钢筋混凝土梁裂缝计算
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第九章混凝土结构的使用性能—开裂和挠度一、概述二、裂缝的类型三、构件的开裂内力四、裂缝宽度的计算理论五、裂缝的控制六、受弯构件的变形与刚度结构构件的可靠性具有足够的承载力和变形能力安全性:适用性:耐久性:在使用荷载下不产生过大的裂缝和变形在一定时期内维持其安全性和适用性的能力极限状态设计理论承载能力极限状态:正常使用极限状态:混凝土结构的使用性能包括裂缝、挠度、振动、疲劳等裂缝控制、变形控制和振动控制混凝土结构的极限荷载下的强度产生裂缝的原因:在混凝土结构中裂缝通常是由拉应力引起的。
因混凝土的极限拉伸应变εt u 随混凝土品种、配合比、添加剂、养护条件、加载速度、截面上的应力梯度等不同会发生变化。
严格地说,只有当混凝土的拉伸应变εt 达到某处混凝土的极限拉应变εt u 时才会出现裂缝。
1. 受力裂缝:拉、弯、剪、扭、粘结等引起的裂缝斜裂缝!!垂直裂缝!目前,只有拉、弯状态下混凝土横向裂缝宽度的计算理论比较成熟钢筋混凝土轴心受拉构件,贯穿整个截面宽度的裂缝为“主裂缝”;用变形钢筋钢筋配筋的构件,在主裂缝之间还出现有位于钢筋附近的短的“次裂缝”,有人称之为“粘结裂缝”。
当钢筋应力接近屈服时,将出现沿钢筋的纵向裂缝。
在梁中,主裂缝首先从受拉区边缘开始向中和轴发展,同样在主裂缝之间可以看到短的次裂缝。
梁高较大的T形梁或工字形梁中,钢筋附近的次裂缝可发展成与主裂缝相交的“枝状裂缝”(图c)。
在厚度较大的单向板或墙中(图d所示为板底面的裂缝)同样会产生这种“枝状裂缝”。
枝状裂缝在梁腹或钢筋间距中间处的裂缝宽度要比钢筋处的裂缝宽度大得多。
承受剪力和扭矩的构件,将出现垂直于主拉应力方向的裂缝。
钢筋混凝土结构在轴压力或压应力作用下也可能产生裂缝,例如梁受压区顶部的水平裂缝、薄腹梁端部连接集中荷载和支座的斜向受压裂缝、螺旋箍筋柱沿箍筋外沿的纵向裂缝、局部承压和预应力筋锚固端的局部裂缝等。
发生受压裂缝时,混凝土的应变值一般都超过了单轴受压峰值应变,临近破坏,使用阶段中应予避免。
Step00目录钢筋混凝土梁裂缝分析▪混凝土裂缝模型介绍▪模型概要- 单位: kN, m- 各向同性非线性材料- 钢筋单元- 实体单元▪荷载和边界条件- 自重- 恒载- 约束- 分析工况▪输出结果-变形- 钢筋应力•裂缝模型(1)分离式裂缝模型:当应力值达到开裂应力时,混凝土开裂,单元将在节点两侧分离,裂缝成为单元与单元之间的边界。
分析过程需要不断调整单元的网格划分;可以模拟裂缝的开展及计算裂缝的宽度。
多用于分析只有一条或几条关键裂缝的素混凝土或少筋混凝土结构。
132钢筋混凝土梁裂缝分析•裂缝模型(2)弥散式裂缝模型:当应力值达到开裂应力时,则垂直于拉应力的方向生成若干条裂缝。
通过修改材料本构模型来考虑裂缝的影响;无需修改单元网格,易于有限元程序实现,应用广泛。
对正常配筋构件,该裂缝模型结果更接近工程实际。
•裂缝模型(3)断裂力学模型:研究带裂缝构件在各种条件下裂缝的扩展、失稳和断裂规律;主要集中于单个裂缝的应力应变场分布问题;对于裂缝间相互影响问题,研究还不成熟。
•裂缝数值分析方法(1)分解应变模型总应变=材料应变+裂缝应变;材料应变:弹性应变,塑性应变,徐变,热应变;(2)总应变模型不分离各种应变,含裂缝的受拉受压分析中使用同一个本构关系;易于定义非线性特性,易于理解和应用。
钢筋混凝土梁裂缝分析133•总应变模型(1)固定裂缝模型混凝土开裂后,裂缝方向保持不变(2)转动裂缝模型裂缝方向始终保持与主拉应变方向垂直,因而随主拉应变方向变化钢筋混凝土梁裂缝分析 •刚度矩阵(1)开裂前 (2)开裂后⎪⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⎪⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧xz yz xy z y x 665544333231232221131211xz yz xy z y x D 000000D 000000D 000000D D D 000D D D 000D D D γγγεεετττσσσ)1(2E D D D )21)(1(E D D D )21)(1()1(E D D D c 665544c 231312c 332211υυυυυυυ+===-+===-+-===根据混凝土受拉、受压、受剪本构关系,考虑开裂影响,对刚度矩阵进行更新 134•刚度矩阵(1)切线刚度矩阵根据应力应变曲线,得到切线方向的弹性模量,计算刚度矩阵(2)割线刚度矩阵根据应力应变曲线,得到割线方向的弹性模量,计算刚度矩阵江见鲸《钢筋混凝土结构非线性有限元分析》应力应变关系采用全量形式时,弹性模量应采用割线模量,即采用割线刚度矩阵应力应变关系采用增量形式时,弹性模量应采用切线模量,即采用切线刚度矩阵FEA分析与计算原理切线刚度矩阵:局部裂缝或裂缝扩展分析;割线刚度矩阵:裂缝呈分布状态的钢筋混凝土结构;不考虑各方向泊松比;•混凝土受压本构关系钢筋混凝土梁裂缝分析135•混凝土受拉本构关系G I f: I型断裂能(形成断裂面所需消耗的能量)(1976) A.hillerborg 裂缝尖端应力达到抗拉强度,开始出现裂缝,裂缝张开时,应力并不马上降低为0,而是随着裂缝宽度的增加而降低。
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。
取单位长度外梁根部截面尺寸:0.2m ×1.0mT 梁悬臂单位重量:0.2×1.0×26=5.2KN/m缆索齿块单位重量:0.5×(0.4+0.5)×0.5×3.5×26=20.5KN/m人行道板单位重梁:(0.42+0.095)×26÷2.5=5.4KN/m人群单位荷载为:3.5KN/m栏杆单位重量: 5KN/m端部弯矩为:(5.2+20.5+5.4+3.5+5)×1.05×1.05×0.5=21.8KNm根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》第6.4.4条中推荐的方法,可算的受弯构件根部最大裂缝截面单侧钢筋配10Φ12, As=1130.4mm2021800158.30.870.871130.40.14s ss s M MPa A h σ===⨯⨯ 同时, 钢筋配筋率631130.410 5.66101.00.2ρ--⨯==⨯⨯ 因此,可算得正常使用极限状态荷载短期组合作用下,此部位的裂缝宽度为:. 12353300.2810158.330121 1.4770.90.130.22100.2810 5.6610ss fk s dW C C C E mm mm σρ-⎛⎫+= ⎪+⎝⎭+⎛⎫=⨯⨯⨯⨯=< ⎪⨯+⨯⨯⎝⎭取纵向单位计算人行道板人行道板跨中截面尺寸为:0.07m ×1.0m缆索齿块单位重量:0.5×(0.4+0.5)×0.5×3.5×26=20.5KN/m人行道板单位重梁:(0.42+0.095)×26÷2.5=5.4KN/m人群单位荷载为:3.5KN/m人行道板按简支验算人行道板中部跨中弯矩为:0.125×(20.5+5.4+3.5)×1.4×1.4=7.3KNm根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》第6.4.4条中推荐的方法,可算的受弯构件跨中最大裂缝截面单侧钢筋配10Φ12, As=1130.4mm207300106.40.870.871130.40.07s ss s M MPa A h σ===⨯⨯ 同时, 钢筋配筋率621130.410 1.62101.00.07ρ--⨯==⨯⨯ 因此,可算得正常使用极限状态荷载短期组合作用下,此部位的裂缝宽度为:. 12352300.2810106.430121 1.4770.90.070.22100.2810 1.6210ss fk s dW C C C E mm mm σρ-⎛⎫+= ⎪+⎝⎭+⎛⎫=⨯⨯⨯⨯=< ⎪⨯+⨯⨯⎝⎭。
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。
<top>三、换算截面的几何特性表达式(一)、单筋矩形截面1、换算截面面积:2、换算截面对中性轴的静矩:2、换算截面对中性轴的静矩:受压区:受拉区:3、换算截面对中性轴的惯性矩4、受压区高度x:对于受弯构件,开裂截面的中性轴通过其换算截面的形心轴,即若将符号(受压区相对高度)及(配筋率)代入上式,则可得到5、受压区边缘混凝土应力6、受拉钢筋应力(二)、双筋矩形截面对于双筋矩形截面,截面换算的方法就是将受拉钢筋的截面和受压钢筋截面分别用两个虚拟的混凝土块代替,形成换算截面。
8.2.2 裂缝宽度计算理论对于裂缝问题,尽管自20世纪30年代以来各国学者做了大量的研究工作,提出了多种计算理论,但至今对于裂缝宽度的计算理论并未取得一致的看法。
这些不同观点反映在各国关于裂缝宽度的计算公式有较大差别。
但我们可以从这些不同的观点中理解和体会影响裂缝宽度的各种因素,为我们有效地控制构件的裂缝宽度提供理论基础。
从目前的裂缝计算模式上看,计算理论大致可以分为四类:第一类是经典的粘结—滑移理论;第二类是无滑移理论;第三类是一般裂缝理论;第四类是试验统计模式。
目前我国《混凝土结构设计规范》(GB50010)采用的是以一般裂缝理论为指导,结合大量试验结果而形成的裂缝计算公式。
而《公路钢筋混凝土与预应力混凝土桥涵设计规范》(JTJ023)结合影响裂缝宽度的各主要因素分析,采用的是以试验统计得到的计算公式。
◆粘结-滑移理论粘结—滑移理论是由R. Saligar于1936年根据钢筋混凝土拉杆试验提出的,一种最早的裂缝理论,直至60年代中期这个理论还一直被广泛的接受应用。
这一理论认为,裂缝的开展是由于钢筋与混凝土之间不再保持变形协调,出现相对滑移而产生的。
因此裂缝宽度等于裂缝间距范围内钢筋和混凝土的变形差。
而裂缝的间距取决于钢筋与混凝土间粘结应力的大小与分布。
粘结应力越大,混凝土拉应力沿构件纵向从零增大到其极限抗拉强度所需的粘结传递长度会越短,裂缝的间距也就越短,裂缝宽度越小,此时裂缝“密而多”;反之,裂缝“疏而稀”,裂缝宽度越大。
由粘结—滑移理论得到的两个基本公式如下(如何根据以上条件推导出来的?)(8-2)(8-3)式中lm --平均裂缝间距;Wm--平均裂缝宽度;d --纵向受拉钢筋直径;ρte--(=As/Ate )按有效受拉混凝土面积计算的配筋率;,--平均裂缝间距内钢筋和混凝土的平均拉应变。
Ate--有效受拉区混凝土的截面面积,对受弯构件,取二分之一截面高度以下的面积。
对于矩形截面, Ate=0.5bh;倒T形截面,则Ate=0.5bh-(bf-b)hf 。
钢筋混凝土连续箱梁桥裂缝宽度计算分析作者:贾小飞钟运秋来源:《城市建设理论研究》2014年第03期摘要:总结了裂缝的分类和影响因素,列举了各个国家规范对连续箱梁桥裂缝宽度计算公式并进行对比。
通过实验,验证和分析《中国公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》中裂缝宽度计算理论。
关键字:裂缝,连续刚构桥,箱形截面,裂缝宽度计算中图分类号:TV543+.6 文献标识码: A0 引言连续刚构桥综合了T型钢构和连续梁的受力特点,将主梁做成连续梁体,并与薄壁桥墩固结,形成一种新型体系桥,得到了广泛应用。
然而,在实际桥梁服役中,钢筋混凝土结构常出现各种各样的裂缝,不仅影响桥梁的刚度、承载力和耐久性,而且又会给人一种不安全感。
1 裂缝1.1 裂缝的分类混凝土结构损伤和破坏一般都是从裂缝开始,所以对混凝土结构的损伤检测也要从裂缝的检测开始。
根据不同的前提条件,裂缝的分类不同。
按照产生外因可分为:荷载裂缝、温度裂缝、收缩裂缝、基础变形裂缝、钢筋锈蚀裂缝和冻胀裂缝;按照力学特性可分为:弯曲裂缝、剪切裂缝、扭曲裂缝、断开裂缝和局部应力裂缝;按照出现的位置,对箱形截面来说可分为:顶板裂缝、腹板裂缝、底板裂缝和横隔板裂缝[1]。
1.1 影响裂缝产生的因素混凝土结构裂缝产生原因很多,总的来说可分为两大类[2][4]:(一)外在荷载引起的裂缝,称为结构性裂缝或者称受力裂缝,其裂缝的分布宽度与荷载大小有关。
(二)变形引起的裂缝,称为非结构性裂缝,如温度变化等,这些因素引起结构变形受到限制时,结构内部就会产生拉应力,当此拉应力达到混凝土抗拉强度极限值时,即会引起混凝土裂缝,裂缝一旦出现,变形得到释放,拉应力也就消失。
2 钢筋混凝土结构裂缝计算方法目前,国内外对于闭口箱型截面裂缝宽度计算的研究都是通过开口截面(例如矩形、T型和工字型)裂缝宽度计算近似得来的,并且,其中T型截面计算值比较接近箱梁裂缝真实值。
以下是不同国家地区裂缝宽度计算的规范公式。
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。
第四章钢筋混凝⼟受弯构件的应⼒、裂缝和变形验算第四章钢筋混凝⼟受弯构件的应⼒、裂缝和变形验算对钢筋混凝⼟构件,除应进⾏承载能⼒极限状态计算外,还要根据施⼯和使⽤条件进⾏持久状况正常使⽤极限状态和短暂状况的验算。
第⼀节抗裂计算桥梁构件按短暂状况设计时,应计算其在制作、运输及安装等施⼯阶段,由⾃重和施⼯荷载等引起的应⼒,并不应超过规范规定的限值。
施⼯荷载除有特别规定外均采⽤标准值,当进⾏构件运输和安装计算时,构件⾃重应乘以动⼒系数,当有组合时不考虑荷载组合系数。
在钢筋混凝⼟受弯构件抗裂验算和变形验算中,将⽤到“换算截⾯”的概念,因此,本章先引⼊换算截⾯的概念,然后依次介绍各项验算⽅法。
4.1.1 换算截⾯依据材料⼒学理论,对钢筋混凝⼟受弯构件带裂缝⼯作阶段的截⾯应⼒计算作如下假定:1、服从平截⾯假定由钢筋混凝⼟受弯构件的试验可知,从宏观尺度看平截⾯假定基本成⽴。
据此有同⼀⽔平纤维处钢筋与混凝⼟的纵向应变相等,即:s c εε= (4.1-1)2、钢筋和混凝⼟为线弹性材料钢筋混凝⼟受弯构件在正常施⼯或使⽤阶段,钢筋远未屈服,可视为线弹性材料;混凝⼟虽为弹塑性体,但在压应⼒⽔平不⾼的条件下,其应⼒与应变近似服从虎克定律。
故有c c c E εσ=,s s s E εσ= (4.1-2)3、忽略受拉区混凝⼟的拉应⼒钢筋混凝⼟构件在受弯开裂后,其受拉区混凝⼟的作⽤在计算上可近似忽略。
将式(4.1-1)代⼊式(4.1-2)可得:c s c c c E E εεσ==''因为 s ss E σε=所以 s ES c s sc E E σασσ1'== (4.1-3)其中:ES α-钢筋与混凝⼟弹性模量之⽐,即c s ES E E =α。
为便于利⽤匀质梁的计算公式,通常将钢筋截⾯⾯积s A 换算成等效的混凝⼟截⾯⾯积sc A ,依据⼒的等效代换原则:1、⼒的⼤⼩不变:换算截⾯⾯积sc A 承受拉⼒与原钢筋承受的拉⼒相等。
有很多人在设计混凝土梁的时候都忘记了验算梁的裂缝和挠度,当然这一定是错误的设计方式,因为某些情况下梁很可能不满足正常使用的要求和耐久性的需求,那么:
第一个问题是:钢筋混凝土梁什么时候是强度控制,什么时候是裂缝控制呢?
一般情况下,经过抗震设计的嵌固层以上的结构(7度以上),其框架梁多属于强度控制,裂缝大都可以满足设计要求,因为地震作用比较大,地震组合需要的强度配筋已经比正常使用状态下的配筋大了,当然地震产生的内力与竖向作用产生的内力之间的比例关系,是决定因素,而并不是说考虑了地震作用就一定能满足裂缝要求。
但是对于次梁,地下室等结构的梁构件,由于标准组合比非抗震设计组合的内力不会小很多,因此一般对于非抗震设计的构件而言,正常使用状态的设计对梁的配筋起控制作用,当然这个结论也不绝对,具体分析如下个问题。
第二个问题是:裂缝计算主要与哪些因素有关系?
1.受拉钢筋的应力水平,受拉钢筋的应力与裂缝宽度线性相关,因此控制受拉钢筋在标准组合下的应力水平是控制裂缝宽度的关键因素,国外如ACI,EC等多控制受拉钢筋的应力水平在0.6fy左右,由于我国的荷载分项系数较小,因此受拉钢筋的应力水平比国外稍大,对于HRB400三级钢,25mm左右的直径,正常保护层下的梁而言,应
力水平主要在0.6-0.8区间不等,而这个应力水平将随着钢筋直径,保护层,配筋率,混凝土等级等因素的变化而变化。
2.受拉钢筋配筋率,配筋率是决定钢筋应力有效利用水平的关键因素,因此也是裂缝计算的关键因素之一,统计混凝土规范的计算公式表明,配筋率越大,钢筋应力有效利用的水平越高,裂缝也越容易控制,这里好象存在一个悖论,比如在前提条件相同的情况下,一根400X800的梁裂缝计算不满足要求,而换成350X800裂缝计算却满足要求了,就是因为后者配筋率大了一些,因此钢筋应力水平要求相应放松了的缘故,从本质上说这是混凝土规范裂缝宽度验算公式的“特点”,但是从另一方面来看,“死扣”规范有时候却可以用于优化构件尺寸。
3.保护层厚度,保护层厚度对于裂缝宽度的计算也很敏感,混凝土规范要求保护层厚度的计算区间为20mm-65mm,保护层越大裂缝计算宽度也越大,因此要求钢筋有效利用的应力水平也减小(更严)。
4.钢筋直径,一般情况下小直径钢筋对于控制裂缝宽度有利,比如用32mm直径的钢筋做设计,比25mm直径钢筋做设计,在裂缝宽度控制的情况下,32mm直径钢筋的计算面积要大不少。
5.混凝土强度等级,提高混凝土强度等级对于减小裂缝宽度的贡献很小,一般不推荐。
6.设计组合之间的关系,即标准组合与基本组合的比值,一般只考虑恒活的情况下,标准组合的内力约为基本组合的0.75-0.8,处于平均值0.77附近的情况较多,根据这个比例结合钢筋应力的力臂计算值不同以及钢筋应力利用水平,可以估算裂缝宽度设计的钢筋用量和强度设计钢筋用量之间的关系,这对于按照强度计算配筋,用裂缝控制去复核和调整配筋量的设计方式十分有效,掌握这个比例关系,可节约大量钢筋调整时间。
7. 内力调幅系数,利用内力调幅系数,可以减小梁端的配筋,增加跨中的配筋。
HiStruct 建议可以采用调幅后的基本组合内力进行强度设计,但是最好不要采用调幅后的标准组合内力进行裂缝宽度验算,这是因为在标准组合内力下梁端并未达到极限承载力还可以继续加载,因此裂缝还会继续发展。
HiStruct注:由于PKPM中采用主梁方式建立的次梁,STAWE默认为非调幅梁,因此,可以在特殊构件指
定里修改它的属性进行调幅。
假如采用PKPM次梁布置的方式,则自动生成的连续次梁就默认为调幅梁,不需要再次指定。
PKPM的裂缝计算并不考虑标准组合内力的调幅。
8.力臂系数,由于强度设计时候的力臂系数是实际计算出来的,而钢筋应力的力臂系数,却是统计之后给定的0.87,显然对于具体的梁构件而言,并不会总是0.87,一般变化幅度可达0.8-0.95,因此对于标准组合下钢筋应力而言,可能计算偏大或偏小,按照规范解读的介绍,力臂系数一般可参考规范取值,但也不限制采用更准确的系数。
第三个问题是:裂缝验算所采用的标准组合是否包括地震荷载和风荷载?
一般裂缝计算不考虑抗震设计的标准组合,但是HiStruct建议考虑风荷载参与组合,虽然风荷载的准永久系数为0,而裂缝计算却是考虑了长期作用,但是由于风作为一种频遇荷载还是很有必要控制正常使用下的要求,比如裂缝,比如舒适度等。
第四个问题是:裂缝控制是不是只发生在大跨度或者荷载很大的梁上?
答案是否定的,裂缝控制可以发生在各种跨度和各种荷载条件的梁上,而挠度要求则确实一般发生在大跨度和受力很大的梁上。
一般情况下,对于非抗震设计或者地震力较小的结构,采用HRB400,其中受力不大的梁和普通梁的钢筋超配较多时,或者由于采用平法表示支座处钢筋采用邻跨更大的配筋拉通时,以及根据强度配筋设计,配筋率较大(>1.5%以上)时,按照混凝土规范的裂缝宽度计算公式,这些配筋一般是可以满足裂缝限值要求的,除此之外均为正常使用控制。
而对于HRB335,强度控制的情况还要更多一些。
第五个问题是:框架梁支座处的裂缝可以不考虑吗?
HiStruct认为框架梁支座的裂缝可以不考虑,从梁内力的角度考虑,因为一般计算梁端弯矩可以取到柱边,弯矩可折减15%甚至更多,而且梁端的配筋率比较大,受拉钢筋的有效利用应力水平也高,比如
可达0.7以上,因此在忽略其他因素的条件下,一般强度计算的配筋是可以满足裂缝计算要求的。
另一方面从“强柱弱梁”的角度看,支座钢筋因为错误的裂缝计算假定而导致的用量增加,将加剧“强梁弱柱”破坏的可能性。