建筑結(jié)構(gòu)與材料

學(xué)習(xí)情境十一

建筑結(jié)構(gòu)與建筑材料ArchitecturalConstruction&ConstructionalMaterial子情境一

建筑結(jié)構(gòu)的概述

建筑結(jié)構(gòu)的概念：建筑中由若干構(gòu)件連接而成的能承受作用的平面或空間體系。作用:能使結(jié)構(gòu)或構(gòu)件產(chǎn)生效應(yīng)（內(nèi)力、變形、裂縫等）的各種原因的總稱。作用分為：

a直接作用即荷載：如結(jié)構(gòu)自重、人群荷載、風(fēng)荷載等；b間接作用：如地震、基礎(chǔ)沉降、溫度變化等。建筑結(jié)構(gòu)由豎向承重結(jié)構(gòu)體系、水平承重結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)組成。建筑結(jié)構(gòu)豎向承重結(jié)構(gòu)體系水平承重結(jié)構(gòu)下部結(jié)構(gòu)水平構(gòu)件：柱、梁、板等，用以承受豎向荷載。豎向構(gòu)件：柱、墻等，其作用是支承水平構(gòu)件或承受水平荷載。基礎(chǔ)：其作用是將建筑物承受的荷載傳至地基。建筑物本身的重量，雨，雪，家具，人及活動(dòng)所帶來的附加荷載等。風(fēng)和地震等。

按所用材料的不同分為：1.混凝土結(jié)構(gòu)（以混凝土為主要材料的結(jié)構(gòu)）2.鋼結(jié)構(gòu):以鋼材(鋼板、型鋼）為主制作的結(jié)構(gòu)3.砌體結(jié)構(gòu):由塊材通過砂漿砌筑而成的結(jié)構(gòu)4.木結(jié)構(gòu):指全部或大部分用木材制作的結(jié)構(gòu)5.混合結(jié)構(gòu):由兩種及兩種以上材料作為主要承重結(jié)構(gòu)的房屋6.鋼-混凝土組合組構(gòu)

按建筑結(jié)構(gòu)的層數(shù)來分：1.單層結(jié)構(gòu)2.多層結(jié)構(gòu)3.中高層結(jié)構(gòu)4.高層結(jié)構(gòu)5.超高層結(jié)構(gòu)素混凝土梁—承載力低，一開裂即告破壞，破壞前無預(yù)兆（為脆性）；鋼筋混凝土梁—承載力高，混凝土開裂后，其承擔(dān)的拉應(yīng)力轉(zhuǎn)移到鋼筋。*素混凝土和鋼筋混凝土的比較子情境二

常用結(jié)構(gòu)的類型與特點(diǎn)

一、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋與混凝土共同工作的條件：

鋼筋（材）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)椋孩配摻詈突炷林g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；⑵鋼筋與混凝土具有基本相同的溫度線膨脹系數(shù)，因此當(dāng)溫度變化時(shí)，兩種材料不會(huì)產(chǎn)生過大的變形差而導(dǎo)致兩者間的粘結(jié)力破壞。預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)是在混凝土構(gòu)件受拉區(qū)預(yù)先施加一對(duì)壓力，當(dāng)荷載作用于結(jié)構(gòu)上時(shí)，出現(xiàn)的拉應(yīng)力全部或部分抵消預(yù)壓力的一種混凝土結(jié)構(gòu)體系，這種結(jié)構(gòu)體系中構(gòu)件的抗彎能力和混凝土的抗裂度大大增強(qiáng)。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)主要優(yōu)點(diǎn)：1）就地取材混凝土所用的大量砂、石，易于就地取材，近年來，已有利用工業(yè)廢料來制造人工骨料，或作為水泥的外加成分，改善混凝土的性能。2）耐久性好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；3）整體性好通過合適的配筋，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)。4）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。5）耐火性好混凝土是不良熱導(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快而喪失強(qiáng)度。主要缺點(diǎn)：1）自重大不適用于大跨、高層結(jié)構(gòu)。2）抗裂性能差普通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)鋼筋無法應(yīng)用。3）工序多（支模、綁鋼筋、澆筑、養(yǎng)護(hù)），工期長，施工受季節(jié)、天氣的影響較大。二、鋼結(jié)構(gòu)以鋼材為主制作的結(jié)構(gòu)。桿件之間采用焊接、螺栓或鉚釘連接。常用于工業(yè)廠房、體育館等大跨結(jié)構(gòu)、高層建筑。特點(diǎn)

主要優(yōu)點(diǎn)：1）材料強(qiáng)度高，自重輕，塑性和韌性好，材質(zhì)均勻；2）便于工廠生產(chǎn)和機(jī)械化施工，便于拆卸，施工工期短；3）具有優(yōu)越的抗震性能；4）無污染、可再生、節(jié)能、安全，符合建筑可持續(xù)發(fā)展的原則，可以說鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展是21世紀(jì)建筑文明的體現(xiàn)。主要缺點(diǎn)：易腐蝕，需經(jīng)常油漆維護(hù)，故維護(hù)費(fèi)用較高；鋼結(jié)構(gòu)的耐火性差，當(dāng)溫度達(dá)到250℃時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)的材質(zhì)將會(huì)發(fā)生較大變化；當(dāng)溫度達(dá)到500℃時(shí)，結(jié)構(gòu)會(huì)瞬間崩潰，完全喪失承載能力。南京地鐵大廈地上部分26層,地下3層,樓高99.9米,總建筑面積達(dá)4萬平方米,是江蘇省第一棟高層全鋼結(jié)構(gòu)建筑。由塊體（磚、石材、砌塊）和砂漿砌筑而成的墻、柱作為建筑物主要受力構(gòu)件的結(jié)構(gòu)稱為砌體結(jié)構(gòu)。又稱磚石結(jié)構(gòu)三、砌體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

主要優(yōu)點(diǎn)：1）取材方便，造價(jià)低廉；2）具有良好的耐火性及耐久性；3）具有良好的保溫、隔熱、隔音性能，節(jié)能效果好；4）施工簡單，技術(shù)容易掌握和普及，也不需要特殊的設(shè)備。主要缺點(diǎn)：自重大，強(qiáng)度低，整體性差，砌筑勞動(dòng)強(qiáng)度大。概念

指全部或大部分用木材制作的結(jié)構(gòu)。特點(diǎn)

主要優(yōu)點(diǎn)：

易于就地取材，制作簡單。

主要缺點(diǎn)：

易燃、易腐蝕、變形大，并且木材使用受到國家嚴(yán)格限制。四、木結(jié)構(gòu)1、鋼筋的品種和級(jí)別

（一）鋼筋的品種（分類）按化學(xué)成分分類：低碳鋼碳素鋼中碳鋼隨含碳量增加，鋼筋強(qiáng)度提高，

高碳鋼塑性性能降低。

普通低合金鋼：除碳素鋼已有的成分外，再加入少量的硅、錳、鈦、釩等合金元素。

強(qiáng)度顯著提高，塑性性能也好。

子情境三

主要材料的力學(xué)性能按外形分類

光面鋼筋——表面光滑，與混凝土粘結(jié)力差。變形鋼筋——表面帶肋，螺旋紋、人字紋、月牙紋，與混凝土粘結(jié)力高。熱軋鋼筋（用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)）按生產(chǎn)工藝分類預(yù)應(yīng)力鋼絲和鋼絞線、熱處理鋼筋

（用于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)）冷加工鋼筋（用于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)）

承重結(jié)構(gòu)采用的鋼材應(yīng)具有抗拉強(qiáng)度、伸長率、屈服強(qiáng)度和硫、磷含量的合格保證，對(duì)焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)具有碳含量的合格保證。

焊接承重結(jié)構(gòu)及重要的非焊接承重結(jié)構(gòu)采用的鋼材還應(yīng)具有冷彎實(shí)驗(yàn)的合格保證。2、建筑鋼材的力學(xué)性能1）鋼材的力學(xué)性能建筑鋼材的力學(xué)性能包括強(qiáng)度、塑性、冷彎性能、沖擊韌性。（1）強(qiáng)度①有明顯屈服點(diǎn)的鋼材低碳剛和低合金鋼的一次性拉伸時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線a為比例極限b為上屈服點(diǎn)c’為下屈服點(diǎn)，即屈服強(qiáng)度fe為極限抗拉強(qiáng)度fy

ef為頸縮階段e0.2%0.2(N/mm2)o0.2－條件屈服強(qiáng)度2）無明顯屈服點(diǎn)的鋼材沒有明顯的屈服點(diǎn)和屈服臺(tái)階鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖對(duì)于沒有明顯屈服點(diǎn)的鋼材，以殘余變形為0.2%時(shí)的應(yīng)力作為名義屈服點(diǎn)，其值約等于極限強(qiáng)度85%。

注意：鋼材在一次壓縮或剪切所表現(xiàn)出來的應(yīng)力-應(yīng)變變化規(guī)律基本上與一次拉伸試驗(yàn)時(shí)相似，壓縮時(shí)的各強(qiáng)度指標(biāo)也取用拉伸時(shí)的數(shù)據(jù)，只是剪切時(shí)的強(qiáng)度指標(biāo)數(shù)值比拉伸時(shí)的小。（2）鋼筋的塑性：指鋼材破壞前產(chǎn)生變形的能力。伸長率：鋼筋力學(xué)性能指標(biāo)：屈服點(diǎn)、抗拉強(qiáng)度和伸長率冷彎性能合格是鑒定鋼材在彎曲狀態(tài)下的塑性應(yīng)變能力和鋼材質(zhì)量的綜合指標(biāo)。冷彎試驗(yàn)不僅能直接檢驗(yàn)鋼材的彎曲變形能力或塑性性能，還能暴露鋼材內(nèi)部的冶金缺陷，如硫、磷偏析和硫化物與氧化物的摻雜情況，這些都將降低鋼材的冷彎性能。（3）冷彎性能（4）沖擊韌性韌性是鋼材抵抗沖擊荷載的能力，是鋼材強(qiáng)度和塑性的綜合指標(biāo)。二、混凝土1、混凝土的強(qiáng)度

混凝土的強(qiáng)度與水泥、骨料、級(jí)配、配合比、硬化條件和齡期等有關(guān)，主要包括立方體的抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度、軸心抗拉強(qiáng)度等。1）混凝土立方體的抗壓強(qiáng)度fcu我國現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定以立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值作為衡量混凝土強(qiáng)度等級(jí)的指標(biāo)，用fcuk表示。

立方體抗壓強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值指：按照標(biāo)準(zhǔn)方法制作養(yǎng)護(hù)的邊長為150mm的立方體試塊（溫度為20℃左右，相對(duì)濕度為90%以上），在28d齡期用標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)方法測得的具有95%保證率的抗壓強(qiáng)度?；炷翉?qiáng)度等級(jí)分C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80共14級(jí)。各個(gè)等級(jí)中的數(shù)字單位都是N/m㎡表示，稱為立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于C15

采用HRB335、HRB400、RRB400級(jí)鋼筋時(shí)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)不得低于C20

預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土強(qiáng)度等級(jí)不低于C30

采用鋼絞線、鋼絲、熱處理鋼筋做預(yù)應(yīng)力鋼筋時(shí)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)不宜低于C402）混凝土軸心抗壓強(qiáng)度fc混凝土軸心抗壓強(qiáng)度又稱為棱柱體抗壓強(qiáng)度。該強(qiáng)度的大小與試塊的高度和截面寬度之比有關(guān)。h/b越大，其承載力降低越多。

真實(shí)反映以受壓為主的混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗壓強(qiáng)度。我國采用150×150×300mm、150×150×450mm棱柱體試件測得的強(qiáng)度作為混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度。3）混凝土軸心抗拉強(qiáng)度ft混凝土的抗拉強(qiáng)度比抗壓強(qiáng)度小得多，一般為抗壓強(qiáng)度1/8~1/18。在鋼筋混凝土構(gòu)件的破壞階段，處于受拉狀態(tài)的混凝土一般早已開裂，因此，在構(gòu)件承載力計(jì)算中，大多數(shù)情況下不考慮受拉混凝土的工作。2、混凝土的變形1）混凝土在一次短期加荷時(shí)的變形（1）混凝土在一次短期加荷時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系?；炷猎谝淮味唐诩雍蓵r(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系可通過對(duì)混凝土棱柱體的受壓或者受拉實(shí)驗(yàn)測定。混凝土受壓時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖所示。對(duì)混凝土單軸短期加載下關(guān)系曲線的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：1、混凝土的關(guān)系是一條曲線，說明混凝土是一種彈塑性材料。2、

曲線的上升段的高低反映了混凝土強(qiáng)度的大小，下降段的陡緩反映了混凝土變形能力的大小。

混凝土的變形能力是指混凝土到達(dá)極限強(qiáng)度后，在應(yīng)力下降幅度相同的情況下變形的大小，變形大的，說明混凝土耐受變形的能力強(qiáng)，亦即延性好。即下降段越緩的混凝土，其變形能力越好。3、不同強(qiáng)度混凝土的曲線有相似的形狀，但也有實(shí)質(zhì)性區(qū)別?；炷翉?qiáng)度越高，其下降段越陡，其延性越差，而上升段和峰值應(yīng)變的變化不大。見圖。（2）混凝土的橫向變形系數(shù)。混凝土縱向壓縮時(shí)，橫向會(huì)伸長。橫向伸長值與縱向壓縮值之比稱為橫向變形系數(shù)，用符號(hào)VC表示。（3）混凝土的彈性模量、變形模量和剪變模量。彈性模量：混凝土的應(yīng)力與其彈性應(yīng)變之比（查表）。變形模量：混凝土的應(yīng)力與其彈塑性總應(yīng)變之比。剪變模量：剪力與剪應(yīng)力的比值。3、混凝土在長期荷載作用下的變形

混凝土在受到荷載作用后，在長期荷載(應(yīng)力)不變的情況下，變形(應(yīng)變)隨時(shí)間而不斷增長的現(xiàn)象稱為混凝土的徐變現(xiàn)象。(ε×10–3)00.51.01.52.051015202530(t/月)εeεcrεe'εe"εcr'混凝土徐變的原因有兩個(gè)：1、在荷載長期作用下，由于混凝土中尚未轉(zhuǎn)化為晶體的水泥混凝土膠體發(fā)生了黏性流動(dòng)。2、混凝土硬化過程中，因水泥凝膠體收縮等因素在水泥凝膠體與骨料接觸面形成一些微裂縫，這些裂縫在長期荷載作用下會(huì)持續(xù)發(fā)展。注：當(dāng)作用應(yīng)力較小時(shí)，第一種因素占主導(dǎo)地位；反之，第二種因素占主導(dǎo)地位。影響混凝土徐變的主要因素及其影響情況：參考課本P1964）混凝土的收縮、膨脹和溫度變形混凝土在空氣中結(jié)硬時(shí)會(huì)產(chǎn)生體積收縮，在水中結(jié)硬時(shí)會(huì)產(chǎn)生體積膨脹。前者數(shù)值較大，會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯不利，后者數(shù)值很小，且對(duì)結(jié)構(gòu)有利凝縮：水泥水化熱反應(yīng)引起的體積縮小，不可恢復(fù)。干縮：混凝土中的水分蒸發(fā)引起的體積縮小，再次吸水時(shí)，部分干縮變形可以恢復(fù)。

溫度變形：混凝土的熱脹冷縮變形。三、鋼筋與混凝土的黏結(jié)作用1、混凝土與鋼筋的結(jié)構(gòu)原理鋼筋與混凝土之間共同作用的前提是兩者有足夠的黏結(jié)作用，該黏結(jié)作用可承受黏結(jié)表面的剪應(yīng)力，抵抗鋼筋與混凝土之間的相對(duì)滑移。2