1、电子教案 湖南科技大学土木工程学院路桥系舒小娟 Tel:18975226551 QQ:254528003,钢筋混凝土结构设计,总 论 结构 设计 原理,1. 什么叫结构,它包括哪些范畴？ 2. 设计是要作哪些工作？设计要达到怎样的要求？ 3. 原理，即结构设计依据的理论、遵循的原则,一般把构造物的承重骨架称为结构。,先修课程（1）材料力学单一材料杆件（2）建筑材料,0.1 结构分类,按建筑材料分类,混凝土结构,素混凝土,钢筋混凝土,预应力混凝土,钢结构,按受力情况分,受弯构件（梁），,受压构件（柱），,受扭构件（扭杆），,圬工结构 适用于中小跨径的拱桥、墩台、挡土墙、涵洞、护坡等，以及低层房屋
2、建筑中，木结构用作支架、临时支护、模板等构造。,FRP混凝土,圬工结构,木结构,组合结构,混凝土结构 应用广泛，大量应用于房屋、桥梁、水工建筑中，约占现代结构的70，中国人人均年消耗混凝土3t。,钢结构材料 弹性模量大、强度高、可靠性好，便于机械化施工；多应用于高层建筑、水工建筑、大跨径桥梁中,组合受力构件,受拉构件（系杆、吊杆）,受剪构件（深梁），,节点构造（支座、 局部承压区、铰结构），,采用主体符号或带上、下标的主体符号。如 M， fs ， Ecf， fs主体符号：用斜体大、小写字母；上、下标：用标号或小写正体字母。例外：l E,力：N(牛顿) ，kN(千牛)1kN=1000N ; 1k
3、gf=10N 应力：N/mm2 或 MPa(兆帕) 长度：mm , cm , m,0.2 符号系统与计量单位,* 1. 除应力单位外，有量纲的符号采用英文字母符号，主符号一般采用相应英文首字母，如M-moment，Ttorsion, Hheight 2. 大多数无量纲的符号采用希腊字母标示，另外，应力符号采用希腊字母。如 ， ,0.3 学习中应注意的问题,本课程是一门专业技术基础课，是学习桥梁工程等课程的基础。注重对结构分析设计中各种构件的理想特性的剖析，以求学者对结构设计基本原理有清晰的概念理解。本课程重点内容是结构构件设计，只要符合要求设计是可以多样化的； 有很多半经验半理论公式，须注意使
4、用条件和适用范围； 要学会使用设计规范；本书中涉及的部分我国现行规范: 公路桥涵设计通用规范（ JTJ D60-2004） 交通部 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 （JTG D62-2004）交通部 公路工程结构可靠度统一设计标准（GB/T 50283-1999） 普通混凝土力学性能试验方法标准（GB/T 50281-2002） 混凝土结构设计规范（GB500102002）,第一章 钢筋混凝土结构概念及材料,钢筋混凝土结构的基本概念 混凝土材料 钢筋 钢筋与混凝土之间的粘结,1.1 混凝土结构的一般概念,素混凝土梁承载力小，破坏突然,钢筋混凝土梁承载力大，变形性能好，破坏有预告,1.
5、1.1 钢筋混凝土梁,钢筋混凝土结构是由配置受力的普通钢筋、钢筋网或钢筋骨架的混凝土制成的结构。,钢筋布置于受拉区在混凝土开裂后代替混凝土受拉.,钢筋协助混凝土受压，减小构件断面尺寸，螺旋箍筋使混凝土处于三向受压状态，提高其强度和延性。,1.1.2 钢筋混凝土柱, 可靠的粘结力,无粘结，钢筋不能承载，不起作用,思考题：两梁叠放，与两梁顶底相互完全粘结，那种情况承载力大？,1.1.3 钢筋与混凝土柱共同工作机理, 相近的温度线膨胀系数混凝土的温度膨胀系数约在(1.01.5) 10-5m/之间，钢筋的线膨胀系数为1.210-5m /。, 混凝土对钢筋的防腐蚀作用,优点：耐久性好耐火性好整体性好可模
6、性好就地取材节约钢材阻止射线的穿透,缺点：自重大易开裂耗模板施工受季节性影响隔热隔声性能差,随着科学技术的不断发展，正逐渐被克服,1.1.4 钢筋混凝土结构的优缺点,1824年，英国人J. Aspdin 发明了波特兰水泥，有了混凝土；,1849年，法国人Joseph Louis Lambot 用水泥砂浆涂在钢丝网的两面做成小船-最早的钢筋混凝土结构；,1861年，法国花匠J. Monier 用钢丝作为配筋制作了花盆并申请了专利，后由申请了钢筋混凝土板、管道、拱桥等专利-尽管他不懂钢筋混凝土结构的受力原理，甚至将钢筋配置在板的中部，他却被认为是钢筋混凝土结构的发明者；,1884年，德国人Ways
7、s, Bauschingger和Koenen等提出了钢筋应配置在构件中受拉力的部位和钢筋混凝土板的计算理论。后来，钢筋混凝土结构逐渐得到了推广应用。,1.钢筋混凝土结构的诞生,1.1.5 钢筋混凝土结构的发展,强度不断提高美国60年代混凝土抗压强度平均值：28MPa，70年代 ：42Mpa，有特殊需要时： 40Mpa100Mpa，试验室中： 266 Mpa,轻质混凝土的应用容重一般为：14kN/m318kN/m3(普通混凝土为24kN/m3)，加气混凝土、陶粒混凝土、火山岩混凝土、碎砖混凝土等,无砂混凝土只有粗骨料，无细骨料,FRP筋的应用用FRP筋代替钢筋,2.材料的发展,1.1.5 钢筋混
8、凝土结构的发展,3.结构方面的发展,预应力混凝土结构的应用在混凝土的受拉区施加预应力，以提高混凝土结构的抗裂度，减轻构件的自重,结构体系的丰富不同用途、不同结构功能具有相应的结构体系：混凝土结构、钢与混凝土的组合结构、FRP混凝土及预应力混凝土结构等,1.1.5 钢筋混凝土结构的发展,1.2 混凝土,1.2.1 混凝土的强度,国标试验标准：标准试块尺寸（mm）：150150 150标准试验方法：不涂润滑剂标准养护条件 温度：20 2 湿度：95%试件龄期：28d,压力试件裂缝发展扩张整个体系解体，丧失承载力,另影响强度的因素还有：龄期、加载速率、试块尺寸等,非标准试块：100100 100 换
9、算系数 0.95200200 200 换算系数 1.05,标号（强度等级）：C15-C80,1. 立方体抗压强度fcu,k,标准试块：150150 300,非标准试块：100100 300 换算系数 0.95 200200 400 换算系数 1.05,考虑到承压板对试件的约束，立方体抗压强度大于棱柱体抗压强度，且有：fc=0.76fcu (试验结果) 考虑到构件和试件的区别，取fc=0.67fcu,对国外（美国、日本、欧洲混凝土协会等）采用的圆柱体试件（d=150, h=300），有fc=0.79fcu,圆柱体抗压强度,2. 混凝土轴心抗压强度fc（棱柱体抗压强度）,1.2.1 混凝土的强度,
10、1.2.1 混凝土的强度,直接受拉试验,试验结果：ft=0.395fcu 0.55 考虑到构件和试件的区别，尺寸效应，加荷速度等的影响，取 ft=0.348fcu 0.55,劈裂试验fts,我国根据100mm立方体的劈裂与抗压试验结果有：fts=0.19fcu 3/4,ft=0.9 fts,3.混凝土的抗拉强度ft,4. 强度指标的确定,强度,随机变量,根据统计资料，运用数理统计方法确定的具有一定保证率（95%）的统计特征值： 强度标准值=强度平均值-1.645均方差,1.2.1 混凝土的强度,5. 复合受力状态下混凝土的强度,双轴应力下的强度,* 双向受压强度较单向受压有所提高，应力比约为2
11、时强度提高最多，约25% 双向受拉，强度几乎较单向拉无变化；一向拉、一向压，强度下降。,* 混凝土抗压强度随剪应力存在而降低，抗剪强度因压应力水平不同而变化,1.2.1 混凝土的强度,图- 法向应力和剪应力下的强度曲线,图- 双向正应力下的强度曲线,三向受压时的混凝土强度,圆柱体试验,有侧向约束时的抗压强度,无侧向约束时圆柱体的单轴抗压强度,6. 混凝土的疲劳强度,图- 重复荷载下的应力-应变曲线,fcf的确定原则：100100 300或150150 450 的棱柱体试块承受200万次（或以上）循环荷载时发生破坏的最大压应力值,1.2.1 混凝土的强度,1.2.2 混凝土的变形性能,单轴受压时
12、的应力-应变关系,1. 混凝土在单调、短期加载下的变形性能,影响单轴受压应力-应变曲线因素：（1）混凝土强度，强度对上升段影响小，下降段随强度提高而变陡 （2）测试技术和试验条件，宜采用等应变加载（3）应变速率，速率小，峰值应力下降，应变提高，曲线拉长,混凝土的弹性模量、变形模量,原点切线模量（弹性模量）：拉压相同,变形模量（割线模量、弹塑性模量）,切线模量,弹性特征系数 受压时，为0.41.0； 受拉破坏时，为1.0,1.2.2 混凝土的变形性能,混凝土的泊松比和剪切模量,混凝土的泊松比，在压力较小时为0.150.18，接近破坏时可达0.5以上，一般可取0.2,混凝土的剪切模量为,混凝土的弹
13、性模量的试验方法（150150 300标准试件）,1.2.2 混凝土的变形性能,2. 混凝土在长期荷载作用下的变形性能徐变,原因之一，胶凝体的粘性流动,原因之二，混凝土内部微裂缝的不断发展,徐变的原因,1.2.2 混凝土的变形性能,应力： c0.8fc，造成混凝土破坏，不稳定,加荷时混凝土的龄期，越早，徐变越大,水泥用量越多，水灰比越大，徐变越大,骨料越硬，徐变越小,影响徐变的因素,c0.5fc，线性徐变,c0.8fc，非线性徐变,1.2.2 混凝土的变形性能,3. 混凝土的收缩,混凝土的收缩-结硬过程中混凝土体积缩小的性质,水泥品种：等级越高，收缩越大,水泥用量：水泥用量越多，水灰比越大，收
14、缩越大,骨料：骨料越硬，收缩越小,养护条件、制作方法、使用环境、体积与表面积的比值等,1.2.2 混凝土的变形性能,4. 混凝土的收缩徐变对结构的影响,徐变对混凝土结构的影响,P拆去，钢筋受压混凝土受拉，可能会引起混凝土开裂,徐变：s， c,收缩对混凝土结构的影响,收缩： 钢筋受压， 混凝土受拉,1.2.2 混凝土的变形性能,1.2 钢筋,图- 有明显流幅的钢筋,图- 无明显流幅的钢筋,钢筋受压和受拉时的应力-应变曲线几乎相同,* 明显流幅的钢筋：下屈服点对应的强度作为设计强度的依据（钢筋屈服后会产生大的塑性变形，钢筋混凝土构件会产生不可恢复的变形和不可闭合的裂缝，以至不能使用）,* 无明显流
15、幅的钢筋：残余应变为0.2%时所对应的应力作为条件屈服强度,随着冶金系统采用国际标准及质量的提高，在相应的产品标准中明确规定屈服强度0.2不得小于极限抗拉强度b的85%（0.85b）。因此，实际应用中可取极限抗拉强度b的85%作为条件屈服点,1.2.1 钢筋的强度与变形,1.应力应变关系曲线,2. 钢筋的力学参数指标,弹性模量E 屈服强度b,变形指标 * 伸长率：钢筋拉断后的伸长与原长的比值,* 冷弯要求：将直径为d的钢筋绕直径为D的钢辊弯成一定的角度而不发生断裂 （见书图1-20）,1.2.1 钢筋的强度与变形,3. 钢筋的成分、级别和品种,按化学成分,碳素钢（铁、碳、硅、锰、硫、磷等元素）
16、,低碳钢（含碳量0.25%）,中碳钢（含碳量0.250.6%）,高碳钢（含碳量0.61.4%）,普通低合金钢（另加硅、锰、钛、钒、铬等）,锰系 硅钒系 硅钛系 硅锰系 硅铬系,按加工,钢筋,热轧钢筋：热轧光面钢筋HRB235，热轧带肋钢筋HRB335、HRB400，余热处理钢筋RRB400,冷拉钢筋：由热轧钢筋在常温下用机械拉伸而成,热处理钢筋：将HRB400、RRB400钢筋通过加热、淬火、回火而成,1.2.1 钢筋的强度与变形,按加工,钢丝,碳素钢丝：高碳镇静钢通过多次冷拔、应力消除、矫正、回火处理而成,刻痕钢丝：在钢丝表面刻痕，以增强其与混凝土间的粘结力,钢绞线：若干根相同直径的钢丝成螺
17、旋状铰绕在一起,冷拔低碳钢丝：由低碳钢冷拔而成,按表面形状,光圆钢筋,变形钢筋,钢筋的强度等级及应用范围,非预应力钢筋：R235，HRB335，HRB400，KL400,预应力钢筋：碳素钢丝，刻痕钢丝，钢绞线，热处理钢筋，冷拉钢筋,1.2.1 钢筋的强度与变形,4. 钢筋的冷加工和热处理,冷拉,无时效,经时效,K点的选择：应力控制和应变控制,温度的影响：温度达700C时恢复到冷拉前的状态，先焊后拉,特性：只提高抗拉强度，不提高抗压强度，强度提高，塑性下降,冷拔,经过冷拔后钢筋没有明显的屈服点和流幅,冷拔既能提高抗拉强度又能提高抗压强度,1.2.1 钢筋的强度与变形,热处理,对特定钢号的钢筋进行
18、淬火和回火处理,强度提高，塑性降低,不降低强度的前提下，消除由淬火产生的内力，改善塑性和韧性,5. 钢筋的徐变和松弛,徐变,应力不变，随时间的增长应变继续增加,松弛,长度不变，随时间的增长应力降低,对结构，尤其是预应力结构，产生不利的影响，需采取必要的措施,6. 钢筋的疲劳,重复荷载作用下，钢筋的强度静载作用下的强度,规定的应力幅度内，经一定次数的重复荷载后，发生疲劳破坏的最大应力值称为疲劳强度。对钢筋用疲劳应力幅来表示其疲劳强度。,1.2.1 钢筋的强度与变形,1.4 钢筋与混凝土之间的粘结,1.4.1 粘结作用,钢筋的周长,粘结应力：钢筋与混凝土交界面上承受相对滑移变形产生的剪应力，称为粘
19、结应力,粘结应力,梁中粘结应力的分布与V的分布规律相同； 实际上由于微裂缝的存在分布规律还要变化,粘结强度,粘结应力分布,一般用拔出试验测出钢筋与混凝土间的平均粘结强度,钢筋周长,埋置长度,拔出拉力,1.4.1 粘结作用,1.4.2 粘结机理分析,光圆钢筋,粘附力,摩擦力,机械咬合力（钢筋表面不平、微锈时可显著提高咬合力）,有滑移时粘附力即消失,钢筋受力较大时粘结力主要由此二部分组成,变形钢筋,粘附力,摩擦力,机械咬合力,主要作用,粘结破坏形态,光圆钢筋,钢筋拔出,变形钢筋,混凝土撕裂,混凝土局部挤碎,刮出式破坏,1.4.2 粘结机理分析,1.4.3 影响粘结强度的因素,混凝土强度：黏结强度与
20、混凝土抗拉强度大致成正比关系。,浇注位置（水平浇注、竖向浇注）混凝土沉淀收缩和离析泌水使对水平放置的钢筋下部会形成疏松层，导致黏结强度降低。若混凝土浇注方向与钢筋平行，黏结强度比浇注方向与钢筋垂直的情况有明显提高。,钢筋的外形特征：变形钢筋的黏结强度较高，但是，使用变形钢筋，在黏结破坏时容易使周围混凝土产生劈裂裂缝。,保护层厚度和钢筋的净距：在一定相对埋置长度l/d的情况下，相对黏结强度/ft与相对保护层厚度c/d的平方根成正比，但黏结强度随保护层厚度加大而提高的程度是有限的，当保护层厚度大到一定程度时，试件不再是劈裂式破坏而是刮犁式破坏，黏结强度将不再随保护层厚度加大而提高。,横向钢筋：构件
21、中配置箍筋能延迟和约束纵向裂缝的发展，阻止劈裂破坏，提高黏结强度。,侧向压力：在侧向压力作用下，由于摩阻力和咬合力增加，黏结强度提高。但过大的侧压将导致混凝土裂缝提前出现，反而降低黏结强度。,本章 总结,钢筋混凝土结构概念,钢筋混凝土梁：钢筋布置于受拉区在混凝土开裂后代替混凝土受拉。承载力大，变形性能好，破坏有预告。,钢筋混凝土柱：钢筋协助混凝土受压，减小构件断面尺寸，螺旋箍筋使混凝土处于三向受压状态，提高其强度和延性。,本章 总结,钢筋材料性能,1.本构关系 2. 屈服强度的取值 3. 钢筋分类与强度等级 4. 冷加工特性 5. 松弛与疲劳特性,混凝土特性,1. 强度测试单向受力强度、复合受力强度，影响强度测试因素 2. 本构关系短期单调应力应变曲线、长期徐变特征与影响因素 3. 弹性模量与变形模量 4. 徐变、收缩对结构的影响,本章 总结,钢筋与混凝土共同工作,1.可靠的粘结作用 2. 相近的温度线膨胀系数 3. 混凝土对钢筋的保护作用,粘结应力分布,粘结强度,粘结机理,
