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 桥梁加固技术 >> 混凝土桥裂缝计算

          

摘 要 由裂缝的形成与其发展过程,提出受拉构件的裂缝形成理论。首先计算裂缝间距.由梁纵向截面的钢筋与混凝土的应力及两者的粘结力分布示意图.列出平衡方程式,结合钢筋有效面积推导出裂缝间距的计算公式,再由此计算裂缝宽度,得出半经验公式。经理论分析裂缝间距和宽度的分散性并经实践检验,证明其适用于实际工作。

受拉区混凝土出现了裂缝,对钢筋混凝土构件的承载力并无直接的影响。因为混凝土受拉区脱离工作不会导致结构承载力的降低。因此,受拉区混凝土仅有发丝裂缝时对结构并无危害性;但当裂缝宽度较大时,则由于裂缝处的钢筋受到侵蚀后,钢筋的有效受力面积减少,但钢筋体积却膨胀,致使早期硬化的混凝土在裂缝处被挤碎,从而加大了裂缝展开的宽度,加速了钢筋的腐蚀,由此造成的恶性循环,经过一定的时期后,最终导致构件破坏。

正由于上述原因,以致当按照极限状态设计钢筋混凝土结构时,混凝土裂缝开展的宽度也作为结构的一种极限状态,当其超过了允许的限值时,即认为结构丧失了工作能力。

1 基本理论

钢筋混凝土轴心受拉构件在裂缝形成以前,可以认为离构件两端一定距离后,截面内钢筋和混凝土的应力分布是均匀的,其分布形状如图1 b)所示,同时,在该区段内,也不再有粘结力的传递,构件纵截面内的粘结力的分布如图1 c)所示。

随着外力的不断增加,致使混凝土内的应力达到其抗拉强度极限时,构件的混凝土就产生了裂缝。由于混凝土的不均匀性及其他影响因素,第一批裂缝的位置总是出现在构件的最弱截面处,裂缝的间距较大且不规则,此时如果外力继续增加,则在已经出现的第一批裂缝之间又将形成新的裂缝,裂缝的间距逐渐减小,当它达到一定的限期时,裂缝的形成趋向稳定,新的裂缝不再继续出现。这个现象可以这样来解释:众所周知,裂缝出现的必要条件是钢筋和混凝土之间保持着足够有效的粘结力,如果裂缝间距已达到其最小极限值,则在这最小裂缝间距的一半长度内,继续增加的钢筋应力,已不再能借助粘结力传递给混凝土。也就是说,虽然外力 P 继续增加,而混凝土内的应力却保持一定的数值,试验表明为140 MPa,故裂缝间距的计算,在一般情况下可以不考虑钢筋应力的影响

 

a)构件受外力P中乍用;b)应力分布图i c)粘结力分布图

1 钢筋混凝土构件受力分析图

钢筋混凝土轴心受拉构件的裂缝形成理论,同样也适用于偏心受压和受挠构件,无论在中心受拉构件或是偏心受压和受挠构件中,实际参与钢筋共同工作的并不是全部受拉区混凝土的面积,而是在钢筋周围有限的一部分混凝土面积起作用。这部分混凝土面积称之为“钢筋有效影响面积”。国外有关研究指出,混凝土中钢筋有效的影响面积区域只限于34倍钢筋的直径。这也就说明了某些低配筋率的轴心受拉构件的试验接近纯混凝土的原因所在。

    基于上述情况,可以这样假定:无论在偏心受压和受挠构件中,在钢筋有效影响面积范围内,混凝土的裂缝形成与其发展过程,同样符合上述轴心受拉构件的裂缝形成理论。

2 裂缝间距的计算

截取一段包含2条相邻裂缝的钢筋混凝土梁,如图2 a)所示。在梁的纵向截面内的钢筋与混凝土的应力以及两者的粘结力的分布如图2 b)c)所示。

 

         

 

a)裂缝图: b)匝力分布图: c)秸结力分布图

2 有裂缝钢筋混凝土构件受力分析图

当截面内混凝土的应力达到其抗拉极限强度时,混凝土内就产生了裂缝。在两相邻裂缝间 ιT 区段内,粘结力的分布如图2 c)所示,它自裂缝处的零很快地上升至最高值,然后又逐渐降至两相邻裂缝中点处的零值。借助既定的试验资料的分析来弥补这个缺陷,对于裂缝间距的计算,采用这种方法更具有现实性。

由图2 b)c)列出下列平衡方程式:设τ=f(x),于是得:

 

式中:A 为钢筋有效影响面积;δδpmax 为混凝土最大拉应力;d为钢筋直径;τmax 为最大粘结力;c1 为与粘结力分布图形有关的系数,可由实验确定。

试验表明:对于采用同一种型号钢筋配筋的构件,几乎是一常数,不随混凝土强度的改变而有所改变。这就有可能在计算裂缝间距时忽略混凝土标号的影响。

在钢筋混凝土构件中,混凝土裂缝间距发展至某一限值时趋向稳定,因此,为了使计算公式更好地符合实际情况,式(3)可以用下列形式表达:

 

式中:系数C2可由实验确定。

钢筋有效影响面积的确定。对于配有单根钢筋的中心受拉构件,其有效影响面积的直径取6倍钢筋直径,当混凝土全部受拉面积大于钢筋有效影响面积时,则大于部分的受拉工作不予考虑;当混凝土全部受拉面积小于钢筋有效影响面积时,则仍按全部受拉面积计算。为了计算方便,同样可以取边长为5倍的钢筋直径的正方形面积来代替直径为 6d的圆面积。显然,钢筋有效影响面积必须符合Ar Aδp 。这一关系式。

3 裂缝宽度的计算

当求得裂缝间距ιT后,就可以将该区段内钢筋的总伸长量减去混凝土的总伸长,加上混凝土的收缩变形,即可求得裂缝宽度dt。现假设在两相邻裂缝ιT区段内,混凝土的应力按抛物线分布(2 b),则可获得下列变形关系式:

   

式中:δamax为裂缝处的钢筋应力;Aa为钢筋截面积;εy为混凝土的收缩率; 为混凝土受拉弹性模量;为混凝土内的钢筋的假定平均弹性模量。引入下列关系:

    

式中: 分别为钢筋与混凝土的弹性模量。

将上述关系代人式(5),于是可得下列形式:

    

试验结果表明,对于长期承受动力荷载的钢筋混凝土构件,考虑到混凝土的受拉徐变以及钢筋与混凝土之间的相对滑移的继续发展,系数可取;而 值为值为23。此外,对钢筋混凝土构件所作的试验表明,第一条受拉裂缝出现时混凝土的应力约为其28d的抗拉强度的1O% 左右。因此,可取式(6)中的δδpmax O1 R(R为混凝土标号),于是可得式(6)的最终形式为:

    

式中: 随所采用的钢筋与混凝土的标号而变化。

4 系数C1C2的确定

在式(4)中留下了2个待定系数C1C2,对于不同标号的混凝土试件的试验结果证明,C1X几乎接近一个不变的常数,其值仅随钢筋表面特征而异,通过试验资料分析,得出下列结果。

     

通过一系列试验资料的分析可以看出,虽然裂缝间距ιT本身存在着很大的分散性,但还是可以找到一定的规律,有一明晰的趋向。对于裂缝间距最小极限而言,约为3cm,因此,在式(4)中,可取C2=3cm

将所获得的结果代人式(4),则可得出下列计算钢筋混凝土构件裂缝间距的实用公式。

        

式中; 为钢筋周长的总和。

上述公式经过验证,当钢筋应力大于150MPa,所计算得的裂缝间距理论值与实验结果之间的误差,绝大部分都在±1O% 的范围内。由此可见,按式(8)或式(9)计算钢筋混凝土构件的裂缝间距具有足够的精确性。

当求得裂缝间距的理论之后,就可利用式(7)来计算裂缝宽度。采用不同的混凝土收缩率作为计算依据,其范围自(OO3)×10-3。据此数值,按照式(7)

计算,结果表明,裂缝宽度理论值与实验值之间的误差,绝大部分在±5%8%,这说明式(7)可以建议在实际工作中采用。

根据比较,按本文所建议的公式计算钢筋混凝土构件的裂缝间距与宽度,与实际情况更接近。

5 裂缝间距与裂缝宽度的分散性

由式(8)(9)以及式(7)所求的裂缝间距和裂缝宽度值只能认为是理论上的平均值。而事实上由于多种因素的影响,第一批出现裂缝位置的偶然性,在极大程度上影响着以后裂缝的出现。例如假定在2条第一批出现裂缝的中点,混凝土

的应力几乎接近混凝土的平均抗拉强度极限,则由于混凝土材料的非均匀质性,这时就有以下两种可能:其一是混凝土中的应力已达到该中点界面的抗拉强度极限,这时在该点将出现新的裂缝,裂缝的间距也就较原有的间距减小了一半;但也有可能混凝土中的应力尚未到达该中点截面的混凝土抗拉强度极限,这样就不致出现新的裂缝,而裂缝间距仍保持着原有的数值,由此可见,即使不考虑影响裂缝的其他因素,裂缝最大间距也将为其最小间距的2倍、平均间距的15倍。如果加上其他因素的影响,裂缝间距的分散性则还要大。

统计结果表明,裂缝间距频率曲线接近于高斯曲线,最大值为其平均值的1520倍,变异系数在25%5O%之间。虽然影响裂缝间距的因素很多,但还是有可能通过对试验结果进行数理统计分析,找出平均裂缝间距与最大裂缝间距的分散性系数k ,从而利用下式来计算最大裂缝间距:

    

由实验资料的统计分析得出,对于钢筋混凝土结构,受拉区混凝土裂缝间距的分散性系数取k1 =18是较为适宜的。

裂缝宽度的分散性除了受到裂缝间距的影响外,还与裂缝分批出现这一因素有关。试验表明,当2条原有裂缝之间出现新裂缝后,原有裂缝的宽度并不因新裂缝的出现而有所减小,它依旧随着外荷的增加而继续发展,致使作用的荷载愈大(钢筋应力愈大),裂缝宽度的分散性也就愈大。

由试件试验所得的裂缝宽度可以看出,裂缝宽度的分散性较之裂缝间距的分散性大,且随钢筋的应力不同而有所不同,对于一般钢筋混凝土构件而言,考虑到常用荷载作用下的钢筋应力值,最大裂缝宽度与平均裂缝宽度之间的分散性系数可取k2=25,于是最大裂缝宽度即可按下式求得:

    

6 结论

裂缝计算的主要目的在于控制结构在工作状态的裂缝宽度,不因开展过大引起结构的侵蚀性破坏。试验结果表明:具有一定厚度的保护层的钢筋混凝土结构,当混凝土裂缝开展的宽度不超过0.3mm时,虽在大气循环作用下,混凝土内的钢筋也不至于遭受侵蚀,故对一般钢筋混凝土结构(所处环境无侵蚀性介质)而言,这样的裂缝是允许存在的。

本文通过钢筋混凝土构件裂缝形成理论的分析,以及试验结果验证,得出了计算裂缝间距与裂缝宽度的半经验式。采用这些公式计算钢筋混凝土中心受压或偏心受挠构件,均获得极为满意的结果,所建议的公式形式较为简单,适合于实际工作采用。

在计算公式中,采用了钢筋有效影响面积来代替一般概念中的混凝土受拉面积。钢筋有效影响面积的工作特性,遵循中心受拉构件的规律性。因此,无论是偏心受压或受挠构件,其裂缝的计算都可采用垂直于钢筋的有效影响面积来考虑,计算公式也得以统一。

 

 

点击数:388  录入时间:2008-4-15 【打印此页】 【返回
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