混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理演示文稿

混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理演示文稿當(dāng)前1頁，總共41頁。混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理當(dāng)前2頁，總共41頁。圖2-1混凝土立方體試塊的破壞情況(a)不涂潤滑劑；(b)涂潤滑劑當(dāng)前3頁，總共41頁。(2)混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度混凝土的抗壓強(qiáng)度與試件的形狀有關(guān),采用棱柱體比立方體能更好地反映混凝土結(jié)構(gòu)的實際抗壓能力。用混凝土棱柱體試件測得的抗壓強(qiáng)度稱為軸心抗壓強(qiáng)度。圖2-2混凝土棱柱體抗壓試驗和破壞情況當(dāng)前4頁，總共41頁。

我國《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081—2002)規(guī)定以150mm×150mm×300mm的棱柱體作為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度試驗的標(biāo)準(zhǔn)試件。《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定以上述棱柱體試件試驗測得的具有95%保證率的抗壓強(qiáng)度為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，用符號fck表示，下標(biāo)c表示受壓，k表示標(biāo)準(zhǔn)值。圖2-3混凝土軸心抗壓強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度的關(guān)系當(dāng)前5頁，總共41頁。

考慮到實際結(jié)構(gòu)構(gòu)件制作、養(yǎng)護(hù)和受力情況等方面與試件的差別，實際構(gòu)件強(qiáng)度與試件強(qiáng)度之間將存在差異，《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》基于安全取偏低值，軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值與立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的關(guān)系按下式確定：為棱柱體抗壓強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度之比，對混凝土強(qiáng)度等級為C50及以下的取0.76，對C80取0.82，兩者之間按直線規(guī)律變化取值。為高強(qiáng)度混凝土的脆性折減系數(shù)，對C40及以下取1.00，對C80取0.87，中間按直線規(guī)律變化取值。0.88為考慮實際構(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)。當(dāng)前6頁，總共41頁。國外常采用混凝土圓柱體試件來確定混凝土軸心抗壓強(qiáng)度。例如美國、日本和歐洲混凝土協(xié)會(CEB)都采用直徑6英寸(152mm)、高12英寸(305mm)的圓柱體標(biāo)準(zhǔn)試件的抗壓強(qiáng)度作為軸心抗壓強(qiáng)度的指標(biāo)，記作f′c。對C60以下的混凝土，圓柱體抗壓強(qiáng)度f′c和立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fcu,k之間的關(guān)系可按下式計算。當(dāng)fcu,k超過60N/mm2后隨著抗壓強(qiáng)度的提高，f′c與fcu,k的比值（即公式中的系數(shù)）也提高。CEB-FIP和MC-90給出：對C60的混凝土，比值為0.833；對C70的混凝土，比值為0.857；對C80的混凝土，比值為0.875。當(dāng)前7頁，總共41頁。2混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度是混凝土的基本力學(xué)指標(biāo)之一，其標(biāo)準(zhǔn)值用ftk表示，下標(biāo)t表示受拉，k表示標(biāo)準(zhǔn)值?；炷恋妮S心抗拉強(qiáng)度可以采用直接軸心受拉的試驗方法來測定。圖2-4混凝土軸心抗拉強(qiáng)度和立方體抗壓強(qiáng)度的關(guān)系當(dāng)前8頁，總共41頁。F——破壞荷載；d——圓柱體直徑或立方體邊長；l——圓柱體長度或立方體邊長。圖2-5混凝土劈裂試驗示意圖(a)用圓柱體進(jìn)行劈裂試驗；(b)用立方體進(jìn)行劈裂試驗；(c)劈裂面中水平應(yīng)力分布1—壓力機(jī)上壓板；2—弧形墊條及墊層各一條；3—試件；4—澆模頂面；5—澆模底面；6—壓力機(jī)下壓板；7—試件破裂線當(dāng)前9頁，總共41頁。2.1.2復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下混凝土的強(qiáng)度

混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件實際上大多處于復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)，例如框架梁要承受彎矩和剪力的作用；框架柱除了承受彎矩和剪力外還要承受軸向力；框架節(jié)點區(qū)混凝土的受力狀態(tài)就更復(fù)雜。同時，研究復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下混凝土的強(qiáng)度，對于認(rèn)識混凝土的強(qiáng)度理論也有重要的意義。圖2-6雙向應(yīng)力狀態(tài)下混凝土的破壞包絡(luò)圖1雙向應(yīng)力狀態(tài)當(dāng)前10頁，總共41頁。圖2-7法向應(yīng)力和剪應(yīng)力組合的破壞曲線A—軸心受拉；B—純剪；C—剪壓；D—軸心受壓當(dāng)前11頁，總共41頁。2三向受壓狀態(tài)三向受壓下混凝土圓柱體的軸向應(yīng)力應(yīng)變曲線可以由周圍用液體壓力加以約束的圓柱體進(jìn)行加壓試驗得到，在加壓過程中保持液壓為常值，逐漸增加軸向壓力直至破壞，并量測其軸向應(yīng)變的變化。圖2-8混凝土圓柱體三向受壓試驗時軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線當(dāng)前12頁，總共41頁。2.1.3混凝土的變形

混凝土在一次短期加載、長期加載和多次重復(fù)荷載作用下都會產(chǎn)生變形，這類變形稱為受力變形。另外，混凝土的收縮以及溫度和濕度變化也會產(chǎn)生變形，這類變形稱為體積變形?；炷恋淖冃问瞧渲匾锢砹W(xué)性能之一。1一次短期加載下混凝土的變形性能(1)混凝土受壓時的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系圖2-9混凝土棱柱體受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線當(dāng)前13頁，總共41頁。圖2-10不同強(qiáng)度的混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線比較混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線的形狀和特征是混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的力學(xué)標(biāo)志。

隨著混凝土強(qiáng)度的提高，盡管上升段和峰值應(yīng)變的變化不很顯著，但是下降段的形狀有較大的差異，混凝土強(qiáng)度越高，下降段的坡度越陡，即應(yīng)力下降相同幅度時變形越小，延性越差。當(dāng)前14頁，總共41頁。(2)混凝土單軸向受壓應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系曲線1)美國E.Hognestad建議的模型圖2-11Hognestad建議的應(yīng)力-應(yīng)變曲線上升段：下降段：當(dāng)前15頁，總共41頁。圖2-12Rüsch建議的應(yīng)力-應(yīng)變曲線2)德國Rüsch建議的模型當(dāng)前16頁，總共41頁。(3)混凝土軸向受拉時的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系圖2-13不同強(qiáng)度的混凝土拉伸應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€當(dāng)前17頁，總共41頁。(4)混凝土的變形模量圖2-14混凝土變形模量的表示方法1)混凝土的彈性模量（即原點模量）2)混凝土的變形模量當(dāng)前18頁，總共41頁。3)混凝土的切線模量

可以看出，混凝土的切線模量是一個變值，它隨著混凝土應(yīng)力的增大而減小。需要注意的是，混凝土不是彈性材料，所以不能用已知的混凝土應(yīng)變乘以規(guī)范中所給的彈性模量值去求混凝土的應(yīng)力。只有當(dāng)混凝土應(yīng)力很低時，它的彈性模量與變形模量值才近似相等。混凝土的彈性模量可按下式計算：當(dāng)前19頁，總共41頁。2荷載長期作用下混凝土的變形性能圖2-15混凝土的徐變(應(yīng)變與時間的關(guān)系曲線)圖2-16壓應(yīng)力與徐變的關(guān)系當(dāng)前20頁，總共41頁。圖2-17不同應(yīng)力/強(qiáng)度比值的徐變時間曲線當(dāng)前21頁，總共41頁。3混凝土的收縮與膨脹圖2-18混凝土的收縮影響混凝土收縮的因素有：(1)水泥的品種：水泥強(qiáng)度等級越高制成的混凝土收縮越大。(2)水泥的用量：水泥越多，收縮越大；水灰比越大，收縮也越大。(3)骨料的性質(zhì)：骨料的彈性模量大，收縮小。(4)養(yǎng)護(hù)條件：在結(jié)硬過程中周圍溫、濕度越大，收縮越小。(5)混凝土制作方法：混凝土越密實，收縮越小。(6)使用環(huán)境：使用環(huán)境溫度、濕度大時，收縮小。(7)構(gòu)件的體積與表面積比值：比值大時，收縮小。當(dāng)前22頁，總共41頁。2.1.4混凝土的疲勞

混凝土的疲勞是在荷載重復(fù)作用下產(chǎn)生的。疲勞現(xiàn)象大量存在于工程結(jié)構(gòu)中，鋼筋混凝土吊車梁、鋼筋混凝土橋以及港口海岸的混凝土結(jié)構(gòu)等都要受到吊車荷載、車輛荷載以及波浪沖擊等幾百萬次的作用?；炷猎谥貜?fù)荷載作用下的破壞稱為疲勞破壞。圖2-19混凝土在重復(fù)荷載作用下的受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線當(dāng)前23頁，總共41頁。

混凝土的疲勞強(qiáng)度用疲勞試驗測定。疲勞試驗采用100mm×100mm×300mm或150mm×150mm×450mm的棱柱體，把能使棱柱體試件承受200萬次或其以上循環(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?；炷恋钠趶?qiáng)度與重復(fù)作用時應(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)力比值的減小而增大。疲勞應(yīng)力比值按下式計算：當(dāng)前24頁，總共41頁。2.2鋼筋的物理力學(xué)性能2.2.1鋼筋的種類混凝土結(jié)構(gòu)中采用的鋼筋有柔性鋼筋和勁性鋼筋兩種。1柔性鋼筋圖2-20鋼筋的外形（a)光圓鋼筋；(b)螺旋紋鋼筋；(c)人字紋鋼筋；(d)月牙紋鋼筋線形的普通鋼筋統(tǒng)稱為柔性鋼筋，其外形有光圓和帶肋兩類。當(dāng)前25頁，總共41頁。2勁性鋼筋

勁性鋼筋是指配置在混凝土中的各種型鋼、鋼軌或者用鋼板焊成的鋼骨架。勁性鋼筋本身剛度很大，施工時模板及混凝土的重力可以由勁性鋼筋本身來承擔(dān)，因此能加速并簡化支模工作。配置了勁性鋼筋的混凝土結(jié)構(gòu)具有較大的承載能力和變形能力，常用于高層建筑的框架梁、柱以及剪力墻和筒體結(jié)構(gòu)中。當(dāng)前26頁，總共41頁。2.2.2國產(chǎn)普通鋼筋《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的國產(chǎn)普通鋼筋為熱軋鋼筋。熱軋鋼筋是低碳鋼、普通低合金鋼在高溫狀態(tài)下軋制而成的軟鋼，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線有明顯的屈服點和流幅，斷裂時有頸縮現(xiàn)象，伸長率比較大。1強(qiáng)度等級和牌號國產(chǎn)普通鋼筋按其屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的高低，分為4個強(qiáng)度等級：300MPa、335MPa、400MPa和500MPa。當(dāng)前27頁，總共41頁。2工程應(yīng)用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》提出了推廣高強(qiáng)度、高性能鋼筋HRB400和HRB500的要求。因此，本教材的例題中，對梁、柱的縱向受力鋼筋將主要采用這兩種鋼筋，特別是HRB400。箍筋宜采用HRB400、HRBF400、HRB335和HPB300。光圓鋼筋HPB300雖然也可用作縱向受力鋼筋，因其強(qiáng)度較低，故主要用作箍筋。當(dāng)HRB500和HRBF500用作箍筋時，只能用于約束混凝土的間接鋼筋，即螺旋箍筋或焊接環(huán)筋，見節(jié)。細(xì)晶粒系列HRBF鋼筋、HRB500和熱處理鋼筋RRB400都不能用作承受疲勞作用的鋼筋，這時宜采用HRB400鋼筋。工地上常把上述4個強(qiáng)度等級的鋼筋俗稱為Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級和Ⅳ級鋼筋，但在施工圖和正式文件中，都不應(yīng)采用此俗稱。當(dāng)前28頁，總共41頁。2.2.3鋼筋的強(qiáng)度與變形圖2-21有明顯流幅的鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線有明顯流幅的熱軋鋼筋屈服強(qiáng)度是按屈服下限確定的。

對有明顯流幅的鋼筋，在計算承載力時以屈服點作為鋼筋強(qiáng)度限值。當(dāng)前29頁，總共41頁。

對沒有明顯流幅或屈服點的預(yù)應(yīng)力鋼筋，一般取殘余應(yīng)變0.2%所對應(yīng)的應(yīng)力作為其條件屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。圖2-22無明顯流幅的鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線當(dāng)前30頁，總共41頁。2.2.4鋼筋本構(gòu)關(guān)系鋼筋單調(diào)加載的應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系曲線有以下三種：1描述完全彈塑性的雙直線模型雙直線模型適用于流幅較長的低強(qiáng)度鋼材。當(dāng)前31頁，總共41頁。2描述完全彈塑性加硬化的三折線模型

三折線模型適用于流幅較短的軟鋼，要求它可以描述屈服后立即發(fā)生應(yīng)變硬化(應(yīng)力強(qiáng)化)，并能正確地估計高出屈服應(yīng)變后的應(yīng)力。當(dāng)前32頁，總共41頁。3描述彈塑性的雙斜線模型

雙斜線模型可以描述沒有明顯流幅的高強(qiáng)鋼筋或鋼絲的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。當(dāng)前33頁，總共41頁。2.2.5鋼筋的疲勞

鋼筋的疲勞是指鋼筋在承受重復(fù)、周期性的動荷載作用下，經(jīng)過一定次數(shù)后，突然脆性斷裂的現(xiàn)象。吊車梁、橋面板、軌枕等承受重復(fù)荷載的鋼筋混凝土構(gòu)件在正常使用期間會由于疲勞發(fā)生破壞。鋼筋疲勞斷裂的原因，一般認(rèn)為是由于鋼筋內(nèi)部和外部的缺陷，在這些薄弱處容易引起應(yīng)力集中。應(yīng)力過高，鋼材晶?；?，產(chǎn)生疲勞裂紋，應(yīng)力重復(fù)作用次數(shù)增加，裂紋擴(kuò)展，從而造成斷裂。因此鋼筋的疲勞強(qiáng)度低于其在靜荷載作用下的極限強(qiáng)度。原狀鋼筋的疲勞強(qiáng)度最低。埋置在混凝土中的鋼筋的疲勞斷裂通常發(fā)生在純彎段內(nèi)裂縫截面附近，疲勞強(qiáng)度稍高。鋼筋的疲勞試驗有兩種方法：一種是直接進(jìn)行單根原狀鋼筋軸拉試驗；另一種是將鋼筋埋入混凝土中使其重復(fù)受拉或受彎的試驗。由于影響鋼筋疲勞強(qiáng)度的因素很多，鋼筋疲勞強(qiáng)度試驗結(jié)果是很分散的。我國采用直接做單根鋼筋軸拉試驗的方法。當(dāng)前34頁，總共41頁。2.2.6混凝土結(jié)構(gòu)對鋼筋性能的要求

鋼筋的強(qiáng)度鋼筋的延性鋼筋的可焊性機(jī)械連接性能施工適應(yīng)性鋼筋與混凝土的粘結(jié)力當(dāng)前35頁，總共41頁。2.3混凝土與鋼筋的粘結(jié)2.3.1粘結(jié)的意義

混凝土與鋼筋的粘結(jié)是指鋼筋與周圍混凝土之間的相互作用，包括沿鋼筋長度的粘結(jié)和鋼筋端部的錨固兩種情況。圖2-24鋼筋和混凝土之間粘結(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)力當(dāng)前36頁，總共41頁。2.3.2粘結(jié)力的組成光圓鋼筋與混凝土的粘結(jié)作用主要由以下三部分組成：(1)鋼筋與混凝土接觸面上的膠結(jié)力。這種膠結(jié)力來自水泥漿體對鋼筋表面氧化層的滲透以及水化過程中水泥晶體的生長和硬化。這種膠結(jié)力一般很小，僅在受力階段的局部無滑移區(qū)域起作用，當(dāng)接觸面發(fā)生相對滑移時即消失。(2)混凝土收縮握裹鋼筋而產(chǎn)生摩阻力?；炷聊虝r收縮，對鋼筋產(chǎn)生垂直于摩擦面的壓應(yīng)力。這種壓應(yīng)力越大，接觸面的粗糙程度越大，摩阻力就越大。(3)鋼筋表面凹凸不平與混凝土之間產(chǎn)生的機(jī)械咬合力。對于光圓鋼筋這種咬合力來自表面的粗糙不平。當(dāng)前37頁，總共41頁。

帶肋鋼筋的橫肋對混凝土的擠壓如同一個楔，會產(chǎn)生很大的機(jī)械咬合力。帶肋鋼筋與混凝土之間的這種機(jī)械咬合作用，改變了鋼筋與混凝土間相互作用的方式，顯著提高了粘結(jié)強(qiáng)度。圖2-25給出了帶肋鋼筋對周圍混凝土的斜向擠壓力從而使得周圍混凝土產(chǎn)生內(nèi)裂縫的示意圖。圖2-25帶肋鋼筋周圍混凝土的內(nèi)裂縫