混凝土结构基本知识.ppt

1,混凝土结构基本知识一、绪论,2,（一）混凝土结构的定义与分类1.定义：以混凝土为主要材料的结构（体积含量60%）。2.分类：钢筋混凝土结构配置受力的普通钢筋，钢筋网或钢骨架；预应力混凝土结构配置预应力钢筋的混凝土结构；素混凝土结构配置不受力的钢筋的混凝土结构。,一、绪论,3,（二）配筋的作用与要求1.钢筋混凝土的组成：钢筋+混凝土（按一定方式）2.两种材料的基本力学特性：钢筋抗拉与抗压强度较高（一般各向同性）；混凝土抗拉强度远低于其抗压强度（之比约为10%且各向异性）；,一、绪论,4,素混凝土梁承载力低，一开裂即告破坏，破坏前无预兆（为脆性）；钢筋混凝土梁承载力高，混凝土开裂后，其承担的拉应力转移到钢筋，钢筋屈服后梁才破坏，破坏前有预兆（为延性）。3.配筋的作用：（1）提高结构的承载力；（2）调整结构的破坏形态。,一、绪论,5,4.讨论：配筋的基本原则：使钢筋在结构中处于受拉；使混凝土在结构中处于受压。5.钢筋与混凝土共同工作的原因：（1）两者之间存在良好的粘结力；（2）它们的线膨胀系数接近，即使存在温差，这种粘结力也不致破坏。,一、绪论,6,6.配筋的基本要求（1）钢筋的布置（即在结构中的位置）和数量由计算确定；（2）在钢筋的端部应有锚固长度或弯钩（常称为构造要求）。7.总结钢筋混凝土概念的实质：（1）由两种材料组成，力学性能互补。（2）钢筋位置合适，能充分发挥材性。（3）保证共同共作。,一、绪论,7,钢筋混凝土结构的优点材料利用合理钢筋与混凝土的材料强度可充分发挥；可模性好适用于各种复杂的结构形式；耐久和耐火性好维护费用低；结构整体性好有利于结构的抗震、抗爆；刚度、阻尼大有利于结构的变形控制；材料易获得混凝土材料可就地取材，还可利用工业废料作为其原材料，进而保护环境。,一、绪论,8,材料的发展1.混凝土：强度由低向高发展，自重由大向小发展；2.钢材：强度由低向高发展，延性大幅度改善；3.外加剂：抗冻，缓凝，防渗，纤维。力学的发展材料力学结构力学弹性力学弹塑性力学有限元,一、绪论,9,设计方法的发展允许应力法破坏阶段法极限状态法概率极限状态法我国现行设计方法及规范1.设计方法：近似概率极限状态法；2.规范：混凝土结构设计规范GB50010-2002（以后简称为“规范”）。,混凝土结构的发展与应用情况,一、绪论,10,混凝土结构基本知识二、钢筋混凝土结构的材料的力学性能,11,（一）混凝土的组成结构1.组成：混凝土=水泥+细骨料（砂）+粗骨料（碎石或鹅卵石）+水+外加剂2.基本力学性质：（1）弹塑性、各向异性（2）水泥+细骨料+水凝胶体（塑性）（3）粗骨料（弹性）3.混凝土的物理力学性能主要反映在两个方面：（1）破坏强度的问题（2）变形的问题,一、混凝土的强度指标,12,（二）单轴向应力状态下的混凝土强度混凝土构件一般处于多轴向应力状态下，为分析问题方便，先讨论单轴向应力状态下的混凝土的强度。由于混凝土的各向异性性质，其各项强度是不一样的，必须分别讨论。1.混凝土的抗压强度（1）混凝土的立方体抗压强度和强度等级A.立方体抗压强度的物理意义：混凝土强度的基本指标和评定混凝土强度等级的标准,一、混凝土的强度指标,13,B.确定混凝土立方体抗压强度的标准方法a.标准试件：150mm150mm150mm的立方体；b.标准制作条件：在温度（203）C和相对湿度90%以上的环境下，养护28天；c.标准试验方法：试件表面不涂润滑剂、均匀加载和匀速加“静”载；d.单位：N/mm。,一、混凝土的强度指标,14,C.强度等级a.确定方法：采用混凝土的立方体抗压强度；b.数值确定：具有95%的保证率；c.工程符号：（N/mm），简写形式为C；d.“规范”的等级范围：C15C80，共14级；e.应用范围：C15C45为普通混凝土，适用于一般的混凝土结构；C50C80为高强混凝土，适用于预应力混凝土构件。,一、混凝土的强度指标,15,D.试验方法对立方体抗压强度的影响a.试件表面是否涂润滑剂：不涂时强度高；涂后强度低，其主要原因是由于“套箍”作用；且破坏形态不一样；b.加载速度：速度快强度高，速度慢强度低（2）混凝土的轴心抗压强度A.确定混凝土轴心抗压强度的标准方法a.标准试件：150mm150mm300mm的棱柱体；b.其余同混凝土立方体抗压强度的标准方法；c.工程符号：（N/mm），,一、混凝土的强度指标,16,B.关于的讨论a.高宽比：随着高宽比的增加，会降低，但高宽比为3时，会稳定；b.混凝土立方体抗压强度与轴心抗压强度的关系：c.国外用圆柱体试件确定混凝土轴心抗压强度。,一、混凝土的强度指标,17,2.混凝土的轴心抗拉强度（1）确定方法：轴心受拉试验和劈裂试验；（2）混凝土轴心抗拉强度约为立方体抗压强度的1/171/8；（3）在荷载较小时，混凝土即开裂，所以混凝土结构一般带裂缝工作，混凝土轴心抗拉强度不起决定作用。,一、混凝土的强度指标,18,复合受力状态下混凝土的强度,双轴应力下的强度,双向正应力下的强度曲线,法向应力和剪应力下的强度曲线,一、混凝土的强度指标,19,（三）复合应力状态下混凝土的强度1.关于双向应力状态下的强度变化规律（1）双向受压时，混凝土抗压强度大于单向；（2）双向受拉时，混凝土抗拉强度接近于单向；（3）一向受压和一向受拉时，其抗拉（抗压）强度均低于相应的单向强度；（4）由于剪应力的存在，混凝土抗压强度低于单向；（5）由于压应力的存在，混凝土抗剪强度有限增加。,一、混凝土的强度指标,20,2.关于三向受压状态下的强度变化规律结论：三向受压状态下的混凝土抗压强度大于双向和单向。3.关于实际工程运用（1）目前“规范”尚无定量计算公式；（2）实际工程中均采用单向强度，但要考虑复合应力情况，从构造上加以调整。,一、混凝土的强度指标,21,变形的分类：受力变形荷载产生的；体积变形收缩、膨胀即温差产生的。1.一次短期加载下混凝土的变形性能（1）混凝土受压时的应力-应变关系实际试验曲线其规律为：a.应力-应变关系为曲线，上升段中仅有一小段直线；b.应力峰值对应的应变约为0.002（基本与等级无关）c.混凝土强度高时其延性越差。,二、混凝土的变形性能,22,一次短期加载下混凝土受压的应力应变曲线,当0.3时，关系接近于直线；当=(0.30.8)时，关系偏离直线；当=(0.81.0)时，内部微裂缝进入非稳定发展阶段。,峰值应变,极限压应变,混凝土的应力应变曲线,二、混凝土的变形性能,23,（2）混凝土单轴向受压应力-应变曲线的数学模型A.美国E.Hognestad模型（上升段为二次抛物线，下降段为斜直线）用于美国ACI规范；B.德国Rsch模型（上升段为二次抛物线，下降段采用水平线）被欧盟和中国国家规范参考。（3）三向受压状态下混凝土的变形特点A.变形特点：侧压力越大，变形能力越好（强度也高）；B.工程意义：设置密排箍筋间接产生侧压力。,二、混凝土的变形性能,24,规范提出的混凝土应力-应变曲线表达式,二、混凝土的变形性能,25,规范中混凝土应力应变曲线参数的确定,二、混凝土的变形性能,26,混凝土的变形模量,初始弹性模量：过原点切线的斜率。,切线模量：过某一点切线的斜率。,割线模量：某一点与原点连线的斜率。,混凝土的变形模量,二、混凝土的变形性能,27,混凝土的收缩和徐变,混凝土在空气中硬化时体积会缩小，这种现象称为混凝土的收缩，收缩是混凝土在不受外力情况下体积变化产生的变形。,混凝土在长期不变荷载的作用下，其变形随时间而不断增长的现象称为徐变。,二、混凝土的变形性能,28,混凝土的收缩是随时间而增长的变形，早期收缩变形发展较快，两周可完成全部收缩的25%，一个月可完成50%，以后变形发展逐渐减慢，整个收缩过程可延续两年以上。通常，最终收缩应变值约为(25)10-4，而混凝土开裂应变为(0.52.7)10-4，说明收缩会导致开裂。,混凝土收缩包括凝缩和干缩两部分，凝缩是由于水泥结晶体比原材料的体积小；干缩是混凝土内自由水分蒸发引起的。,二、混凝土的变形性能,29,混凝土的收缩受结构周围的温度、湿度、构件断面形状及尺寸、配合比、骨料性质、水泥性质、混凝土浇筑质量及养护条件等许多因素有关：水泥用量多、水灰比越大，收缩越大；骨料弹性模量高、级配好，收缩就小；干燥失水及高温环境，收缩大；小尺寸构件收缩大，大尺寸构件收缩小；高强混凝土收缩大。影响收缩的因素多且复杂，要精确计算尚有一定的困难。在实际工程中，要采取一定措施减小收缩应力的不利影响。,混凝土收缩的影响因素,二、混凝土的变形性能,30,随荷载作用时间的延续，变形不断增长，前4个月徐变增长较快，6个月可达最终徐变的（7080）%，以后增长逐渐缓慢，23年后趋于稳定。,混凝土的徐变,瞬时恢复,弹性后效,残余应变,收缩应变,徐变应变,瞬时应变,徐变会使结构（构件）的（挠度）变形增大，引起预应力损失，在长期高应力作用下，甚至会导致破坏。,31,徐变与混凝土持续应力大小有密切关系，应力越大徐变也越大；混凝土加载龄期越长，徐变越小；水泥含量越大，徐变越大；骨料弹性模量高、级配好，徐变就小；干燥失水及高温环境，徐变大；高强混凝土徐变小。,混凝土徐变的影响因素,二、混凝土的变形性能,32,（一）钢筋的品种和级别1.钢筋的分类（1）根据化学成分：A.碳素钢：低碳钢、中碳钢及高碳钢，其特点是随着含碳量的增加，强度提高，脆性增加；B.普通低合金钢：为改善碳素钢的力学特性，加入少量合金元素。,三、钢筋,33,（2）根据生产工艺：A.热轧钢筋：在高温下直接轧制成型（如碳素钢和普通低合金）；B.热处理钢：将热轧钢经过调质（加热、淬火和回火），主要是提高强度，而塑性降低不多；C.冷加工钢筋：将普通热轧钢筋在常温下进行冷拉或冷拔。,三、钢筋,34,（3）根据钢筋外型：A.柔性钢筋：普通钢筋;a.光圆钢筋：表面是光滑的；b.变形钢筋：表面有肋（如月牙肋等）；c.习惯上，直径大于4mm称为钢筋；小于或等于4mm称为钢丝。B.劲性钢筋：型钢、钢轨及其组合。（4）根据力学特性：A.软钢：有明显屈服台阶；B.硬钢：无屈服台阶；,三、钢筋,35,2.钢筋的级别(热轧钢筋）（1）分级原则：力学指标；（2）具体分级：级钢，HPB235，强度标准值为235N/mm；级钢，HRB335，强度标准值为335N/mm；级钢，HRB400，强度标准值为400N/mm；,三、钢筋,36,3.关于冷加工钢筋（1）冷拉A.加工方法：在常温下将钢筋拉伸至屈服，然后卸载；B.力学性质：经过一段时间后，再次拉伸时，其屈服强度将增大，但塑性降低；C.时效硬化：被拉伸至屈服点，经过一段时间后，屈服强度增加的现象。,三、钢筋,37,（2）冷拔A.加工方法：在常温下将钢筋拔过比其自身直径小的硬质合金拔丝模拉伸至屈服；B.力学性质：经过一段时间后，再次拉伸或压缩时，其屈服强度将增大，但塑性降低。,三、钢筋,38,有明显屈服点钢筋的应力应变关系,cd段为屈服台阶df段为强化段,三、钢筋,39,钢筋的双线性理想弹塑性本构模型,三、钢筋,40,无明显屈服点钢筋的应力应变关系,条件屈服点为残余变形为0.2时对应的应力,三、钢筋,41,粘结的意义：确保混凝土与钢筋能共同工作。粘结力的组成1.化学吸附作用力；2摩阻力；3机械咬合力。光圆钢筋的粘结力主要由前两者组成；变形钢筋的粘结力主要由机械咬合力组成。粘结强度影响粘结强度的因素钢筋的锚固与搭接,钢筋与混凝土的粘结,42,混凝土结构基本知识三、钢筋混凝土结构的设计方法,43,（一）建筑结构的功能要求（1）安全性：在使用年限期间能承受各种作用；（2）适用性：在使用年限期间能良好工作；（3）耐久性：在使用年限期间保持安全和适用。（二）结构的极限状态1.极限状态的一般定义：结构或构件不能满足某一功能要求的特定状态；2.极限状态的物理意义：未达到极限状态则处于有效状态；超过极限状态则处于失效状态。,一、结构设计的基本要求,44,极限状态的分类（1）承载力极限状态：结构或构件丧失承载能力或不能继续承载的状态；其主要表现为材料破坏、丧失稳定或结构机动。（2）正常使用极限状态：结构或构件达到正常使用时的规定限值的状态；其主要表现为过大变形、裂缝过宽或较大振动；（3）两种极限状态之间的关系：结构或构件必须进行承载力极限状态计算，必要时进行正常使用极限状态验算。,一、结构设计的基本要求,45,（一）结构上的作用1.作用的定义：使结构或构件产生效应（内力、应力、位移等）的因素。2.作用的分类：（1）直接作用（如荷载）；（2）间接作用（如温差、不均匀沉降）。,二、结构上的作用、作用效应和结构抗力,46,3.荷载的分类（1）永久荷载：在设计基准期内大小、方向、作用点及形式不随时间变化，或者其变化可忽略不计，通常称为恒载；（2）可变荷载：在设计基准期内大小、方向、作用点及形式等任意因素随时间变化，通常称为活载；（3）偶然荷载：在设计基准期内一般不出现，一旦出现，其值很大且持续时间很短。,二、结构上的作用、作用效应和结构抗力,47,4.荷载的标准值（1）荷载标准值的定义：具有一定概率的最大荷载值；（2）确定方法：荷载标准值为其平均值加上1.645倍标准差，此时所对应的出现概率为95%。（二）结构的功能要求1.结构的安全等级（1）确定原则：根据破坏后果的严重性；（2）等级标准：,二、结构上的作用、作用效应和结构抗力,48,2.结构的使用年限（1）结构使用年限的概念：结构保持规定的可靠性的时间；（2）结构使用年限的规定：A.一般房屋结构为50年；B.桥梁结构和水工结构超过50年，可根据业主要求确定；C.结构使用时间超过规定的年限后，可靠性降低，但不一定不能用。,二、结构上的作用、作用效应和结构抗力,49,结构的可靠度（1）传统方法存在的问题：缺乏科学性（2）发展方向：应采用概率来描述结构的可靠性。,三、概率极限状态设计方法,50,（3）结构的可靠性：结构在规定的时间内和规定的条件下完成预定功能的能力；（4）结构的可靠度：结构在规定的时间内和规定的条件下完成预定功能的概率；（5）规定的时间：设计基准期；（6）规定的条件：正常设计、正常施工和正常使用。,三、概率极限状态设计方法,51,3.极限状态方程（1）极限状态函数：Z=R-S上式中，R表示结构构件抗力，它与材料的力学指标及材料用量有关；S表示作用（荷载）效应及其组合，它与作用的性质有关；（2）极限状态函数中各量的数学意义：R和S均可视为随机变量，Z为复合随机变量，它们之间的运算规则应按概率理论进行。,三、概率极限状态设计方法,52,（3）极限状态函数的物理意义：Z=R-S0，结构处于可靠状态；Z=R-S=0，结构处于极限状态；Z=R-S0，结构处于失效状态；,三、概率极限状态设计方法,53,可靠指标和失效概率（1）失效概率的求解根据极限状态函数，由概率论可知如下关系成立：(a)，为失效概率；(b)，为可靠概率；(c)，失效和可