混凝土結(jié)構(gòu)基本原理第二章

1第二章混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計基礎(chǔ)

1.了解結(jié)構(gòu)上的作用、作用代表值、作用效應(yīng)、結(jié)構(gòu)抗力及結(jié)構(gòu)可靠度的概念。

2.理解結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)的概念、極限狀態(tài)設(shè)計表達(dá)式及荷載、材料強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值、設(shè)計值的意義。

3.了解混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的有關(guān)規(guī)定。學(xué)習(xí)目標(biāo)

2第一節(jié)結(jié)構(gòu)的功能要求

第二節(jié)概率極限狀態(tài)設(shè)計法

第三節(jié)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性規(guī)定

3第一節(jié)結(jié)構(gòu)的功能要求一、結(jié)構(gòu)上的作用1.作用的概念作用是指使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)力或變形的原因,

可分為

①直接作用：指施加在結(jié)構(gòu)上的集中力或分布力，即通常所說的荷載。如結(jié)構(gòu)自重、樓（屋）面活荷載、風(fēng)荷載等。

②間接作用：指能夠引起結(jié)構(gòu)外加變形或約束變形的原因，如溫度變化、地基變形、地震等原因引起的作用。

42.荷載按時間的變異分類（空間位置變異；結(jié)構(gòu)反應(yīng)特點）（1）永久荷載（恒荷載），是指在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)量值不隨時間變化，或其變化與平均值相比可以忽略不計的作用。例如，結(jié)構(gòu)自重、土壓力等。

設(shè)計基準(zhǔn)期是為確定作用及與時間有關(guān)的材料性能取值而選定的時間參數(shù)，我國采用的設(shè)計基準(zhǔn)期為50年。（2）可變荷載（活荷載），是指在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)量值隨時間變化，且其變化與平均值相比不可忽略的作用。例如，樓（屋）活荷載、吊車荷載、風(fēng)荷載等。

5（3）偶然荷載是指在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)不一定出現(xiàn)，而一旦出現(xiàn)，則其量值很大，且持續(xù)時間很短的荷載。例如，地震荷載、爆炸力、撞擊力等。二、荷載的代表值荷載代表值是在結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用的荷載數(shù)值，包括：標(biāo)準(zhǔn)值、組合值、頻遇值和準(zhǔn)永久值1.荷載標(biāo)準(zhǔn)值荷載標(biāo)準(zhǔn)值是指設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)最大荷載概率分布的其一分位值。它是荷載的基本代表值。活荷載標(biāo)準(zhǔn)值：集中Qk均布qk恒荷載標(biāo)準(zhǔn)值：集中GK均布gk

72.可變荷載組合值荷載組合值是指當(dāng)兩種或兩種以上可變荷載同時作用在結(jié)構(gòu)上時，考慮到它們同時達(dá)到其標(biāo)準(zhǔn)值的可能性較小，故除產(chǎn)生最大作用效應(yīng)的主導(dǎo)荷載外，其他可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值均乘以小于1.0的組合值系數(shù)ψc作為代表值，稱為組合值。ψc可查《荷載規(guī)范》。3.可變荷載頻遇值對可變荷載，在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)，其被超越的總時間僅為設(shè)計基準(zhǔn)期一小部分的荷載值；或其超越頻率為某一給定頻率的荷載值?？勺兒奢d頻遇值由可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值乘以頻遇系數(shù)ψf得到。ψf可查《荷載規(guī)范》。

84.可變荷載準(zhǔn)永久值對可變荷載，在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)，其被超越的總時間為設(shè)計基準(zhǔn)期一半的荷載值。它對結(jié)構(gòu)的影響相當(dāng)于永久荷載。可變荷載準(zhǔn)永久值由可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值乘以準(zhǔn)永久值系數(shù)ψq得到。ψq可查《荷載規(guī)范》。三、作用效應(yīng)

作用效應(yīng)是指由各種作用引起的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的反應(yīng)，用Ｓ表示。例如，內(nèi)力、變形和裂縫等。

9

作用效應(yīng)Ｓ應(yīng)通過統(tǒng)計分析進(jìn)行確定。一般情況下，結(jié)構(gòu)上的作用為荷載，荷載效應(yīng)Ｓ與荷載Q之間可近似按線性關(guān)系考慮，即

Ｓ＝CQ

C為荷載效應(yīng)系數(shù)，可通過結(jié)構(gòu)力學(xué)分析確定，對承受均布荷載作用的簡支梁

結(jié)構(gòu)抗力是指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件承受作用效應(yīng)的能力，用R表示。例如，構(gòu)件的承載力、剛度等。四、結(jié)構(gòu)抗力

10影響結(jié)構(gòu)抗力的因素：結(jié)構(gòu)的材料性能、幾何尺寸、配筋情況和抗力的計算假定、計算公式等。通常，結(jié)構(gòu)抗力主要取決于材料性能。

材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值是材料性能的基本代表值。一般取符合規(guī)定質(zhì)量的具有不小于95%保證率的材料強(qiáng)度下分位值作為材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，即fk=fm（1－1.645δf）式中fk-——材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；

fm——材料強(qiáng)度平均值；

δf——材料強(qiáng)度變異系數(shù)，δf

=σf/fm；

σf——材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差。

11

鋼筋強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值取鋼材質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)的廢品限值。因廢品限值具有97.73%的保證率，已滿足保證率不小于95%的要求。對熱軋鋼筋根據(jù)屈服強(qiáng)度確定，并用符號fyk表示，按表2-1采用；對預(yù)應(yīng)力鋼絞線、鋼絲和熱處理鋼筋根據(jù)極限抗拉強(qiáng)度確定，用符號fptk表示，按表2-2采用。

混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fcu,k的保證率是95%，即

12fcu,k=fcu,m（1－1.645δf）式中fcu,m——混凝土立方體抗壓強(qiáng)度平均值；

δf

——混凝土立方體抗壓強(qiáng)度變異系數(shù)，對

C40級以下的混凝土δf

=0.12；對

C60級，δf

=0.10；對C80級，δf

=0.08。

《規(guī)范》給出各級混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fck和軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk見表2-3。

13五、結(jié)構(gòu)的功能建筑結(jié)構(gòu)在規(guī)定的設(shè)計使用年限內(nèi)（表2-2）應(yīng)滿足的各種要求，稱為結(jié)構(gòu)的功能。

表2-2

結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限分類類別結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年（年）示例15臨時性結(jié)構(gòu)225易于替換的結(jié)構(gòu)構(gòu)件350普通房屋和構(gòu)筑物4100紀(jì)念性建筑和特別重要的建筑結(jié)構(gòu)

14結(jié)構(gòu)的功能包括以下三個方面的內(nèi)容：1）安全性建筑結(jié)構(gòu)在正常施工和正常使用時能夠承受可能出現(xiàn)的各種作用，以及在設(shè)計規(guī)定的偶然事件（如強(qiáng)烈地震、爆炸等）發(fā)生時及發(fā)生后，仍能保持必需的整體穩(wěn)定性。2）適用性建筑結(jié)構(gòu)在正常使用時具有良好的工作性能，不出現(xiàn)影響正常使用的過大變形和過寬裂縫。

153）耐久性建筑結(jié)構(gòu)在正常維護(hù)下具有足夠的耐久性能，不發(fā)生鋼筋銹蝕和混凝土風(fēng)化等影響結(jié)構(gòu)使用壽命的現(xiàn)象。安全性、適用性和耐久性總稱為結(jié)構(gòu)的可靠性。即結(jié)構(gòu)在規(guī)定的設(shè)計使用年限內(nèi)，在正常設(shè)計、正常施工、正常使用和正常維護(hù)條件下，完成預(yù)定功能的能力。結(jié)構(gòu)的可靠性可用概率來度量，即結(jié)構(gòu)完成預(yù)定功能的概率，稱為結(jié)構(gòu)的可靠度。

20四、結(jié)構(gòu)的重要性及重要性系數(shù)1.安全等級的確定和劃分根據(jù)結(jié)構(gòu)破壞可能產(chǎn)生的后果，即危及人的生命、造成經(jīng)濟(jì)損失、產(chǎn)生社會影響等嚴(yán)重性，采用不同的安全等級。建筑結(jié)構(gòu)安全等級的劃分應(yīng)符合表2.1的要求。2.重要性系數(shù)（γ0

）一級1.1二級1.0三級0.9

22《規(guī)范》采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計法，以可靠指標(biāo)度量結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠度，采用分項系數(shù)的設(shè)計表達(dá)式進(jìn)行設(shè)計。

23第二節(jié)極限狀態(tài)設(shè)計法一、結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)的定義和分類1.定義結(jié)構(gòu)能完成預(yù)定功能的可靠狀態(tài)與其不能完成預(yù)定功能的失效狀態(tài)的界限，稱為極限狀態(tài)?；蛘哒f，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件超過某一特定狀態(tài)就不能滿足設(shè)計規(guī)定的某一功能要求，則此特定狀態(tài)稱為該功能的極限狀態(tài)。2.分類（1）承載能力極限狀態(tài)當(dāng)結(jié)構(gòu)或其構(gòu)件達(dá)到最大承載力，或達(dá)到不適于繼續(xù)承載的變形時，稱該結(jié)構(gòu)或其構(gòu)件達(dá)到承載能力極限狀態(tài)。

24結(jié)構(gòu)或其構(gòu)件出現(xiàn)下列狀態(tài)之一時，就認(rèn)為超過了承載能力極限狀態(tài)。

1)結(jié)構(gòu)發(fā)生滑移、傾覆或漂浮等不穩(wěn)定情況。

2)結(jié)構(gòu)構(gòu)件因材料強(qiáng)度（包括疲勞強(qiáng)度）不足而發(fā)生破壞。

3)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件因產(chǎn)生過大的塑性變形而不適用于繼續(xù)承載。

4)結(jié)構(gòu)形成機(jī)動體系而喪失承載能力。

5)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件喪失穩(wěn)定。

25（2）正常使用極限狀態(tài)當(dāng)結(jié)構(gòu)或其構(gòu)件達(dá)到正常使用或耐久性能的某項規(guī)定限值時，稱該結(jié)構(gòu)或其構(gòu)件達(dá)到正常使用極限狀態(tài)。結(jié)構(gòu)或其構(gòu)件出現(xiàn)下列狀態(tài)之一時，就認(rèn)為超過了正常使用極限狀態(tài)。

1)變形過大，影響正常使用和外觀。

2)裂縫較寬，影響耐久性或使人心理上產(chǎn)生不可接受的感覺。

3)振動過大，影響正常使用。

26二、結(jié)構(gòu)設(shè)計要求1.設(shè)計要求

1）對所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件均應(yīng)進(jìn)行承載力計算，必要時尚應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的滑移、傾覆或漂浮驗算。

2）對使用上需要控制變形的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，應(yīng)進(jìn)行變形驗算。

3）對使用上要求不出現(xiàn)裂縫的構(gòu)件，應(yīng)進(jìn)行混凝土拉應(yīng)力驗算；對使用上允許出現(xiàn)裂縫的構(gòu)件，應(yīng)進(jìn)行裂縫寬度驗算。

272.結(jié)構(gòu)設(shè)計程序一般先按承載能力極限狀態(tài)要求設(shè)計結(jié)構(gòu)構(gòu)件，然后再按正常使用極限狀態(tài)要求進(jìn)行驗算。三、承載能力極限狀態(tài)設(shè)計表達(dá)式1.設(shè)計表達(dá)式混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力極限狀態(tài)設(shè)計表達(dá)式為γ0Sd≤Rd

γ0——結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；

Sd——承載能力極限狀態(tài)的荷載效應(yīng)組合設(shè)計值；

Rd

——結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力設(shè)計值，即結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力設(shè)計值。

282.結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0

結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0的取值：安全等級為一級或設(shè)計使用年限為100年及以上的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，γ0不應(yīng)小于1.1；安全等級為二級或設(shè)計使用年限為50年的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，γ0不應(yīng)小于1.0；安全等級為三級或設(shè)計使用年限為5年及以下的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，γ0不應(yīng)小于0.9。3.荷載效應(yīng)組合設(shè)計值Ｓ

荷載效應(yīng)組合設(shè)計值Ｓ是指由可能同時出現(xiàn)的各種荷載設(shè)計值產(chǎn)生的軸力組合設(shè)計值、彎矩組合設(shè)計值、剪力組合設(shè)計值或扭矩組合設(shè)計值等。

29荷載設(shè)計值是指荷載標(biāo)準(zhǔn)值與其相應(yīng)的荷載分項系數(shù)的乘積。當(dāng)兩種或兩種以上可變荷載同時作用在結(jié)構(gòu)上時，除主導(dǎo)可變荷載外，其他可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值還應(yīng)乘以組合值系數(shù)，即采用荷載組合值。荷載分項系數(shù)及組合值系數(shù)由可靠度分析，并結(jié)合工程經(jīng)驗確定。(1)荷載效應(yīng)組合設(shè)計值Ｓ的確定（γLi-第i個可變荷載考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限的荷載調(diào)整系數(shù)50年取1.0）從下列組合值1)和2)中取最不利值確定：

1)由可變荷載效應(yīng)控制的組合

30式中γG——永久荷載的分項系數(shù)，對由可變荷載效應(yīng)控制的組合，γG取1.2；對由永久荷載效應(yīng)控制的組合，γG取1.35；

γQi——第i個可變荷載的分項系數(shù)，一般情況下，γQi取1.4；對標(biāo)準(zhǔn)值大于4kN/m2

的工業(yè)房屋樓面結(jié)構(gòu)的活荷載γQi取1.3

ＳGK——按永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值GK計算的荷載效應(yīng)值；

SQiK——按可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值Qik計算的荷載效應(yīng)值，其中SQ1K為各可變荷載效應(yīng)中起主導(dǎo)作用者；

31

ψci——可變荷載Qi的組合值系數(shù)，按《荷載規(guī)范》

的規(guī)定采用；

n——參與組合的可變荷載數(shù)。當(dāng)對SQ1K無法明顯判斷時，可輪次以各可變荷載效應(yīng)為SQ1K，選其中最不利的荷載效應(yīng)組合。

2)由永久荷載效應(yīng)控制的組合當(dāng)考慮以豎向的永久荷載效應(yīng)控制的組合時，參與組合的可變荷載僅限于豎向荷載。

32(2)荷載效應(yīng)組合設(shè)計值Ｓ的簡化確定對一般的排架結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)，可采用簡化規(guī)則，并按下列組合值中取最不利值確定：

1)由可變荷載效應(yīng)控制的組合S=γGＳGK+γQ1

SQ1K

2)由永久荷載效應(yīng)控制的組合同前。

334.結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力設(shè)計值R1）結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力設(shè)計值R是指按材料強(qiáng)度設(shè)計值和構(gòu)件幾何參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值等計算的截面所能抵抗的軸力、彎矩、剪力設(shè)計值等。

2）材料強(qiáng)度設(shè)計值是材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值除以對應(yīng)的材料分項系數(shù)。

HPB235級、HRB335級、HRB400級和RRB400級鋼筋的材料分項系數(shù)γS=1.1；預(yù)應(yīng)力鋼絲、鋼絞線和熱處理鋼筋的材料分項系數(shù)γS=1.2，混凝土的材料分項系數(shù)γC=1.4。

34普通鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計值f’y及抗壓強(qiáng)度設(shè)計值fy‘按附表6采用；預(yù)應(yīng)力鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計值fpy及抗壓強(qiáng)度設(shè)計值fpy＇按附表7采用。混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計值fc

和軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計值ft按附表2采用。3）結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力設(shè)計值R的一般表達(dá)式為

R=R（．）＝R（fc,fs,ak…）式中R（．）——結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力函數(shù)；

fc、fs——混凝土、鋼筋的強(qiáng)度設(shè)計值；

ak

——幾何參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值。結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力設(shè)計值的具體計算公式，將在以后各章中敘述。

35四、正常使用極限狀態(tài)設(shè)計表達(dá)式結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到或超過正常使用極限狀態(tài)，對人們生命財產(chǎn)的影響程度比承載能力極限狀態(tài)小得多，因此，在正常使用極限狀態(tài)驗算中，材料強(qiáng)度采用標(biāo)準(zhǔn)值；計算荷載效應(yīng)時，采用荷載的標(biāo)準(zhǔn)值、組合值、頻遇值或準(zhǔn)永久值。對于正常使用極限狀態(tài)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)分別按荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合、準(zhǔn)永久組合或標(biāo)準(zhǔn)組合并考慮長期作用的影響，驗算其是否超過正常使用規(guī)定的限值。

36相應(yīng)的極限狀態(tài)設(shè)計表達(dá)式為

S≤c

式中

S——正常使用極限狀態(tài)的荷載效應(yīng)組合值；

c——結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到正常使用要求所規(guī)定的變形、應(yīng)力和裂縫寬度等的限值。對于標(biāo)準(zhǔn)組合，其荷載效應(yīng)組合值S的表達(dá)式為

37對于頻遇組合，其荷載效應(yīng)組合值S的表達(dá)式為式中ψf1——可變荷載Q1頻遇值系數(shù)；

ψqi——可變荷載Qi的準(zhǔn)永久值系數(shù)。對于準(zhǔn)永久組合，其荷載效應(yīng)組合值S的表達(dá)式為

38第三節(jié)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性規(guī)定根據(jù)環(huán)境類別和設(shè)計使用年限，《規(guī)范》對結(jié)構(gòu)混凝土提出相應(yīng)的要求和限制，以保證其耐久性。一、影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的因素(一)影響混凝土耐久性的因素1.混凝土碳化混凝土因水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生氫氧化鈣而呈堿性。但當(dāng)外部酸性介質(zhì)及水滲入后，將與混凝土中的氫氧化鈣生成碳酸鈣，即混凝土被碳化。當(dāng)碳化深度達(dá)到鋼筋的表面，將導(dǎo)致鋼筋銹蝕。

392.化學(xué)侵蝕混凝土結(jié)構(gòu)處于有侵蝕性化學(xué)物質(zhì)環(huán)境中時，導(dǎo)致混凝土酥松、剝落，喪失力學(xué)性能。3.凍融破壞混凝土在低溫下因滲入其內(nèi)部的水結(jié)冰膨脹，破壞混凝土內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。4.溫濕度變化混凝土因溫度變化產(chǎn)生熱脹冷縮，因濕度變化產(chǎn)生干縮或濕脹。這種脹縮受到約束影響時，混凝土就將開裂。

405.堿骨料反應(yīng)混凝土中的堿金屬與含有堿活性的骨料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成堿活性物質(zhì)。這種物質(zhì)吸水后體積急劇膨脹，造成混凝土破壞。（二）影響鋼筋耐久性的因素1.鋼筋銹蝕混凝土的碳化、侵蝕性的酸性介質(zhì)，特別是氯離子都會引起鋼筋銹蝕。鋼筋銹蝕后不僅受力面積減少，而且可將混凝土保護(hù)層脹裂，進(jìn)一步加快鋼筋的銹蝕速度。

412.應(yīng)力腐蝕鋼筋在應(yīng)力狀態(tài)下會發(fā)生電位變化，使電化學(xué)作用引起的鋼筋銹蝕速度加快。