混凝土結(jié)構(gòu)材料及設(shè)計方法

工程管理專業(yè)《混凝土結(jié)構(gòu)及砌體結(jié)構(gòu)》模塊式教學(xué)課件一：混凝土結(jié)構(gòu)材料及設(shè)計方法二：鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的設(shè)計計算及構(gòu)造規(guī)范三：鋼筋混凝土受壓構(gòu)件的設(shè)計計算及構(gòu)造規(guī)范四：鋼筋混凝土彎、剪、扭構(gòu)件設(shè)計計算及構(gòu)造規(guī)范五：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)正常使用極限狀態(tài)的驗算六：預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件工作原理及設(shè)計計算簡介七：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計方法實際應(yīng)用八：砌體結(jié)構(gòu)簡介任務(wù)一、關(guān)于混凝土結(jié)構(gòu)課程的幾個話題１、什么是混凝土結(jié)構(gòu)２、為什么把鋼筋與混凝土澆筑在一起協(xié)同工作？３、混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)展狀況簡介４、本課程學(xué)習(xí)方法及要求任務(wù)二、關(guān)于混凝土結(jié)構(gòu)用材料的基本知識１、土木工程用鋼筋的品種、級別、性能及其選用原則２、混凝土在各種受力狀態(tài)下的強度與變形性能及其選用原則３、鋼筋與混凝土的共同工作原理任務(wù)三、鋼筋混凝土設(shè)計方法１、結(jié)構(gòu)上的作用、作用效應(yīng)和結(jié)構(gòu)抗力的概念及其隨機特性２、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的理論基礎(chǔ)——可靠度理論３、我國規(guī)范的設(shè)計方法——概率極限狀態(tài)設(shè)計一鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)材料及設(shè)計方法任務(wù)一、關(guān)于混凝土結(jié)構(gòu)課程的幾個話題

１、什么是混凝土結(jié)構(gòu)２、為什么把鋼筋與混凝土澆筑在一起協(xié)同工作？３、混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)展狀況簡介４、本課程學(xué)習(xí)方法及要求1、什么是混凝土結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：廣義上指房屋建筑和土木工程的建筑物、構(gòu)筑物及其相關(guān)組成部分的實體。狹義上指各種工程實體的承重骨架?；炷两Y(jié)構(gòu)：以混凝土為主要材料制作的結(jié)構(gòu)。如：素混凝土結(jié)構(gòu)（plainconcretestructure）鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)（reinforcedconcretestructure）勁性混凝土結(jié)構(gòu)（steel-reinforcedconcretestructure）預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)（pre-stressedconcretestructure）鋼管混凝土結(jié)構(gòu)（concrete-filledtubestructure）素砼結(jié)構(gòu)鋼筋砼結(jié)構(gòu)勁性砼結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力砼結(jié)構(gòu)鋼管砼結(jié)構(gòu)2、為什么把鋼筋與混凝土澆筑在一起協(xié)同工作？素混凝土梁破壞特征：一裂即斷，脆性，破壞無預(yù)兆；Fmax≈8kN破壞特征：裂不等于壞，破壞有預(yù)兆；Fmax≈36kN鋼筋混凝土梁鋼筋與混凝土協(xié)同工作的必要性：素混凝土結(jié)構(gòu)中加入少量鋼筋以后：承載力有很大提高；受力性能和破壞特征有明顯改善。鋼筋的主要作用是抗拉和抗剪，也可以抗壓，但一般盡量充分利用混凝土抗壓優(yōu)勢。鋼筋與混凝土協(xié)同工作的可行性：混凝土結(jié)硬后與鋼筋牢固地粘結(jié)在一起，能相互傳遞應(yīng)力；鋼筋與混凝土有相近的線膨脹系數(shù)。（鋼筋：c=1.2×10-5℃-1混凝土：c=1.0×10-5~1.5×10-5℃-1）；混凝土可以保護鋼筋不發(fā)生銹蝕。鋼筋與混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點：

優(yōu)點承載力大就地取材耐久耐火可模性好整體性好、剛度大自重大混凝土：24~25kN/m3粘土磚:18~19kN/m3杉木：4

kN/m3易開裂性質(zhì)脆缺點3、混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)展狀況如何？1824年，英國人J.Aspdin發(fā)明水泥；1850年，法國人L.Lambot制成鐵絲網(wǎng)水泥船；1859年，轉(zhuǎn)爐煉鋼成功；1861年，法國人J.Monier取得鋼筋混凝土板、管道、拱橋的專利。與鋼、木、砌體結(jié)構(gòu)相比，歷史最短，但發(fā)展最快，已經(jīng)成為當(dāng)今世界各國的主導(dǎo)結(jié)構(gòu)。材料：朝輕質(zhì)、高強方向發(fā)展。強度發(fā)展如：混凝土：C10→C25→C60→C80→C100→C200結(jié)構(gòu)：高層大跨。馬來西亞吉隆坡石油大廈，88層，452m，鋼-混凝土結(jié)構(gòu)；上海金茂大廈，88層，421m，鋼-混凝土結(jié)構(gòu)；香港國際金融中心，88層，415m，混合結(jié)構(gòu)；美國亞特蘭大奧運會主體育館240m×193m，張拉整體結(jié)構(gòu)；橋梁跨度也越來越大。如四川萬縣拱橋，跨度為420m。金茂大廈88層,421m臺北101101層,508m國際金融中心88層,415m重慶市萬縣長江大橋設(shè)計方法:

經(jīng)驗法半經(jīng)驗、半理論法概率極限狀態(tài)法4、本課程學(xué)習(xí)方法及要求

學(xué)習(xí)方法及要求：

認真聽課，注意記錄，課后有充分時間研讀教材。掌握本課程基本概念、基本原理，理清各種構(gòu)件設(shè)計計算步驟。善于歸納類比各類構(gòu)件設(shè)計計算特點。多查規(guī)范，重視各類構(gòu)件構(gòu)造要求。多看圖畫圖，及時獨立完成小作業(yè)及大作業(yè)。

考核方法：

過程考核：50%；期末：40%（期末考試成績要求達到60分方可及格）；筆記及小作業(yè)：10%

沈蒲生主編，梁興文副主編.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理(第4版).北京：高等教育出版社，2012.2

任務(wù)二、關(guān)于混凝土結(jié)構(gòu)用材料的基本知識

１、土木工程用鋼筋的品種、級別、性能及其選用原則２、混凝土在各種受力狀態(tài)下的強度與變形性能及其選用原則３、鋼筋與混凝土的共同工作原理１、土木工程用鋼筋的品種、級別、性能及其選用原則

§1.1建筑用鋼筋的種類

熱軋鋼筋

4006~50RRB4004006~50HRB4003356~50HRB3353006~22HPB300fyk/(N/mm2)d/(mm)符號種類HPB

—熱軋光面鋼筋，橋梁規(guī)范用R表示；HRB

—熱軋帶肋鋼筋；RRB—余熱處理鋼，橋梁規(guī)范用KL表示。Mn—錳，Si—硅，V—釩，

Nb

—鈮，Ti—鈦，C—碳低碳：C<0.25%中碳：C=0.25~0.6%

高碳：C>0.6%20MnSiV含碳萬分數(shù)含錳、硅、釩的百分數(shù)，取整。中、高強鋼絲、鋼絞線做預(yù)應(yīng)力筋用。中強：800~1370MPa高強：1470~1860MPa熱處理鋼筋

經(jīng)淬火處理得，fptk=1470MPa，無明顯屈服點。冷加工鋼筋

冷加工工藝：冷拉、冷拔、冷軋、冷軋扭。

目的：提高強度，節(jié)約鋼材。但塑性減小。冷拉鋼筋仍有屈服臺階?！?.2

混凝土結(jié)構(gòu)對鋼筋性能的要求

強度高熱軋鋼筋鋼絲、鋼絞線、各種冷加工鋼筋塑性好（用伸長率和冷彎性能衡量。）伸長率:::同一根鋼筋上述伸長率只反映斷口附近殘留變形大小，不反映鋼筋總伸長率情況。均勻伸長率鋼筋彈性模量實測鋼筋拉斷強度殘余伸長已回復(fù)彈性應(yīng)變+=鋼筋均勻伸長率的測定：=90°,180°,反復(fù)彎曲要求：冷彎過程中無裂縫、鱗落或斷裂。D愈小，要求愈高。反復(fù)次數(shù)愈高，要求愈高。冷彎冷彎是檢驗鋼筋局部變形能力的指標。鋼筋塑性愈好，構(gòu)件破壞前預(yù)兆愈明顯。

可加工性好與混凝土粘結(jié)錨固性好變形鋼筋比光面鋼筋好

鋼筋的直徑常用：6mm，6.5mm，8mm，8.2mm，10mm，12mm，14mm，16mm，18mm，20mm，22mm，25mm，28mm，32mm，36mm，40mm，50mm。其中，8.2mm僅適用有縱肋的熱處理鋼筋。

鋼筋的選用普通鋼筋：宜用HRB400和HRB335鋼筋

可用HPB300、RRB400和冷加工鋼筋預(yù)應(yīng)力筋：宜用鋼鉸線、鋼絲

可用熱處理鋼筋和強度較高的冷加工鋼筋d=6~50mm

§2.1組成及特點主要材料：水泥、水、砂、石特點:1）以固相為主，包含固體、液體、氣體的三相體2）水化過程長，性能要很長時間才穩(wěn)定3）水泥石收縮可形成微裂縫；4）受制作、養(yǎng)護、使用條件影響大

§2.2混凝土強度

立方體抗壓強度（強度等級）1）標準尺寸：150mm×150mm×150mm2）養(yǎng)護條件：20℃±3℃，濕度≥90%，28d3）加荷方法：加荷速度0.15～0.25MPa/s，墊板不涂油或墊橡膠板。4）強度保證率：95%，f=-1.645２、混凝土在各種受力狀態(tài)下的強度與變形性能及其選用原則混凝土強度與試塊混凝土強度的修正系數(shù)脆性影響系數(shù)

棱柱體強度與立方體強度之比值非標準試塊強度換算系數(shù)：200mm×200mm×200mm:1.05；100mm×100mm×100mm:0.95。分級：C15,C20,C25,C30,C35,C40,C45,C50,C55,C60,C65,C70,C75,C80(高強混凝土），共14個等級。C—Concrete,單位：N/mm2或MPa。軸心抗壓強度c1和c2值混凝土強度等級≤C40C45C50C55C60C65C70C75C80c10.760.760.760.770.780.790.800.810.82c24.000.9840.9680.9510.9350.9190.9030.8870.87

軸心抗拉強度軸心抗拉強度與立方體抗壓強度的折算系數(shù)

試驗離散性的影響系數(shù)

試驗離散性系數(shù)

復(fù)雜應(yīng)力下的強度圖中：ft*，fc*—混凝土單軸抗拉、抗壓強度；f1，f2，f3—混凝土的多軸強度,f1≥f2≥f3說明：壓-壓：強度提高；拉-拉：強度不變；拉-壓：抗拉和抗壓強度都低。雙向受力存在剪力作用拉-剪：抗拉、抗剪強度都降低；壓-剪：當(dāng)時，抗剪強度隨壓應(yīng)力提高而增大；當(dāng)時，內(nèi)部裂縫增加，抗剪抗壓強度均降低。三向受力三向受壓時，強度增加，最大增加5倍。

影響混凝土強度的主要因素1.原材料的品質(zhì)2.水灰比及水泥用量3.齡期§2.3混凝土的變形一次加載時0→A:近似彈性A→B:非線性B→C:體積增大

C→F:破壞高強混凝土：↗，↘多次加載：彈性模量割線模量。棱柱體試件。受壓：受拉：Ec′=0.5Ec剪切模量：Gc=0.4Ec

泊松比=橫向應(yīng)變/縱向應(yīng)變=0.2徐變定義：在荷載保持不變的情況下，變形隨時間推移繼續(xù)增大的現(xiàn)象。特點：早期發(fā)展快，但可以延續(xù)數(shù)年。影響因素：加載時的混凝土齡期；持續(xù)壓力大??；混凝土的組成材料及配合比；混凝土的制作養(yǎng)護條件。徐變對結(jié)構(gòu)的影響：使構(gòu)件變形增大；在軸壓構(gòu)件中，使鋼筋應(yīng)力增加，混凝土應(yīng)力減??；在預(yù)應(yīng)力構(gòu)件中，使預(yù)應(yīng)力發(fā)生損失；在超靜定結(jié)構(gòu)中，使內(nèi)力發(fā)生重分布。

收縮定義：混凝土在空氣中結(jié)硬時體積減小的現(xiàn)象。收縮率：3×10-4。收縮=凝縮+干縮特點：早期快，可延續(xù)1～2年。影響因素：混凝土的組成及配合比，尤其是水灰比；養(yǎng)護條件；使用時的溫度與濕度。收縮對結(jié)構(gòu)的影響：當(dāng)收縮受到約束時，引起構(gòu)件開裂。減少收縮的措施：限制水泥用量；減小水灰比；加強振搗和養(yǎng)護；構(gòu)造鋼筋數(shù)量加強；設(shè)置變形縫；摻膨脹劑?！?.4混凝土的選用原則鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中：混凝土強度等級不應(yīng)低于C15。用HRB335級鋼筋時，不宜低于C20；用HRB400和RRB400級鋼筋時，不得低于C20。預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中

混凝土強度等級不應(yīng)低于C30。當(dāng)采用鋼絲、鋼絞線、熱處理鋼筋時，不宜低于C40。

粘結(jié)錨固長度平均粘結(jié)應(yīng)力光面鋼筋帶肋鋼筋

由和鋼筋強度可推算出錨固長度３、鋼筋與混凝土的共同工作原理普通鋼筋錨固長度按下列公式計算：鋼筋抗拉強度設(shè)計值

鋼筋外形系數(shù)

鋼筋直徑

混凝土軸心抗拉強度設(shè)計值

0.140.16帶肋鋼筋光面鋼筋鋼筋類型增加粘結(jié)錨固的措施

光面鋼筋端部做彎鉤：手工彎鉤：機械彎鉤：鋼筋表面帶肋；

縱向鋼筋端部焊橫向鋼筋；縱向鋼筋端部加箍筋；采用高強混凝土；彎起鋼筋端部加水平錨固段；在縱向鋼筋端部焊錨板；將鋼筋焊在預(yù)埋件上。任務(wù)三、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計方法1、結(jié)構(gòu)上的作用、作用效應(yīng)和結(jié)構(gòu)抗力的概念２、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的理論基礎(chǔ)——可靠度理論３、我國規(guī)范的設(shè)計方法——概率極限狀態(tài)設(shè)計1、結(jié)構(gòu)上的作用、作用效應(yīng)和結(jié)構(gòu)抗力的概念§1.1結(jié)構(gòu)上的作用、作用效應(yīng)與結(jié)構(gòu)抗力結(jié)構(gòu)上的作用定義：凡能使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)力、應(yīng)力、位移、應(yīng)變、裂縫的因素，都稱為結(jié)構(gòu)上的作用。直接作用：荷載分類間接作用：溫度、收縮、徐變、地基不均勻沉降、地震等。作用效應(yīng)作用在結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的反應(yīng)，如內(nèi)力、應(yīng)力、位移、應(yīng)變、裂縫等，稱為作用效應(yīng)結(jié)構(gòu)抗力結(jié)構(gòu)抵抗作用效應(yīng)的能力，稱為結(jié)構(gòu)抗力?！?.2荷載荷載分類永久荷載(恒荷載)：大小、方向、作用點不隨時間改變的荷載為永久荷載，如自重、土壓力、預(yù)應(yīng)力等可變荷載(活荷載)

：大小、方向或作用點隨時間改變而變化的荷載為可變荷載，如樓面和屋面活載、風(fēng)荷載、雪荷載、吊車荷載、車輛荷載等；偶然荷載：結(jié)構(gòu)使用期間可能不出現(xiàn)，一旦出現(xiàn)，其作用時間短、效應(yīng)大的荷載為偶然荷載，如爆炸力，撞擊、地震等。荷載代表值標準值——

由設(shè)計基準期內(nèi)最大荷載概率分布的某一分位值確定的荷載值，是永久荷載的唯一代表值。頻遇值——結(jié)構(gòu)上時而出現(xiàn)的較大值,但小于標準值。計算裂縫變形時用。頻遇值=ψf×標準值

t/T<0.1準永久值——可變荷載中較穩(wěn)定的那一部分值。計算裂縫變形時用。準永久值=ψq×標準值

t/T=0.5（t為設(shè)計基準期內(nèi)荷載達到和超過該值的總持續(xù)時間，T為設(shè)計基準期。）

組合值——

當(dāng)有兩個或兩個以上可變荷載同時作用時的代表值組合值=ψc×標準值

§1.3材料強度材料強度標準值混凝土：鋼筋：保證率：95％

材料強度設(shè)計值混凝土：,鋼筋：,建筑工程中混凝土：

鋼筋：橋梁工程中式中：–––混凝土的材料分項系數(shù)；–––鋼筋的材料分項系數(shù)；§1.4結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限與安全等級結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限類別結(jié)構(gòu)類型結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限（年）１臨時性結(jié)構(gòu)5２易于替換的結(jié)構(gòu)構(gòu)件25３普通房屋和構(gòu)筑物50４紀念性建筑和特別重要建筑100結(jié)構(gòu)的安全等級按結(jié)構(gòu)的重要性劃分一級：重要建筑二級：一般建筑三級：次要建筑結(jié)構(gòu)的可靠性:指結(jié)構(gòu)的安全性、適用性、耐久性。結(jié)構(gòu)的可靠度:

指結(jié)構(gòu)在規(guī)定時間內(nèi)、規(guī)定條件下完成預(yù)定功能的概率，是結(jié)構(gòu)可靠性的概率度量。正態(tài)分布

變異系數(shù)δz=μz/σzＺ=Ｒ-Ｓ

Ｚ＞0，結(jié)構(gòu)可靠；Ｚ=0，極限狀態(tài)。２、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的理論基礎(chǔ)——可靠度理論§2.1結(jié)構(gòu)可靠度Ｚ＜0，失效狀態(tài)。結(jié)構(gòu)的可靠指標現(xiàn)行設(shè)計方法以概率理論為基礎(chǔ)，用可靠指標度量，采用多個分項系數(shù)表達。設(shè)，則可靠指標為：式中：–––結(jié)構(gòu)抗力的平均值和標準值；–––作用效應(yīng)的平均值和標準值?！?.2結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)及其分類定義：整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分超