钢筋溷凝土受弯构正截面承载力计算PPT课件.ppt

第4章钢筋混凝土受弯构件正截面承载力计算 1 1 本章主要内容 梁正截面受弯的受力全过程 正截面受弯承载力的计算原理 受弯构件正截面受弯承载力计算 矩形截面 T形截面 梁板的构造要求 截面尺寸配筋构造 三个受力阶段三种破坏形态 计算公式适用条件 基本假定受压区混凝土的压力配筋率 4 1概述 几个基本概念 受弯构件 主要是指各种类型的梁与板 土木工程中应用最为广泛 正截面 与构件计算轴线相垂直的截面为正截面 承载力计算公式 M Mu M受弯构件正截面弯矩设计值 Mu受弯构件正截面受弯承载力设计值 混凝土保护层厚度 纵向受力钢筋的外表面到截面边缘的垂直距离 用c表示 为保证钢筋混凝土结构的耐久性 防火性以及钢筋与混凝土的粘结性能 钢筋的混凝土保护层厚度一般不小于25mm 配筋率用下述公式表示 公式中各符号含义 As为受拉钢筋截面面积 b为梁宽 h0为梁的有效高度 h0 h as as为所有受拉钢筋重心到梁底面的距离 单排钢筋as 35mm 双排钢筋as 55 60mm h 0 as b 提示 在一定程度上标志了正截面纵向受拉钢筋与混凝土截面的面积比率 对梁的受力性能有很大的影响 梁 板的截面形式常见的有矩形 T形 工形 箱形 形 形 常用梁 板的截面形状和尺寸 预应力T形吊车梁照片 说明 目前国内应用较多的是现浇钢筋混凝土结构 图示空心板 槽型板等一般为预制板 考虑到施工方便和结构整体性要求 工程中也有采用预制和现浇结合的方法 形成叠合梁和叠合板 4 2受弯构件正截面的受力特性 4 2 1配筋率对构件破坏特征的影响根据试验研究 梁正截面的破坏形式与配筋率 钢筋和混凝土强度有关 当材料品种选定以后 其破坏形式主要依 的大小而异 按照梁的破坏形式不同 划分为以下三类 适筋梁 超筋梁 少筋梁 通常采用两点对称集中加荷 加载点位于梁跨度的1 3处 如下图所示 这样 在两个对称集中荷载间的区段 称 纯弯段 上 不仅可以基本上排除剪力的影响 忽略自重 同时也有利于在这一较长的区段上 L 3 布置仪表 以观察粱受荷后变形和裂缝出现与开展的情况 在 纯弯段 内 沿梁高两侧布置多排测点 用仪表量测梁的纵向变形 1 适筋梁 塑性破坏或延性破坏 钢筋适量 受拉钢筋先屈服 然后受压区混凝土压坏 中间有一个较长的破坏过程 有明显预兆 塑性破坏 破坏前可吸收较大的应变能 超筋梁 脆性破坏 钢筋过多 在钢筋没有达到屈服前 压区混凝土就会压坏 表现为没有明显预兆的混凝土受压脆性破坏的特征 这种梁称为 超筋梁 超筋梁虽配置过多的受拉钢筋 但由于其应力低于屈服强度 不能充分发挥作用 造成钢材的浪费 这不仅不经济 且破坏前毫无预兆 故设计中不允许采用这种梁 当配筋率小于一定值时 钢筋就会在梁开裂瞬间达到屈服强度 此时的配筋率称为最小配筋率rmin 少筋梁 脆性破坏 这种破坏取决于混凝土的抗拉强度ft 混凝土的受压强度未得到充分发挥 极限弯矩很小 少筋梁的这种受拉脆性破坏比超筋梁受压脆性破坏更为突然 很不安全 而且也很不经济 因此在建筑结构中不容许采用 梁破坏时的极限弯矩Mu小于在正常情况下的开裂弯矩Mcr 梁配筋率 越小 Mcr Mu的差值越大 越大 但仍在少筋梁范围内 Mcr Mu的差值越小 当Mcr Mu 0时 它就是少筋梁与适筋梁的界限 这时的配筋率就是适筋梁最小配筋率的理论值 min 1 适筋梁2 超筋梁3 少筋梁 4 2 2适筋受弯构件截面的几个阶段 在试验过程中 荷载逐级增加 由零开始直至梁正截面受弯破坏 整个过程可以分为如下三个阶段 开裂前 第一阶段 界限Ia钢筋屈服前 第二阶段 界限IIa梁破坏 混凝土压碎 前 第三阶段 界限IIIa 从开始加荷到受拉区混凝土开裂前 梁的整个截面均参加受力 受拉区混凝土有一定的塑性变形 但整个截面的受力基本接近线弹性 荷载 挠度曲线或弯矩 曲率曲线基本接近直线 截面抗弯刚度较大 挠度和截面曲率很小 钢筋的应力也很小 且都与弯矩近似成正比 第I阶段 开裂前 加载过程中弯矩 曲率关系 第 阶段截面应力应变关系 IIa 受拉区混凝土即将开裂的临界状态 a受拉区混凝土塑性变形达到最大 受拉边缘的拉应变达到混凝土极限拉应变时 et etu 为截面即将开裂的临界状态 a状态 受压区应力直线分布 此时的弯矩值称为开裂弯矩Mcr crackingmoment 作为受弯构件抗裂度计算依据 加载过程中弯矩 曲率关系 IIa 在开裂瞬间 开裂截面受拉区混凝土退出工作 其开裂前承担的拉力将转移给钢筋承担 导致钢筋应力有一突然增加 应力重分布 这使中和轴比开裂前有较大上移 随着荷载增加 受拉区不断出现一些裂缝 拉区混凝土逐步退出工作 截面抗弯刚度降低 荷载 挠度曲线或弯矩 曲率曲线有明显的转折 虽然受拉区有许多裂缝 但如果纵向应变的量测标距有足够的长度 跨过几条裂缝 则平均应变沿截面高度的分布近似直线 平截面假定 带裂缝工作阶段 阶段 加载过程中弯矩 曲率关系 II阶段前期截面应力应变关系 IIa fs 荷载继续增加 钢筋的拉应力 挠度变形不断增大 裂缝宽度也随荷载的增加而不断开展 但中和轴的位置在这个阶段没有显著变化 平均应变沿截面高度的分布近似直线 由于受压区混凝土的压应力随荷载的增加而不断增大 其弹塑性特性表现得越来越显著 受压区应力图形逐渐呈曲线分布 钢筋混凝土在正常使用情况下 截面弯矩一般处于该阶段 所以在正常使用情况下 钢筋混凝土是带裂缝工作的 裂缝宽度和挠度变形计算 要以该阶段的受力状态分析为依据 II阶段中后期截面应力应变关系 加载过程中弯矩 曲率关系 IIa 随着荷载增加 当钢筋应力达到屈服强度时 es ey 梁的受力性能将发生质的变化 此时的受力状态记为 a状态 弯矩记为My 也称为屈服弯矩 yieldingmoment 此后 梁的受力将进入屈服阶段 阶段 挠度 截面曲率 钢筋应变及中和轴位置均出现明显的转折 加载过程中弯矩 曲率关系 IIa IIa阶段截面应力应变关系 破坏前 III阶段 钢筋应力达到屈服时 受压区混凝土尚未压坏 在该阶段 钢筋应力保持为屈服强度fy不变 即钢筋的总拉力T保持定值 但钢筋应变es则急剧增大 裂缝显著开展 中和轴迅速上移 受压区高度xo有较大减少 由于受压区混凝土的总压力C与钢筋的总拉力T应保持平衡 即T C 受压区高度xo的减少将使得混凝土的压应力和压应变迅速增大 混凝土受压的塑性特征表现的更为充分 IIa 受压区高度xo的减少使得钢筋拉力T与混凝土压力C之间的力臂有所增大 截面弯矩也略有增加 在该阶段 钢筋的拉应变和受压区混凝土的压应变都发展很快 截面曲率f和梁的挠度变形f也迅速增大 曲率f和梁的挠度变形f的曲线斜率变得非常平缓 这种现象可以称为 截面屈服 在试验室内 混凝土受压可以具有很长的下降段 梁的变形可以持续较长 但有一个最大弯矩Mu 超过Mu后 梁的承载力将有所降低 直至最后压区混凝土压酥 Mu称为极限弯矩 此时的受压边缘混凝土的压应变称为极限压应变ecu 对应截面受力状态为 IIIa状态 试验表明 达到Mu时 ecu约在0 003 0 005范围 超过该应变值 压区混凝土即开始压坏 表明梁达到极限承载力 因此该应变值的计算为极限弯矩Mu的标志 对于配筋合适的梁 在III阶段 其承载力基本保持不变而变形可以很大 在完全破坏以前具有很好的变形能力 破坏预兆明显 我们把这种破坏称为 延性破坏 延性破坏是设计钢筋混凝土构件的一个基本原则 说明 裂缝开裂前 第一阶段 界限Ia钢筋屈服前 第二阶段 界限IIa梁破坏 混凝土压碎 第三阶段 界限IIIa 4 3建筑工程中受弯构件正截面承载力计算方法 4 3 1基本假定一 截面的应变沿截面高度保持线形关系 平均应变的平截面假定 二 不考虑混凝土的抗拉强度 三 应力 应变的关系 钢筋 混凝土 混凝土应力 应变的关系 试验得到混凝土应力应变曲线 计算用混凝土应力应变曲线 各系数查表4 3 钢筋的应力 应变关系 试验得到钢筋应力应变曲线 4 3 2单筋矩形截面正截面承载力计算 1 计算简图 C z 前面根据基本假定 从理论上得到钢筋混凝土构件的正截面承载力受弯极限弯矩Mu的计算公式 显然 在极限弯矩Mu的计算中 仅需知道C的大小和作用位置yc即可 但由于混凝土应力 应变关系的复杂性 即使已经作出了很多假定 C和yc的计算仍然较为复杂 上述公式在实用上还很不方便 需要进一步简化 可用等效矩形应力图形来代换受压区混凝土应力图 等效矩形应力图的合力大小等于C 形心位置与yc一致 等效矩形应力图的取用原则 用等效矩形应力图计算得到的合力 大小等于C 合力的形心位置与yc一致 如下图所示 等效矩形应力图形的表示方法用等效矩形应力图形系数 和等效矩形受压高度系数 表示 等效矩形应力图的应力值设为 1fc 等效矩形应力图的高度设为 x0 则有 2 基本计算公式 基本公式为两个平衡条件 规范还作出如下规定 配筋率同时不应小于0 2 对于现浇板和基础底板沿每个方向受拉钢筋的最小配筋率不应小于0 15 1 最小配筋率 min 适筋梁与少筋梁的界限 确定的理论依据为 Mcr Mu 3 基本计算公式的适用条件 相对受压区高度 2 为防止超筋 要求相对受压区高度不大于界限相对受压区高度 相对受压区高度x不仅反映了钢筋与混凝土的面积比 配筋率r 也反映了钢筋与混凝土的材料强度比 是反映构件中两种材料配比本质的参数 界限相对受压区高度 适筋梁与超筋梁的界限 界限受压区高度xb 梁内配筋达到某一特定值 当受拉纵筋屈服的同时 混凝土受压边缘纤维达到其极限压应变 此时的截面等带矩形应力图的高度 为界限受压区高度 相应的配筋为界限配筋 是适筋与超筋的界限 界限相对受压区高度 界限受压区高度与截面有效高度的比值 进一步简化为 即有 从表达式看出 1仅与材料性能有关 而与截面尺寸无关 当梁相对受压区高度 y 属于适筋梁 b时 或 s y 则属于超筋梁 界限配筋率 b 适筋梁Mu的上限Mu max 达到界限破坏时的受弯承载力 公式的适用条件注意的问题 一 防止超筋脆性破坏 适用公式 满足下述任一公式即可 实际工程的配筋说明在工程实践中要做到经济合理 梁的截面配筋率要比 b低一些 1 脆性破坏无明显预兆 在工程中应杜绝这种破坏情况 为了确保所有的梁在临近破坏时具有明显的预兆以及在破坏时具有适当的延性 就要求 b 如美国ACI规范 有 0 75 b的明确规定 2 根据前面公式 当弯矩设计值M确定以后 可以设计出不同截面尺寸的梁 配筋率 小些 梁截面就要大些 当 大些 梁截面就可以小些 为了保证总造价低廉 必须根据钢材 水泥 砂石等材料价格及施工费用 包括模板费用 确定出不同 值时的造价 从中可得出一个理论上最经济的配筋率 但根据我国生产实践经验 当 波动在最经济配筋率附近时对总造价的影响是很不敏感的 因此 没有必要去求得理论上最经济的配筋率 3 按照我国经验 板的经济配筋率约为0 3 0 8 单筋矩形梁的经济配筋率约为0 6 1 5 这样的经济配筋率远小于 b 既节约钢材 又降低成本 且可防止脆性破坏 2020 1 7 47 二 防止少筋脆性破坏 当按承载力计算时 若计算的 min 应按构造配置As 即取As minbh0 当配筋率 过小时 可知x亦很小 从而受拉钢筋距中和轴将较远 故钢筋应变必然很大 若超过钢筋极限拉应变则钢筋将断裂 但这种情况是极少见的 在一般情况下 当 min 时 混凝土一旦开裂 钢筋迅即屈服甚至可能进入强化阶段工作 由于这时裂缝开展宽度很大 已经标志着梁的 破坏 所以在正常情况下利用由于应变强化产生的任何附加承载力都是不合理 因为这时构件将伴随出现很大的变形 4 4 2截面承载力计算的两类问题 4 计算例题截面承载力计算问题分为 截面设计和截面复核两类 计算已知 弯矩设计值M 截面尺寸b h h0 材料强度fy fc 求 截面配筋As 钢筋直径和根数 解决思路 令M Mu 然后根据由力平衡和力矩平衡得到的两个基本公式求解 一 截面设计 两个方程 两个未知数 受压区高度x As 可方便求解 不能发生超筋脆性破坏 不能发生少筋脆性破坏 构造要求 3 钢筋直径 根数及钢筋间距满足相应要求 二 截面复核 已知 截面尺寸b h h0 截面配筋As 以及材料强度fy fc求 截面的受弯承载力Mu M未知数 受压区高度x和受弯承载力Mu基本公式 x xbh0时 As rminbh时 两种特殊情况 5 计算表格的制作及使用 说明 s截面 弹塑性 抵抗矩系数 与均质弹性矩形梁抵抗矩中的系数的1 6对比 s力臂系数 4 3 3双筋矩形截面正截面承载力计算 双筋截面是指同时配置受拉和受压钢筋的情况 一般来说采用双筋是不经济的 工程中通常仅在以下情况下采用 当截面尺寸和材料强度受建筑使用和施工条件 或整个工程 限制而不能增加 而计算又不满足适筋截面条件时 可采用双筋截面 即在受压区配置钢筋以补充混凝土受压能力的不足 另一方面 由于荷载有多种组合情况 在某一组合情况下截面承受正弯矩 另一种组合情况下承受负弯矩 这时也出现双筋截面 此外 由于受压钢筋可以提高截面的延性 因此 在抗震结构中要求框架梁必须必须配置一定比例的受压钢筋 前提条件 在满足构造要求的条件下 截面达到Mu的标志仍然是受压边缘混凝土达到ecu 在截面受弯承载力计算时 受压区混凝土的应力仍可按等效矩形应力图方法考虑 在受压边缘混凝土应变达到ecu前 如受拉钢筋先屈服 则其破坏形态与适筋梁类似 具有较大延性 1 计算公式及适用条件 当相对受压区高度x xb时 截面受力的平衡方程为 如轴心受压构件所述 钢筋的受压强度fy 400MPa 为使受压钢筋的强度能充分发挥 其应变不应小于0 002 由平截面假定可得 ecu 0 0033 基本公式 fy A s 截面分解 了解 纯钢筋部分 As2 根据截面分解图示 力和力矩可表示为如下所示 受压钢筋与其余部分受拉钢筋As2组成的 纯钢筋截面 的受弯承载力与混凝土无关因此截面破坏形态不受As2配筋量的影响 理论上这部分配筋可以很大 如形成钢骨混凝土构件 单筋部分 纯钢筋部分 基本公式 平衡方程表示的基本公式如下 适用条件 防止超筋脆性破坏 保证受压钢筋强度充分利用 特别说明 双筋截面一般不会出现少筋破坏情况 故可不必验算最小配筋率 已知 弯矩设计值M 截面b h a1和a s 材料强度fy fy fc 求 截面配筋As和As 未知数 x As As 基本公式 两个 按单筋计算 1 截面设计 求解思路 2 计算公式的应用 当x xb时 取x xb 即取 有 由 已知 M b h a a fy fy fc As 求 As未知数 x As 按As 未知重算 若x 2a 求解步骤 求x gs 2 截面复核 已知 b h a a As As fy fy fc求 Mu M未知数 受压区高度x和受弯承载力Mu两个未知数 有唯一解 当Mu M时 满足安全要求 两个特殊情况 当x xb时 如何求Mu 当x 2a 时 如何求Mu 可偏于安全的按下式计算 4 3 4T形截面正截面承载力计算 1挖去受拉区混凝土 形成T形截面 对受弯承载力没有影响 节省混凝土 减轻自重 受拉钢筋较多 可将截面底部适当增大 形成工形截面 工形截面的受弯承载力的计算与T形截面相同 1概述 受压翼缘越大 对截面受弯越有利 x减小 内力臂增大 但试验和理论分析均表明 整个受压翼缘混凝土的压应力增长并不是同步的 翼缘处的压应力与腹板处受压区压应力相比 存在滞后现象 随距腹板距离越远 滞后程度越大 受压翼缘压应力的分布是不均匀的 计算上为简化采有效翼缘宽度bf 认为在bf 范围内压应力为均匀分布 bf 范围以外部分的翼缘则不考虑 有效翼缘宽度也称为翼缘计算宽度 它与翼缘厚度h f 梁的宽度l0 受力情况 单独梁 整浇肋形楼盖梁 等因素有关 第一类T形截面 第二类T形截面 界限情况 4 6 2计算公式及适用条件 2 计算公式 T形截面的两种计算类型根据截面受压区高度来划分 第一类T形截面 第二类T形截面 界限情况 1 第一类T形截面的计算公式 计算公式与宽度等于bf 的矩形截面相同 基本思路 第一类T形截面与宽度为bf 的矩形截面相似 可借鉴矩形截面方法 2 第二类T形截面的计算公式 一 计算公式基本思路 第二类T形截面与双筋梁的矩形截面相似 可类比理解 把翼缘部分的作用看作受压钢筋 二 适用条件 第二类T形截面 为防止超筋脆性破坏 单筋部分应满足 3 公式应用 截面设计 一 第一类T形截面 计算公式与宽度等于bf h的矩形截面相同 已知 弯矩设计值M 截面b h a和a 材料强度fy fy fc 求 截面配筋 As rminbh0 二 第二类T形截面 M M1 M2 M2 M M1 按单筋截面计算As2 截面复核 已知 b h a a As As fy fy fc求 Mu M 第一类T形截面 一 第一类 形截面 二 第二类 形截面 Mu Mu1 Mu2 Mu安全 4 3 6构造要求一 梁的宽度和高度 为统一模板尺寸 便于施工 通常采用 梁宽度b 120 150 180 200 220 250 300 350 mm 梁高度h 250 300 750 800 900 mm 出于平面外稳定 lateralstability 的考虑 梁截面高宽比作出一定要求 矩形截面梁 h b 2 3 5 T形截面梁 h b 2 5 4 3 5深受弯构件正截面承载力计算 了解 二 板的截面尺寸 工程中应用较多为现浇板 对现浇板为矩形截面 高度h取板厚 宽度b取单位宽度 b 1000mm 出于耐久性及施工等多方面考虑 对现浇板的最小厚度要求也有规定 板的厚度按10mm增加 材料选择与一般构造一 混凝土梁 板常用混凝土强度等级为C20 C25 C30 C35 C4