混凝土結構基本理論與設計01

1、主講 王新玲 教授Ch1.緒論 1.1.鋼筋混凝土結構: 1.鋼筋混凝土（ R.C ）： R.C 是鋼筋和砼按一定方式組成的能共同工作的建筑材料。 2.鋼筋混凝土結構：是鋼筋混凝土為主要承重骨架的結構。 砼：抗拉強度大約是抗壓強度的1/10 。砼結構素砼結構鋼筋混凝土結構（Reinforced concrete structure）預應力混凝土結構（Prestressed concrete structure）例如：簡支梁碳纖維混凝土鋼纖維混凝土玻璃纖維混凝土300200ftF1）素砼梁F=8KN 截面開裂并破壞2).R.C 梁： 受拉區(qū)配3 16 鋼筋F3 16Fcr=8.3 KN 截面開裂

2、;Fu=36KN 截面破壞。3).效果：梁的承載力大大提高，梁的受力性能改善。3.鋼筋和砼共同工作原因：1)鋼筋和砼之間存在粘結力；2)鋼筋和砼線膨脹系數(shù)接近；3)砼保護鋼筋4.特點：1)材料來源廣泛；2)耐久性和耐火性好；3)可模性好；4).現(xiàn)澆砼結構剛度大；5).砼自重大:重力密度：25kN/m6).砼容易開裂。(先天不足)1.2.砼結構發(fā)展簡史及展望1824. Portland cement1.第一階段：R.C小構件應用，承載力按彈性理論計算。2.第二階段：R.C空間結構和預應力砼結構，承載力按破壞階段計算。3.第三階段：工業(yè)化施工方法，承載力按極限狀態(tài)設計。材料：高強砼和高強鋼筋；結構

3、：高層和大跨結構。4.第四階段:建立在概率理論基礎上的可靠度分析-概率極限狀態(tài)設計法 ，計算機計算，砼力學1.3.結構設計思路 課程特點： 1).綜合性 2).適用性 3).發(fā)展性 :TJ10-74, GBJ10-89，GB50010-2002 研究方法：規(guī)范、強制性條文，表格規(guī)律適用條件建立模式試驗計算公式1.初步設計階段方案設計階段1）選擇結構體系2）選擇結構材料3）確定施工方法4）確定結構控制截面2.施工圖設計階段1）結構上荷載的計算 2）內(nèi)力計算 3）截面設計4）畫施工圖砼結構設計1).材料的力學性能.3).受彎構件設計偏心受壓構件正截面承載力1).R.C.房屋結構的選型和設計原則2)

4、.結構設計準則正截面承載力計算4).受壓構件設計8).預應力砼構件砼結構砼結構基本理論2).R.C.梁板結構4).R.C.多高層建筑結構 軸心受壓構件正截面承載力3).R.C.單層廠房結構斜截面承載力計算5)受拉構件承載力6)受扭構件承載力7)R.C構件變形和裂縫驗算 參考書1。滕智明 編鋼筋混凝土基本構件。清華大學 出版社2。藍宗建 編混凝土結構設計原理。 東南大學出版社3。美艾倫威廉斯 著鋼筋混凝土結構設計。 中國水利水電出版社4。GB50010-2002 混凝土結構設計規(guī)范5。雜志： 建筑結構學報， 建筑結構 工業(yè)建筑等。 Ch2. R.C材料的力學性能材料的力學性能2.1. 鋼筋鋼筋2

5、.1.1.鋼筋的強度及變形力學性能鋼筋的強度及變形力學性能1.應力應力-應變曲線應變曲線( - )1).軟鋼軟鋼(有明顯流幅的鋼筋有明顯流幅的鋼筋) d0abce a比比例極限例極限, b、 c屈屈服應力服應力 cd強強化階段化階段 de頸頸縮縮 c屈屈服強度服強度: fy d極極限強度限強度: fsu 2).硬鋼硬鋼cd0 0.2 0.2%條件屈服點條件屈服點 0.2 是殘余應變是殘余應變?yōu)闉?.2%時的應力時的應力. 0.2=0.85 fsu2.強度和變形指標強度和變形指標 1).強度強度: 屈服屈服強度強度 fy-設計強度設計強度 fsu-極限強度極限強度 , fy/fsu 0.85 2

6、).變形變形: a).伸長率伸長率: =(L2-L1)/L1 100 % 越大越大, 鋼筋延性或塑性越好鋼筋延性或塑性越好 b).冷彎性能冷彎性能 質(zhì)量檢測指標質(zhì)量檢測指標 軟鋼軟鋼: fy, fsu, ,冷彎性能冷彎性能 硬鋼硬鋼: fsu, ,冷彎性能冷彎性能3.鋼筋的松弛和疲勞鋼筋的松弛和疲勞1).鋼筋的松弛鋼筋的松弛鋼筋在高應力作用下鋼筋在高應力作用下, 應變應變增加增加, 應力減小的現(xiàn)象應力減小的現(xiàn)象2).鋼筋的疲勞鋼筋的疲勞鋼筋的疲勞破壞是指鋼筋鋼筋的疲勞破壞是指鋼筋在承受重復周期、動荷載在承受重復周期、動荷載作用下作用下,經(jīng)過一定次數(shù)后經(jīng)過一定次數(shù)后, 由由塑性破壞變成脆性破壞的

7、塑性破壞變成脆性破壞的現(xiàn)象。現(xiàn)象。2.1.2. 鋼筋的級別和類型鋼筋的級別和類型 1).碳素鋼碳素鋼: 低碳鋼低碳鋼 c%0.6% 強度強度lowhigh變形變形好好差差 2).普通低合金鋼普通低合金鋼: 40Si2MnV(HPB235) (HRB335)(HRB400)(RRB400)2).冷加工鋼筋冷加工鋼筋 ：冷拉、冷拔、冷軋扭，螺旋肋冷拉、冷拔、冷軋扭，螺旋肋 熱處理鋼筋熱處理鋼筋 :40Si2Mn強度強度:high塑性塑性:差差low好好3).預應力鋼筋預應力鋼筋Diameters:d=6,8,10,12,14,16, 18,20,22,25,28,30mm50mm1).熱軋鋼筋熱軋

8、鋼筋: I II III （普通鋼筋）（普通鋼筋） R鋼絞線鋼絞線消除應力鋼絲：光面、螺旋肋、刻痕消除應力鋼絲：光面、螺旋肋、刻痕 2.1.3 鋼筋的冷加工鋼筋的冷加工 1.冷拉冷拉: 0kkddee 4 5 62.冷拔冷拔:02.1.4. 鋼筋砼結構對鋼鋼筋砼結構對鋼筋質(zhì)量的要求筋質(zhì)量的要求1.強度強度光面鋼筋：光面鋼筋： Isurface變形鋼筋：變形鋼筋： II 、III2.塑性塑性3.機械性能機械性能4.與砼的粘結力與砼的粘結力2.2.混凝土混凝土 混凝土混凝土 1).水泥水泥+水水 作用作用: 擴散砼應力擴散砼應力 使砼具有塑性變形能力使砼具有塑性變形能力. 2).水泥膠體水泥膠體

9、+石子、沙子石子、沙子水泥膠體水泥膠體 (水泥結晶體和水泥膠塊水泥結晶體和水泥膠塊)彈性骨架彈性骨架作用作用: 抵抗外力抵抗外力 使砼產(chǎn)生彈性變形使砼產(chǎn)生彈性變形骨料和水泥膠體之間產(chǎn)生微裂縫骨料和水泥膠體之間產(chǎn)生微裂縫2.2.1.混凝土強度混凝土強度1.立方體抗壓強度（砼強度等級）立方體抗壓強度（砼強度等級）f0cu 1).定義定義: 2).影響因素影響因素a).試件尺寸試件尺寸 150150 150 b).齡期和養(yǎng)護條件齡期和養(yǎng)護條件: c)實驗方法實驗方法: 3).強度等級強度等級:C15,C20,C25-C802.軸心抗壓強度（棱柱體抗壓強度）軸心抗壓強度（棱柱體抗壓強度）: fc0抗壓

10、強度隨試件高度增大而降低抗壓強度隨試件高度增大而降低: 試件：試件：h/b=34 考慮折減系數(shù)：考慮折減系數(shù)：0.88試驗試驗(P13):3.砼的抗拉強度砼的抗拉強度 : ft0直接張拉直接張拉:劈裂試驗劈裂試驗:255. 000348. 0ccutff4.砼的抗剪強度砼的抗剪強度 : fv00210cucccff021088. 0cucccff4.復雜受力狀態(tài)下砼的強度復雜受力狀態(tài)下砼的強度 1).雙軸應力雙軸應力I.雙向受壓雙向受壓: 抗壓強度提高抗壓強度提高II.一向受壓，另一向受拉：一向受壓，另一向受拉： 抗拉和抗壓強度均降低抗拉和抗壓強度均降低.III.雙向受拉：與單向抗拉強度相同雙

11、向受拉：與單向抗拉強度相同.IV.剪壓狀態(tài)：剪壓狀態(tài)： c-0.2-0.2 c1.01.01.21.20IIIIIIII0.50.70cc(0.50.7) c,抗剪強度抗剪強度 隨壓應力隨壓應力 增大而提高增大而提高; 當當 0.7c, 減小減小.V.剪拉狀態(tài)：剪拉狀態(tài)： 隨拉應力隨拉應力 而降低而降低.2）三軸受壓：）三軸受壓：抗壓強度和塑性均大大提高抗壓強度和塑性均大大提高.5.局部受壓強度局部受壓強度局部受壓強度提高局部受壓強度提高.2.2.2. 砼的變形砼的變形1.砼的應力應變關系短期單調(diào)加載：砼的應力應變關系短期單調(diào)加載： c c 1)上升段上升段 OC: OA:( c 0.3 c0

12、): 彈性彈性, c and c 線性線性. AB:( c=0.3 c00.8 c0): 砼內(nèi)部微裂縫發(fā)展砼內(nèi)部微裂縫發(fā)展. BC( c0.8 c0):塑性變形發(fā)展，豎向裂縫出現(xiàn)塑性變形發(fā)展，豎向裂縫出現(xiàn) c0=0.00150.00250.002 cc0 2).下降段下降段 CD: ccu=0.00330.004 （極限壓應變）（極限壓應變） c c0ABCDfc0 0 cu t ft0 tu=0.00010.00015受拉受拉:I. c c (受壓受壓): 2.重復荷載作用下的變形重復荷載作用下的變形 疲勞強度疲勞強度:4).砼的彈性模量砼的彈性模量 Ec 5).剪切模量剪切模量 Gc Gc

13、=Ec/2(1+ c) a).原點彈模原點彈模 Ec b).割線模量割線模量 Ec c).切線模量切線模量 Ec c0fcEcEcEc005 . 0cfcff c0 05 . 0cf3. 砼在長期作用下的變形砼在長期作用下的變形徐變徐變 規(guī)范規(guī)定：規(guī)范規(guī)定：Ec （P16) c泊松比（橫向應變與縱向應變之比）泊松比（橫向應變與縱向應變之比）1）徐變：砼在長期荷載作用下隨時間而增長的變形）徐變：砼在長期荷載作用下隨時間而增長的變形a).水泥凝膠體的粘性水泥凝膠體的粘性流動流動Time(m) (.001) cr5101520250.51.01.5 c2).產(chǎn)生徐變的原因產(chǎn)生徐變的原因b).內(nèi)部微裂

14、縫的開展內(nèi)部微裂縫的開展3).對構件影響對構件影響: a).使變形增大使變形增大4).影響徐變的因素影響徐變的因素:a).配合比配合比 b).產(chǎn)生預應力損失產(chǎn)生預應力損失c).引起軸壓構件及結構的應力重分布引起軸壓構件及結構的應力重分布b).養(yǎng)護條件：溫度、濕度養(yǎng)護條件：溫度、濕度c).應力條件：應力條件：加荷時的齡期加荷時的齡期加荷時的初始應力加荷時的初始應力 c c 0.5 c 0-線性徐變線性徐變 c =（0.50 . 8） c 0-非線性徐變非線性徐變 c =0 . 8 c 0-長期抗壓強度長期抗壓強度4.砼的收縮砼的收縮 2).收縮原因收縮原因 :水分蒸發(fā)水分蒸發(fā)1).收縮：砼在空氣

15、中硬化體積減小的現(xiàn)象收縮：砼在空氣中硬化體積減小的現(xiàn)象3).對構件影響對構件影響: 4).影響收縮的因素影響收縮的因素: 配合比，養(yǎng)護，體表比配合比，養(yǎng)護，體表比I. 使砼產(chǎn)生拉應力使砼產(chǎn)生拉應力II.引起預應力損失引起預應力損失2.3.鋼筋與砼的粘結鋼筋與砼的粘結粘結應力是指鋼筋與砼接觸面上為抵抗變形差所產(chǎn)生的剪應力。粘結應力是指鋼筋與砼接觸面上為抵抗變形差所產(chǎn)生的剪應力。2.3.1 粘結性質(zhì)粘結性質(zhì) 1.粘結應力粘結應力:ABCD沒有鋼筋應力的變化，就不存在粘結應力。沒有鋼筋應力的變化，就不存在粘結應力。dxxxxddx AssxAsxxAddxSSAdxdss1).錨固粘結應力錨固粘結應力lald2)裂縫之間的粘結應力裂縫之間的粘結應力 2.粘結應力的試驗及粘結應力分布粘結應力的試驗及粘結應力分布-拔出試驗拔出試驗 ulap max1) 為曲線分布為曲線分布2)埋入長度越長，所需的力越大埋入長度越長，所需的力越大3)粘結強度粘結強度 u =P/ d la2.3.2 粘結機理粘結機理 1.鋼筋和砼之間的膠著力鋼筋和砼之間的膠著力 2.砼收縮和鋼筋之間的摩阻力砼收縮和鋼筋之間的摩阻力 3.鋼筋