问题描述:
请问,在SAFE中如何计算楼板的裂缝宽度?
解答:
SAFE按照欧标EN1992-1-1:2004第7.3.4条计算楼板的裂缝宽度。完成分析和设计后,点击【显示>裂缝宽度】命令,弹出裂缝宽度对话框,如图1所示。程序根据此对话框中的参数以及楼板配筋计算裂缝宽度。其中楼板配筋的来源由开裂分析的配筋选项确定,默认为基于有限元设计的配筋结果。本篇文档主要介绍裂缝宽度的计算公式以及参数的填写。
图1 裂缝宽度对话框
裂缝宽度的计算公式如下:
其中,为最大裂缝间距;为钢筋平均应变与混凝土平均应变之差。
1. 最大裂缝间距
当钢筋间距不大于5(c+/2)时,程序根据欧标计算最大裂缝间距的公式如下。其中该公式中的k1、k2、k3、k4也正是【裂缝宽度】对话框中需要填写的相关参数。
式中:c——净保护层厚度,纵向受拉钢筋外边缘至受拉区底边的距离;
——等效钢筋直径,当存在多个规格的钢筋直径时,应取等效直径:;
k1——钢筋的相对粘结特性系数:带肋钢筋取0.8,光圆钢筋取1.6;
k2——构件受力特征系数:受弯构件取0.5,受拉构件取1.0,对于偏心受拉构件或局部受力构件,k2可按照公式计算,其中和分别为基于开裂截面边缘计算得到的较大和较小拉应变;
k3——保护层系数,建议值为3.4;
k4——经验系数,建议值为0.425;
——纵向受拉钢筋配筋率:;其中为配筋面积,由开裂分析的配筋选项确定;为有效受拉混凝土截面面积(图2)。程序根据欧标确定的有效高度取下面两个数值中的较小值: 2.5*(净保护层厚度c+钢筋半径/2)和(混凝土高度h-受压区高度x)/3。
图2 板的有效受拉混凝土截面面积示意图
“净保护层厚度”和“等效钢筋直径”即用来计算有效受拉混凝土截面面积,其中等效钢筋直径可以根据最终设计想要选取的钢筋直径进行初步填写。不同方向的“净保护层厚度”和“等效钢筋直径”分别对应该方向的纵向受拉钢筋,且两个方向的裂缝计算是相互独立的。
例如,对于某单向板(图3),用户手动添加的板底纵向受拉钢筋沿局部1轴,那么裂缝宽度的计算就只与局部1轴方向的净保护层厚度和等效钢筋直径有关,最终裂缝的走向垂直于局部1轴。
图3 单向板裂缝宽度
对于双向板,假设最外侧受拉钢筋沿局部1轴,保护层厚度为20mm,钢筋直径为12mm,那么“局部1轴方向-净保护层厚度”填写20mm,“局部2轴方向-净保护层厚度”填写20+12=32mm。
2. 钢筋平均应变与混凝土平均应变之差
计算公式如下,其中该公式中的kt和正是【裂缝宽度】对话框中需要填写的相关参数。
式中:——纵向受拉钢筋应力,程序根据选择的荷载工况/荷载组合计算该值;
——钢筋与混凝土弹性模量之比;
kt——荷载周期系数:长期荷载取0.4,短期荷载取0.6;
——混凝土发生第一条裂缝时的有效开裂强度,即【裂缝宽度】对话框中的“混凝土有效断裂强度”。根据欧标,可以取混凝土轴心抗拉强度平均值(图4),也可以根据工程经验对进行折减后作为混凝土有效断裂强度。
图4 混凝土轴心抗拉强度平均值(欧标表3.1)
在【裂缝宽度】对话框中填写好相关参数后,点击确定,视图中即显示所选荷载工况/荷载组合下的裂缝宽度平面图,包含裂缝走向和裂缝宽度的信息。鼠标放在任意位置可以显示该位置处的裂缝宽度数值,如图5所示。
图5 裂缝宽度平面图
最后需要说明两点:
1)对于预应力钢筋,SAFE仅考虑其对弯矩和钢筋应力的贡献,不考虑其对抵抗裂缝的贡献。
2)国标中混凝土裂缝的计算公式仅适用于梁,并不适用于双向板,因此国内设计时也没有要求计算楼板的裂缝宽度。对于一般的环境,美标通过控制纵向钢筋的间距来限制裂缝宽度。欧标裂缝宽度的计算方法与国标接近,公式的骨架参数和格式相同,既适用于梁,也适用于楼板。