期效应组合。 永久作用标准值效应与可变作用频遇值效应相组合，其效应组合表达式为： 2 2.作用长期效应组合。 永久作用标准值效应与可变作用准永久值效应相组合，其效应组合表达式为：
第二节换算截面 一、基本假定 二、截面变换 三、换算截面的几何特性表达式 一、基本假定 1.平截面假定。 2.弹性体假定。 3.受拉区出现裂缝后，受拉区的混凝土不参加工作，拉应力全部由钢筋承担。 4.同一强度等级的混凝土，其拉、压弹性模量视为同一常值，不随应力大小而变，从而钢筋的弹性模量和混凝土的弹性模量之比值为一常数值，即/。与混凝土的强度等级有关。《公桥规》规定钢筋混凝土构件的截面换算系数。 二、截面变换 将截面受拉区纵向受拉钢筋的截面面积换算成假想的能承受拉应力的混凝土截面面积，如图。 并满足： 1、虚拟混凝土块仍居于钢筋的重心处且应变相同，即 2、虚拟混凝土块与钢筋承担的内力相同，即
由虎克定律(Hookelaw)得： 根据换算截面面积承受拉力的作用应与原钢筋的作用相同的原则可得 所以， 上式表明，截面面积为的纵向受拉钢筋的作用相当于截面面积为的受拉混凝土的作用，即称为钢筋的换算截面面积。
第八章钢筋混凝土构件裂缝及变形的验算 一、填空题 1.混凝土构件裂缝开展宽度及变形验算属于极限状态的设计要求，验算时材料强度采用。 2. 是提高钢筋混凝土受弯构件刚度的最有效措施。 3. 裂缝宽度计算公式中的，σsk是指，其值是按荷载效应的 组合计算的。 4.钢筋混凝土构件的平均裂缝间距随混凝土保护层厚度的增大而。用带肋变形钢筋时的平均裂缝间距比用光面钢筋时的平均裂缝间距_______（大、小）些。 5.钢筋混凝土受弯构件挠度计算中采用的最小刚度原则是指在弯矩范围内，假定其刚度为常数，并按截面处的刚度进行计算。 6.结构构件正常使用极限状态的要求主要是指在各种作用下和 不超过规定的限值。 7.裂缝间纵向受拉钢筋应变的不均匀系数Ψ是指 之比，反映了裂缝间参与工作的程度。 8.平均裂缝宽度是指位置处构件的裂缝宽度。 二、选择题 1. 计算钢筋混凝土梁的挠度时，荷载采用（） A、平均值； B、标准值； C、设计值。 2. 当验算受弯构件挠度时，出现f>[f]时，采取（）措施最有效。 A、加大截面的宽度； B、提高混凝土强度等级； C、加大截面的高度； D、提高钢筋的强度等级。 3. 验算受弯构件裂缝宽度和挠度的目的是（）。 A、使构件能够带裂缝工作； B、使构件满足正常使用极限状态的要求； C、使构件满足承载能力极限状态的要求； D、使构件能在弹性阶段工作。 4. 钢筋混凝土轴心受拉构件的平均裂缝间距与纵向钢筋直径及配筋率的关系是（）。 A、直径越大，平均裂缝间距越小； B、配筋率越大，平均裂缝间距越大； C、直径越小，平均裂缝间距越小；
5. 钢筋混凝土梁截面抗弯刚度随荷载的增加及持续时间增加而（）。 A、逐渐减小； B、逐渐增加； C、保持不变； D、先增加后减小。 6. 裂缝间钢筋应变的不均匀系数Ψ的数值越大，说明（）。 A、裂缝之间混凝土的应力越大； B、裂缝之间钢筋应力越小； C、裂缝之间混凝土的应力越小； D、裂缝之间钢筋应力为零。 7. 当其他条件完全相同，根据钢筋面积选择钢筋直径和根数时，对裂缝有利的选择是（）。 A、较粗的变形钢筋； B、较粗的光面钢筋； C、较细的变形钢筋； D、较细的光面钢筋。 三、判断题 1.钢筋混凝土梁在受压区配置钢筋，将增大长期荷载作用下的挠度（）。 2.粘结应力的传递长度与裂缝间距有很大关系。传递长度短,则裂缝分布稀;反之则密（）。 3.为了控制裂缝，在普通混凝土中，不宜采用高强钢筋（）。 4.进行结构构件的变形验算时，采用荷载的标准值、准永久值和材料的设计值（）。 5.由于构件的裂缝宽度和变形随时间而变化，因此进行裂缝宽度和变形验算时，还应考虑长期作用的影响（）。 6.受压翼缘的存在使受弯构件的短期刚度 Bs 降低（）。 7.钢筋混凝土梁的截面刚度随着荷载的大小及持续时间的变化而变化（）。 8.当纵向受拉钢筋的面积相等时，选择较细直径的变形钢筋可减少裂缝宽度（）。 9.Ψ表示裂缝间受拉混凝土协助钢筋抗拉工作的程度，当Ψ＝1时，表示混凝土的协助能力最强（）。 10.平均裂缝宽度是平均裂缝间距之间沿钢筋水平位置处钢筋和混凝土总伸长之差（）。 四、问答题 1.何谓“最小刚度原则”? 2.简述裂缝控制等级的划分、对允许出现裂缝的构件其裂缝宽度为何加以限制、需进行裂缝宽度验算的构件有哪些。 3.裂缝间钢筋应变不均匀系数Ψ的物理意义是什么？《规范》是如何确定这个系数的？ 4．在受弯构件的受压区配置钢筋为什么会影响构件的长期刚度B?
第十章混凝土构件变形和裂缝宽度验算 一、填空题： 1．验算钢筋混凝土构件抗裂度、裂缝宽度和变形时，荷载采用值，混凝土强度用强度。 2．其他条件相同时，配筋率愈高，平均裂缝间距愈，平均裂缝宽度愈。其他条件相同时，混凝土保护层愈厚，平均裂缝宽度愈。 3、平均裂缝间距的大小主要取决于。 4、钢筋应变不均匀系数的物理意义是。 5、变形验算时一般取同号弯矩区段内截面抗弯刚度作为该区段的抗弯刚度。 6、规范用来考虑荷载长期效应对刚度的影响。 二、判断题： 1．裂缝的开展是由于混凝土的回缩，钢筋的伸长，导致混凝土与钢筋之间产生相对滑移的结果（）。 2．当计算最大裂缝宽度超过允许值不大时，可以通过增加保护层厚度的方法来解决。（） 3．配筋率较低的受弯构件，正截面强度低，裂缝宽度易满足（） 4．受弯构件考虑长期荷载作用时的刚度时，将荷载乘以刚度降低系数θ，且1 θ（）θ为挠度增 < 大系数，大于1 5、实际工程中一般采用限制最大跨高比来验算构件的挠度。（） 6、裂缝按其形成的原因，可分为由荷载引起的裂缝和由变形因素引起的裂缝两大类。（） 7．裂缝宽度计算中的 σ是按阶段Ⅱ末即Ⅱa应力状态建立的（）是按阶段Ⅱ应力状态建立的 s 8、混凝土构件满足正常使用极限状态的要求是为了保证安全性的要求。（） 9、规范控制温度收缩裂缝采取的措施是规定钢筋混凝土结构伸缩缝最大间距。（） 10、有效配筋率 ρ是所有纵向受拉钢筋对构件截面的配筋率。（） te 11、当纵向受拉钢筋的面积相等时，选择较细直径的变形钢筋可减小裂缝宽度。（） 12、减小裂缝宽度的首选措施是增加受拉钢筋的配筋率。（） 13、 ρ相同时，钢筋直径小者平均裂缝间距大些。（×） te 三、选择题： 1．下面的关于受弯构件截面弯曲刚度的说明错误的是（）。 A．截面弯曲刚度随着荷载增大而减小； B．截面弯曲刚度随着时间的增加而减小； C．截面弯曲刚度随着变形的增加而减小； D．截面弯曲刚度不变； 2．钢筋混凝土构件变形和裂缝验算中关于荷载、材料强度取值说法正确的是（）。 A．荷载、材料强度都取设计值；
1.单筋矩形截面 例4-1 已知矩形截面简支梁(见图4-19)，混凝土保护层厚为20mm(一类环境)，梁计算跨度l 0=5m ，梁上作用均布永久荷载(已包括梁自重)标准值g k =6kN/m ，均布可变荷载标准值q k =15kN/m 。选用混凝土强度等级C20，钢筋HRB335级。试确定该梁的截面尺寸b ×h 及配筋面积A s 。 图4-18 例题4-1图 解： （1） 设计参数 由附表2和附表6查得材料强度设计值，C20混凝土f c =9.6N/mm 2，f t =1.1N/mm 2，HRB335级钢筋f y =300N/mm 2，等效矩形图形系数α1=1.0。设该梁的箍筋选用直径为φ8的HPB300钢筋。 （2） 计算跨中截面最大弯矩设计值 22011 (1.2 1.4)(1.26 1.415)588.12588 k k M g q l KN m =+=?+??=? （3）估计截面尺寸b h ? 由跨度选择梁截面高度 450h mm =（ 1 11 l ），截面宽度 b =200mm （12.25h ）， 取简支梁截面尺寸 200450 b h m m m m ?=? （4）计算截面有效高度0h 先按单排钢筋布置，取受拉钢筋形心到受拉混凝土边缘的距离 a s = c+d v +d /2≈40mm ，取a s =40mm ，则梁有效高度 h 0=h -a s =450-40=410mm 。 （5）计算配筋 6 ,max 22 1088.125100.2730.3991.09.6200410 s s c M f bh ααα?===<=???
满足适筋梁的要求。 112)1120.2730.326s ξα=--=--?= 20 0.3262004109.6855300 c s y f A bh mm f ξ???=== 由附表16，选用3 20钢筋，A s =942mm 2。 （6）验算最小配筋率 min min 0.45 0.00165941 0.010******* 0.002 t s y f A f bh ρρρ>=== ==?>= 满足要求。 （7）验算配筋构造要求 钢筋净间距为 200282203 425m m d 20m 22 mm -?-?>>== 满足构造要求。 例4-2 某钢筋混凝土矩形截面梁，混凝土保护层厚为25mm(二a 类环境)，b =250mm ，h =500mm ，承受弯矩设计值M =160KN m ?，采用C20级混凝土，HRB400级钢筋，箍筋直径为φ8，截面配筋如图4-19所示。复核该截面是否安全。 解： （1）计算参数 由附表2和附表6查得材料强度设计值，C20级混凝土，等效矩形图形系数 1.0α=，29.6/c f N mm =，21.1/t f N mm =，HRB400级钢筋，钢筋面积21256s A mm =，2360/y f N mm =，0.518b ξ=。 （2）计算截面有效高度0h 因混凝土保护层厚度为25mm(二a 类环境)，得截面有效高度
第4章 受弯构件的计算原理 4.1 概述 受弯构件：承受横向荷载和弯矩的构件。 单向受弯构件——只在一个主平面内受弯。 双向受弯构件——在两个主平面内同时受弯。 钢结构受弯构件保证项目： （1）承载力极限状态 抗弯强度 抗剪强度 整体稳定性 受压翼缘的局部稳定性 不利用腹板屈曲后强度的构件，还要保证腹板的局部稳定性。 （2）正常使用极限状态 刚度 4.2 受弯构件的强度和刚度 4.2.1 弯曲强度 nx x W M = σ （4。2。1） 正应力分布见图： 单向受弯梁的抗弯强度： f W M nx x x ≤γ （4。2。2） 双向受弯梁的抗弯强度： f W M W M ny y y nx x x ≤+γγ （4。2。3） x γ——塑性发展系数。需计算疲劳的梁，不宜考虑塑性发展，取1.0。
4.2.2 抗剪强度 单向抗剪强度 t I S V x x y =τ （4。2。4） 双向抗剪强度 t I S V t I S V y y x x x y +=τ （4。2。5） 验算条件： v f ≤max τ （4。2。6） 4.2.3 局部压应力 f l t F z w c ≤=ψσ （4。2。7） 跨中集中荷载： y R z h h a l 52++= （4。2。8） 支座处： b h a l y z ++=5.2 （4。2。8） b ——梁端到支座边缘距离，如b 大于2.5h y ，取2.5h y 。 4.2.4 折算应力 第四强度理论：在复杂应力状态下，若某一点的折算应力达到钢材单向拉伸的屈服点，则该点进入塑性状态。 折算应力f c c z 12223βτσσσσσ≤+-+= （4。2。10） 1y I M x x =σ （4。2。11） 4.2.5 受弯构件的刚度 标准荷载下的挠度大小。 ][v v ≤ （4。2。12）
1 、一般构造要求 受弯构件正截面承载力计算 1 、配筋率对构件破坏特征的影响及适筋受弯构件截面受力的几个阶段 受弯构件正截面破坏特征主要由纵向受拉钢筋的配筋率ρ大小确定。配筋率是指纵受受拉钢筋的截面面积与截面的有效面积之比。 （3－1）
式中As——纵向受力钢筋的截面面积，； b——截面的宽度，mm； ——截面的有效高度， ——受拉钢筋合力作用点到截面受拉边缘的距离。 根据梁纵向钢筋配筋率的不同，钢筋混凝土梁可分为适筋梁、超筋梁和少筋梁三种类型，不同类型梁的破坏特征不同。 (1)适筋梁 配置适量纵向受力钢筋的梁称为适筋梁。 适筋梁从开始加载到完全破坏，其应力变 化经历了三个阶段，如图3.8。 第I阶段（弹性工作阶段）：荷载很小时， 混凝土的压应力及拉应力都很小，梁截面 上各个纤维的应变也很小，其应力和应变 几乎成直线关系，混凝土应力分布图形接 近三角形，如图3.8（a）。 当弯矩增大时，混凝土的拉应力、压应力 和钢筋的拉应力也随之增大。由于混凝土 抗拉强度较低，受拉区混凝土开始表现出 明显的塑性性质，应变较应力增加快，故 应力和应变不再是直线关系，应力分布呈 曲线， 当弯距增加到开裂弯距时，受拉边缘纤维的应变达到混凝土的极限拉应变，此时， 截面处于将裂未裂的极限状态，即第I阶段末，用Ia表示，如图3.13(b)所示。这时受压区塑性变形发展不明显，其应力图形仍接近三角形。Ia阶段的应力状态是抗裂验算的依据。 第Ⅱ阶段（带裂缝工作阶段）：当弯矩继续增加时，受拉区混凝土的拉应变超过其极其拉应变，受拉区 出现裂缝，截面即进入第Ⅱ阶段。裂缝出现后，在裂缝截面处，受拉区混凝土大部分退出工作，未开裂部分混凝土虽可继续承担部分拉力，但因靠近中和轴很近，故其作用甚小，拉力几乎全部由受拉钢筋承担，在裂缝出现的瞬间，钢筋应力突然增加很大。随着弯矩的不断增加，裂缝逐渐向上扩展，中和轴逐渐上移。由于受压区应变不断增大，受压区混凝土呈现出一定的塑性特征，应力图形呈曲线形，如图3.8?所示。第Ⅱ阶段的应力状态代表了受弯构件在使用时的应力状态，故本阶段的应力状态作为裂缝宽度和变形验算的依据。 当弯矩继续增加，钢筋应力不断增大，直至达到屈服强度，这时截面所能承担的弯矩称为屈服弯矩。 它标志截面即将进入破坏阶段，即为第Ⅱ阶段极限状态，以Ⅱa表示，如图3.8(d)所示。 第Ⅲ阶段（破坏阶段）：弯矩继续增加，截面进入第Ⅲ阶段。这时受拉钢筋的应力保持屈服强度不变，钢筋的应变迅
12受弯构件的挠度 12.1 挠度的限值 受弯构件在荷载作用下如果产生较大的挠度，会给使用者不舒适和不安全的感觉，还会 发生使某些附着物如天花板抹灰等脱落等病害。因此规范对不同材料、不同类型的受弯构件 规定了挠度的限值。 对钢筋混凝土受弯构件允许的最大挠度，《混规》要求： 受弯构件的挠度限值表3.3.2 12.2挠度计算 挠度计算属于正常使用状态下的验算。计算时构件的挠度时，内力和材料强度要使用标准值。 钢梁的挠度计算比较简单，应用材料力学的挠度公式就可以。对于型钢梁，截面几何特 性都可以查表得到。 在挠度计算时，常用到截面抗弯刚度。对于较理想的弹性材料如钢材，截面抗弯刚度就是弹性模量和截面惯性矩的乘积EI。对于钢筋混凝土，情况则复杂得多：混凝土受弯构件 的底部是有裂缝的，裂缝处的截面高度，不再是截面的外部尺寸；钢筋混凝土是两种材料复合构成的；混凝土也不完全是弹性的材料；混凝土有徐变的性质，变形会逐渐加大。因此，在混凝土受弯构件挠度计算中，虽然仍然使用材料力学的挠度公式，但是使用了截面抗弯刚度这样一个综合的截面性质来替代材料力学公式中的 EI。混凝土受弯构件挠度计算的关键
就是计算截面抗弯刚度。在长期荷载作用下，混凝土受弯构件的刚度会逐渐减小，这是由于 徐变等原因造成的。在计算挠度时，要考虑这种影响。 对一般钢筋混凝土受弯构件的挠度计算， 《混规》有： 第821条 钢筋混凝土和预应力混凝土受弯构件在正常使用极限状态下的挠度，可根据 构件的刚度用结构力学方法计算。 在等截面构件中，可假定各同号弯矩区段内的刚度相等， 并取用该区段内最大弯矩处的刚 度。当计算跨度内的支座截面刚度不大于跨中截面刚度的两倍或不小于跨中截面刚度的二分 之一时，该跨也可按等刚度构件进行计算，其构件刚度可取跨中最大弯矩截面的刚度。 受弯构件的挠度应按荷载效应标准组合并考虑荷载长期作用影响的刚度 B 进行计算，所求 得的挠度计算值不应超过本规范表 332规定的限值。 第8.2.2条 矩形、T 形、倒T 形和I 形截面受弯构件的刚度 B,可按下列公式计算： B = ---- 业 -- B. 气(一 1)+屹 (8.2.2) 式中 M k --按荷载效应的标准组合 计算的弯矩，取计算区段内的最大弯矩值； M q --按荷载效应的准永久组合 计算的弯矩，取计算区段内的最大弯矩值； B s --荷载效应的标准组合作用下受弯构件的 短期刚度，按本规范第8.2.3条的公式计算; 0 --考虑荷载长期作用对挠度增大的影响系数，按本规范第 8.2.5条取用。 第8.2.3条在荷载效应的标准组合作用下，受弯构件的短期 刚度B s 可按下列公式计算 钢筋混凝土受弯构件 〔」5炉+山2+ 1 + 3.5/； 式中 a E --钢筋弹性模量与混凝土弹性模量的比值 ：a E =E S /E C ； P --纵向受拉钢筋配筋率：对钢筋混凝土受弯构件，取 p =A/(bh 0); I 0--换算截面惯性矩; Y f --受拉翼缘截面面积与腹板有效截面面积的比值; (8.2.3-1) “--裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数 ，按本规范第8.1.2条确定;
最大裂缝宽度允许值 《混凝土结构设计规范》（GBJ 10-89） 钢筋混凝土和预应力混凝土结构构件的裂缝控制等级、混凝土拉应力限制 系数α ct 及最大裂缝宽度允许值，应根据结构构件的工作条件和钢筋种类按表3.3.4采用。对裂缝控制有特殊要求的构件，表规定的数值应适当减小；有可靠的工程经验时，对预应力混凝土构件的抗裂要求可适当放宽。 裂缝控制等级、混凝土拉应力限制系数及最大裂缝宽度允许值（mm）表3.3.4 钢筋种类钢筋混凝土结构预应力混凝土结构 结构构件工作条件Ⅰ级钢筋 Ⅱ级钢筋 Ⅲ级钢筋 冷拉Ⅱ级钢筋 冷拉Ⅲ级钢筋 冷拉Ⅳ级钢筋 碳素钢丝 刻痕钢丝 钢绞线 热处理钢筋 冷拔低碳钢丝 室 内 一般构件 三级 （） 三级二级 αct＝屋面梁、托梁 三级二级 αct＝ 二级 αct＝
注：①属于露天或室内高湿度环境一栏的结构构件系指：直接受雨淋的构件；无围护结构的房屋中经常受雨淋的构件；经常受蒸汽或凝结水作用的室内构件（如浴室等）；与土壤直接接触的构件； ②对处于年平均相对湿度小于60％地区、且可变荷载标准值与恒荷标准值之比大于的受弯构件，其最大裂缝宽度允许值可采用括弧内的数字； ③对承受二台及二台以上的相同吨位、且起重量不大于50t的中级工作制吊车的预应力混凝土等截面高度吊车梁，当采用冷拉Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级钢筋时，可根据使用要求，选用允许出现裂缝的预应力混凝土构件，其正截面的最大裂缝宽度允许值采用； ④采用冷拉Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级钢筋的承受重级工作制吊车的预应力混凝土吊车梁，当处于露天或室内高湿度环境，其裂缝控制等级不变，混凝土拉应力限制系数αct应取；
⑤烟囱、筒仓及处于液体压力下的结构构件，其裂缝控制要求应符合现行专门规范的有关规定； ⑥表中预应力结构构件的混凝土拉应力限制系数及最大裂缝宽度允许值仅适用于正截面的验算，斜截面的验算应符合本规范第五章的规定。