東南大學結構設計原理基礎總結

PAGEPAGE91.定義:以混凝土為主制成的結構稱為混凝土結構。2.分類：鋼筋混凝土結構、預應力混凝土結構。1）、鋼筋混凝土結構——由配置受力的普通鋼筋、鋼筋網或鋼筋骨架的混凝土制成的結構稱為鋼筋混凝土結構；2）、預應力混凝土結構——由配置受力的預應力鋼筋通過張拉或其他方法建立預加應力的混凝土制成的結構稱為預應力混凝土結構；3、鋼筋和混凝土協(xié)同工作的主要原因1）、粘結力：混凝土硬化后與鋼筋之間有良好的粘結力，從面可靠地結合在一起，共同變形、共同受力。2)、鋼筋和混凝土兩種材料的溫度線脹系數相近當溫度變化時，鋼筋與混凝土之間不會產生由溫度引起的較大的相對變形造成的粘結破壞。3)、防銹混凝土包裹鋼筋，防止鋼筋銹蝕，耐久性好。4、在設計和施工中，鋼筋的端部要留有一定的錨固長度，有的還要做彎鉤，以保證可靠地錨固，防止鋼筋受力后被拔出或產生較大的滑移；鋼筋的布置和數量應由計算和構造要求確定。1、鋼筋混凝土結構的主要優(yōu)點：(1)取材容易：混凝土所用的砂、石一般易于就地取材。另外，還可有效利用礦渣、粉煤灰等工業(yè)廢料。(2)合理用材：鋼筋混凝土結構合理地發(fā)揮了鋼筋和混凝土兩種材料的性能，與鋼結構相比，可以降低造價。(3)耐久性：密實的混凝土有較高的強度，同時由于鋼筋被混凝土包裹，不易銹蝕，維修費用也很少，所以鋼筋混凝土結構的耐久性比較好。(4)耐火性：混凝土包裹在鋼筋外面，火災時鋼筋不會很快達到軟化溫度而導致結構整體破壞。與裸露的木結構、鋼結構相比耐火性要好(5)可模性：根據需要，可以較容易地澆筑成各種形狀和尺寸的鋼筋混凝土結構。(6)整體性：整澆或裝配整體式鋼筋混凝土結構有很好的整體性，有利于抗震、抵抗振動和爆炸沖擊波。2.鋼筋混凝土結構也存在一些缺點:(1)自身重力較大:這對大跨度結構、高層建筑結構以及抗震不利，也給運輸和施工吊裝帶來困難。(2)抗裂性較差:受拉和受彎等構件在正常使用時往往帶裂縫工作，對一些不允許出現裂縫或對裂縫寬度有嚴格限制的結構，要滿足這些要求就需要提高工程造價。(3)隔熱隔聲性能也較差。預應力混凝土的優(yōu)點：由于采用高強材料比鋼筋混凝土輕巧，自重減輕使之在使用階段不出現拉應力，避免在腐蝕條件下的侵蝕，還能很好的將部件裝配成整體構件，缺點是由于使用高強材料造價高，施工工序復雜，還要經驗豐富的施工人員施工，還要嚴格的監(jiān)督管理制度。預應力上拱度不易控制。開工費用大，對于跨徑小，構件少的工程成本高混凝土的抗壓強度測定的方法我國國家標準《普通混凝土力學性能試驗方法》(GBJ81-85)規(guī)定以邊長為150mm的立方體為標準試件，標準立方體試件在(20±3)℃的溫度和相對濕度95％以上的潮濕空氣中養(yǎng)護28d，按照標準試驗方法測得的抗壓強度作為混凝土的立方體抗壓強度，單位為N/mm2。2.混凝土的軸心抗拉強度ft3、復合應力狀態(tài)下的混凝土強度(1)雙向受拉:抗壓降低，抗拉不變。(2)雙向受壓:強度提高。(3)拉--壓狀態(tài)：混凝土的強度均低于單向拉伸或壓縮時的強度。4、混凝土的變形(1)混凝土受壓時的應力--應變關系（σ-ε關系曲線）1)上升段（OC），又可分為三段：OA段(σ≤0.3fc～0.4fc)：從加載至A點為第1階段，混凝土的變形主要是彈性變形，應力一應變關系接近直線，稱A點為比例極限點；AB段(σ＝0.3fc～0.8fc)：超過A點，進人裂縫穩(wěn)定擴展的第2階段，混凝土的變形為彈塑性變形，臨界點B的應力可以作為長期抗壓強度的依據；BC段(σ＝0.8fc～1.0fc)：裂縫快速發(fā)展的不穩(wěn)定狀態(tài)直至峰點C，這一階段為第3階段，這時的峰值應力σmax通常作為混凝土棱柱體的抗壓強度fc，相應的應變稱為峰值應變ε0，其值在0.0015～0.0025之間波動，通常取ε0=0.002。2)下降段（CE）：在峰值應力以后，混凝土強度并不完全消失，隨著應力σ的減小，應變仍然增加，曲線下降坡度較陡，混凝土表面裂縫逐漸貫通。3）收斂段：在反彎點D之后，應力下降速率減慢，趨于穩(wěn)定的殘余應力。表面縱向裂縫把混凝土陵柱分成若干個小柱，外載力有裂縫處的摩擦咬合力及小柱的殘余應力所承受。（2）.荷載長期作用下混凝土的變形性能(徐變)1）徐變的概念在荷載的長期作用下，混凝土的變形將隨時間而增加，亦即在應力不變的情況下，混凝土的應變隨時間繼續(xù)增長，這種現象被稱為混凝土的徐變。2)線性徐變和非線性徐變混凝土的徐變與混凝土的應力大小有著密切的關系。應力越大徐變也越大，隨著混凝土應力的增加，混凝土徐變將發(fā)生不同的情況:1)線性徐變當混凝土應力σc≤0.5fc時，徐變與應力成正比，曲線接近等間距分布，這種情況稱為線性徐變。2)非線性徐變當混凝土應力σc＞0.5fc時，徐變變形與應力不成正比，徐變變形比應力增長要快，稱為非線性徐變。一般地,混凝土長期抗壓強度取(0.75～0.8)fc。熱軋鋼筋根據其力學指標的高低，分為以下四個種類：HPB235級（Ⅰ級，符號φ）HRB335級（Ⅱ級，符號φ）HRB400級（Ⅲ級，符號φ）RRB400級（余熱處理Ⅲ級，符號φ）Ⅰ級鋼筋的強度最低，Ⅱ級鋼筋的次之，Ⅲ級鋼筋的最高。鋼筋混凝土結構中的縱向受力鋼筋宜優(yōu)先采用HRB400級鋼筋。第二章、受彎構件正截面承載力計算結構在規(guī)定的時間內，在規(guī)定的條件下，完成預定功能的概率稱為結構的可靠度。結構的安全性、實用性和耐久性這三者總稱為結構的可靠性。當整個結構或結構的一部分超過某一特定狀態(tài)而不能滿足設計規(guī)定的某一功能要求時，則此特定狀態(tài)稱為該功能的極限狀態(tài)。1.承載能力極限狀態(tài)結構或構件達到最大承載能力或者達到不適于繼續(xù)承載的變形狀態(tài)，稱為承載能力極限狀態(tài)。超過承載能力極限狀態(tài)后，結構或構件就不能滿足安全性的要求。如：(1)整個結構或結構的一部分作為剛體失去平衡；(2)結構構件或連接處因超過材料強度而破壞；(3)產生過大的塑性變形而不能繼續(xù)承載；(4)結構或構件喪失穩(wěn)定；（5）結構轉變?yōu)闄C動體系。2.正常使用極限狀態(tài)結構或構件達到正常使用或耐久性能中某項規(guī)定限度的狀態(tài)稱為正常使用極限狀態(tài)。超過了正常使用極限狀態(tài)，結構或構件就不能保證適用性和耐久性的功能要求。例如：1、影響正常使用或外觀的變形；2、影響正常使用或耐久性能的局部損壞；3、影響正常使用的震動；4、影響正常使用的其他特定狀態(tài)。使結構產生內力或變形的原因稱為“作用”，分直接作用和間接作用兩種。結構抗力是指結構構件承受內力和變形的能力。作用效應S是指結果對所收作用的反應。結果抗力R是指結構構件承受內力和變形的能力。結構設計的三種狀況：持久狀況；短暫狀況和偶然狀況。第三章、受彎構件正截面承載力計算1.適筋破壞形態(tài)（ρmin≤ρ≤ρb）塑性破壞其特點是縱向受拉鋼筋先屈服，受壓區(qū)混凝土隨后壓碎。破壞始自受拉區(qū)鋼筋的屈服，由于鋼筋要經歷較大的塑性變形，隨之引起裂縫急劇開展和梁撓度的激增，它將給人以明顯的破壞預兆，屬于延性破壞類型。2.超筋破壞形態(tài)（ρ＞ρb）破壞始自混凝土受壓區(qū)先壓碎，縱向受拉鋼筋應力尚小于屈服強度，但此時梁已告破壞。鋼筋在梁破壞前仍處于彈性工作階段，裂縫開展不寬，延伸不高，梁的撓度亦不大，總之，它在沒有明顯預兆的情況下由于受壓區(qū)混凝土被壓碎而突然破壞，故屬于脆性破壞類型。3，少筋破壞形態(tài)(ρ＜ρmin)其特點是受拉區(qū)混混凝土一裂就環(huán)。破壞始自受拉區(qū)混凝土拉裂，少筋梁一旦開裂，受拉鋼筋立即達到屈服強度，有時可迅速經歷整個流幅而進人強化階段，在個別情況下，鋼筋甚至可能被拉斷。少筋梁破壞時，裂縫往往只有一條，不僅開展寬度很大，且沿梁高延伸較高。同時它的承載力取決于混凝土的抗拉強度，屬于脆性破壞類型，3.混凝土保護層厚度(1)定義：縱向受力鋼筋的外表面到截面邊緣的垂直距離，稱為混凝土保護層厚度，用c表示。(2)混凝土保護層有三個作用：①保護縱向鋼筋不被銹蝕（防銹）；②在火災等情況下，使鋼筋的溫度上升緩慢（防火）；③使縱向鋼筋與混凝土有較好的粘結（粘結力）。在梁的受拉區(qū)配置受拉鋼筋為單頸受彎構件，同時在梁的受壓區(qū)配置受力鋼筋為雙頸受彎構件，作用的代表值為標準值，準永久值，頻遇值。四、受彎構件的斜截面承載廣義剪跨比λ=M/Vho狹義剪跨比λ=a/ho1.無腹筋梁的斜截面破壞形式1)斜壓破壞←—λ＜1破壞特征:混凝土被腹剪斜裂縫分割成若干個斜向短柱而壓壞，破壞是突然發(fā)生的。多數發(fā)生在剪力大而彎矩小的區(qū)段，以及梁腹板很薄的T形截面或工字形截面梁內2)剪壓破壞←—1＜λ＜3破壞特征:在剪彎區(qū)段的受拉區(qū)邊緣先出現一些垂直裂縫，它們沿豎向延伸一小段長度后，就斜向延伸形成一些斜裂縫，而后又產生一條貫穿的較寬的主要斜裂縫，稱為臨界斜裂縫，臨界斜裂縫出現后迅速延伸，使斜截面剪壓區(qū)的高度縮小，最后導致剪壓區(qū)的混凝土破壞，使斜截面喪失承載力。屬脆性破壞。3)斜拉破壞←—λ＞3破壞特征:當垂直裂縫一出現，就迅速向受壓區(qū)斜向伸展，斜截面承載力隨之喪失。破壞荷載與出現斜裂縫時的荷載很接近，破壞過程急驟，破壞前梁變形亦小，具有很明顯的脆性。2.腹筋的作用1，直接承擔部分剪力，1，增加縱筋的肖栓作用，2，抑制斜裂縫的的開展。4．混凝土強度斜截面破壞是因混凝土到達極限強度而發(fā)生的，故混凝土的強度對梁的受剪承載力影響很大。斜壓破壞—→取決于混凝土的抗壓強度；斜拉破壞—→取決于混凝土的抗拉強度；剪壓破壞—→混凝土強度的影響則居于上述兩者之間上限值是防止截面最小尺寸發(fā)生斜壓破壞，下限值是按要求配置箍筋，防止發(fā)生斜拉破壞。剪力的最大值是距支座h/2處，混凝土和箍筋共同承擔60%，0.6V’，彎起鋼筋承擔40%，0.4V’《混凝土設計規(guī)范》規(guī)定彎起點與按計算充分利用該鋼筋截面之間的距離，不應小于0.5h0，也即彎起點應在該鋼筋充分利用截面以外，大于或等于0.5h0處五.受扭構件承載力計算1.受扭破壞形態(tài)(1)適筋破壞：對于正常配筋條件下的鋼筋混凝土構件，在扭矩作用下，縱筋和箍筋先屈服，然后混凝土被壓碎。屬延性破壞?！Q為適筋受扭構件。(2)部分超筋破壞：縱筋和箍筋不匹配，兩者配筋比率相差較大，則破壞時縱筋和箍筋只有一個屈服。也屬延性破壞，但較適筋破壞的截面延性小?！Q為部分超筋受扭構件。(3)超筋破壞：筋和箍筋配筋率都過高，縱筋和箍筋均不屈服，而混凝土先行壓壞。屬脆性破壞?！Q為超筋受扭構件。(4)少筋破壞：縱筋和箍筋配置均過少，受扭一裂就壞。屬脆性破壞?！Q為少筋受扭構件。六.軸心受壓構件正截面受壓承載力計算縱筋的作用是提高柱的承載力，減小構件的截面尺寸，防止因偶然偏心產生的破壞，改善破壞時構件的延性和減小混凝土的徐變變形。箍筋能與縱筋形成骨架，并防止縱筋受力后外凸。普通箍筋柱1.破壞形態(tài)根據長細比的不同分為短柱和長柱1）.短柱：當軸向力P達到破壞荷載的90%左右時，柱中部四周混凝土表面出現縱向裂縫，部分混凝土保護層剝落，最后是箍筋間的縱向鋼筋發(fā)生屈曲，向外鼓出，混凝土被壓碎而整個實驗柱破壞。2）.長柱：破壞時，凹側的混凝土首先被壓碎，混凝土表面有縱向裂縫，縱向鋼筋被壓彎而向外鼓出，混凝土保護層脫落，凸側則由受壓突然轉變?yōu)槭芾霈F橫向裂縫2.穩(wěn)定系數考慮構件長細比增大的附加效應使構件承載力降低的計算系數=Nlu/Nsu式中Nlu、Nsu——分別為長柱和短柱的承載力。1）穩(wěn)定系數值主要和構件的長細比有關。2）受長期荷載作用的影響和荷載初偏心影響3.承載力計算公式Nu＝0.9(fcA＋fy＇As＇)螺旋箍筋柱4.當軸心受壓構件承受很大的軸向壓力，而截面尺寸又受到限制，或采用普通箍筋柱，即使提高了混凝土強度等級和增加了縱筋配筋量也不足以承受該軸心壓力時，可考慮采用螺旋筋以提高承載破壞形態(tài)：核心混凝土處于三向受壓狀態(tài)，其抗壓強度超過軸心抗壓強度，補償了剝落的外圍混凝土，壓力曲線回升。隨著軸力不斷增大，直至螺旋箍筋達到屈服，不能再約束核心混凝土橫向變形，混凝土被壓碎，構件破壞七.偏心受壓構件正截面承載力計算1.鋼筋混凝土偏心受壓短柱的破壞形態(tài)有受拉破壞和受壓破壞兩種1）．受拉破壞——大偏心受壓破壞當偏心距較大，且受拉鋼筋配筋率不高時，偏心受壓構件的破壞是受拉鋼筋首先到達屈服強度，然后混凝土壓壞，稱為受拉破壞。臨近破壞時有明顯的預兆，裂縫顯著開展，構件的承載能力取決于受拉鋼筋的強度和數量2）.受壓破壞——小偏心受壓破壞小偏心受壓構件的破壞一般是受壓區(qū)邊緣混凝土應變達到極限壓應變，受壓區(qū)混凝土被壓碎；同一側的鋼筋壓應力達到屈服強度，而另一側鋼筋，不論受拉受壓，其應力均達不到屈服強度，破壞前構件橫向變形無明顯的急劇增長偏心受壓構件的破壞類型：短柱，長柱，細長柱對稱配筋是指截面的兩側用相同鋼筋等級和數量的配筋九.鋼筋混凝土受彎構件的應力.裂縫和變形計算1.與承載能力極限狀態(tài)計算比，計算有特點：1）.鋼筋混凝土受彎構件的承載能力極限狀態(tài)是取構件破壞階段2）.在鋼筋混凝土受彎構件的設計中，起承載力計算決定了構件設計尺寸，材料，配筋數量及鋼筋布置。3）.承載能力極限狀態(tài)計算時汽車荷載應計入沖擊系數作用效應及構件的抗力均采用考慮了分項系數的設計值2.短期效應組合就是永久作用標準值與可變作用頻遇值效應的組合。長期效應組合則為永久作用標準值與可變作用準永久值效應的組合3.如果能將鋼筋和受壓區(qū)混凝土兩種材料組成的實際截面換算成一種拉壓性能相同的假象材料組成的均質截面稱換算截面。4.構件在吊裝時，構件重力應乘以動力系數1.2或0.855.縫隙產生原因1）.作用效應引起的裂縫2）.由外加變形或約束變形引起的裂縫3）.鋼筋銹蝕裂縫6.對裂縫采取的措施1）.對外加變形或約束變形引起的裂縫，往往是在構造上提出要求和在施工工藝上采取措施控制2）.對于鋼筋銹蝕裂縫，它的出現會影響結構壽命，危害較大，必須要有足夠的厚度和保證鋼筋的密實性?？刂圃缒目刂屏?。3）.鋼筋混凝土構件在荷載作用下產生的裂縫寬度，主要通過設計計算進行驗算和構造措施上加以控制7.影響裂縫寬度的因素：鋼筋應力，鋼筋直徑，配筋率，保護層厚度，鋼筋外形，荷載作用性質，構件受力性質十二.預應力混凝土結構的基本概念及其材料1.鋼筋混凝土結構缺點1）.帶裂縫工作，由于裂縫的存在，使構件剛度下降，不適用于不允許開裂的場合2）.無法充分利用高強材料2.預應力混凝土結構基本原理就是事先認為地在混凝土或鋼筋混凝土中引入內部應力，且其數值和分布恰好能將使用荷載產生的應力抵消到一個合適程度的配筋混凝土3.配筋混凝土結構的分類1）.全預應力混凝土構件2）.部分預應力混凝土構件。A類：當對構件控制截面受拉邊緣的拉應力加以限制時，為A類預應力混凝土構件。B類：當構件控制截面受拉邊緣拉應力超過限值或出現不超過寬度限值的裂縫時，為B類4.優(yōu)點1）提高構件的抗裂度和剛度。2）節(jié)省材料，減少自重。3）減小混凝土梁的豎向剪力和主拉應力。4）結構質量安全可靠。5）預應力可作為結構構件連接手段，促進了橋梁結構新體系與施工方法的發(fā)展5.缺點1）工藝復雜，對施工質量要求高。2）需要專門的設備。3）預應力上拱度不易控制。4）開工費用大，對于跨徑小，構件少的工程成本高6.先張法先拉鋼筋，后澆筑構件混凝土的方法現在張拉臺座上，按要求設計規(guī)定的拉力張拉預應力鋼筋，并進行臨時錨固，再澆筑構件混凝土，待混凝土達到要求強度后，放張，讓預應力鋼筋的回縮，通過預應力鋼筋與混凝土間的粘接作用，傳遞給混凝土使混凝土獲得預壓應力。優(yōu)點：工序簡單，預應力鋼筋靠粘接力自錨，臨時固定所用錨具可以反復使用，比較經濟，質量穩(wěn)定。缺點：施工設備和工藝復雜，且需龐大的張拉臺座，很少采用先張法7.后張法先澆筑構件混凝土，待混凝土結硬后，再張拉預應力鋼筋并錨固。先澆筑硂并在其中預留孔道，帶硂達到要求強度后，將預應力鋼筋穿入孔道內，將千斤