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6．钢筋混凝土构件维护
6.1 引言
书中的第三章，第四章和第五章主要讲了如何利用强度设计准则设计钢筋混凝土梁。我们已经找到一个保证梁将有一个适当的弯曲和剪切的安全系数以及由于钢筋的粘结锚固不足的方法。为达到这个目的，我们假定一个过载的受力状态。
一般受力状态下的构件的性能在安全系数为1.0的情况下取得满意的结果也是很重要的。只保证足够的强度是远远不够的。长期满荷载的情况下会使变形量过大从而引起结构的破坏。梁上的拉应力产生的裂缝会对量产生影响甚至降低结构的耐久度。这就需要考虑到疲劳和震动。
结构可靠性的研究是基于弹性理论的，凝土与钢筋之间的应力需要保持比例。中性轴紧边不开裂，部分开裂，完全开裂取决于荷载的大小。
在早期的钢筋混凝土设计中，结构可靠度的问题只是靠限制钢筋混凝土的设计值到一个经验保守值来间接解决。相比之下,当前设计方法允许更细长的样本和更准确的设计值的估计,和较高强度的材料进一步导致较小的式样大小的趋势,这种间接的方法不再有用。当前的方法是根据负载开裂和变形量对式样基于强度的需求进行特别配比。
在这一章，为确保钢筋混凝土梁不会弯曲开裂以及保证动静荷载所产生的变形量不会超出规定范围，我们会讨论怎样更好地解决这个问题。
6.2受弯构件的断裂实验
所有的钢筋混凝土梁,即使从很低的情况进行加载,在约束收缩状态之前的值也会有裂缝产生。弯曲开裂由于负载不仅是不可避免的,而且在强化式样上是必需使用的。在弯曲开裂之前，钢筋的压力仅仅是向附近压力的n倍，其中n为两者弹性模量比Es/Ec。根据对材料性能的研究经验，N的值接近8。因此,当混凝土的断裂强度接近500 psi,钢应力将只有8times;500 = 4000 psi,强化的效果远远不够。在一般情况下加载,钢筋应力值可以预计8或9倍。
一个设计良好的梁,即使是所谓的毛细裂纹，观察者也是看不到的,而且在实际工程中他们也不允许任何腐蚀。随着荷载逐渐上升到开裂荷载,裂缝的数量和宽度的增加,荷载负载水平的最大裂缝宽度约为0.016年英寸。尽管裂缝的数量或多或少会很稳定，但如果负载进一步增加,裂缝宽度也会进一步增加,。
混凝土的开裂是一个随机的过程，与很多因素都有很高的相关性。由于这个问题的复杂性，目前对于裂纹宽度的预测都是基于是实验观察。大多数方程,开发了预测可能的最大裂缝宽度的方法,这通常意味着大约90%的式样中裂缝宽度在计算估计之下。不过还是有两倍于计算宽度裂缝出现的偶然现象（见第六章第一节）。
a.影响裂缝宽度的变量
在5.1中我们讨论了混凝土与钢筋之间的好的粘合，指出只要受力端正确受力，即使是整个跨都断裂，梁也是不会过早的断裂的。然而,裂缝宽度将大于另一个相同情况下提供良好的抗滑移沿跨度的长度的梁。一般梁与光滑将显示相对较少而宽的裂缝,而梁具有良好的抗滑性能保证由适当的表面变形的式样将会更好,几乎看不见的裂缝。由于这种进步,钢筋在当前实践总是提供表面变形、最大间距和最小高度由ASTM规范(A615,A706和A996)。
另一个重要的变量是压应力。经过Gergely和Lutz还有其他人（第六章第二节以及第四节）他们的研究发现裂缝宽度Fns成正比，其中Fs代表钢筋应力，n为1.0到1.4之间的值。对于钢筋应力的经验（20到36ksi）来看，n可能取1.0。钢筋的应力在分析仪中可以测算出来。或者根据ACI Code取fs为0.60.
Broms和其他人（见第六章第五节）已经表明了裂缝间隙和裂缝宽度与混凝土保护层距离即表面与中心的距离。总体来说，加大保护层距离也就增加了裂缝间距和裂缝宽度。此外，紧边裂缝的分布规律是很重要的。总体来说，为了控制裂缝，使用更小直径的钢筋比直径大的更好，而且钢筋最好是分布在受拉区域。对于更深的受弯构件，还要考虑网端两边过多的表面裂缝所造成的附加应力。
b. 裂缝宽度方程
最小裂缝的表达式已经根据数理分析和实验数据被推导出来。两个明确指出裂缝控制的规范以及梁紧边的最大裂缝宽度。他们是
W=0.076（6.1）
以及
W=2000(6.2)
其中：w——最小裂缝宽度，单位：千英寸；
——应力设计值，单位：千磅每平方英寸；
——钢筋的弹性模量。
公式6.1里的几何参数为：
——混凝土覆盖厚度，受压面与钢筋偏向受压面之间的距离；
beta;——受压面到中性轴的距离与钢筋到中性轴的比；
A——一根钢筋周围的混凝土面积，单位：平方英寸；
S——最大裂缝间距，单位：英寸。
适用于预应力钢筋混凝土的公式（6.1）和公式（6.2）包含了所有关于裂缝宽度的重要因素。另外，增加系数beta;会更安全。
c.周期性长期荷载效应
周期性长期荷载会使裂缝宽度增加。有大量分散的测试数据,疲劳测试和持续加载测试结果表明,裂缝宽度可以控制在一定范围内。在大多数情况下, 恒定水平的持续压力或循环应力范围裂缝的间距不会随着时间的推移而改变。
6.3 美国混凝土协会规范对裂缝控制规定
考虑到根据裂缝产生的自然随机性以及裂缝宽度随时间增加的规律，即使在实验条件下，在规范中通过规定一个中心对中心之间的最大距离来限制裂缝宽度。具体关系如下：
S= 12(6.3)
保护层厚度cc的选择，而不是覆盖到中心的钢筋，是为了简化设计，因为这允许独立的钢筋规格。所以不难理解为什么用粗钢筋配筋反而裂缝宽度反而加大的现象了。
如（6.3）所示美国混凝土协会规范设置一个上限12(36 / fs)。fs是压力服务负载力矩除以面积钢筋和的产物内部的力臂（如3.8所示)。另外,美国混凝土协会允许fs作为指定的轴向屈服强度的60%。其中，试样中只有一根钢筋。s代表极端受压面的宽度。
图6.2比较的值间距获得使用方程式。(6.1)和(6.2)梁包含8号(25号)钢筋,fs = 36 ksi,beta;= 1.2、最大裂缝宽度w = 0.016英寸。使用（6.3）计算。方程(6。1)和(6。2)给两个值相同的空隙保护层,但明显不同的间距cc的其他值。方程(6.3)提供了一个实用的安全值之间的，使用两个实验基于表达式计算。方程绘制在图6.2b中。 fs = 24、36和45 ksi,分别对应系数返回到0.60时等级40、等级60和等级75的钢筋。
美国混凝土协会的规范10.6.5指出s的最大值见方程(6.3)结构是不够的非常积极的接触或者设计为水密。在这种情况下“特别调查或预防措施”是必需的。这包括使用一些描述如方程式。(6.1)和(6.2)确定可能的最大裂缝宽度。第六章第一节中已经给出进一步的指导。
当混凝土T梁的凸缘为紧边时,连续的倾覆力矩地区T梁，钢筋的浓度在网络上可能会导致过度的悬臂板裂缝宽度,即使受力很好，直接在web分布式裂缝。为了防止这一点,抗拉钢筋应该分布在凸缘的宽度，而不是集中。然而,由于剪力滞后的,外面的钢筋在这样一个受力将大幅降低,比直接在网格上高度紧张，生产不经济的设计。作为一个合理的妥协,美国混凝土协会规范10.6.6要求在这种情况下受拉钢筋分布在有效翼缘宽度或宽度等于一帐篷跨度中更小的一个。如果有效翼缘宽度超过十分之一的跨越,必须提供一些纵向钢筋的外凸缘部分。的附加钢筋留给设计师的自由裁量权,它至少应该是温度钢筋的等效板(见第十三章第三节),通常是作为这个数值的两倍。
对于梁的相对深度网，一些钢筋应该放在网络的垂直面临控制混凝土裂缝的宽度张力区上方的水平主要强化。根据美国混凝土协会规范10.6.7，如果网络的深度超过36英寸而且没有这样的钢筋，裂纹宽度在梁的相对深度网会比l水平主要钢筋曾被观察到更宽。纵向钢筋必须均匀分布在双方面临的成员最近的距离d / 2弯曲张力。以纵向钢筋或导线之间的间距构造论，单位钢筋所占混凝土表面积Ab,不得超过d / 2,12。1,000 Ab /(d - 30) 中最小的值。纵向总面积两面需要不超过二分之一的面积所需的弯曲抗拉钢筋。表面钢挠曲强度的作用通常被忽视,尽管它可能会包含在强度计算如果应变兼容性分析是用于建立表面压力使钢筋产生弯曲破坏载荷。
图6.2 b提供了一个方便的设计工具来确定最大中心钢筋间距作为明确的函数覆盖用于设计的一般情况下,fs = 0.6fy。从实用的观点来看, 也需要满足裂缝控制的美国混凝土协会规范要求，更有助于了解钢筋的最小数量在整个宽度的梁杆。这个数字取决于侧盖,以及明确的封面的压力面，以及钢筋的规格。表8 A .附录给出了最小数量的钢筋在梁两种常见的情况下楚盖两侧和底部,这对应于使用3号或4号(10号或13)箍筋。
6.4 控制变形量
在对裂缝的限制上，在自身的描述在前面的章节中,通常需要对某些控制变量偏转因素,以确保数据符合规范要求。过度变形量会导致开裂支持的墙壁和脱落,不合适的门窗、屋面排水差,偏差灵敏的机械和设备,或是看上去凹陷。因此这样或那样的方式,控制变形量,试样主要为强度设计规定在合理的数据范围。
目前有两种方法来偏转控制。第一个是间接,由限值设定合适的上限。这是简单的, 在横跨,试样负载和负载分布通常的范围大小和比例下降许多情况下它是令人满意的。否则，可能在特殊条件下就要对它下进行必要的计算偏转然后这些预测值比较来进行特定的限制。
,在这一个小节中，这个问题将变得清晰。计算可以在最好的情况下,提供一个可能实际变形量的可能值。这是不确定性的,因为材料属性,开裂的影响,还要考虑加载的试样。极度精密的计算,因为不太可能得到高度准确的结果，因此,从来不是严格符合的。然而，这个通常是足够的准确性。例如,挠度下全尺寸将约1/2。而不是2，而这是相对不重要的知道它将会在5/8。而不是1/2。
歪斜的问题通常是那些发生在正常的使用寿命试样上。在使用中，支撑他完整的静负荷,再加上一些活载指定的部分或全部试样。安全规定美国混凝土协会规范和设计规范确保类似,加载到全方位模型的负载下,预应力钢铁混凝土试样仍在弹性范围。因此，变形量发生在从前的应用程序负载所谓的直接的变形量，由此可以计算出基于属性的无裂缝的弹性模型，裂缝弹性模型，还是这些字符的组合(参见第三章第三节)。
在第二章第八节和第二章第十一节已经提到，除了一些活动荷载，还会有永久荷载。这些依赖于时间的变形主要是由于混凝土徐变和收缩。由于这些影响,钢筋混凝土材料继续随着时间的流逝转移。长期变形量在一段时间内持续数年,并可能最终被两个或更多倍初始弹性变形量表示。显然,预测瞬时和时变变形量的方法是至关重要的。
6.5 活荷载
弹性形变量一般可由下式概括
Delta;=
其中EI是抗弯刚度和f(负载,跨越,支持)是一个函数的特定的负载,跨度,支持安排。例如,均匀加载简单梁的挠度是5 w4/384EI,f = w4 / 384。类似的挠度方程已经列或其他可以很容易地计算载荷和跨度安排,由简单固定的,或连续和相应的f函数可以确定。钢筋混凝土结构中的特定问题是适当的EI抗弯刚度的确定对两种材料组成的一个试样属性和变形特点钢筋混凝土不同。
如果在受弯构件最大力矩很小的拉应力混凝土的弹性模量不超过“断裂”的设计值保证fr,则不会出现弯曲张力裂缝。完整的,无裂缝的部分然后效果能够抵抗压力和提供刚度。这个阶段在第三节已经分析过（3.3a）。为了证明这一分析,有效惯性矩的这种低负载的范围是无裂缝的转换部分输入，E是混凝土的弹性模量(式2.3)。相应地,对于这个负载范围有：
（a）
在高负载、弯曲张力形成裂缝。此外,如果剪切应力超过则钢筋采用抵制斜裂缝可以存在于适用负载。在该地区的弯曲裂缝,中性轴的位置不同:直接在每个裂纹位于水平计算的裂缝改造部分(见第三节。3 b);裂缝之间的中途它下降位置接近,无裂缝的计算转换部分。相应地,弯曲紧边开裂原因的有效惯性矩,破解了周边的部分弯曲张力裂缝,和接近无裂缝的转换部分裂缝之间的中途,逐步过渡这些极端情况之间。
通过实验看到,对当地转动惯量的估计值在·不同的部分梁弯矩超过部分的开裂的时刻：
(6.4)
其中，表示中性轴到受压面的距离,是断裂模量。具体的我的变化取决于弯矩图的形状和裂缝模式,很难确定。这使得一个确切的挠度计算是不可能的。
不过，普遍的研究表明（见6.7），梁的形变量与达到最大力矩和超过断裂的临界点时的弯矩以及转惯量之间有如下关系：
（b）
其中
(6.5)
是换算截面的转动惯量。
在图6.4中，程(6.5)体现了有效惯性矩的影响方绘制的功能比Ma / Mcr(方程中使用比率的倒数)。见过,Ma最大力矩值低于开裂的时刻Mcr,即Ma/ Mcr小于1.0，。随着Ma的附加值越来越大.当M
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