中华人民共和国国家标准混凝土结构设计规范GB 50010-2002 14
7.9.10~7.9.12 基本保留了原规范对要求不出现裂缝的预应力混凝土受弯构件的疲劳强度验算方法,对非预应力钢筋和预应力钢筋,则改用应力幅的验算方法。由于本规范第 3.3.4 条规定需进行疲劳验算的预应力混凝土吊车梁应按不出现裂缝的要求设计,故本规范删去了原规范中对允许出现裂缝的预应力混凝土受弯构件的疲劳强度验算公式。
按条文公式计算的混凝土应力σfc,min和σfc,max是指在截面同一纤维计算点处一次循环过程中的最小应力和最大应力,其最小、最大以其绝对值进行判别,且拉应力为正、压应力为负;在计算pfc=σfc,min/σfc,max中,应注意应力的正负号及最大、最小应力的取值。
8 正常使用极限状态验算
8.1 裂缝控制验算
8.1.1 根据本规范第 3.3.4 条的规定,具体给出了钢筋混凝土和预应力混凝土构件裂缝控制的验算公式。
有必要指出,按概率统计的观点,符合公式 (8.1.1-2) 情况下,并不意味着构件绝对不会出现裂缝;同样,符合公式(8.1.1-4) 的情况下,构件由荷载作用而产生的最大裂缝宽度大于最大裂缝限值大致会有 5%的可能性。
8.1.2 本规范最大裂缝宽度的基本公式仍采用原规范的公式:
对各类受力构件的平均裂缝间距的试验数据进行了统计分析,当混凝土保护层厚度 c 不大于 65mm 时,对配置带肋钢筋混凝土构件的平均裂缝间距可按下列公式计算:
此处,对轴心受拉构件,取β=1.1;对其他受力构件,均取β=1。
当配置不同钢种、不同直径的钢筋时,式中 d 应改为等效直径 deq,可按正文公式 (8.1.2-3) 进行计算确定,其中考虑了钢筋混凝土和预应力混凝土构件配置不同的钢种,钢筋表面形状以及预应力钢筋采用先张法或后张法 ( 灌浆 ) 等不同的施工工艺,它们与混凝土之间的粘结性能有所不同,这种差异将通过等效直径予以反映。为此,对钢筋混凝土用钢筋,根据国内有关试验资料;对预应力钢筋,参照欧洲混凝土桥规范 ENV 1992-2 (1996) 的规定
通过分析,适当考虑了混凝土的塑性影响,并经有关构件的试验结果校核后,本规范给出了以上述拟合公式为基础的简化公式 (8.1.3-5) 。当然,本规范不排斥采用更精确的方法计算预应力混凝土受弯构件的内力臂 z 。
对钢筋混凝土偏心受压构件,当ι0/h>4 时,试验表明应考虑构件挠曲对轴向力偏心距的影响,近似取第 7 章第 7.3.10条确定承载力计算用的曲率的 1/2.85 ,且不考虑附加偏心距,由此可得公式 (8.1.3-8) 。
8.1.4 在抗裂验算中,边缘混凝土的法向应力计算公式是按弹性应力给出的。
8.1.5 从裂缝控制要求对预应力混凝土受弯构件的斜截面混凝土主拉应力进行验算,是为了避免斜裂缝的出现,同时按裂缝等级不同予以区别对待;对混凝土主压应力的验算,是为了避免过大的压应力导致混凝土抗拉强度过大地降低和裂缝过早地出现。
8.1.6~8.1.7 在第 8.1.6 条提供了混凝土主拉应力和主压应力的计算方法。在 8.1.7 条提供了考虑集中荷载产生的混凝土竖向压应力及对剪应力分布影响的实用方法,这是依据弹性理论分析加以简化并经试验验证后给出的。
8.1.8 对先张法预应力混凝土构件端部预应力传递长度范围内进行正截面、斜截面抗裂验算时,采用本条对预应力传递长度范围内有效预应力σpe按近似的线性变化规律的假定后,可利于简化计算。
8.2 受弯构件挠度验算
8.2.1 在正常使用极限状态下混凝土受弯构件的挠度,主要取决于构件的刚度。规范假定在同号弯矩区段内的刚度相等,并取该区段内最大弯矩处所对应的刚度;对于允许出现裂缝的构件,它就是该区段内的最小刚度,这样做是偏于安全的。当支座截面刚度与跨中截面刚度之比在规范规定的范围内时,采用等刚度计算构件挠度,其误差不致超过 5%。
8.2.2 在受弯构件短期刚度 Bs,基础上,仅考虑荷载效应准永久组合的长期作用对挠度增大的影响,由此给出公式 (8.2.2) 。
8.2.3 本条提供的钢筋混凝土和预应力混凝土受弯构件的短期刚度是在理论与试验相结合的基础上提出的。
1 钢筋混凝土受弯构件的短期刚度截面刚度与曲率的理论关系式为:
式中 εsm--纵向受拉钢筋的平均应变;
εcm--截面受压区边缘混凝土的平均应变。
根据裂缝截面受拉钢筋和受压区边缘混凝土各自的应变与相应的平均应变,可建立下列关系:
将上述平均应变代入前式,即可得短期刚度的基本公式:
公式中的系数由试验分析确定:
1) 系数ψ,采用与裂缝宽度计算相同的公式,当ψ<0.2时,取ψ=0.2 ,这将能更好地符合试验结果。 "
2) 根据试验资料回归,系数αEρ/ζ可按下列公式计算:
对力臂系数η,近似取η=0.87 。
将上述系数与表达式代入上述Bs公式,即得公式 (8.2.3-1) 。
2 预应力混凝土受弯构件的短期刚度
1) 不出现裂缝构件的短期刚度,统一取 0.85 EcI0 ,在取值上较稳妥。
2) 允许出现裂缝构件的短期刚度
对使用阶段已出现裂缝的预应力混凝土受弯构件,假定弯矩与曲率 ( 或弯矩与挠度 ) 曲线是由双折直线组成,双折线的交点位于开裂弯矩 Mcr处,则可求得短期刚度的基本公式为:
式中β0.4和βcr分别为和1.0时的钢度降低系数,对βcr,取βcr=0.85;对,根据试验资料分析,取拟合的近似值,可得
将βcr和代入上述公式Bs,并经适当调整后即得本规范公式(8.2.3-3) 。
8.2.4 对混凝土截面抵抗矩塑性影响系数γ值略作了调整,本条与原规范的基本假定不同仅在本条取受拉区混凝土应力图形为梯形而不是矩形,其他均相同。为了简化计算,参照水工结构行业规范的规定并作校准后,给出了常用截面形状的γ近似值,以供查用。
8.2.5~8.2.6 钢筋混凝土受弯构件考虑荷载长期作用对挠度增大的影响系数θ是根据国内一些单位长期试验结果并参考国外规范的规定而给出。
预应力混凝土受弯构件在使用阶段的反拱计算中,短期反拱值的计算以及考虑预加力长期作用对反拱增大的影响系数仍保留原规范取为 2.0 的规定。由于它未能反映混凝土收缩、徐变损失以及配筋率等因素的影响,因此,对长期反拱值,如有专门的试验分析或根据收缩、徐变理论进行计算分析,则可不遵守条文的规定。
9 构造规定
9.1 伸 缩 缝
9.1.1 根据多年的工程实践经验,未发现表 9.1.1 的伸缩缝最大间距规定对混凝土结构的承载力和裂缝开展有明显不利影响,故伸缩缝最大间距按原规范未作改动。但根据调研,近年来混凝土强度等级有所提高,流动性加大,混凝土凝固过程具有快硬、早强、发热量大的特点,混凝土体积收缩呈增大趋势,因此对伸缩缝间距的要求由原规范的"可"改为"宜"。
本次修订对原规范的表注作了以下修改:
1 增加了表注 1 关于装配整体式结构房屋和表注 2 关于框架-剪力墙结构和框架-核心筒结构房屋伸缩缝间距的规定。
2 为防止温度裂缝,表注 4 新增加了对露天挑檐、雨罩等外露结构的伸缩缝间距的要求。
9.1.2 本条列出了温度变化和混凝土收缩对结构产生更不利影响的几种情况,提出了需要在表 9.1.1 规定基础上适当减小伸缩缝间距的要求。
9.1.3 本条为新增内容,指出允许适当增大伸缩缝最大间距的情况、条件和应注意的问题。
在结构施工阶段采取防裂措施是国内外通用的减小混凝土收缩不利影响的有效方法。我国常用的做法是设置后浇带。根据工程实践经验,通常后浇带的间距不大于 30m ;浇灌混凝土的间隔时间通常在两个月以上。这里所指的后浇带是将结构构件混凝土全部临时断开的做法。还应注意,合理设置有效的后浇带,并有可靠经验时,可适当增大伸缩缝间距,但不能用后浇带代替伸缩缝。
对结构施加相应的预应力可以减小因温度变化和混凝土收缩而在混凝土中产生的拉应力,以减小或消除混凝土开裂的可能性。本条所指的"预加应力措施"是指专门用于抵消温度、收缩应力的预加应力措施。
本条中的其他措施是指:加强屋盖保温隔热措施,以减小结构温度变形;加强结构的薄弱环节,以提高其抗裂性能;对现浇结构,在施工中切实加强养护以减小收缩变形;采用可靠的滑动措施,以减小约束结构变形的摩擦阻力;合理选择材料以减少混凝土的收缩等。
此外,对墙体还可采用设置控制缝以调节伸缩缝间距的措施。控制缝是在建筑物的线脚、饰条、凹角等处通过预埋板条等方法引导收缩裂缝出现,并用建筑构造处理从外观上加以遮掩,并做好防渗、防水处理的一种做法。其间距一般在 10m 左右,根据建筑处理设置。对设有控制缝的墙体,伸缩缝间距可适当加大。
本条还特别强调"当增大伸缩缝间距时,尚应考虑温度变化和混凝土收缩对结构的影响"。这是因为温度变化和混凝土收缩这类间接作用引起的变形和位移对于超静定混凝土结构可能引起很大的约束应力,导致结构构件开裂,甚至使结构的受力形态发生变化。设计者不能简单地采取某些措施就草率地增大伸缩缝间距,而应通过有效的分析或计算慎重考虑各种不利因素对结构内力和裂缝的影响,确定合理的伸缩缝间距。
对本条中的"充分依据",不应仅理解为"已经有了少量未发现问题的工程实例",而是指对各种有利和不利因素的影响方式和程度作出有科学依据的分析和判断,并由此确定伸缩缝间距的增减。
9.1.4 本条规定,为设置伸缩缝而形成的双柱,因基础受温度收缩影响很小,故其独立基础可以不设缝。工程实践证明这种做法是可行的。
9.2 混凝土保护层
9.2.1 保护层厚度的规定是为了满足结构构件的耐久性要求和对受力钢筋有效锚固的要求。本条对保护层厚度给出了更明确的定义。混凝土保护层厚度的规定比原规范略有增加。
考虑耐久性要求,本条对处于环境类别为一、二、三类的混凝土结构规定了保护层最小厚度。与原规范比较作了以下改动:
1 一类及二 a 类环境分别与原规范中"室内正常环境"及"露天及室内高湿度环境"相近;考虑冻融及轻度腐蚀环境的影响,增加了二 b 类环境及三类环境。
2 表中保护层厚度的数值是参考我国的工程经验以及耐久性要求规定的,要求比原规范稍严;表中相应的混凝土强度等级范围有所扩大。
3 注中增加了基础保护层厚度的规定,这是根据长期工程实践经验确定的。对处于有侵蚀性介质作用环境中的基础,其保护层厚度应符合有关标准的规定。
9.2.2 本条对预制构件中钢筋保护层厚度的规定与原规范相同,多年工程实践证明是可行的。
9.2.3 板、墙、壳中的分布钢筋以及梁、柱中的箍筋及构造钢筋的保护层厚度规定基本同原规范,但根据环境条件稍有加严。构造钢筋是指不考虑受力的架立筋、分布筋、连系筋等。工程实践证明,本条规定对保证结构耐久性是有效的。
9.2.4 对梁、柱中纵向受力钢筋保护层厚度大于 40mm 的情况,提出应采取有效的防裂构造措施。通常是在混凝土保护层中离构件表面一定距离处全面增配由细钢筋制成的构造钢筋网片。此外,增加了在处于露天环境中悬臂板的上表面采取保护措施的要求,这是由于该处受力钢筋因混凝土开裂更易受腐蚀而提出的。
9.2.5 环境类别为四、五类的情况属非共性问题,港口工程中的这类情况应符合《港口工程混凝土和钢筋混凝土结构设计规范》 JTJ 267 的有关规定,工业建筑中的这类情况应符合《工业建筑防腐蚀设计规范》 GB 50046 的有关规定。
为了满足建筑防火要求,保护层厚度还应满足《建筑防火规范》 GBJ 16 和《高层民用建筑设计防火规范》 GB50045 的要求。