1、第三章 结构与构件设计,安徽建筑工业学院 土木工程学院 刘自力,土建工程基础,1 概述 1.1 混凝土结构的基本概念,混凝土结构的类型： 钢筋混凝土结构 配置受力的普通钢筋，钢筋网或钢骨架； 预应力混凝土结构配置预应力钢筋的混凝土结构； 素混凝土结构配置不受力的钢筋的混凝土结。,钢筋混凝土梁与素混凝土梁比较,钢筋混凝土梁：受拉区配220钢筋,F=13.4KN 截面开裂并破坏,Fcr=15 KN 截面开裂;,Fu=87KN 截面破坏。,梁的承载力大大提高，梁的受力性能改善。,钢筋与混凝土共同工作的条件,钢筋和混凝土之间存在有良好的粘结力，在荷载作用下，可以保证两种材料协调变形，共同受力； 钢筋与
2、混凝土具有基本相同的温度线膨胀系数（钢材为1.210-5，混凝土为(1.01.5)10-5），因此当温度变化时，两种材料不会产生过大的变形差而导致两者间的粘结力破坏。 (3)混凝土作为钢筋的保护层,使钢筋不容易发生锈蚀。,钢筋混凝土结构的优缺点,优点 材料利用合理； 可模性好； 耐久性和耐火性较好，维护费用低； 现浇混凝土结构的整体性好，刚度大 (5) 易于就地取材,缺点：自重大：不适用于大跨、高层结构。 抗裂性差：普通RC结构，在正常使用阶段往往带裂缝工作，环境较差(露天、沿海、化学侵蚀)时会影响耐久性；也限制了普通RC用于大跨结构，高强钢筋无法应用。 施工复杂，工序多（支模、绑钢筋、浇筑、
3、养护），工期长，施工受季节、天气的影响较大。 混凝土结构一旦破坏，其修复、加固、补强比较困难。,1.2 结构设计的程序,结构选型 结构构件布置 结构构件的计算简图 单个构件的设计计算 绘制结构施工图,1.3 结构构件计算简图,构件的简化 支座简化与计算跨度 支座简化 计算跨度 荷载简化与计算 荷载分类 荷载简化,2 材料主要物理力学性能,2.1 钢筋,按化学成分,碳素钢（铁、碳、硅、锰、硫、磷等元素）,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）,硅系 硅钒系 硅钛系 硅锰系 硅铬系,钢筋,热轧钢筋：热轧
4、光面钢筋HPB235，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,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：3或7根相同直径的钢丝成螺旋状铰绕在一起,冷拔低碳钢丝：由低碳钢冷拔而成,钢筋的种类,按表面形状,光圆钢筋,变形钢筋,预应力钢筋,屈服强度,热轧钢筋的屈服强度,预应力钢筋的屈服强度,一 钢筋的应力应变曲线,硬钢的应力应变曲线,d 极限抗拉强度,e 极限应变,
5、条件屈服强度：,取残余应变为0.2%所对应的应力作为无明显流幅钢筋的强度限值，通常称为条件屈服强度。,二 钢筋的塑性性能,三 钢筋的冷加工,冷拉：,在常温下用机械方法将有明显流幅的钢筋拉到超过屈服强度的某一应力值，然后卸载至零。,钢筋在冷拉后，未经时效前，一般没有明显的屈服台阶；卸载后经过停放一段时间或加热后然后再张拉，进一步提高了屈服强度并恢复了屈服台阶，这种现象称为冷拉时效硬化。温度的影响：温度达700C时恢复到冷拉前的状态，先焊后拉。K点的选择：应力控制和应变控制特性：只提高抗拉强度，不提高抗压强度，强度提高，塑性下降,冷拔：,将HPB235级热轧钢筋强行拔过小于其直径的硬质合金拔丝模具
6、。,经过几次冷拔的钢丝，抗拉、抗压强度均大大提高，但塑性降低。,四 混凝土结构对钢筋性能的要求,2.2 混凝土,混凝土的强度 立方体抗压强度,尺寸效应：尺寸越大，内部缺陷较多， 强度较低。加载速度：加载速度越快，强度越低。端部约束：涂润滑油 ，强度降低。,用边长为150mm的标准立方体试块在标准条件下养护28d后，以标准试验方法测得的破坏时的平均压应力为混凝土的立方体抗压强度。,影响因素：,按上述规定所测得的具有95%保证率的抗压强度称为混凝土的立方体抗压强度标准值 。,混凝土强度等级,按立方体抗压强度标准值确定，按 的大小划分为14级。 C15、 C20、 C25、 C30 C80。,混凝土
7、强度等级的选用,采用HRB335、 HRB400、 RRB400级钢筋时， 不得低于C20；,预应力混凝土结构， 不应低于C30；,采用高强钢丝作预应力钢筋时，不宜低于C40。,承受重复荷载构件的混凝土， 不得低于C20；,2 轴心抗压强度,3 轴心抗拉强度,二 混凝土的变形,1. 混凝土的应力应变曲线,一次短期加载下混凝土受压的应力应变曲线,峰值应变,极限压应变,混凝土的应力应变曲线,2. 混凝土的变形模量,初始弹性模量 ：过原点切线的斜率。,切线模量 ：过某一点切线的斜率。,割线模量 ：某一点与原点连线的斜率。,混凝土的变形模量,混凝土弹性模量与立方体抗压强度之间的关系：,混凝土的弹性模量
8、的试验方法（150150 300标准试件）,510次,混凝土的变形模量,3. 混凝土的徐变,定义：在荷载长期作用下，混凝土的变形随时间而徐徐增长的现象。,徐变的特点：开始增长较快，以后逐渐减慢，最后趋于稳定。,混凝土的徐变,3 混凝土的徐变,徐变的原因： 水泥凝胶体的黏性流动，使骨料应力增大。 混凝土中内部微裂缝的发展。,影响徐变的因素： 应力的大小； 混凝土的龄期； 混凝土的制作、养护环境； 水灰比与水泥用量； 骨料用量及力学性能。,3 混凝土的徐变,徐变对结构设计的影响： 使钢筋混凝土构件截面产生内力重分布； 使受弯构件和偏压构件的变形加大 ； 使预应力混凝土构件产生预应力损失 。,徐变对
9、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,荷载长期作用下混凝土的变形性能-徐变,4. 混凝土的收缩,定义：混凝土在空气中硬化时体积会缩小，这种现象称为混凝土的收缩。 收缩是混凝土在不受外力情况下体积变化产生的变形。 当这种自发的变形受到外部（支座）或内部（钢筋）的约束时，将使混凝土中产生拉应力，甚至引起混凝土的开裂。混凝土收缩会使预应力混凝土构件产生预应力损失。,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,影响因素：,收缩对混凝土结构的影响,
10、收缩： 钢筋受压， 混凝土受拉,混凝土的变形性能-收缩,2.3 钢筋和混凝土的粘接作用,1 粘结应力的定义,钢筋与混凝土接触面上产生的沿钢筋纵向的剪应力 。,粘结强度：粘结失效时的最大（平均）粘结应力。,粘结强度的测试,拔出试验,2 粘结应力的组成,3 粘结破坏机理,（1）光圆钢筋的粘结破坏：粘结作用在钢筋与混凝土间出现相对滑移前主要取决于化学胶着力，发生滑移后则由摩擦力和机械咬合力提供。 （2） 变形钢筋的粘结破坏粘结强度仍由胶着力、摩擦力和机械咬合力组成。但主要为机械咬合力。钢筋开始滑移后，粘结力主要由钢筋凸肋对混凝土的斜向挤压力和界面上的摩擦力组成。若钢筋外围混凝土很薄且没有环向箍筋约束
11、，形成纵向劈裂裂缝，沿钢筋纵向产生劈裂破坏。,若有环向箍筋约束混凝土的变形，纵向劈裂裂缝的发展受到限制，最后钢筋沿肋外径的圆柱面出现整体滑移，发生刮犁式破坏（剪切破坏）。,（3） 影响粘结强度的因素 混凝土的强度； 横向配筋的数量； 钢筋的外形； 混凝土的保护层厚度及钢筋间距；锚固区的横向压力 ；受力状态。,2.4 钢筋的锚固、连接与延伸,修正后的锚固长度：,机械锚固的形式,依靠钢筋自身的性能无法满足锚固要求，采用机械锚固措施。,通过绑扎搭接、焊接或机械连接，将一根钢筋所受的力传给另一根钢筋。,钢筋搭接接头的错开要求,连接,将钢筋从按计算不需要的位置延伸一定长度，以保证钢筋发挥正常受力性能，称
12、为延伸。,延伸,钢筋的截断,3 结构按极限状态计算的基本原则 3.1设计基准期和设计使用年限,设计基准期：为确定可变作用及时间有关的材料性能而 选用的时间参数,设计使用年限：设计规定的结构或构件不需进行大修即可 按其预定目的使用的时期,. 结构的安全等级,建筑结构应根据破坏时可能产生的后果严重与否，划分为3个安全等级。,3.2 极限状态的定义和分类,结构的功能要求,安全性：结构在正常施工和使用时应能承受可能出现的各种荷载及外部作用，以及在偶然事件发生时及发生后能保持必需的整体稳定性。,适用性：结构在正常使用时有良好的工作性 能。,耐久性：结构在正常维护下，材料性能虽随时间变化，但仍能满足预定功
13、能要求。,极限状态,结构或其构件能够满足前述某一功能要求的临界状态。超过这一界限，结构或其构件就不能满足设计规定的该项功能要求而进入失效状态建筑结构可靠度设计统一标准将结构的极限状态分为两类：承载能力极限状态及正常使用极限状态。,承载能力极限状态,承载能力极限状态 结构或结构构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形。(1) 整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡，如雨篷压重不足而倾覆、烟囱抗风不足而倾倒、挡土墙抗滑不足在土压力作用下而整体滑移等。(2) 结构构件或其连接因超过材料强度而破坏(包括疲劳破坏)，如轴心受压构件中混凝土达到了轴心抗压强度、构件的钢筋因锚固长度不足而被拔出等；或因变形
14、过大而不适于继续承受荷载。 (3) 结构转变为机动体系，如构件发生三铰共线而形成机动体系，丧失承载能力。(4) 结构或构件丧失稳定，如细长柱到达临界荷载后压屈失稳而破坏。,正常使用极限状态,正常使用极限状态 结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值。(1) 影响正常使用或外观的变形，如吊车梁变形过大导致吊车不能正常行驶、梁挠度过大影响外观等。 (2) 影响正常使用或耐久性能的局部损坏，如水池池壁开裂漏水不能正常使用、如裂缝过宽导致钢筋锈蚀等。 (3) 影响正常使用的振动，如由于机器振动而导致结构的振幅超过按正常使用要求所规定的限位等。(4) 影响正常使用的其它特定状态，如相对沉降量过
15、大等。,3.3 承载能力极限状态设计方法,结构设计的承载力极限状态设计表达式：1.结构重要性系数 的确定,统一标准根据建筑结构破坏可能产生的后果的严重性，将建筑结构划分为三个安全等级。对安全等级为一级、二级、三级的结构构件，其结构构件的重要性系数分别不应小于1.1、1.0、0.9。,我国规范采用以概率理论为基础的极限状态设计法，以可靠指标度量结构构件的可靠度，采用分项系数的设计表达式进行设计,2.内力组合设计值S的确定,考虑永久荷载和可变荷载共同作用所得的结构内力值称为结构的内力组合值。对于基本组合，荷载效应组合的设计值S应从下列组合值中取最不利值确定： （1） 由可变荷载效应控制的组合：,(
16、2)由永久荷载效应控制的组合： 对于一般排架、框架结构，基本组合可采用简化规则，并应按下列组合值中取最不利值确定： (1) 由可变荷载效应控制的组合：(2)由永久荷载效应控制的组合仍按前述规定采用。,3.基本组合的荷载分项系数,（1） 永久荷载的分项系数：当其效应对结构不利时对由可变荷载效应控制的组合，取G=1.2；对由永久荷载效应控制的组合，取G=1.35。当其效应对结构有利时一般情况下，取G=1.0；对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，取G=0.9,（2） 可变荷载的分项系数：一般情况下，Q=1.4；对标准值大于4kN/m2的工业房屋楼面结构的活荷载，取Q=1.3。永久荷载分项系数与永久荷载标准
17、值的乘积，称为永久荷载设计值；可变荷载分项系数与可变荷载标准值的乘积称为可变荷载设计值。,4.结构构件的承载力设计值,R = R( ) = R(fc , fs , k , ),是由材料强度的标准值fck除以砼材料分项系数 c 1.0所得。,fc 混凝土材料强度设计值。,fck是由数理统计分析且具有95%的保证率的材料强度。,是由钢材强度的标准值fsk除以材料分项系数(s 1.0)求得。,结构构件的抗力应根据截面的受力状态不同用相应的计算模型确定。,fs 钢材强度设计值。,fsk是由数理统计且具有95%保证率的材料强度。,混凝土结构设计规范规定混凝土强度的分项系数c为1.4；钢筋强度的分项系数s
18、根据钢筋种类不同，取值范围在1.11.5。见下表：,材料强度的分项系数,3.4 正常使用极限状态设计表达式,对于正常使用极限状态，应根据不同的设计要求，采用荷载的标准组合、频遇组合和准永久组合进行设计，使变形、裂缝、振幅、基底应力等荷载效应的组合值符合下式的要求： SC （1） 对于标准组合，荷载效应组合的设计值S按下式计算：,（2） 对于频遇组合，荷载效应组合值S按下式计算： （3） 对于准永久组合，荷载效应组合值S按下式计算：,变形及裂缝宽度的验算,1. 变形验算,式中 受弯构件按荷载短期效应组合并考虑长期效应组合影响计算的最大挠度。, 规范允许挠度,2.裂缝验算,规范按使用阶段对结构构件裂缝的不同要求，将裂缝控制等级分为三级：,一级：严格要求不裂，使用阶段不允许出现拉应力。,二级：一般要求不裂，使用阶段允许出现拉应力，但应作限制。,三级：允许开裂，应验算裂缝宽度,max max ,知识网络结构图,
