建筑结构选型45章.docx

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建筑结构选型45章

第四章混凝土结构

第一节钢筋和混凝土材料的力学性能

1.钢筋的强度、变形和型号

1）强度

屈服强度（屈服极限）

明显流幅的钢筋：

下屈服点对应的强度作

为设计强度的依据

无明显流幅的钢筋：

残余应变为0.2%时所

对应的应力作为条件屈服强度,实际应用中可取极限抗拉强度σb的85%作为条件屈服点。

疲劳强度：

规定的应力幅度内，经一定次数的重复荷载后，发生疲劳破坏的最大应力值称为疲劳强度。

极限抗拉强度：

C点对应应力值

2）变形

变形指标

伸长率：

钢筋拉断后的伸长与原长的比值

冷弯要求：

将直径为d的钢筋绕直径为D的钢筋弯成一定的角度而不发生断裂

弹性模量：

ＡＢ段应力应变比值

徐变：

应力不变，随时间的增长应变继续增加

松弛：

长度不变，随时间的增长应力降低

弹性模量、屈服强度、极限抗拉强度、伸长率是钢材最重要的四个力学指标。

拉伸性能是建筑钢材最重要的性能。

3）钢筋的型号

1.按化学成分：

a.碳素钢（铁、碳、硅、锰、硫、磷等元素）：

低碳钢（含碳量<0.25%）；中碳钢（含碳量0.25~0.6%）；高碳钢（含碳量0.6~1.4%）

b.普通低合金钢（另加硅、锰、钛、钒、铬等）：

锰系；硅钒系；硅钛系；硅锰系；硅铬系

2.按加工：

a.钢筋：

热轧钢筋；冷拉钢筋；热处理钢筋

b.钢丝：

碳素钢丝；刻痕钢丝；钢绞线；冷拔低碳钢丝

3.按表面形状：

光圆钢筋；变形钢筋

4.按钢筋的应用范围：

非预应力钢筋：

HPB235，HRB335，HRB400，RRB400

预应力钢筋：

碳素钢丝，刻痕钢丝，钢绞线，热处理钢筋，冷拉钢筋

2.混凝土的强度、变形和型号

1）强度

1.单轴受力状态下混凝土的抗压强度

立方体抗压强度cu

立方体抗压强度是区分混凝土强度等级的指标，我国规范混凝土的强度等级有：

C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C50，C55，C60，C65，C70，C75，C80

强度标准值=强度平均值-1.645×均方差

C代表混凝土，C后的数字即为混凝土的立方体抗压强度

棱柱体抗压强度fc

取fc=0.67cu

2.单轴受力状态下混凝土的抗拉强度

直接受拉试验ft

取t=0.348fcu0.55

劈裂试验fts

ts=0.19cu3/4

是抗压强度的1/20`1/8，抗压强度越大抗拉强度越小。

3.复合受力状态下混凝土的强度

双轴应力下的强度

双向受拉：

强度接近单向受拉强度

双向受压：

抗压强度和极限压应变均有所提高

一拉一压：

强度降低

三向受压时的混凝土强度

三向受压时，混凝土的抗压强度和极限变形都有较大提高

2）变形

1.受力变形

混凝土的应力-应变关系

OA—弹性阶段

AB—微裂缝开展

BC—弹塑性，竖向裂缝形成

C点应力达到最高ck,

对应应变为峰值应变E0=0.002

CD—下降段

D点的应变为极限压应变Eu=0.0033

轴向受拉时混凝土的应力应变关系

极限拉应力为极限压应力的1/20~1/8，

极限拉应变为极限压应变的1/20左右，

曲线只有上升段、

混凝土的弹性模量

长期荷载作用下混凝土的变形性能----徐变

影响徐变的因素

1.应力：

σc<0.5fc，徐变变形与应力成正比----线性徐变

0.5fc<σc<0.8fc，非线性徐变。

徐变比应力快。

σc>0.8fc，造成混凝土破坏，不稳定

2.加荷时混凝土的龄期，越早，徐变越大

3.水泥用量越多，水灰比越大，徐变越大

4.骨料越硬，徐变越小

2.非受力变形

混凝土的膨胀：

在水中，或饱和湿度空气中体积增大的性质。

混凝土的收缩：

结硬过程中混凝土体积缩小的性质。

影响因素：

水泥品种：

等级越高，收缩越大

水泥用量：

水泥用量越多，水灰比越大，收缩越大

骨料：

骨料越硬，收缩越小

养护条件、制作方法、使用环境、体积与表面积的比值等。

3）型号

建筑工程中，钢筋混凝土构件的混凝土强度等级不应低于C15;

当采用HRB335级钢筋时，不宜低于C20;

当采用HRB400和RRB400级钢筋以及承受重复荷载的构件，不得低于C20;

预应力混凝土结构不应低于C30;

采用钢绞线、钢丝、热处理钢筋作预应力钢筋时，不宜低于C40.

垫层、地面混凝土和填充用混凝土可以采用C10.

第二节钢筋混凝土受弯构件

1.矩形截面受弯构件破坏过程及类型

1）类型

沿弯矩最大截面破坏时，破坏截面与构件的轴线垂直，称为严正截面破坏。

沿剪力最大或弯矩和剪力都较大截面破坏时，破坏截面与构件的轴线斜交，成为沿斜截面破坏。

受弯构件的破坏特征取决于配筋率、混凝土的强度等级、截面形式等诸多因素。

配筋率的影响最为显著。

2）过程

适筋梁的破坏过程

1.截面开裂前

Ⅰ应力应变成正比

Ⅰa出现塑性形变受拉区应力图形成曲线，受拉区边缘混凝土可达其实际抗拉强度和抗拉极限应变值

2.从截面开裂到受拉区纵向受力钢筋开始屈服的阶段

Ⅱ钢筋完全承受裂缝处拉应力，受压区出现塑性形变，应力图呈曲线

Ⅱa受拉钢筋屈服至屈服强度

3.破坏阶段

Ⅲ裂缝向压区延伸，受压区减小

Ⅲa梁破坏

1.少筋破坏：

构件的配筋率低于某一定值时，承载能力低，并且“一裂就破”。

裂缝延伸快，钢筋受突然增大的应力而屈服。

属于脆性破坏。

2.适筋破坏：

配筋率不低也不高时，破坏前有明显的塑性变形和裂缝预兆。

3.超筋破坏：

配筋率超过某一定值时，有一定预兆但不明显。

钢筋不屈服，受压区混凝土压碎，破坏突然发生。

2.矩形截面受弯构件设计计算P45

（1）基本假定:

1.截面应变在变形后仍保持平面

2.不考虑混凝土的抗拉强度

3.混凝土受压的应力与应变关系曲线按照规定取用。

E0=0.002

Eu=0.0033

4.钢筋的应力取等于钢筋应变与其弹性模量的乘积，但其绝对值不应大于相应的强度设计值。

受拉钢筋的极限拉应变取0.01。

2.计算

a.计算简图

b.基本计算公式

两个平衡方程

水平方向合力为零——ΣX=0a1fcbx=fyAs

各力对截面上任意一点的合力矩为零，

当对受拉区纵向受力钢筋的合力作用点取矩时，

有——ΣMs=0M≤a1fcbx（h0-x/2）

当对受压区混凝土压应力合力作用点取矩时，

有——ΣMc=0M≤fyAs（h0-x/2）

h0=h-as

估算常用值

板

单向板厚度60~80，双向板80mm

直径通常采用6、8、10mm，间距一般不小于70mm.

最小保护层厚15mm,h0=h-20mm

梁

简支梁高跨比1/12左右。

矩形截面梁的高宽比2.0~2.5

梁常用的宽度为b=120、150、180、200、220、250、300、350等。

常用高度=250、300、350…750、800、900、1000mm等。

梁中常用的纵向受力钢筋直径为10~28，根数不得少于两根。

受拉区钢筋间距大于钢筋直径，受压区大于1.5倍直径。

当采用单排钢筋时h0=h-35mm

当采用双排钢筋时ho=h-60mm

适应条件

a.为防止构件发生少筋破坏，要求构件的配筋率不得低于其最小配筋率。

取

和0.2%中的较大值

b.为防止构件发生超筋破坏，要求构件截面的相对受压区高度不得超过其相对界限受压区高度（有明显屈服点钢筋；无明显屈服点钢筋）即ζ≤ζb

极限受弯承载力的计算

afcbx=fyAs

Mu=afcbx（h0-x/2）=fyAs（h0-x/2）

ζ=x/h0=fyAs/a1fcbh0=ρsfy/a1fc

Mu=a1fcbh02ζ（1-0.5ζ）=asa1fcbh02

其中as为截面抵抗系数

Mu=ρsfybh02ζ（1-0.5ζ）=fyAsγsh0

其中γs为截面内力臂系数

3.简支有腹梁的抗剪的破坏过程及类型

1）过程

在斜裂缝出现前，箍筋的应力很小，主要由混凝土传递剪力；

斜裂缝出现后，与斜裂缝相交的箍筋应力增大。

限制了斜裂缝的发展，提高了抗剪承载力。

2）分类

斜拉破坏：

配箍率ρsv很低，或间距S较大且λ较大的时候；

剪压破坏：

配箍和剪跨比适中，破坏时箍筋受拉屈服，剪压区压碎，斜截面承载力随ρsv及fyv的增大而增大。

斜压破坏：

ρsv很大，或λ很小（λ≤1）斜向压碎，箍筋未屈服；

对有腹筋梁来说，只要截面尺寸合适，箍筋数量适

当，剪压破坏是斜截面受剪破坏中最常见的一种破坏形式，设计时应避免出现另外二种破坏形态。

4.有腹梁的抗剪设计计算

P71

5.减小裂缝宽度和挠度的有效措施

改善裂缝的措施

a.设计方面：

采用小直径筋、变形筋，分散布置；（提高粘结力）

在普通钢筋混凝土梁中，不使用高强钢筋；

构造措施：

避免外形突变；（减少应力集中）

配纵向水平钢筋；（控制腹板收缩裂缝）

纵向主筋在支座处加强锚固。

b.施工方面：

控制水灰比，振捣密实，提高混凝土密实度；

加强养护；

严格控制混凝土配合比，不加有害早强剂；

正确控制混凝土保护层厚度。

c.使用方面：

定期对梁体裂缝检查；

注意梁体所处环境的变化，注意防锈。

减少挠度的措施

①增大截面高度是提高截面抗弯刚度、减小构件挠度的最有效措施；

②增大纵向受拉钢筋的配筋率或提高混凝土强度等级，若构件截面受到限制不能加大时，可考虑采用这种方法,但作用并不显著。

③在受压区配置一定数量的受压钢筋,可以充分利用纵向受压钢筋对长期刚度的有利影响。

另外，采用预应力混凝土构件也是提高受弯构件刚度的有效措施。

实际工程中，往往采用控制跨高比的方法来满足变形条件的要求。

6.如何提高混凝土耐久性

1）满足混凝土的基本要求；控制最大水灰比、最小水泥用量、最低强度等级、最大氯离子含量以及最大碱含量。

2）规定最小保护层厚度；

3）裂缝控制：

一级：

严格要求不出现裂缝的构件；

二级：

一般要求不出现裂缝的构件；

三级：

允许出现裂缝的构件。

4）其他措施

对环境较差的构件，宜采用可更换或易更换的构件；

混凝土表面防护、阳极保护、钢筋阻锈剂、改善钢材材质和涂层钢筋。

第三节钢筋混凝土受压构件

1.轴心受压构件受力性能及破坏特征

1）短柱

短柱受荷以后，截面应变为均匀分布，钢筋应变与混凝土应变相同。

由于混凝土塑性变形的发展及收缩徐变的影响，钢筋与混凝土之间发生压应力的重分布。

对于配置HPB235、HRB335、HRB400级钢筋的构件，在混凝土到达最大应力fck以前，钢筋已到达其屈服强度，这时构件尚未破坏，荷载仍可继续增长，钢筋应力则保持不变。

当混凝土的压应变到其极限值时，构件表面出现纵向裂缝，保护层混凝土开始剥落，构件到达其极限承载力。

破坏时箍筋之间的纵筋发生压屈并向外凸出，中间部分混凝土压酥，混凝土应力到达棱柱体抗压强度。

不论受压钢筋在构件破坏时是否屈服，构件的最终承载力都是由混凝土压碎来控制。

当纵筋为高强度钢筋时，构件破坏时纵筋应力约为400N/mm2，达不到其屈服强度。

2）长柱

当受压构件的长细比较大时，轴心受压构件虽是全截面受压，但随着压力增大，长柱不仅发生压缩变形，同时产生较大的横向挠度，在未达到材料破坏的承载力以前，常由于侧向挠度增大而发生失稳破坏。

侧向挠度的增大导致了附加弯矩（偏心矩）的增大，如此相互影响，最终使长柱在轴力和弯矩的作用下发生失稳破坏。

破坏时受压一侧产生纵向裂缝，箍筋

之间的纵向钢筋向外凸出，构件中部混凝土被压碎。

另一侧混凝土则被拉裂，在构件高度中部产生水平裂缝。

有侧移结构，其二阶效应主要是由水平荷载产生的侧移引起的。

精确考虑这种二阶效应较为复杂，一般需通过迭代方法进行计算。

2.矩形截面偏心受压构件破坏形态

1）受拉破坏——大偏心受压破坏

先受拉侧混凝土较早出现裂缝，随后As首先达到屈服强度。

裂缝迅速开展，受压区高度减小

最后受压侧钢筋A's受压屈服，压区混凝土压碎而达到破坏。

破坏特征：

与配有受压钢筋的适筋梁相似，为塑性破坏。

承载力主要取决于受拉侧钢筋。

2）受压破坏——小偏心受压破坏

可能部分受拉部分受压，也可能全截面受压。

破坏特征：

截面受压侧混凝土和钢筋的受力较大。

而受拉侧钢筋应力较小。

截面最后是由于受压区混凝土首先压碎而达到破坏，与配有受压钢筋的超筋梁相似，为脆性破坏。

承载力主要取决于压区混凝土和受压侧钢筋

第四节预应力混凝土结构的基本知识

1.预应力混凝土的优点

提高抗裂度和刚度：

延缓裂缝的出现，减小裂缝宽度；截面刚度显著提高，挠度减小，可建造大跨度结构。

受剪承载力提高：

施加纵向预应力可延缓斜裂缝的形成，使受剪承载力得到提高。

卸载后的结构变形或裂缝可得到恢复：

由于预应力的作用，使用活荷载移去后，裂缝会闭合，结构变形也会得到复位。

提高构件的疲劳承载力：

预应力可降低钢筋的疲劳应力比，增加钢筋的疲劳强度。

减轻结构自重：

使高强钢材和高强混凝土得到应用，有利于减轻结构自重，节约材料，取得经济效益。

提高耐久性。

2.先张法、后张法概念及特点

1）先张法

张拉钢筋并在台座上固定，

浇注混凝土构件，

混凝土强度达设计强度的75%以上时剪断钢筋。

特点：

通过预应力钢筋与混凝土之间的粘结力传递预应力。

适用工厂化生产的中小型构件

2）后张法

浇混凝土构件，并在构件中预留孔道，

混凝土强度达设计强度的75%以上时在构件中预留孔道中穿钢筋并张拉，

锚固灌浆。

特点：

依靠其两端锚具懋住预应力钢筋并传递预应力。

适用于运输、安装不便的大、中型构件

3.预应力损失

概念

预应力筋张拉后，由于混凝土和钢材的性质以及制作方法上原因，预应力筋中预应力会从σcon逐步减少，并经过相当长时间才最终稳定下来，这种应力降低称为预应力损失。

原因

发生在预应力传到混凝土之前：

锚固损失

摩擦损失

松弛损失（长期）

温差损失

发生在预应力传到混凝土之后：

混凝土的收缩和徐变引起的损失（长期）

——是引起损失的主要部分

局部挤压损失

弹性压缩损失

第五节钢筋混凝土平面楼盖

1.楼盖分类

按结构形式分为：

单向板肋梁楼盖，双向板肋梁楼盖，井式楼盖，密肋楼盖和无梁楼盖等；

（密肋楼盖间距密，一般为0.9~1.5m，有时甚至少于700mm。

）

按预应力情况分为：

钢筋混凝土楼盖和预应力混凝土楼盖；

按施工方法可分为：

现浇式，装配式和装配整体式楼盖。

2.单向板和双向板的概念

单向板肋梁楼盖：

当l2/l1≥3时，可按沿短边方向的单向板计算；

双向板肋梁楼盖：

当时l2/l1≤2，应按双向板计算。

当2

3.什么是塑性铰

受弯构件从钢筋屈服至截面破坏，转角剧增，即在梁内拉、压塑性变形集中的跨中区域形成一个性能特殊的“铰”。

塑性铰的特点

1、只能绕弯矩作用方向发生单方向转动——单向性；

2、只能在从受拉钢筋屈服到混凝土压碎的有限范围内转动，即Φu～Φy——有限性；

3、在转动的同时既可传递剪力也可传递一定的弯矩，即截面的极限弯矩M

4、可通过适当增配钢筋来控制塑性铰出现的部位——可控制性。