混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理同濟(jì)大學(xué)PPT課件.ppt

混凝土結(jié)構(gòu)上冊(cè)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理 1 第一章緒論 以混凝土材料為主的結(jié)構(gòu)均可稱為混凝土結(jié)構(gòu) 包括鋼筋混凝土結(jié)構(gòu) 預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)和素混凝土結(jié)構(gòu)等 1 1混凝土結(jié)構(gòu)的一般概念1 1 1混凝土結(jié)構(gòu)的定義與分類 第一章緒論 1 1混凝土結(jié)構(gòu)一般概念和特點(diǎn) 2 1 1 2鋼筋與混凝土共同工作的條件 鋼筋和混凝土兩種材料的物理力學(xué)性能很不相同 他們可以結(jié)合在一起共同工作 是因?yàn)?鋼筋和混凝土之間存在有良好的粘結(jié)力 在荷載作用下 可以保證兩種材料協(xié)調(diào)變形 共同受力 鋼筋與混凝土具有基本相同的溫度線膨脹系數(shù) 鋼材為1 2 10 5 混凝土為 1 0 1 5 10 5 因此當(dāng)溫度變化時(shí) 兩種材料不會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的變形差而導(dǎo)致兩者間的粘結(jié)力破壞 第一章緒論 1 1混凝土結(jié)構(gòu)一般概念和特點(diǎn) 3 1 1 3混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn) 材料利用合理 鋼筋和混凝土的材料強(qiáng)度可以得到充分發(fā)揮 結(jié)構(gòu)承載力與剛度比例合適 基本無(wú)局部穩(wěn)定問題 單位應(yīng)力價(jià)格低 對(duì)于一般工程結(jié)構(gòu) 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)于鋼結(jié)構(gòu) 可模性好 混凝土可根據(jù)需要澆筑成各種性質(zhì)和尺寸 適用于各種形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu) 如空間薄殼 箱形結(jié)構(gòu)等 耐久性和耐火性較好 維護(hù)費(fèi)用低 鋼筋有混凝土的保護(hù)層 不易產(chǎn)生銹蝕 而混凝土的強(qiáng)度隨時(shí)間而增長(zhǎng) 混凝土是不良熱導(dǎo)體 30mm厚混凝土保護(hù)層可耐火2小時(shí) 使鋼筋不致因升溫過(guò)快而喪失強(qiáng)度 第一章緒論 1 1混凝土結(jié)構(gòu)一般概念和特點(diǎn) 4 現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)的整體性好 且通過(guò)合適的配筋 可獲得較好的延性 適用于抗震 抗爆結(jié)構(gòu) 同時(shí)防振性和防輻射性能較好 適用于防護(hù)結(jié)構(gòu) 剛度大 阻尼大 有利于結(jié)構(gòu)的變形控制 易于就地取材 混凝土所用的大量砂 石 易于就地取材 近年來(lái) 已有利用工業(yè)廢料來(lái)制造人工骨料 或作為水泥的外加成分 改善混凝土的性能 第一章緒論 1 1混凝土結(jié)構(gòu)一般概念和特點(diǎn) 5 缺點(diǎn) 自重大 不適用于大跨 高層結(jié)構(gòu) 第一章緒論 1 1混凝土結(jié)構(gòu)一般概念和特點(diǎn) 抗裂性差 普通RC結(jié)構(gòu) 在正常使用階段往往帶裂縫工作 環(huán)境較差 露天 沿海 化學(xué)侵蝕 時(shí)會(huì)影響耐久性 也限制了普通RC用于大跨結(jié)構(gòu) 高強(qiáng)鋼筋無(wú)法應(yīng)用 承載力有限 在重載結(jié)構(gòu)和高層建筑底部結(jié)構(gòu) 構(gòu)件尺寸太大 減小使用空間 施工復(fù)雜 工序多 支模 綁鋼筋 澆筑 養(yǎng)護(hù) 工期長(zhǎng) 施工受季節(jié) 天氣的影響較大 混凝土結(jié)構(gòu)一旦破壞 其修復(fù) 加固 補(bǔ)強(qiáng)比較困難 6 1 2混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展與應(yīng)用概況1824年英國(guó)人阿斯普丁 J Aspdin 發(fā)明硅酸鹽水泥 1849年法國(guó)人朗波 L Lambot 制造了第一只鋼筋混凝土小船 1872年在紐約建造第一所鋼筋混凝土房屋 混凝土結(jié)構(gòu)的開始應(yīng)用于土木工程距今僅150多年 與磚石結(jié)構(gòu) 鋼木結(jié)構(gòu)相比 混凝土結(jié)構(gòu)的歷史并不長(zhǎng) 但發(fā)展非常迅速 是目前土木工程結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最為廣泛結(jié)構(gòu) 而且高性能混凝土和新型混凝土結(jié)構(gòu)形式還在不斷發(fā)展 第一章緒論 1 2混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展簡(jiǎn)況及其應(yīng)用 7 第一階段 從鋼筋混凝土的發(fā)明至上世紀(jì)初 鋼筋和混凝土的強(qiáng)度都比較低 主要用于建造中小型樓板 梁 柱 拱和基礎(chǔ)等構(gòu)件 計(jì)算理論 結(jié)構(gòu)內(nèi)力和構(gòu)件截面計(jì)算均套用彈性理論 采用容許應(yīng)力設(shè)計(jì)方法 第一章緒論 1 2混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展簡(jiǎn)況及其應(yīng)用 混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展 8 第一章緒論 1 2混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展簡(jiǎn)況及其應(yīng)用 第二階段 從上世紀(jì)20年代到第二次世界大戰(zhàn)前后 混凝土和鋼筋強(qiáng)度的不斷提高 1928年法國(guó)杰出的土木工程師E Freyssnet發(fā)明了預(yù)應(yīng)力混凝土 使得混凝土結(jié)構(gòu)可以用來(lái)建造大跨度計(jì)算理論 前蘇聯(lián)著名的混凝土結(jié)構(gòu)專家格沃茲捷夫 開始考慮混凝土塑性性能的破損階段設(shè)計(jì)法 50年代又提出更為合理的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法 奠定了現(xiàn)代鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的基本計(jì)算理論 9 第一章緒論 1 2混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展簡(jiǎn)況及其應(yīng)用 第三階段 二戰(zhàn)以后到現(xiàn)在隨著建設(shè)速度加快 對(duì)材料性能和施工技術(shù)提出更高要求 出現(xiàn)裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu) 泵送商品混凝土等工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù) 高強(qiáng)混凝土和高強(qiáng)鋼筋的發(fā)展 計(jì)算機(jī)的采用和先進(jìn)施工機(jī)械設(shè)備的發(fā)明 建造了一大批超高層建筑 大跨度橋梁 特長(zhǎng)跨海隧道 高聳結(jié)構(gòu)等大型工程 成為現(xiàn)代土木工程的標(biāo)志 設(shè)計(jì)計(jì)算理論 發(fā)展了以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法 基礎(chǔ)理論問題大都得到解決 而新型混凝土材料及其復(fù)合結(jié)構(gòu)形式的出現(xiàn)又不斷提出新的課題 并不斷促進(jìn)混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展 10 1 加強(qiáng)實(shí)驗(yàn) 實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)并注意擴(kuò)大知識(shí)面 混凝土結(jié)構(gòu)的基本理論相當(dāng)于鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土的材料力學(xué) 它是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的 因此除了課堂學(xué)習(xí)以外 還要加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)環(huán)節(jié) 以進(jìn)一步理解學(xué)習(xí)內(nèi)容和訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)的基本技能 第一章緒論 1 3混凝土結(jié)構(gòu)課程學(xué)習(xí)中應(yīng)注意的問題 1 3混凝土結(jié)構(gòu)課程學(xué)習(xí)中應(yīng)注意的問題 11 第一章緒論 1 3混凝土結(jié)構(gòu)課程學(xué)習(xí)中應(yīng)注意的問題 2 突出重點(diǎn)并注意難點(diǎn)的學(xué)習(xí) 本課程的內(nèi)容多 符號(hào)多 計(jì)算公式多 構(gòu)造規(guī)定也多 學(xué)習(xí)時(shí)要遵循教學(xué)大綱的要求 貫徹 少而精 的原則 突出重點(diǎn)內(nèi)容的學(xué)習(xí) 3 深刻理解重要的概念 熟練掌握設(shè)計(jì)計(jì)算的基本功 切記死記硬背 要求熟練掌握 深刻理解一些重要的概念并在今后的學(xué)習(xí)中不斷的深入理解 12 第二章混凝土結(jié)構(gòu)材料的物理力學(xué)性能 13 第二章鋼筋和混凝土的材料性能 2 1混凝土的物理力學(xué)性能 2 1混凝土的物理力學(xué)性能2 1 1混凝土的組成結(jié)構(gòu)通常把混凝土的結(jié)構(gòu)分為三種類型 微觀結(jié)構(gòu) 也即水泥石結(jié)構(gòu) 包括水泥凝膠 晶體骨架 未水化完的水泥顆粒和凝膠孔組成 亞微觀結(jié)構(gòu) 即混凝土中的水泥砂漿結(jié)構(gòu) 宏觀結(jié)構(gòu) 即砂漿和粗骨料兩組分體系 注意 1 骨料的分布及骨料與基相之間在界面的結(jié)合強(qiáng)度是影響混凝土強(qiáng)度的重要因素 2 在荷載的作用下 微裂縫的擴(kuò)展對(duì)混凝土的力學(xué)性能有著極為重要的影響 14 第二章鋼筋和混凝土的材料性能 2 1混凝土 2 1 2單軸應(yīng)力狀態(tài)下的混凝土強(qiáng)度混凝土結(jié)構(gòu)中 主要是利用它的抗壓強(qiáng)度 因此抗壓強(qiáng)度是混凝土力學(xué)性能中最主要和最基本的指標(biāo) 混凝土的強(qiáng)度等級(jí)是用抗壓強(qiáng)度來(lái)劃分的 2 1混凝土的物理力學(xué)性能 15 2 軸心抗壓強(qiáng)度 按標(biāo)準(zhǔn)方法制作的150mm l50mm 300mm的棱柱體試件 在溫度為20土3 和相對(duì)濕度為90 以上的條件下養(yǎng)護(hù)28d 用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測(cè)得的具有95 保證率的抗壓強(qiáng)度 對(duì)于同一混凝土 棱柱體抗壓強(qiáng)度小于立方體抗壓強(qiáng)度 考慮到實(shí)際結(jié)構(gòu)構(gòu)件制作 養(yǎng)護(hù)和受力情況 實(shí)際構(gòu)件強(qiáng)度與試件強(qiáng)度之間存在差異 規(guī)范 基于安全取偏低值 規(guī)定軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值和立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的換算關(guān)系為 2 1混凝土的物理力學(xué)性能 16 式中 k 為棱柱體強(qiáng)度與立方體強(qiáng)度之比 對(duì)不大于C50級(jí)的混凝土取0 76 對(duì)C80取0 82 其間按線性插值 k2為高強(qiáng)混凝土的脆性折減系數(shù) 對(duì)C40取1 0 對(duì)C80取0 87 中間按直線規(guī)律變化取值 0 88為考慮實(shí)際構(gòu)件與試件混凝土強(qiáng)度之間的差異而取用的折減系數(shù) fcu k立方體強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值即為混凝土強(qiáng)度等級(jí)fcu 17 3 軸心抗拉強(qiáng)度 混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度可以采用直接軸心受拉的試驗(yàn)方法來(lái)測(cè)定 但由于試驗(yàn)比較困難 目前國(guó)內(nèi)外主要采用圓柱體或立方體的劈裂試驗(yàn)來(lái)間接測(cè)試混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度 18 第二章鋼筋和混凝土的材料性能 2 1混凝土的物理力學(xué)性能 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 規(guī)定軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值與立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的換算關(guān)系為 混凝土軸心抗拉強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度的關(guān)系 19 在平面應(yīng)力狀態(tài)下 當(dāng)兩方向應(yīng)力均為壓應(yīng)力時(shí) 抗壓強(qiáng)度相互提高 最大可增加27 而當(dāng)一方向?yàn)閴簯?yīng)力 另一方向?yàn)槔瓚?yīng)力時(shí) 強(qiáng)度相互降低 當(dāng)壓應(yīng)力不太高時(shí) 其存在可提高混凝土的抗剪強(qiáng)度 拉應(yīng)力的存在會(huì)降低混凝土的抗剪強(qiáng)度 剪應(yīng)力的存在降低混凝土的抗壓和抗拉強(qiáng)度 側(cè)向壓應(yīng)力的存在可提高混凝土的抗壓強(qiáng)度 關(guān)系為 式中 被約束混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度 非約束混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度 側(cè)向約束壓應(yīng)力 側(cè)向壓應(yīng)力的存在還可提高混凝土的延性 3 復(fù)合受力狀態(tài)下混凝土的強(qiáng)度 20 第二章鋼筋和混凝土的材料性能 2 1 3復(fù)雜應(yīng)力下混凝土的受力性能 雙軸應(yīng)力狀態(tài) 實(shí)際結(jié)構(gòu)中 混凝土很少處于單向受力狀態(tài) 更多的是處于雙向或三向受力狀態(tài) 雙向受壓強(qiáng)度大于單向受壓強(qiáng)度 最大受壓強(qiáng)度發(fā)生在兩個(gè)壓應(yīng)力之比為0 3 0 6之間 約 1 25 1 60 fc 雙軸受壓狀態(tài)下混凝土的應(yīng)力 應(yīng)變關(guān)系與單軸受壓曲線相似 但峰值應(yīng)變均超過(guò)單軸受壓時(shí)的峰值應(yīng)變 2 1混凝土的物理力學(xué)性能 21 第二章鋼筋和混凝土的材料性能 在一軸受壓一軸受拉狀態(tài)下 任意應(yīng)力比情況下均不超過(guò)其相應(yīng)單軸強(qiáng)度 并且抗壓強(qiáng)度或抗拉強(qiáng)度均隨另一方向拉應(yīng)力或壓應(yīng)力的增加而減小 雙軸應(yīng)力狀態(tài) 2 1混凝土的物理力學(xué)性能 實(shí)際結(jié)構(gòu)中 混凝土很少處于單向受力狀態(tài) 更多的是處于雙向或三向受力狀態(tài) 2 1 3復(fù)雜應(yīng)力下混凝土的受力性能 22 第二章鋼筋和混凝土的材料性能 構(gòu)件受剪或受扭時(shí)常遇到剪應(yīng)力t和正應(yīng)力s共同作用下的復(fù)合受力情況 混凝土的抗剪強(qiáng)度 隨拉應(yīng)力增大而減小隨壓應(yīng)力增大而增大當(dāng)壓應(yīng)力在0 6fc左右時(shí) 抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大 壓應(yīng)力繼續(xù)增大 則由于內(nèi)裂縫發(fā)展明顯 抗剪強(qiáng)度將隨壓應(yīng)力的增大而減小 2 1混凝土的物理力學(xué)性能 23 第二章鋼筋和混凝土的材料性能 三軸應(yīng)力狀態(tài) 三軸應(yīng)力狀態(tài)有多種組合 實(shí)際工程遇到較多的螺旋箍筋柱和鋼管混凝土柱中的混凝土為三向受壓狀態(tài) 三向受壓試驗(yàn)一般采用圓柱體在等側(cè)壓條件進(jìn)行 2 1混凝土的物理力學(xué)性能 由試驗(yàn)得到的經(jīng)驗(yàn)公式為 式中 被約束混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度 非約束混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度 側(cè)向約束壓應(yīng)力 側(cè)向壓應(yīng)力的存在還可提高混凝土的延性 24 第二章鋼筋和混凝土的材料性能 2 1混凝土 2 1 4混凝土的變形1 單軸受壓應(yīng)力 應(yīng)變關(guān)系 混凝土單軸受力時(shí)的應(yīng)力 應(yīng)變關(guān)系反映了混凝土受力全過(guò)程的重要力學(xué)特征 是分析混凝土構(gòu)件應(yīng)力 建立承載力和變形計(jì)算理論的必要依據(jù) 也是利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行非線性分析的基礎(chǔ) 混凝土單軸受壓應(yīng)力 應(yīng)變關(guān)系曲線 常采用棱柱體試件來(lái)測(cè)定 在普通試驗(yàn)機(jī)上采用等應(yīng)力速度加載 達(dá)到軸心抗壓強(qiáng)度f(wàn)c時(shí) 試驗(yàn)機(jī)中集聚的彈性應(yīng)變能大于試件所能吸收的應(yīng)變能 會(huì)導(dǎo)致試件產(chǎn)生突然脆性破壞 只能測(cè)得應(yīng)力 應(yīng)變曲線的上升段 采用等應(yīng)變速度加載 或在試件旁附設(shè)高彈性元件與試件一同受壓 以吸收試驗(yàn)機(jī)內(nèi)集聚的應(yīng)變能 可以測(cè)得應(yīng)力 應(yīng)變曲線的下降段 2 1混凝土的物理力學(xué)性能 25 第二章鋼筋和混凝土的材料性能 2 1混凝土 2 1混凝土的物理力學(xué)性能 26 第二章鋼筋和混凝土的材料性能 2 2混凝土 A點(diǎn)以前 微裂縫沒有明顯發(fā)展 混凝土的變形主要彈性變形 應(yīng)力 應(yīng)變關(guān)系近似直線 A點(diǎn)應(yīng)力隨混凝土強(qiáng)度的提高而增加 對(duì)普通強(qiáng)度混凝土sA約為 0 3 0 4 fc 對(duì)高強(qiáng)混凝土sA可達(dá) 0 5 0 7 fc A點(diǎn)以后 由于微裂縫處的應(yīng)力集中 裂縫開始有所延伸發(fā)展 產(chǎn)生部分塑性變形 應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)開始加快 應(yīng)力 應(yīng)變曲線逐漸偏離直線 微裂縫的發(fā)展導(dǎo)致混凝土的橫向變形增加 但該階段微裂縫的發(fā)展是穩(wěn)定的 混凝土在結(jié)硬過(guò)程中 由于水泥石的收縮 骨料下沉以及溫度變化等原因 在骨料和水泥石的界面上形成很多微裂縫 成為混凝土中的薄弱部位 混凝土的最終破壞就是由于這些微裂縫的發(fā)展造成的 達(dá)到B點(diǎn) 內(nèi)部一些微裂縫相互連通 裂縫發(fā)展已不穩(wěn)定 橫向變形突然增大 體積應(yīng)變開始由壓縮轉(zhuǎn)為增加 在此應(yīng)力的長(zhǎng)期作用下 裂縫會(huì)持續(xù)發(fā)展最終導(dǎo)致破壞 取B點(diǎn)的應(yīng)力作為混凝土的長(zhǎng)期抗壓強(qiáng)度 普通強(qiáng)度混凝土sB約為0 8fc 高強(qiáng)強(qiáng)度混凝土sB可達(dá)0 95fc以上 達(dá)到C點(diǎn)fc 內(nèi)部微裂縫連通形成破壞面 應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速度明顯加快 C點(diǎn)的縱向應(yīng)變值稱為峰值應(yīng)變e0 約為0 002 縱向應(yīng)變發(fā)展達(dá)到D點(diǎn) 內(nèi)部裂縫在試件表面出現(xiàn)第一條可見平行于受力方向的縱向裂縫 隨應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng) 試件上相繼出現(xiàn)多條不連續(xù)的縱向裂縫 橫向變形急劇發(fā)展 承載力明顯下降 混凝土骨料與砂漿的粘結(jié)不斷遭到破 裂縫連通形成斜向破壞面 E點(diǎn)的應(yīng)變e 2 3 e0 應(yīng)力s 0 4 0 6 fc 2 1混凝土的物理力學(xué)性能 27 第二章鋼筋和混凝土的材料性能 2 1混凝土 不同強(qiáng)度混凝土的應(yīng)力 應(yīng)變關(guān)系曲線 強(qiáng)度等級(jí)越高 線彈性段越長(zhǎng) 峰值應(yīng)變也有所增大 但高強(qiáng)混凝土中 砂漿與骨料的粘結(jié)很強(qiáng) 密實(shí)性好 微裂縫很少 最后的破壞往往是骨料破壞 破壞時(shí)脆性越顯著 下降段越陡 2 1混凝土的物理力學(xué)性能 28 2 1混凝土 第二章鋼筋和混凝土的材料性能 Hognestad建議的應(yīng)力 應(yīng)變曲線 2 1混凝土的物理力學(xué)性能 29 第二章鋼筋和混凝土的材料性能 規(guī)范 應(yīng)力 應(yīng)變關(guān)系 上升段 下降段 2 1混凝土 2 1混凝土的物理力學(xué)性能 30 第二章鋼筋和混凝土的材料性能 2 混凝土的變形模量 彈性模量 變形模量 切線模量 2 1混凝土 2 1混凝土的物理力學(xué)性能 31 第二章鋼筋和混凝土的材料性能 彈性模量測(cè)定方法 2 1混凝土 2 1混凝土的物理力學(xué)性能 32 第二章鋼筋和混凝土的材料性能 2 1混凝土 2 1 5混凝土的收縮和徐變1 混凝土的收縮混凝土在空氣中硬化時(shí)體積會(huì)縮小 這種現(xiàn)象稱為混凝土的收縮 收縮是混凝土在不受外力情況下體積變化產(chǎn)生的變形 當(dāng)這種自發(fā)的變形受到外部 支座 或內(nèi)部 鋼筋 的約束時(shí) 將使混凝土中產(chǎn)生拉應(yīng)力 甚至引起混凝土的開裂 混凝土收縮會(huì)使預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力損失 2 1混凝土的物理力學(xué)性能 33 第二章鋼筋和混凝土的材料性能 2 1混凝土 影響因素混凝土的收縮受結(jié)構(gòu)周圍的溫度 濕度 構(gòu)件斷面形狀及尺寸 配合比 骨料性質(zhì) 水泥性質(zhì) 混凝土澆筑質(zhì)量及養(yǎng)護(hù)條件等許多因素有關(guān) 1 水泥的品種 水泥強(qiáng)度等級(jí)越高 制成的混凝土收縮越大 2 水泥的用量 水泥用量多 水灰比越大 收縮越大 3 骨料的性質(zhì) 骨料彈性模量高 級(jí)配好 收縮就小 4 養(yǎng)護(hù)條件 干燥失水及高溫環(huán)境 收縮大 5 混凝土制作方法 混凝土越密實(shí) 收縮越小 6 使用環(huán)境 使用環(huán)境溫度 濕度越大 收縮越小 7 構(gòu)件的體積與表面積比值 比值大時(shí) 收縮小 2 1混凝土的物理力學(xué)性能 34 第二章鋼筋和混凝土的材料性能 2 1混凝土 2 混凝土的徐變混凝土在荷載的長(zhǎng)期作用下 其變形隨時(shí)間而不斷增長(zhǎng)的現(xiàn)象稱為徐變 徐變對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的工作性能有很大影響 由于混凝土的徐變 會(huì)使構(gòu)件的變形增加 在鋼筋混凝土截面中引起應(yīng)力重分布 在預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中會(huì)造成預(yù)應(yīng)力的損失 混凝土的徐變特性主要與時(shí)間參數(shù)有關(guān) 2 1混凝土的物理力學(xué)性能 35 第二章鋼筋和混凝土的材料性能 2 1混凝土 在應(yīng)力 0 5fc 作用瞬間 首先產(chǎn)生瞬時(shí)彈性應(yīng)變eel si Ec t0 t0加荷時(shí)的齡期 隨荷載作用時(shí)間的延續(xù) 變形不斷增長(zhǎng) 前4個(gè)月徐變?cè)鲩L(zhǎng)較快 6個(gè)月可達(dá)最終徐變的 70 80 以后增長(zhǎng)逐漸緩慢 2 3年后趨于穩(wěn)定 2 1混凝土的物理力學(xué)性能 36 第二章鋼筋和混凝土的材料性能 2 1混凝土 記 t t0 時(shí)間后的總應(yīng)變?yōu)閑c t t0 此時(shí)混凝土的收縮應(yīng)變?yōu)閑sh t t0 則徐變?yōu)?ecr t t0 ec t t0 ec t0 esh t t0 ec t t0 eel esh t t0 2 1混凝土的物理力學(xué)性能 37 第二章鋼筋和混凝土的材料性能 2 1混凝土 如在時(shí)間t卸載 則會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)彈性恢復(fù)應(yīng)變eel 由于混凝土彈性模量隨時(shí)間增大 故彈性恢復(fù)應(yīng)變eel 小于加載時(shí)的瞬時(shí)彈性應(yīng)變eel 再經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后 還有一部分應(yīng)變eel 可以恢復(fù) 稱為彈性后效或徐變恢復(fù) 但仍有不可恢復(fù)的殘留永久應(yīng)變ecr 2 1混凝土的物理力學(xué)性能 38 第二章鋼筋和混凝土的材料性能 2 1混凝土 影響因素內(nèi)在因素是混凝土的組成和配比 骨料 aggregate 的剛度 彈性模量 越大 體積比越大 徐變就越小 水灰比越小 徐變也越小 環(huán)境影響包括養(yǎng)護(hù)和使用條件 受荷前養(yǎng)護(hù) curing 的溫濕度越高 水泥水化作用月充分 徐變就越小 采用蒸汽養(yǎng)護(hù)可使徐變減少 20 35 受荷后構(gòu)件所處的環(huán)境溫度越高 相對(duì)濕度越小 徐變就越大 2 1混凝土的物理力學(xué)性能 39 第二章鋼筋和混凝土的材料性能 2 1混凝土 3 混凝土在荷載重復(fù)作用下的變形 疲勞變形 疲勞強(qiáng)度混凝土的疲勞強(qiáng)度由疲勞試驗(yàn)測(cè)定 采用100mm 100mm 300mm或著150mm 150mm 450mm的棱柱體 把棱柱體試件承受200萬(wàn)次或其以上循環(huán)荷載而發(fā)生破壞的壓應(yīng)力值稱為混凝土的疲勞抗壓強(qiáng)度 影響因素施加荷載時(shí)的應(yīng)力大小是影響應(yīng)力 應(yīng)變曲線不同的發(fā)展和變化的關(guān)鍵因素 即混凝土的疲勞強(qiáng)度與重復(fù)作用時(shí)應(yīng)力變化的幅度有關(guān) 在相同的重復(fù)次數(shù)下 疲勞強(qiáng)度隨著疲勞應(yīng)力比值的增大而增大 2 1混凝土的物理力學(xué)性能 40 第二章鋼筋和混凝土的材料性能 2 1混凝土 混凝土在荷載重復(fù)作用下的應(yīng)力 應(yīng)變關(guān)系 2 1混凝土的物理力學(xué)性能 41 第二章鋼筋和混凝土的材料性能 2 2鋼筋的物理力學(xué)性能 2 2鋼筋的物理力學(xué)性能2 2 1鋼筋的品種和級(jí)別熱軋鋼筋 中高強(qiáng)鋼絲和鋼絞線 熱處理鋼筋和冷加工鋼筋 42 第二章鋼筋和混凝土的材料性能 2 2鋼筋的物理力學(xué)性能 熱軋鋼筋的分類HPB235級(jí) HRB335級(jí) HRB400級(jí) RRB400級(jí) 屈服強(qiáng)度f(wàn)yk 標(biāo)準(zhǔn)值 鋼材廢品限值 保證率97 73 HPB235級(jí) fyk 235N mm2HRB335級(jí) fyk 335N mm2HRB400級(jí) RRB400級(jí) fyk 400N mm2 43 第二章鋼筋和混凝土的材料性能 HPB235級(jí) 級(jí) 鋼筋多為光面鋼筋 多作為現(xiàn)澆樓板的受力鋼筋和箍筋 HRB335級(jí) 級(jí) 和HRB400級(jí) 級(jí) 鋼筋強(qiáng)度較高 多作為鋼筋混凝土構(gòu)件的受力鋼筋 尺寸較大的構(gòu)件 也有用 級(jí)鋼筋作箍筋以增強(qiáng)與混凝土的粘結(jié) 外形制作成月牙肋或等高肋的變形鋼筋 RRB400級(jí) 級(jí) 鋼筋強(qiáng)度太高 不適宜作為鋼筋混凝土構(gòu)件中的配筋 一般冷拉后作預(yù)應(yīng)力筋 延伸率d5 25 16 14 10 直徑8 40 2 2鋼筋的物理力學(xué)性能 44 第二章鋼筋和混凝土的材料性能 鋼絲 中強(qiáng)鋼絲的強(qiáng)度為800 1200MPa 高強(qiáng)鋼絲 鋼絞線的為1470 1860MPa 延伸率d10 6 d100 3 5 4 鋼絲的直徑3 9mm 外形有光面 刻痕和螺旋肋三種 另有二股 三股和七股鋼絞線 外接圓直徑9 5 15 2mm 中高強(qiáng)鋼絲和鋼絞線均用于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu) 冷加工鋼筋是由熱軋鋼筋和盤條經(jīng)冷拉 冷拔 冷軋 冷扭加工后而成 冷加工的目的是為了提高鋼筋的強(qiáng)度 節(jié)約鋼材 但經(jīng)冷加工后 鋼筋的延伸率降低 近年來(lái) 冷加工鋼筋的品種很多 應(yīng)根據(jù)專門規(guī)程使用 熱處理鋼筋是將 級(jí)鋼筋通過(guò)加熱 淬火和回火等調(diào)質(zhì)工藝處理 使強(qiáng)度得到較大幅度的提高 而延伸率降低不多 用于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu) 2 2鋼筋的物理力學(xué)性能 45 第二章鋼筋和混凝土的材料性能 2 2 2鋼筋的強(qiáng)度與變形 有明顯屈服點(diǎn)的鋼筋 ef為頸縮階段 2 2鋼筋的物理力學(xué)性能 46 第二章鋼筋和混凝土的材料性能 幾個(gè)指標(biāo) 屈服強(qiáng)度 是鋼筋強(qiáng)度的設(shè)計(jì)依據(jù) 因?yàn)殇摻钋髮l(fā)生很大的塑性變形 且卸載時(shí)這部分變形不可恢復(fù) 這會(huì)使鋼筋混凝土構(gòu)件產(chǎn)生很大的變形和不可閉合的裂縫 屈服上限與加載速度有關(guān) 不太穩(wěn)定 一般取屈服下限作為屈服強(qiáng)度 延伸率 鋼筋拉斷后的伸長(zhǎng)值與原長(zhǎng)的比率 是反映鋼筋塑性性能的指標(biāo) 延伸率大的鋼筋 在拉斷前有足夠預(yù)兆 延性較好 屈強(qiáng)比 反映鋼筋的強(qiáng)度儲(chǔ)備 fy fu 0 6 0 7 2 2鋼筋的物理力學(xué)性能 47 第二章鋼筋和混凝土的材料性能 有明顯屈服點(diǎn)鋼筋的應(yīng)力 應(yīng)變關(guān)系一般可采用雙線性的理想彈塑性關(guān)系 2 2鋼筋的物理力學(xué)性能 48 第二章鋼筋和混凝土的材料性能 無(wú)明顯屈服點(diǎn)的鋼筋 a點(diǎn) 比例極限 約為0 65fua點(diǎn)前 應(yīng)力 應(yīng)變關(guān)系為線彈性a點(diǎn)后 應(yīng)力 應(yīng)變關(guān)系為非線性 有一定塑性變形 且沒有明顯的屈服點(diǎn)強(qiáng)度設(shè)計(jì)指標(biāo) 條件屈服點(diǎn)殘余應(yīng)變?yōu)? 2 所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力 規(guī)范 取s0 2 0 85fu 2 2鋼筋的物理力學(xué)性能 49 第二章鋼筋和混凝土的材料性能 1 強(qiáng)度 要求鋼筋有足夠的強(qiáng)度和適宜的強(qiáng)屈比 極限強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度的比值 例如 對(duì)抗震等級(jí)為一 二級(jí)的框架結(jié)構(gòu) 其縱向受力鋼筋的實(shí)際強(qiáng)屈比不應(yīng)小于1 25 2 塑性 要求鋼筋應(yīng)有足夠的變形能力 3 可焊性 要求鋼筋焊接后不產(chǎn)生裂縫和過(guò)大的變形 焊接接頭性能良好 4 與混凝土的粘結(jié)力 要求鋼筋與混凝土之間有足夠的粘結(jié)力 以保證兩者共同工作 2 2 3混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)鋼筋性能的要求 2 2鋼筋的物理力學(xué)性能 50 第二章鋼筋和混凝土的材料性能 2 3混凝土與鋼筋的粘結(jié) 2 3混凝土與鋼筋的粘結(jié) 2 3 1粘結(jié)的意義粘結(jié)和錨固是鋼筋和混凝土形成整體 共同工作的基礎(chǔ) 鋼筋與混凝土之間粘結(jié)應(yīng)力示意圖 a 錨固粘結(jié)應(yīng)力 b 裂縫間的局部粘結(jié)應(yīng)力 51 第二章鋼筋和混凝土的材料性能 2 3混凝土與鋼筋的粘結(jié) 2 3混凝土與鋼筋的粘結(jié) 2 3 2粘結(jié)力的形成 光圓鋼筋與變形鋼筋具有不同的粘結(jié)機(jī)理 其粘結(jié)作用主要由三部分組成 鋼筋與混凝土接觸面上的化學(xué)吸附作用力 膠結(jié)力 一般很小 僅在受力階段的局部無(wú)滑移區(qū)域起作用 當(dāng)接觸面發(fā)生相對(duì)滑移時(shí) 該力即消失 混凝土收縮握裹鋼筋而產(chǎn)生的摩阻力 鋼筋表面凹凸不平與混凝土之間產(chǎn)生的機(jī)械咬合作用力 咬合力 對(duì)于光圓鋼筋 這種咬合力來(lái)自于表面的粗糙不平 52 第二章鋼筋和混凝土的材料性能 2 3混凝土與鋼筋的粘結(jié) 2 3混凝土與鋼筋的粘結(jié) 變形鋼筋與混凝土之間的機(jī)械咬合作用主要是由于變形鋼筋肋間嵌入混凝土而產(chǎn)生的 變形鋼筋和混凝土的機(jī)械咬合作用 53 第二章鋼筋和混凝土的材料性能 2 3混凝土與鋼筋的粘結(jié) 2 3混凝土與鋼筋的粘結(jié) 2 3 3粘結(jié)強(qiáng)度 測(cè)試 54 第二章鋼筋和混凝土的材料性能 2 3混凝土與鋼筋的粘結(jié) 2 3混凝土與鋼筋的粘結(jié) 計(jì)算公式 式中N 鋼筋的拉力 鋼筋的直徑 粘結(jié)的長(zhǎng)度 55 第二章鋼筋和混凝土的材料性能 2 3混凝土與鋼筋的粘結(jié) 2 3混凝土與鋼筋的粘結(jié) 不同強(qiáng)度混凝土的粘結(jié)應(yīng)力和相對(duì)滑移的關(guān)系 56 第二章鋼筋和混凝土的材料性能 2 3混凝土與鋼筋的粘結(jié) 2 3混凝土與鋼筋的粘結(jié) 2 3 4影響粘結(jié)的因素影響鋼筋與混凝土粘結(jié)強(qiáng)度的因素很多 主要有混凝土強(qiáng)度 保護(hù)層厚度及鋼筋凈間距 橫向配筋及側(cè)向壓應(yīng)力 以及澆筑混凝土?xí)r鋼筋的位置等 光圓鋼筋及變形鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度都隨混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高而提高 但不與立方體強(qiáng)度成正比 變形鋼筋能夠提高粘結(jié)強(qiáng)度 鋼筋間的凈距對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度也有重要影響 57 第二章鋼筋和混凝土的材料性能 2 3混凝土與鋼筋的粘結(jié) 2 3混凝土與鋼筋的粘結(jié) 2 3 4影響粘結(jié)的因素 橫向鋼筋可以限制混凝土內(nèi)部裂縫的發(fā)展 提高粘結(jié)強(qiáng)度 在直接支撐的支座處 橫向壓應(yīng)力約束了混凝土的橫向變形 可以提高粘結(jié)強(qiáng)度 澆筑混凝土?xí)r鋼筋所處的位置也會(huì)影響粘結(jié)強(qiáng)度 58 第二章鋼筋和混凝土的材料性能 2 3混凝土與鋼筋的粘結(jié) 2 3混凝土與鋼筋的粘結(jié) 2 3 5鋼筋的錨固與搭接 保證粘結(jié)的構(gòu)造措施 1 對(duì)不同等級(jí)的混凝土和鋼筋 要保證最小搭接長(zhǎng)度和錨固長(zhǎng)度 2 為了保證混凝土與鋼筋之間有足夠的粘結(jié) 必須滿足鋼筋最小間距和混凝土保護(hù)層最小厚度的要求 3 在鋼筋的搭接接頭內(nèi)應(yīng)加密箍筋 4 為了保證足夠的粘結(jié)在鋼筋端部應(yīng)設(shè)置彎鉤 5 對(duì)大深度混凝土構(gòu)件應(yīng)分層澆筑或二次澆搗 6 一般除重銹鋼筋外 可不必除銹 59 第二章鋼筋和混凝土的材料性能 2 3混凝土與鋼筋的粘結(jié) 2 3混凝土與鋼筋的粘結(jié) 鋼筋的搭接鋼筋搭接的原則是 接頭應(yīng)設(shè)置在受力較小處 同一根鋼筋上應(yīng)盡量少設(shè)接頭 機(jī)械連接接頭能產(chǎn)生較牢固的連接力 應(yīng)優(yōu)先采用機(jī)械連接 受拉鋼筋綁扎搭接接頭的搭接長(zhǎng)度計(jì)算公式 式中 為受拉鋼筋搭接長(zhǎng)度修正系數(shù) 它與同一連接區(qū)內(nèi)搭接鋼筋的截面面積有關(guān) 詳見 規(guī)范 60 第二章鋼筋和混凝土的材料性能 2 3混凝土與鋼筋的粘結(jié) 2 3混凝土與鋼筋的粘結(jié) 基本錨固長(zhǎng)度鋼筋的基本錨固長(zhǎng)度取決于鋼筋的強(qiáng)度及混凝土抗拉強(qiáng)度 并與鋼筋的外形有關(guān) 規(guī)范 規(guī)定縱向受拉鋼筋的錨固長(zhǎng)度作為鋼筋的基本錨固長(zhǎng)度 其計(jì)算公式為 61 第三章按近似概率理論極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法 62 第三章按近似概率理論的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法 3 1極限狀態(tài) 3 1極限狀態(tài) 3 1 1結(jié)構(gòu)上的作用 直接作用 荷載 間接作用 混凝土的收縮 溫度變化 基礎(chǔ)的差異沉降 地震等作用在結(jié)構(gòu)上并使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)力 如彎矩 剪力 軸向力 扭矩等 變形 裂縫等作用稱為作用效應(yīng)或荷載效應(yīng) 63 第三章按近似概率理論的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法 3 1極限狀態(tài) 3 1極限狀態(tài) 荷載的分類按作用時(shí)間的長(zhǎng)短和性質(zhì) 荷載分為三類 1 永久荷載在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限內(nèi) 其值不隨時(shí)間而變化 或其變化與平均值相比可以忽略不計(jì) 或其變化是單調(diào)的并能趨于限值的荷載 2 可變荷載在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)其值隨時(shí)間而變化 其變化與平均值不可忽略的荷載 3 偶然荷載在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)不一定出現(xiàn) 但一旦出現(xiàn)其值很大且作用時(shí)間很短的荷載 64 第三章按近似概率理論的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法 3 1極限狀態(tài) 3 1極限狀態(tài) 荷載的標(biāo)準(zhǔn)值1 定義將荷載視為隨機(jī)變量 采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法加以處理而得到的具有一定概率的最大荷載值2 確定a 結(jié)構(gòu)的自重可根據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)尺寸和材料的重力密度確定 b 可變荷載常與時(shí)間有關(guān) 在缺少大量統(tǒng)計(jì)材料的條件下 可近似按隨機(jī)變量來(lái)考慮 65 第三章按近似概率理論的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法 3 1極限狀態(tài) 3 1極限狀態(tài) 3 1 2結(jié)構(gòu)的功能要求1 結(jié)構(gòu)的安全等級(jí) 66 第三章按近似概率理論的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法 3 1極限狀態(tài) 3 1極限狀態(tài) 2 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限是指設(shè)計(jì)規(guī)定的結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件不需要進(jìn)行大修即可按達(dá)到其預(yù)定功能的使用時(shí)期 設(shè)計(jì)年限可按 建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn) 確定 也可經(jīng)過(guò)主管部門的批準(zhǔn)按業(yè)主的要求確定 一般建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限為50年 注意 區(qū)別建筑物的設(shè)計(jì)使用年限與建筑物的使用壽命 67 第三章按近似概率理論的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法 3 1極限狀態(tài) 3 結(jié)構(gòu)的功能 安全性 如 M Mu 結(jié)構(gòu)在預(yù)定的使用期間內(nèi) 一般為50年 應(yīng)能承受在正常施工 正常使用情況下可能出現(xiàn)的各種荷載 外加變形 如超靜定結(jié)構(gòu)的支座不均勻沉降 約束變形 如溫度和收縮變形受到約束時(shí) 等的作用 在偶然事件 如地震 爆炸 發(fā)生時(shí)和發(fā)生后 結(jié)構(gòu)應(yīng)能保持整體穩(wěn)定性 不應(yīng)發(fā)生倒塌或連續(xù)破壞而造成生命財(cái)產(chǎn)的嚴(yán)重?fù)p失 68 第三章按近似概率理論的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法 3 1極限狀態(tài) 適用性 如 f f 結(jié)構(gòu)在正常使用期間 具有良好的工作性能 如不發(fā)生影響正常使用的過(guò)大的變形 撓度 側(cè)移 振動(dòng) 頻率 振幅 或產(chǎn)生讓使用者感到不安的過(guò)大的裂縫寬度 耐久性 如 wmax wmax 結(jié)構(gòu)在正常使用和正常維護(hù)條件下 應(yīng)具有足夠的耐久性 即在各種因素的影響下 混凝土碳化 鋼筋銹蝕 結(jié)構(gòu)的承載力和剛度不應(yīng)隨時(shí)間有過(guò)大的降低 而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在其預(yù)定使用期間內(nèi)喪失安全性和適用性 降低使用壽命 69 第三章按近似概率理論的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法 3 1極限狀態(tài) 結(jié)構(gòu)的可靠性 可靠性 安全性 適用性和耐久性的總稱 就是指結(jié)構(gòu)在規(guī)定的使用期限內(nèi) 設(shè)計(jì)工作壽命 50年 在規(guī)定的條件下 正常設(shè)計(jì) 正常施工 正常使用和維護(hù) 完成預(yù)定結(jié)構(gòu)功能的能力 結(jié)構(gòu)可靠性越高 建設(shè)造價(jià)投資越大 如何在結(jié)構(gòu)可靠與經(jīng)濟(jì)之間取得均衡 就是設(shè)計(jì)方法要解決的問題 70 第三章按近似概率理論的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法 3 1極限狀態(tài) 顯然這種可靠與經(jīng)濟(jì)的均衡受到多方面的影響 如國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力 設(shè)計(jì)工作壽命 維護(hù)和修復(fù)等 規(guī)范規(guī)定的設(shè)計(jì)方法 是這種均衡的最低限度 也是國(guó)家法律 設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)具體工程的重要程度 使用環(huán)境和情況 以及業(yè)主的要求 提高設(shè)計(jì)水準(zhǔn) 增加結(jié)構(gòu)的可靠度 經(jīng)濟(jì)的概念不僅包括第一次建設(shè)費(fèi)用 還應(yīng)考慮維修 損失及修復(fù)的費(fèi)用 71 第三章按近似概率理論的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法 3 1極限狀態(tài) 3 1 3結(jié)構(gòu)功能的極限狀態(tài) 結(jié)構(gòu)能夠滿足功能要求而良好地工作 則稱結(jié)構(gòu)是 可靠 的或 有效 的 反之 則結(jié)構(gòu)為 不可靠 或 失效 區(qū)分結(jié)構(gòu) 可靠 與 失效 的臨界工作狀態(tài)稱為 極限狀態(tài) 72 第三章按近似概率理論的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法 承載力能力極限狀態(tài)超過(guò)該極限狀態(tài) 結(jié)構(gòu)就不能滿足預(yù)定的安全性功能要求 結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到最大承載力 包括疲勞 結(jié)構(gòu)整體或其中一部分作為剛體失去平衡 如傾覆 滑移 結(jié)構(gòu)塑性變形過(guò)大而不適于繼續(xù)使用 結(jié)構(gòu)形成幾何可變體系 超靜定結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)足夠多塑性鉸 結(jié)構(gòu)或構(gòu)件喪失穩(wěn)定 如細(xì)長(zhǎng)受壓構(gòu)件的壓曲失穩(wěn) 3 1極限狀態(tài) 73 第三章按近似概率理論的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法 3 1極限狀態(tài) 正常使用極限狀態(tài)超過(guò)該極限狀態(tài) 結(jié)構(gòu)就不能滿足預(yù)定的適用性和耐久性的功能要求 過(guò)大的變形 側(cè)移 影響非結(jié)構(gòu)構(gòu)件 不安全感 不能正常使用 吊車 等 過(guò)大的裂縫 鋼筋銹蝕 不安全感 漏水等 過(guò)大的振動(dòng) 不舒適 其他正常使用要求 74 第三章按近似概率理論的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法 3 1極限狀態(tài) 3 1 4極限狀態(tài)方程 S R可靠 S 荷載效應(yīng)結(jié)構(gòu)上的各種作用 如荷載 不均勻沉降 溫度變形 收縮變形 地震等 產(chǎn)生的效應(yīng)總和 如彎矩M 軸力N 剪力V 扭矩T 撓度f(wàn) 裂縫寬度w等 S S Q R 結(jié)構(gòu)抗力結(jié)構(gòu)抵抗作用效應(yīng)的能力 如受彎承載力Mu 受剪承載力Vu 容許撓度 f 容許裂縫寬度 w R R fc fy A h0 As S R極限狀態(tài) S R失效 結(jié)構(gòu)力學(xué)的主要內(nèi)容 本課程的主要內(nèi)容 75 第三章按近似概率理論的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法 3 1極限狀態(tài) 結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)可用下面的極限狀態(tài)函數(shù)表示 Z R S對(duì)應(yīng)的 Z R S 0時(shí) 結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài) Z R S 0時(shí) 結(jié)構(gòu)達(dá)到極限狀態(tài) Z R S 0時(shí) 結(jié)構(gòu)處于失效 破壞 狀態(tài) 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中 不僅僅只考慮結(jié)構(gòu)的承載能力 有時(shí)還要考慮結(jié)構(gòu)的適用性和耐久性 則極限狀態(tài)方程可推廣為 76 第三章按近似概率理論的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法 3 2按近似概率的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法 3 2按近似概率的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法 由于結(jié)構(gòu)抗力和荷載效應(yīng)的隨機(jī)性 安全可靠應(yīng)該屬于概率的范疇 應(yīng)當(dāng)用結(jié)構(gòu)完成其預(yù)定功能的可能性 概率 的大小來(lái)衡量 而不是一個(gè)定值來(lái)衡量 材料強(qiáng)度f(wàn)y和fc的離散 截面尺寸h0和b的施工誤差 應(yīng)力 應(yīng)變關(guān)系參數(shù)k1和k2 不一定安全 可靠 77 第三章按近似概率理論的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法 3 3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法 3 3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法 由于結(jié)構(gòu)工程中的不確定性 為取得安全可靠與經(jīng)濟(jì)合理的均衡 在設(shè)計(jì)中需要考慮這些不確定性的影響 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法就是處理這種安全可靠與經(jīng)濟(jì)合理的矛盾 容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的受力性能不是彈性的 結(jié)構(gòu)中一點(diǎn)達(dá)到容許應(yīng)力 結(jié)構(gòu)即認(rèn)為失效 沒有考慮結(jié)構(gòu)功能的多樣性要求 安全系數(shù)是憑經(jīng)驗(yàn)確定的 缺乏科學(xué)依據(jù) 78 第三章按近似概率理論的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法 3 3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法 破損階段設(shè)計(jì)法 整個(gè)截面達(dá)到極限承載力才認(rèn)為失效 考慮了材料塑性和強(qiáng)度的充分發(fā)揮 極限荷載可以直接由試驗(yàn)驗(yàn)證 構(gòu)件的總安全度較為明確 但安全系數(shù)K仍然憑經(jīng)驗(yàn)確定 沒有考慮結(jié)構(gòu)功能的多樣性要求的問題 79 第三章按近似概率理論的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法 3 3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法 極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法 除要求對(duì)承載力極限狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)外 還包括的撓度和裂縫寬度 適用性 的極限狀態(tài)的設(shè)計(jì) 對(duì)于承載力極限狀態(tài) 針對(duì)荷載 材料的不同變異性 不再采用單一的安全系數(shù) 而采用的多系數(shù)表達(dá) 材料強(qiáng)度f(wàn)ck和fsk是根據(jù)統(tǒng)計(jì)后按一定保證率取其下限分位值 反映的材料強(qiáng)度的變異性 荷載值qik也盡可能根據(jù)各種荷載的統(tǒng)計(jì)資料 按一定保證率取其上限分位值 荷載系數(shù)kqi 材料強(qiáng)度系數(shù)kc和ks仍按經(jīng)驗(yàn)確定 但對(duì)于不同荷載的變異大小 可取不同的荷載系數(shù) 80 第三章按近似概率理論的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法 3 3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法 以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法 由于實(shí)際結(jié)構(gòu)中的不確定性 因此無(wú)論如何設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu) 都會(huì)有失效的可能性存在 只是可能性大小不同而已 為了科學(xué)定量的表示結(jié)構(gòu)可靠性的大小 采用概率方法是比較合理的 失效概率越小 表示結(jié)構(gòu)可靠性越大 因此 可以用失效概率來(lái)定量表示結(jié)構(gòu)可靠性的大小 結(jié)構(gòu)可靠性的概率度量稱為結(jié)構(gòu)可靠度 當(dāng)失效概率Pf小于某個(gè)值時(shí) 人們因結(jié)構(gòu)失效的可能性很小而不再擔(dān)心 即可認(rèn)為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是可靠的 該失效概率限值稱為容許失效概率 Pf 失效概率 Pf P S R 81 第三章按近似概率理論的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法 3 3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法 結(jié)構(gòu)功能函數(shù)Z R S Pf P S R P Z 0 b 可靠指標(biāo) 82 第三章按近似概率理論的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法 3 3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法 作用效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值Sk 作用效應(yīng)S的不確定性就主要取決于結(jié)構(gòu)上作用Q的不確定性 永久荷載G 可變荷載Q 偶然荷載 作用 不同的荷載 其變異情況不同 根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析可以確定一個(gè)具有一定保證率 如95 的上限荷載分位值 該特征值稱為荷載標(biāo)準(zhǔn)值 符號(hào)Gk Qik 按荷載標(biāo)準(zhǔn)值確定的荷載效應(yīng) 稱為荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值Sk 有多個(gè)可變荷載同時(shí)作用的情況 考慮到它們同時(shí)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值的可能性較小 考慮荷載組合系數(shù)y 83 第三章按近似概率理論的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法 3 3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法 結(jié)構(gòu)抗力標(biāo)準(zhǔn)值Rk fck fsk分別為混凝土和鋼筋的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值 截面尺寸b h0和配筋A(yù)s取設(shè)計(jì)值 Rk的具體表達(dá)形式是本課程的主要內(nèi)容 84 第三章按近似概率理論的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法 3 3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法 實(shí)用設(shè)計(jì)表達(dá)式 85 第三章按近似概率理論的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法 3 3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法 實(shí)用設(shè)計(jì)表達(dá)式 86 第三章按近似概率理論的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法 3 3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法 實(shí)用設(shè)計(jì)表達(dá)式 87 第三章按近似概率理論的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法 3 3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法 實(shí)用設(shè)計(jì)表達(dá)式 88 3 3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法 第三章按近似概率理論的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法 作用效應(yīng)設(shè)計(jì)值 gS作用效應(yīng)分項(xiàng)系數(shù) 結(jié)構(gòu)抗力設(shè)計(jì)值 gR結(jié)構(gòu)抗力分項(xiàng)系數(shù) 89 第三章按近似概率理論的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法 3 3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法 規(guī)范設(shè)計(jì)表達(dá)式 g0 結(jié)構(gòu)重要性系數(shù) 正常使用極限狀態(tài) 可靠度要求可適當(dāng)降低 所有分項(xiàng)系數(shù)取1 0 90 第三章按近似概率理論的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法 3 3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法 材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值 RRB400 20MnSi 91 第四章受彎構(gòu)件的正截面受彎承載力 試驗(yàn)研究的主要結(jié)論 基本假定 矩形 T形截面承載力計(jì)算 構(gòu)件的構(gòu)造 92 4 1受彎構(gòu)件的一般構(gòu)造 4 1 1受彎構(gòu)件的一般構(gòu)造 與構(gòu)件的計(jì)算軸線相垂直的截面稱為正截面 結(jié)構(gòu)和構(gòu)件要滿足承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的要求 梁 板正截面受彎承載力計(jì)算就是從滿足承載能力極限狀態(tài)出發(fā)的 即要求滿足M Mu 4 1 式中的M是受彎構(gòu)件正截面的彎矩設(shè)計(jì)值 它是由結(jié)構(gòu)上的作用所產(chǎn)生的內(nèi)力設(shè)計(jì)值 Mu是受彎構(gòu)件正截面受彎承載力的設(shè)計(jì)值 它是由正截面上材料所產(chǎn)生的抗力 1 截面形狀 梁 板常用矩形 T形 I字形 槽形 空心板和倒L形梁等對(duì)稱和不對(duì)稱截面 93 2 梁 板的截面尺寸 1 矩形截面梁的高寬比h b一般取2 0 3 5 T形截面梁的h b一般取2 5 4 0 此處b為梁肋寬 矩形截面的寬度或T形截面的肋寬b一般取為100 120 150 180 200 220 250和300mm 300mm以下的級(jí)差為50mm 括號(hào)中的數(shù)值僅用于木模 2 梁的高度采用h 250 300 350 750 800 900 1000mm等尺寸 800mm以下的級(jí)差為50mm 以上的為l00mm 3 現(xiàn)澆板的寬度一般較大 設(shè)計(jì)時(shí)可取單位寬度 b 1000mm 進(jìn)行計(jì)算 94 3 材料選擇 1 混凝土強(qiáng)度等級(jí) 梁 板常用的混凝土強(qiáng)度等級(jí)是C20 C30 C40 2 鋼筋強(qiáng)度等級(jí)及常用直徑 梁中縱向受力鋼筋宜采用HRB400級(jí)或RRB400級(jí) 級(jí) 和HRB335級(jí) 級(jí) 常用直徑為12mm 14mm 16mm 18mm 20mm 22mm和25mm 根數(shù)最好不少于3 或4 根 3 梁的箍筋宜采用HPB235級(jí) 級(jí) HRB335 級(jí) 和HRB400 級(jí)鋼筋 級(jí)的鋼筋 常用直徑是6mm 8mm和10mm 4 板的分布鋼筋 當(dāng)按單向板設(shè)計(jì)時(shí) 除沿受力方向布置受力鋼筋外 還應(yīng)在垂直受力方向布置分布鋼筋 分布鋼筋宜采用HPB235級(jí) 級(jí) 和HRB335級(jí) 級(jí) 級(jí)的鋼筋 常用直徑是6mm和8mm 95 4 縱向受拉鋼筋的配筋百分率設(shè)正截面上所有縱向受拉鋼筋的合力點(diǎn)至截面受拉邊緣的豎向距離為a 則合力點(diǎn)至截面受壓區(qū)邊緣的豎向距離h0 h a 這里 h是截面高度 下面將講到對(duì)正截面受彎承載力起作用的是h0 而不是h 所以稱h0為截面的有效高度 稱bh0為截面的有效面積 b是截面寬度 縱向受拉鋼筋的總截面面積用As表示 單位為mm2 縱向受拉鋼筋總截面面積As與正截面的有效面積bh0的比值 稱為縱向受拉鋼筋的配筋百分率 用 表示 或簡(jiǎn)稱配筋率 用百分?jǐn)?shù)來(lái)計(jì)量 即 4 2 縱向受拉鋼筋的配筋百分率 在一定程度上標(biāo)志了正截面上縱向受拉鋼筋與混凝土之間的面積比率 它是對(duì)梁的受力性能有很大影響的一個(gè)重要指標(biāo) 96 5 混凝土保護(hù)層厚度縱向受力鋼筋的外表面到截面邊緣的垂直距離 稱為混凝土保護(hù)層厚度 用c表示 混凝土保護(hù)層有三個(gè)作用 保護(hù)縱向鋼筋不被銹蝕 在火災(zāi)等情況下 使鋼筋的溫度上升緩慢 使縱向鋼筋與混凝土有較好的粘結(jié) 97 4 2 1受彎構(gòu)件正截面受彎的受力過(guò)程 a As f 4 2受彎構(gòu)件的正截面的受力分析 98 e M cr 99 M u f 100 彈性受力階段 階段 混凝土開裂前的未裂階段 從開始加荷到受拉區(qū)混凝土開裂 梁的整個(gè)截面均參加受力 由于彎矩很小 沿梁高量測(cè)到的梁截面上各個(gè)纖維應(yīng)變也小 且應(yīng)變沿梁截面高度為直線變化 雖然受拉區(qū)混凝土在開裂以前有一定的塑性變形 但整個(gè)截面的受力基本接近線彈性 荷載 撓度曲線或彎矩 曲率曲線基本接近直線 截面抗彎剛度較大 撓度和截面曲率很小 鋼筋的應(yīng)力也很小 且都與彎矩近似成正比 在彎矩增加到Mcr時(shí) 受拉區(qū)邊緣纖維的應(yīng)變值即將到達(dá)混凝土受彎時(shí)的極限拉應(yīng)變實(shí)驗(yàn)值 tu0 截面遂處于即將開裂狀態(tài) 稱為第I階段末 用Ia表示 101 帶裂縫工作階段 階段 混凝土開裂后至鋼筋屈服前的裂縫階段 在開裂瞬間 開裂截面受拉區(qū)混凝土退出工作 其開裂前承擔(dān)的拉力將轉(zhuǎn)移給鋼筋承擔(dān) 導(dǎo)致鋼筋應(yīng)力有一突然增加 應(yīng)力重分布 這使中和軸比開裂前有較大上移 M0 Mcr0時(shí) 在純彎段抗拉能力最薄弱的某一截面處 當(dāng)受拉區(qū)邊緣纖維的拉應(yīng)變值到達(dá)混凝土極限拉應(yīng)變實(shí)驗(yàn)值 tu0時(shí) 將首先出現(xiàn)第一條裂縫 一旦開裂 梁即由第I階段轉(zhuǎn)入為第 階段工作 隨著彎矩繼續(xù)增大 受壓區(qū)混凝土壓應(yīng)變與受拉鋼筋的拉應(yīng)變的實(shí)測(cè)值都不斷增長(zhǎng) 當(dāng)應(yīng)變的量測(cè)標(biāo)距較大 跨越幾條裂縫時(shí) 測(cè)得的應(yīng)變沿截面高度的變化規(guī)律仍能符合平截面假定 102 彎矩再增大 截面曲率加大 同時(shí)主裂縫開展越來(lái)越寬 由于受壓區(qū)混凝土應(yīng)變不斷增大 受壓區(qū)混凝土應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速度比應(yīng)力增長(zhǎng)速度快 塑性性質(zhì)表現(xiàn)得越來(lái)越明顯 受壓區(qū)應(yīng)力圖形呈曲線變化 當(dāng)彎矩繼續(xù)增大到受拉鋼筋應(yīng)力即將到達(dá)屈服強(qiáng)度f(wàn)y0時(shí) 稱為第 階段末 用 a表示 第 階段是截面混凝土裂縫發(fā)生 開展的階段 在此階段中梁是帶裂縫工作的 其受力特點(diǎn)是 1 在裂縫截面處 受拉區(qū)大部分混凝土退出工作 拉力主要由縱向受拉鋼筋承擔(dān) 但鋼筋沒有屈服 2 受壓區(qū)混凝土已有塑性變形 但不充分 壓應(yīng)力圖形為只有上升段的曲線 3 彎矩與截面曲率是曲線關(guān)系 截面曲率與撓度的增長(zhǎng)加快了 103 屈服階段 階段 鋼筋開始屈服至截面破壞的破壞階段 縱向受力鋼筋屈服后 正截面就進(jìn)入第 階段工作 鋼筋屈服 截面曲率和梁的撓度也突然增大 裂縫寬度隨之?dāng)U展并沿梁高向上延伸 中和軸繼續(xù)上移 受壓區(qū)高度進(jìn)一步減小 彎矩再增大直至極限彎矩實(shí)驗(yàn)值Mu0時(shí) 稱為第 階段末 用 a表示 在第 階段整個(gè)過(guò)程中 鋼筋所承受的總拉力大致保持不變 但由于中和軸逐步上移 內(nèi)力臂z略有增加 故截面極限彎矩Mu0略大于屈服彎矩My0可見第 階段是截面的破壞階段 破壞始于縱向受拉鋼筋屈服 終結(jié)于受壓區(qū)混凝土壓碎 104 其特點(diǎn)是 1 縱向受拉鋼筋屈服 拉力保持為常值 裂縫截面處 受拉區(qū)大部分混凝土已退出工作 受壓區(qū)混凝土壓應(yīng)力曲線圖形比較豐滿 有上升段曲線 也有下降段曲線 2 彎矩還略有增加 3 受壓區(qū)邊緣混凝土壓應(yīng)變達(dá)到其極限壓應(yīng)變實(shí)驗(yàn)值 cu時(shí) 混凝土被壓碎 截面破壞 4 彎矩 曲率關(guān)系為接近水平的曲線 105 a狀態(tài) 計(jì)算Mu的依據(jù) a狀態(tài) 計(jì)算Mcr的依據(jù) 階段 計(jì)算裂縫 剛度的依據(jù) 106 適筋梁正截面受彎三個(gè)受力階段的主要特點(diǎn) 107 4 2 2試驗(yàn)研究分析及其主要結(jié)論 1 第 階段 從加載至混凝土開裂 彎矩從零增至開裂彎矩Mcr 該階段結(jié)束的標(biāo)志是混凝土拉應(yīng)變?cè)鲋粱炷翗O限拉應(yīng)變 而并非混凝土應(yīng)力增至ft 第 階段末是混凝土構(gòu)件抗裂驗(yàn)算的依據(jù) 2 第 階段 彎矩由Mcr增至鋼筋屈服時(shí)的彎矩My 該階段結(jié)束的標(biāo)志是鋼筋應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度 該階段混凝土帶裂縫工作 第 階段末是混凝土構(gòu)件裂縫寬度驗(yàn)算和變形驗(yàn)算的依據(jù) 3 第 階段 彎矩由My增至極限彎矩Mu 該階段結(jié)束的標(biāo)志是混凝土壓應(yīng)變達(dá)到其非均勻受壓時(shí)的極限壓應(yīng)變 而并非混凝土的應(yīng)力達(dá)到其極限壓應(yīng)力 第 階段末是混凝土構(gòu)件極限承載力設(shè)計(jì)的依據(jù) 1 正截面工作的三個(gè)階段 108 2 混凝土梁的三種破壞形態(tài) 1 延性破壞 配筋合適的構(gòu)件 具有一定的承載力 同時(shí)破壞時(shí)具有一定的延性 如適筋梁 min b 鋼筋的抗拉強(qiáng)度和混凝土的抗壓強(qiáng)度都得到發(fā)揮 2 受拉脆性破壞 承載力很小 取決于混凝土的抗拉強(qiáng)度 破壞特征與素混凝土構(gòu)件類似 雖然由于配筋使構(gòu)件在破壞階段表現(xiàn)出很長(zhǎng)的破壞過(guò)程 但這種破壞是在混凝土一開裂就產(chǎn)生 沒有預(yù)兆 也沒有第二階段 如少筋梁 b b和軸壓構(gòu)件 鋼筋的受拉強(qiáng)度沒有發(fā)揮 109 4 1 2正截面承載力計(jì)算 1 正截面承載力計(jì)算的基本假定 1 截面應(yīng)變保持平面 2 不考慮混凝土的抗拉強(qiáng)度 3 縱向鋼筋的應(yīng)力 應(yīng)變關(guān)系方程為 縱向鋼筋的極限拉應(yīng)變?nèi)? 01 4 混凝土受壓的應(yīng)力 應(yīng)變關(guān)系曲線方程按規(guī)范規(guī)定取用 110 規(guī)范 應(yīng)力 應(yīng)變關(guān)系 上升段 水平段 111 2 適筋梁與超筋梁的界限及界限配筋率 112 適筋梁與超筋梁的界限為 平衡配筋梁 即在受拉縱筋屈服的同時(shí) 混凝土受壓邊緣纖維也達(dá)到其極限壓應(yīng)變值 截面破壞 設(shè)鋼筋開始屈服時(shí)的應(yīng)變?yōu)?則 此處為鋼筋的彈性模量 設(shè)界限破壞時(shí)中和軸高度為xcb 則有 設(shè) 稱為界限相對(duì)受壓區(qū)高度 113 式中h0 截面有效高度 xb 界限受壓區(qū)高度 fy 縱向鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值 非均勻受壓時(shí)混凝土極限壓應(yīng)變值 當(dāng)時(shí) 屬于界限情況 與此對(duì)應(yīng)的縱向受拉鋼筋的配筋率 稱為界限配筋率 記作 b 此時(shí)考慮截面上力的平衡條件 在式 4 20 中 以xb代替x 則有故其中 中的下角b表示界限 當(dāng)相對(duì)受壓區(qū)高度時(shí) 屬于超筋梁 114 3 適筋梁與少筋梁的界限及最小配筋率 少筋破壞的特點(diǎn)是一裂就壞 所以從理論上講 縱向受拉鋼筋的最小配筋率應(yīng)是這樣確定的 按 a階段計(jì)算鋼筋混凝土受彎構(gòu)件正截面受彎承載力與按Ia階段計(jì)算的素混凝土受彎構(gòu)件正截面受彎承載力兩者相等 但是 考慮到混凝土抗拉強(qiáng)度的離散性 以及收縮等因素的影響 所以在實(shí)用上 最小配筋率往往是根據(jù)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)得出的 為了防止梁 一裂即壞 適筋梁的配筋率應(yīng)大于 我國(guó) 混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范 規(guī)定 1 受彎構(gòu)件 偏心受拉 軸心受拉構(gòu)件 其一側(cè)縱向受拉鋼筋的配筋率不應(yīng)小于0 2 和45ft fy中的較大值 2 臥置于地基上的混凝土板 板的受拉鋼筋的最