问钢筋混凝土结构的特点Word下载.docx

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钢筋混凝土结构的缺点

（1）自重偏大。

相对于钢结构来说，混凝土结构自重偏大，这对于建造大跨度结构和高层建筑是不利的。

（2）抗裂性差。

由于混凝土的抗拉强度较低，在正常使用时，钢筋混凝土结构往往带裂缝工作，裂缝存在会影响结构物的正常使用性和耐久性。

（3）施工比较复杂，工序多。

施工受季节、天气的影响也较大。

（4）新老混凝土不易形成整体。

混凝土结构一旦破坏，修补和加固比较困难。

混凝土结构的发展方向

（1）在计算理论方面。

在工程结构设计规范中已采用的基于概率论和数理统计分析的可靠度理论，概率极限状态计算体系要不断完善；

混凝土的微观断裂机理、混凝土的多轴强度理论及非线性变形的计算理论等方面也需要更大的突破，并应用于工程结构设计中

（2）在材料研究方面。

混凝土主要是向高强、轻质、耐久、易成型及具备某种特殊性能的高性能混凝土方向发展。

钢筋的发展方向是高强、防腐、较好的延性和良好的粘结锚固性能。

（3）在结构型式方面。

预应力混凝土结构由于抗裂性能好，可充分利用高强度材料，各种应用发展迅速。

一些高性能新型组合结构具有充分利用材料强度、较好的适应变形能力（延性）、施工较简单等特点，也得到广泛应用

（4）在施工技术方面。

大型水利工程的工地建有拌和楼（站）集中搅拌混凝土，城市应用的商品混凝土，都现浇混凝土施工，整体性好。

大体积混凝土结构采用的滑模和碾压混凝土施工技术，施工机械化程度高。

标准化（设计标准化、制造工业化、安装机械化）的装配式或装配整体式结构，施工上也具有一定的优越性。

在模板使用方面，除了目前使用的木模板、钢模板、竹模板、硬塑料模板外，今后将向多功能发展。

发展薄片、美观、廉价又能与混凝土牢固结合的永久性模板，将使模板可以作为结构的一部分参与受力，还可省去装修工序。

透水模板的使用，可以滤去混凝土中多余的水分，大大提高混凝土的密实性和耐久性。

在钢筋的连接成型方面，正在大力发展各种钢筋成型机械及绑扎机具，以减少大量的手工操作。

除了现有的绑扎搭接、焊接、螺栓及挤压连接方式外，随着化工胶结材料的发展，还出现了胶接的连接方式。

钢筋的品种

1．按化学成分划分

（1）碳素钢：

碳素钢按碳的含量多少分为低碳钢、和高碳钢。

含碳量增加，能使钢材强度提高，性质变硬，但也使钢材的塑性和韧性降低，焊接性能也会变差。

（2）普通低合金钢：

普通低合金钢是在炼钢时对碳素钢加入少量合金元素而形成的。

低合金钢钢筋具有强度高、塑性及可焊性好的特点，因而应用较为广泛。

2．按加工工艺划分

我国生产的建筑用钢筋按加工工艺有热轧钢筋、冷加工钢筋、热处理钢筋及高强钢丝和钢绞线等。

3．按表面形状划分

（1）光面钢筋：

表面是光滑的，与混凝土的粘结性较差。

（2）带肋钢筋：

表面有纵向凸缘（纵肋）和许多等距离的斜向凸缘（横肋）。

其中，由两条纵肋和纵肋两侧多道等距离、等高度及斜向相同的横肋形成的螺旋纹表面。

若横肋斜向不同则形成了人字纹表面。

这两种表面形状的钢筋习惯称为螺纹钢筋，现在称为等高肋钢筋，国内已基本上不再生产。

斜向凸缘和纵向凸缘不相交，甚无纵肋，剖面几何形状呈月牙形的钢筋，称为月牙肋钢筋，与同样公称直径的等高肋钢筋相比，凸缘处应力集中得到改善，但与混凝土之间的粘结强度略低于等高肋钢筋。

钢筋的力学性能

1．软钢的力学性能

软钢（热轧钢筋）有明显的屈服点，破坏前有明显的预兆（较大的变形，即伸长率），属塑性破坏。

2．硬钢的力学性能

硬钢（热处理钢筋及高强钢丝）强度高，但塑性差，脆性大。

从加载到突然拉断，基本上不存在屈服阶段（流幅）。

属脆性破坏。

材料的塑性好坏直接影响到结构构件的破坏性质。

所以，应选择塑性好的钢筋。

3．冷拉钢筋的力学性能

冷拉是将钢筋拉伸超过屈服强度并达到强化阶段中的某一应力值，然后放松。

若立即重新加荷，此时屈服点将提高。

表明钢筋经冷拉后，屈服强度提高，但伸长率减小，塑性性能降低，也就是钢材性质变硬变脆了。

此称冷拉硬化。

如果卸荷后，经过一段时间再重新加荷，则屈服点还会进一步提高，称冷拉时效。

钢筋冷拉后，只提高抗拉强度，其抗压强度并没有提高。

因此，不要把冷拉钢筋用作受压钢筋。

钢筋的选用

1．选用原则

（1）建筑用钢筋要求具有一定的强度（屈服强度和抗拉强度），应适当采用较高强度的钢筋，以获得较好的经济效益。

（2）要求钢筋有足够的塑性（伸长率和冷弯性能），以使结构获取较好的破坏性质。

（3）应有良好的焊接性能，保证钢筋焊接后不产生裂纹及过大的变形。

（4）钢筋和混凝土之间应有足够的粘结力，保证两者共同工作。

2．钢筋混凝土结构中主要采用的钢筋

Ⅰ级钢筋（相当于HPB235）：

Ⅰ级钢筋（Q235钢）是热轧光圆低碳钢筋，质量稳定，塑性及焊接性能较好，但强度稍低，而且与混凝土的粘结稍差。

因此，Ⅰ级钢筋主要应用在厚度不大的板中或作为梁、柱的箍筋。

Ⅱ级钢筋（相当于HRB335）：

Ⅱ级钢筋（20MnSi）是热轧月牙肋低合金钢筋，强度、塑性及可焊性都比较好。

Ⅱ级钢筋在工程中应用较为广泛。

Ⅲ级钢筋（相当于HRB400和RRB400）：

Ⅲ级钢筋（20MnSiV等）是热轧月牙肋低合金钢筋。

其中余热处理Ⅲ级（K20MnSi）是钢筋热轧后立即穿水，进行表面冷却，然后利用芯部余热自身完成回火处理而形成。

它的塑性及可焊性也比较好,强度更高。

Ⅲ级钢筋在工程中应用越来越广泛。

混凝土的强度

1．混凝土的单轴强度

（1）立方体抗压强度fcu：

不是结构计算的实用指标，它是衡量混凝土强度高低的基本指标，并以其标准值定义混凝土的强度等级。

（2）轴心抗压强度fc：

比立方体抗压强度能更好地反映受压构件中混凝土的实际抗压强度，为一实用抗压强度指标。

（3）轴心抗拉强度ft：

反映混凝土的抗拉能力。

（二）混凝土的多轴强度

上面所讲混凝土强度，均是指单向受力条件下所得到的强度。

但实际上，结构物很少处于单向受力状态。

工程上经常遇到的都是一些双向或三向受力的复合应力状态。

用单轴应力状态的强度表示实际结构中混凝土的破坏条件（强度准则）不合理的，特别是对非杆件结构进行数值分析时，其强度准则的选取直接影响计算结果的精确度和正确性。

所以研究复合应力状态下的混凝土强度条件，对进行合理设计是极为重要的。

但由于测试技术的复杂性和试验结果的离散性，目前还未能建立起完整的强度理论。

根据现有的试验结果，可以得出以下几点结论：

（1）双向受压的强度：

双向受压的混凝土的强度比单向受压的强度为高。

也就是说，

一向强度随另一向压应力的增加而增加。

（2）双向受拉的强度：

双向受拉的的混凝土强度与单向受拉强度基本一样。

也就是说，混凝土一向抗拉强度基本上与另一向拉应力的大小无关。

（3）一向受拉一向受压的强度：

一向受拉一向受压的混凝土抗压强度随另一向的拉应力的增加而降低。

或者说，混凝土的抗拉强度随另一向的压应力的增加而降低。

（4）正应力及剪应力下的强度：

在单轴正应力σ及剪应力τ共同作用下，当为压应力时，混凝土的抗剪强度有所提高，但当压应力过大时，混凝土的抗剪强度反有所降低。

为拉应力时降低抗剪强度。

三向受力下的混凝土强度规律与双向受力时基本相同。

混凝土的变形

（一）混凝土的受力变形

1．混凝土的应力—应变曲线

试验表明,混凝土不论是受压或是受拉，破坏的过程本质上是由连续材料逐步变成不连续材料的过程，即混凝土的破坏是微裂缝的发展导致横向变形引起的。

对横向变形加以约束，就可以限制微裂缝的发展，从而可提高混凝土的强度。

约束混凝土可以提高混凝土的强度，也可以提高混凝土的变形能力。

复合应力状态对混凝土强度的影响就在于此原因。

“约束混凝土”可以提高混凝土的强度，但更值得注意的是可以提高混凝土的变形能力，配箍筋混凝土就起此效果。

随着混凝土强度的提高，峰值应力、应变有所增大。

但下降段的坡度变陡，即应力下降相同幅度时变形越小，极限应变减小，塑性变差，破坏时脆性显著。

加载速度较快时，强度提高，但极限应变将减小。

混凝土的徐变及对混凝土结构的影响

徐变是混凝土在荷载长期持续作用下，应力不变，随着时间而增长的变形。

产生徐变的原因有：

（1）混凝土受力后，在应力不大的情况下，徐变缘于水泥石中的凝胶体产生的粘性流动（颗粒间的相对滑动）要延续一个很长的时间。

（2）在应力较大的情况下，骨料和水泥石结合面裂缝的持续发展，导致徐变加大。

徐变对混凝土结构的不利影响：

（1）徐变作用会使结构的变形增大。

（2）在预应力混凝土结构中，它还会造成较大的预应力损失。

（3）徐变还会使构件中混凝土和钢筋之间发生应力重分布，导致混凝土应力减小，钢筋应力增大，使得理论计算产生误差。

一定要注意避免高应力下的非线性徐变。

（二）混凝土的收缩及对混凝土结构的影响

混凝土在空气中结硬时，由于温、湿度及本身化学变化的影响，体积随时间增长而减小的现象称为收缩。

收缩对混凝土结构的不利影响：

（1）收缩受到约束时会使混凝土产生拉应力，甚至使混凝土开裂。

（2）混凝土收缩还会使预应力混凝土构件产生预应力损失。

混凝土的收缩会带来危害，而膨胀变形一般是有利的，不予讨论。

钢筋与混凝土的粘结

1．钢筋与混凝土之间的粘结力

粘结力是在钢筋和混凝土接触面上阻止两者相对滑移的剪应力。

粘结力主要由三部分组成：

（1）水泥凝胶体与钢筋表面之间的化学胶着力（胶结力）；

（2）混凝土收缩，将钢筋紧紧握固而产生的摩擦力（摩阻力）;

（3）钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的机械咬合力。

光面钢筋在粘结应力达到粘结强度破坏时，其表面有明显的纵向摩擦痕迹。

变形钢筋，接近破坏时，首先由于横肋挤压混凝土引起的环向或斜向拉应力而使钢筋周围混凝土开裂，最终因肋间混凝土剪切强度不够，将被挤碎带出，发生沿肋外径圆柱面的剪切破坏。

其粘结强度比光面钢筋要大得多。

影响粘结强度的主要因素

（1）混凝土强度。

粘结强度都随混凝土强度等级的提高而提高，粘结强度基本上与混凝土的抗拉强度成正比例的关系。

（2）钢筋的表面状况。

钢筋表面形状对粘结强度有影响，变形钢筋的粘结强度大于光圆钢筋。

（3）混凝土保护层厚度和钢筋的净间距。

增大保护层厚度（相对保护层厚度c/d），保持一定的钢筋间距（钢筋净距s与钢筋直径d的比值s/d），可以提高外围混凝土的抗劈裂能力，有利于粘结强度的充分发挥。

也能使粘结强度得到相应的提高。

钢筋的锚固与连接

1．钢筋的锚固

根据钢筋受拉应力达到屈服强度时，钢筋才被拔出的条件确定出基本锚固（埋入）长度la。

为了保证钢筋在混凝土中锚固可靠，避免粘结遭到破坏，而使钢筋被拔出发生锚固破坏，设计时应该使钢筋在混凝土中有足够的锚固（埋入）长度la。

分析表明，钢筋强度越高，直径越粗，混凝土强度越低，则要求锚固长度越长。

2．钢筋的连接

钢筋连接方法主要有：

（1）绑扎连接。

绑扎连接是在钢筋搭接处用铁丝绑扎而成。

是最常用和最简便的钢筋接长方法。

但可靠性不够好。

（2）机械连接。

采用螺旋或挤压套筒连接。

此法简单、可靠。

（3）焊接。

焊接有闪光对焊和电弧焊搭接。

焊接质量有保证时，此法较可靠。

3．保证钢筋的锚固与连接的构造措施

（1）对不同等级的混凝土和钢筋，要保证最小搭接长度ll和锚固长度la；

（2）必须满足钢筋最小间距和混凝土保护层最小厚度的要求；

（3）在钢筋的搭接接头范围内应加密箍筋；

（4）在钢筋端部采用设置弯钩等机械锚固措施。

对光面钢筋一定要加弯钩。

结构的功能要求

结构设计的目的是在现有的技术基础上，用最经济的手段，使得所设计的结构能够满足如下三个方面的功能要求：

安全性、适用性和耐久性。

上述功能要求概括起来称为结构的可靠性，结构的可靠性是指结构在规定的时间（设计基准期）内，在规定的条件（正常设计、正常施工、正常使用和正常维护）下，完成预定功能的能力。

结构的可靠性和结构的经济性常常是相互矛盾的。

比如在相同荷载作用下，要提高混凝土结构的可靠性，一般可以采用加大截面尺寸、增加钢筋用量或提高材料强度等措施，但是这将使建筑物的造价提高，导致经济效益下降。

结构功能的极限状态

结构的极限状态是指整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求，此特定状态称为该功能的极限状态。

极限状态分为以下两大类。

1．承载能力极限状态

这种极限状态对应于结构或构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形。

承载能力极限状态是关于安全性功能要求的，所以满足承载能力极限状态的要求，是结构设计的首要任务，因为这关系到结构能否安全的问题，一旦失效，后果严重，所以应具有较高的可靠度水平。

2．正常使用极限状态

这种极限状态对应于结构或构件达到影响正常使用或耐久性能的某项规定限值。

正常使用极限状态是关于适用性和耐久性功能要求的，当结构或构件达到正常使用极限状态时，虽然会影响结构的使用性、耐久性或使人们的心理感觉无法承受，但—般不会造成生命财产的重大损失。

所以正常使用极限状态设计的可靠度水平允许比承载能力极限状态的可靠度适当降低。

结构抗力

结构抗力是指整个结构或构件承受内力和变形的能力（如构件的承载力、抗裂度和刚度等），用“R”来表示。

在实际工程中，由于施工水平造成了材料强度的离散性、构件几何特征（尺寸偏差、局部缺陷等）的不定性，抗力计算模式也存在着不定性（如并非绝对轴心受压柱而作为轴心受压柱来计算等），因此，由这些因素决定的结构抗力亦是一个随机变量。

作用及作用效应

1．结构的作用

所谓“作用”，就是使结构产生内力和变形（应力和应变）的所有原因。

（1）当以力的形式作用于结构上时，称为直接作用，习惯上称为结构的荷载。

例如，结构自重、楼面上的人群及物品重、风压力、雪压力、土压力等等。

（2）当以变形形式作用于结构上时，称为间接作用，习惯上称为结构的外加变形或约束变形，例如，地震、基础沉降、混凝土收缩、温度变形、焊接变形等。

作用按其随时间的变异性和出现的可能性不同，可分为三类：

（1）永久作用G：

作用在结构上，其值不随时间变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计者，例如结构自重、土重等荷载。

（2）可变作用Q：

作用在结构上，其值随时间变化，而且其变化与平均值相比不可忽略不计者，如吊车荷载、楼面堆放荷载及人群荷载、静水压力、风荷载等可变荷载。

（3）偶然作用A：

在设计基准期内不一定出现，但它一旦出现，其量值很大且持续时间较短，如地震、爆炸、撞击等偶然荷载。

2．作用效应

作用效应是指在各种作用因素的作用下，于结构构件内所产生的内力和变形（如轴力、弯矩、扭矩、挠度、裂缝等），用“S”来表示。

由于结构的作用是随着时间、地点和各种条件的改变而变化的，是一个不确定变量，所以由作用所决定的作用效应S一般说来也是一个随机变量。

由于它的的统计规律与荷载的统计规律是一致的，因此，一般只须研究荷载的变异情况。

结构的可靠性就是取决于结构抗力R和荷载效应S之间的相互关系。

概率极限状态设计法

1．极限状态方程

一般可简单的把影响结构可靠性的因素归纳为荷载效应S和结构抗力R两个相互独立的随机变量，以荷载效应S和结构抗力R两个基本随机变量来描述结构的极限状态，则极限状态函数（或称功能函数）为：

Z=g（R，S）=R–S因R、S是随机变量，所以功能函数Z也是随机变量。

显然，当Z＞0时，结构可靠；

Z＜0时，结构失效；

Z=0时，结构处于极限状态。

则极限状态方程为：

Z=g（R，S）=R–S=0

2．可靠概率ps结构能够完成预定功能（R＞S）的概率即为“可靠概率”ps，它用来反映结构的可靠程度，即可靠度。

结构的可靠度就是指结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率，其是结构可靠性的概率度量。

3．失效概率pf

结构不能完成预定功能（R＜S）的概率为“失效概率”pf，很显然pf+ps＝1，失效概率与可靠概率互补。

pf小，ps就大，所以pf能够反映结构的可靠程度。

4．可靠指标β

β与pf之间存在着相应的关系，β大则pf小，β小则pf大。

即β越大，结构可靠性越高，因此，β和pf一样，可作为衡量结构可靠性的一个指标，且称之为结构的“可靠指标”。

5.概率极限状态设计法的基本方法

设计要求：

β≥βT

目标可靠指标βT的大小直接影响到结构的可靠与经济问题。

其取值主要应考虑：

（1）结构的安全级别。

结构安全级别愈高，表明结构愈重要，一旦结构失效，对生命财产的危害程度以及对社会的影响就愈大，因此，可靠指标就应愈大。

（2）结构的破坏性质，延性破坏的构件在破坏前有明显的预兆，构件破坏性质较好。

而脆性破坏的构件在破坏前无明显的预兆，一旦破坏，其承载力急剧降低甚至断裂。

所以，延性破坏的构件的可靠指标可稍低于脆性破坏构件的可靠指标。

（3）结构设计的极限状态，承载能力极限状态是关系到结构构件是否安全的根本问题，而正常使用极限状态的验算则是在满足承载能力极限状态的前提下进行的，只影响到结构构件的正常适用性和耐久性。

所以，承载能力极限状态下的可靠指标应高于正常使用极限状态下的可靠指标。

荷载的代表值

荷载的取值大小影响结构的可靠性与经济性，所以荷载应根据不同极限状态的设计要求，规定不同的量值，即荷载代表值。

水工建筑物的荷载则按《水工建筑物荷载设计规范》（DL5077-1997）取用。

1．荷载标准值Gk，Qk

荷载标准值是指结构构件在使用期间正常情况下可能出现的最大荷载值。

一般取具有95％的保证率荷载值作为荷载标准值，即实际荷载超过设计时取用的荷载标准值的可能性只有5％。

2．可变荷载准永久值Qq

所谓准永久值是指可变荷载在结构设计基准期内经常作用的那一部分荷载，它对结构的影响类似于永久荷载。

可变荷载的准永久值Qq可由可变荷载标准值Qk乘以相应的长期组合系数ρ（≤1）得出，即：

Qq=ρQk。

不同的可变荷载随机变化特征不同，其ρ值就不同。

3．可变荷载组合值Qc

考虑到各种可变荷载不可能同时以其最大值（标准值）出现，而在荷载组合时，取由标准值上乘以小于1.0的组合系数得到的荷载组合值。

材料强度的代表值材料强度也是随机变量，取值直接影响到结构的可靠与经济。

材料强度的代表值主要是指材料强度标准值，材料强度标准值是指使用期间正常情况下可能出现的最小值。

材料强度的标准值由材料强度概率按具有95％的保证率来确定，即材料的实际强度小于设计时取用的强度标准值的可能性只有5％。

设计时，材料强度尽可能取低些，荷载尽可能取大些，才能保证所设计的结构的可靠性。

其中，材料强度可以查表，但荷载需按规范要求自己计算。

极限状态计算的实用设计表达式

1．承载能力极限状态设计表达式

基本组合是持久状况或短暂状况下永久荷载与可变荷载的效应组合。

对于基本组合，承载能力极限状态设计表达式为

γ0ψS≤R/γd

S=ΣγGiCGiGki+ΣγQjCQjQkj

R=R（fc，fy，ak）=R（fc/γck，fyk/γs，ak）

式中γ0——结构重要性系数，对结构安全级别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级的结构构件，分别取为1.1、1.0及0.9；

建筑物的重要性不同，其结构构件的安全级别就不同，要求目标可靠指标也不同。

为了反映这种要求，在计算荷载效应时，可将其值乘以结构重要性系数γ0。

通过γ0来调整荷载效应S，从而实现建筑物的重要性不同，可靠度水准的要求不同。

ψ——设计状况系数，对应于持久状况、短暂状况、偶然状况，分别取为1.0、0.95及0.85；

结构在施工、运行、检修不同时期可能出现不同的结构体系、荷载及环境条件，失效后果也不同，所以，其可靠度水准要求也就不同。

与γ0一样，ψ也是来调整荷载效应S的。

γ0、ψ取大些，可靠度水平就高。

上述三种设计状况均应进行承载能力极限状态设计。

对持久状况尚应进行正常使用极限状态设计；

对短暂状况可根据具体情况决定是否要进行正常使用极限状态设计，而且只有短期组合；

对偶然状况则可不进行正常使用极限状态设计。

γG、γQ——分别为永久荷载和可变荷载的荷载分项系数。

因荷载标准值按95%的保证率取值，则实际荷载仍有可能超过预定的标准值。

为了考虑这一最不利情况，在承载能力极限状态设计表达式中还引入一个荷载分项系数（一般都大于1，个别情况也可小于1）。

荷载分项系数主要是用来考虑实际荷载超过标准值的可能性。

在水工建筑物设计中它实质上就是“超载系数”，但也适当反映了结构可靠度要求。

荷载标准值乘以相应的荷载分项系数后即为荷载设计值。

永久荷载和可变荷载的设计值可分别记为γGGk及γQQk。

γG、γQ由《水工建筑物荷载设计规范》并按《水工混凝土结构设计规范》的规定取用。

变异性小的荷载，取值可靠，误差小，考虑超载等影响的荷载分项系数就可以定小些。

所以永久荷载的分项系数就应小于可变荷载。

一般是γG=1.05，γQ=1.2。

在承载能力极限状态计算时，荷载用比标准值更大的设计值，以确保安全。

但荷载不是任何时候取大些都不利，如大坝的倾覆破坏，此时自重荷载起有利作用，设计中就应取小些。

即当永久荷载的效应对结构有利时，γG可取为0.95。

当然，可变荷载甚至就可以不计入。

γc、γs——分别为混凝土和钢筋的材料性能分项系数。

由于材料的离散性及不可避免的施工误差等因素可能造成材料的实际强度低于其强度标准值，因此，在承载能力极限状态计算中引入混凝土强度分项系数γc及钢筋强度分项系数γs来考虑这一不利影响。

材料强度标准值fck、fyk除以相应的大于1的材料性能（强度）分项系数后，即为材料强度设计值fc=fck/γc、fy=fyk/γs。

在承载能力极限状态计算时，材料强度用比标准值更小的设计值，以确保安全。

γd——结构