工程结构复习.doc

绪论l 混凝土和钢筋共同工作的原因（1） 砼与钢筋的接触表面上存在有粘结力：化学胶结力、摩擦力、机械咬合力。（2）两者的温度线膨胀系数很接近，避免产生较大的温度应力破坏两者的粘结力，混凝土：1.010-51.5 10-5 / ，钢筋： 1.2 10-5 /（3）混凝土包裹在钢筋的外部，可使钢筋免于腐蚀或高温软化 l 钢管混凝土结构：充分发挥了钢管和混凝土两种材料的作用。对于混凝土而言，在荷载作用下，混凝土受到钢管的横向约束而处于三向应力状态，抗压性能和变形能力显著提高。对于管壁较薄的钢管，中间充填混凝土，解决了其受压状态下容易局部失稳的问题。第一章l 抗侧移刚度比较:筒体结构剪力墙框架剪力墙框架l 用于钢筋混凝土结构的热轧钢筋分为HPB235、HRB335、HRB400和RRB400四个级别。 l 钢筋的冷加工冷拉：在常温下用机械方法将有明显流幅的钢筋拉到超过屈服强度的某一应力值，然后卸载至零。钢筋在冷拉后，未经时效前，一般没有明显的屈服台阶； 经过停放或加热后进一步提高了屈服强度并恢复了屈服台阶，这种现象称为冷拉时效硬化。冷拔：将HPB235级热轧钢筋强行拔过小于其直径的硬质合金拔丝模具。经过几次冷拔的钢丝，抗拉、抗压强度均大大提高，但塑性降低。l 钢筋的塑性性能 （1）延伸率：延伸率越大，钢筋的塑性和变形能力越好。（2）冷弯性能：弯心直径越小，弯过的角度越大，冷弯性能越好，钢筋的塑性性能越好。l 混凝土结构对钢筋性能的要求 （1）钢筋强度高（2）足够的塑性 避免发生脆性破坏。（3）具有良好的加工性能（4）可焊性 要求钢筋具备良好的焊接性能。 （5）与混凝土具有良好的粘结 （6）对预应力钢筋还要求具有低松弛性能。 （7）适当的屈强比 保证构件具有一定的强度储备。l 立方体抗压强度 确定方法：用边长为150mm的标准立方体试件，在标准养护条件下（温度203，相对湿度不小于90%）养护28天后，按照标准试验方法（试件的承压面不涂润滑剂，加荷速度约每秒0.150.3N/mm2）测得的具有95%保证率的抗压强度，作为混凝土的立方抗压强度标准值，用符号fcu,k表示。l 轴心抗压强度 （见书）l 混凝土的复合受力强度 双向受力状态 双向受拉，接近单轴抗拉强度； 双向受压，混凝土的侧向变形受到约束，强度提高 ；一拉一压，加速了混凝土内部微裂缝的发展 ，抗拉、抗压强度均降低。 剪压或剪拉复合应力状态 随着拉应力的增大 ， 混凝土的抗剪强度降低。随着压应力的增大 ， 混凝土的抗剪强度逐渐增大；当压应力超过0.6fc后，抗剪强度随压应力增大而减小。三向受压状态 l 混凝土的徐变 定义：在不变荷载长期作用下，混凝土的变形随时间而缓慢增长的现象。l 影响徐变的因素加荷时混凝土的龄期越早，徐变越大；水泥用量越多，水灰比越大，徐变越大；骨料越硬，徐变越小；受荷前养护时的温度、湿度越高，水泥水化作用越充分，徐变越小；受荷所处的环境温度越高，徐变越大；环境相对湿度越低，徐变越大；高强混凝土的徐变明显小于普通混凝土。l 徐变对结构设计的影响： 使钢筋混凝土构件截面产生内力重分布； 使受弯构件和偏压构件的变形加大 ； 使预应力混凝土构件产生预应力损失 。l 混凝土的松弛混凝土的松弛是指在应变不变的情况下，混凝土中的应力会随时间的增加而逐渐降低的现象。l 粘结应力的组成 混凝土与钢筋表面的化学胶着力；（接触面的化学吸附作用力) 混凝土与钢筋接触面的摩擦力 ； 混凝土与钢筋表面凹凸不平的机械咬合力 。l 钢筋的锚固、连接P22l 混凝土保护层厚度混凝土保护层厚度指纵向受力钢筋及预应力钢筋外边缘到混凝土外表面的距离。 第二章l 结构的功能要求结构设计使结构在正常施工和正常使用的条件下，满足各项预定的功能要求，并取得最佳的经济效果 ，概括起来包括:安全性、适用性、耐久性三个方面。P26l “设计使用年限”：设计规定的结构或结构构件不需要进行大修即可按其预定目的使用的时期。l 耐久性结构在正常维护的条件下具有足够的耐久性能，即要求结构在规定的工作环境中，在预定时期内，在正常维护条件下结构能够使用到规定的设计使用年限。l 结构的极限状态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。极限状态实质上是区分结构可靠与失效的界限。l 极限状态分为两类：P27承载能力极限状态安全性正常使用极限状态适用性、耐久性l 永久荷载：在设计基准期内其量值不随时间而变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计；l 可变荷载：设计基准期内随时间变化，且其变化与平均值相比不可忽略，如楼面活荷载和积灰荷载、风载等。l 偶然荷载：在设计基准期内不一定出现，而一旦出现其量值很大且持续时间很短的作用，如地震、爆炸、撞击等。l 荷载标准值是荷载的基本代表值。荷载标准值可由设计基准期最大荷载概率分布的某一分位值确定P29l 可变荷载准永久值荷载的准永久值是指按正常使用极限状态设计时，考虑荷载效应准永久组合时所采用的代表值。可变荷载在设计基准期内会随时间而发生变化。在设计基准期内经常达到或超过的那部分荷载值（总的持续时间不低于25年），称为可变荷载准永久值。它对结构的影响类似于永久荷载。 可变荷载准永久值可表示为qk ，其中k为可变荷载标准值，q为可变荷载准永久值系数。 l 可变荷载频遇值：对可变荷载，在设计基准期内，其超越的总时间为规定的较小比率或超越频率为规定频率的荷载值称为可变荷载频遇值。换言之，可变荷载频遇值是指在设计基准期内被超越的总时间仅为设计基准期一小部分的荷载值。 可变荷载频遇值可表示为fk。其中f为可变荷载频遇值系数。 l 可变荷载组合值：当两种或两种以上可变荷载同时作用于结构上时，所有可变荷载同时达到其单独出现时可能达到的最大值的概率极小，因此，除主导荷载（产生最大效应的荷载）仍可以其标准值为代表值外，其他伴随荷载均应以小于标准值的荷载值为代表值，此即可变荷载组合值。 可变荷载组合值可表示为ck 。其中c 为可变荷载组合值系数。 l 设计基准期是指为确定可变作用及与时间有关的材料性能等取值而选用的时间参数。统一标准规定设计基准期为50年。 l 材料强度标准值是材料按极限状态设计时采用的材料强度基本代表值。材料强度标准值应根据符合规定质量的材料强度的概率分布的某一分位值确定。l 材料强度设计值：材料强度标准值除以材料分项系数。l 结构构件完成预定功能的工作状态可以用效应S和结构抗力R的关系式来描述，称为结构功能函数，用Z表示：P31l 结构的可靠性指标P32l 设计规范所规定的、作为设计结构或结构构件时所应达到的可靠指标，称为设计可靠指标，它是根据设计所要求达到的结构可靠度而取定的，所以又称为目标可靠指标。l 荷载效应的基本组合（计算）、标准组合（计算）、频遇组合、准永久组合；承载能力极限状态设计表达式、正常使用极限状态设计表达式 P34l 结构抗力是指整个结构或结构构件承受和抵抗荷载效应（即内力和变形）的能力，如构件截面的承载力、刚度等。用R表示.l 影响抗力的主要因素有：l 影响混凝土耐久性的因素主要有： 混凝土的碳化、化学侵蚀、冻融破坏、温湿度变化、碱骨料反应以及机械和生物作用等； 水、氧和氯离子的入侵腐蚀、应力腐蚀及疲劳、冷脆、氢脆等。第三章l 分布钢筋的作用是：将板面的荷载更均匀地传递给受力钢筋，施工过程中固定受力钢筋的位置，以及抵抗温度和混凝土的收缩应力等。l 混凝土保护层有三个作用：1)保护纵向钢筋不被锈蚀；2)在火灾等情况下，使钢筋的温度上升缓慢；3)使纵向钢筋与混凝土有较好的粘结。l 梁、板、柱的混凝土保护层厚度与环境类别和混凝土强度等级有关，见附表3-2。此外，纵向受力钢筋的混凝土保护层最小厚度(从钢筋外边缘到混凝土表面的距离)尚不应小于钢筋的公称直径。（混凝土规范9.2.1条）l 随着配筋率从小到大，截面破坏性质分为少筋破坏、适筋破坏和超筋破坏三类（过程很重要！）（1）适筋破坏形态 当minb时发生适筋破坏形态，min、b分别为纵向受拉钢筋的最小配筋率、界限配筋率； 一开裂，砼应力由裂缝截面处的钢筋承担， 荷载继续增加， 裂缝不断加宽。受拉钢筋屈服, 压区砼压碎； 破坏前裂缝、变形有明显的发展, 有破坏征兆, 属延性破坏； 钢材和砼材料充分发挥； 设计允许。（2）少筋破坏形态 当b时发生超筋破坏形态。 开裂, 裂缝多而细、延伸不高，钢筋应力不高, 最终由于压区砼压碎而崩溃； 裂缝、变形均不太明显, 破坏具有脆性性质。 钢材未充分发挥作用； 设计不允许。l 由上图的两个明显的转折点，适筋梁正截面受弯的全过程可划分为三个阶段。第阶段：从加荷到受拉区混凝土即将开裂，弹性工作阶段。混凝土没有开裂；受压区混凝土的应力图形是直线，受拉区混凝土的应力图形在第一阶段前期是直线，后期是曲线(受拉区边缘处混凝土将首先开始表现出塑性性质)；弯矩与截面曲率基本上是直线关系。 第a阶段(第阶段末)：在弯矩增加到Mcr时，受拉区边缘纤维应变恰好到达混凝土受弯时极限拉应变tu，梁处于将裂未裂的极限状态，此即第阶段末，以a表示。a可作为受弯构件抗裂度计算的依据。（当构件不允许出现裂缝时，以此状态作为计算依据） 第二阶段 从混凝土截面开裂至纵向受拉钢筋屈服前的带裂缝阶段。 裂缝截面处，受拉区大部分砼退出工作，拉力主要由纵向受拉钢筋承担，但钢筋没有屈服； 受压区混凝土已有塑性变形，但不充分，压应力图形呈曲线变化； 截面曲率与挠度的增长加快了。第a阶段(第阶段末)：当弯矩继续增加使得受拉钢筋应力将要达到屈服强度（fy）时，称为第阶）第二阶段截面的段末，以a 表示。第阶段相当于梁使用时的应力状态，可作为使用阶段验算变形和裂缝开展宽度的依据。（当构件对变形和裂缝宽度有限值要求时，以此状态作为计算依据。第阶段：从钢筋屈服到受压区最外边缘纤维压应变到达混凝土受弯时的极限压应变，在裂缝截面处，受拉区大部分砼已退出工作，纵向受拉钢筋屈服，拉力保持为常值，弯矩还略有增加； 受压区混凝土压应力曲线图形比较丰满，有上升段曲线，也有下降段曲线；受压区边缘混凝土压应变达到其极限压应变试验值cu时，混凝土被压碎，截面破坏； 弯矩与截面曲率为接近水平的曲线。钢筋的总拉力不再增大，但由于中和轴不断上升受压区高度不断减小，内力臂略有增加，故弯矩略有增大。 第a阶段(第阶段末)：当受压边缘的混凝土达到极限应变时，出现水平裂缝而被压碎，梁破坏，此刻称为第a阶段，第a阶段可作为承载力的计算依据。（任何受弯构件，均应进行正截面受弯承载力计算）l 两个图形等效条件是：压应力的合力大小相等；压应力的合力作用位置相同。 l 计算题见书l 受弯构件是指截面上通常有弯矩和剪力共同作用而轴力可以忽略不计的构件。l 钢筋混凝土塑性铰的转动能力取决于混凝土的变形能力。混凝土塑性铰与理想铰的区别：(1) 塑性铰能承受弯矩，而普通铰不能承受弯矩；(2) 塑性铰只能沿弯矩作用方向绕中和轴单向转动，而理想铰可沿任意方向转动；(3) 塑性铰的转动范围有限（从钢筋屈服到混凝土压碎）,理想铰转动能力无限制。P55哪些情况采用双筋矩形截面：如果在受压区配置的纵向受压钢筋数量比较多，不仅起架立钢筋的作用，而且在正截面受弯承载力的计算中考虑这种钢筋的受压作用，则这样配筋的截面称为双筋截面。在受压区配置钢筋来帮助混凝土承受压力是不经济的，但在下列情况下，可采用双筋截面P63l 计算题见书第四章l 斜截面破坏的主要形态：根据临界斜裂缝的位置和发展情况，可将斜截面破坏的形态归结为斜拉、剪压和斜压三种破坏类型。P87（分有无腹筋梁） 斜拉破坏(3、箍筋配置较少)：剪弯区突然出现斜裂缝，就迅速向受压区斜向延伸，并很快发展为临界斜裂缝，使梁斜拉为两部分而破坏。裂缝处，（若有）箍筋不足而很快屈服，不能抑制斜裂缝开展。这种梁的破坏荷载与出现斜裂缝时的荷载很接近，破坏过程急骤，破坏前梁的变形很小，并且往往只有一条斜裂缝。所以破坏无预兆地突然发生，属脆性破坏。梁的情况：无腹筋或腹筋很少，或集中荷载作用点至支座的距离较远。抗剪能力：主要取决于混凝土的抗拉强度ft。 剪压破坏（1 3，箍筋适量）：在剪弯区首先出现一些垂直裂缝和细微的斜裂缝，随着荷载的增加，斜裂缝的某一条发展成为临界斜裂缝，承载力没有很快丧失，荷载可继续增加，并在荷载增加过程中，继续向上伸展，如果梁内配有腹筋，则与临界斜裂缝相交的腹筋相继屈服，临界斜裂缝末端剪压区的混凝土在正应力和剪应力共同作用下，处于两向应力状态，且主压应力远大于主拉应力，最后使混凝土压碎而导致斜截面破坏这种破坏有一定预兆，破坏荷载明显高于出现斜裂缝时的荷载，但破坏前，跨中挠度不大，仍属于脆性破坏。梁的情况：腹筋配置适中，且集中荷载作用点到支座的距离适中。抗剪能力：主要取决于剪压区混凝土的复合强度。是工程设计中考虑的一种破坏形态。 斜压破坏(1，箍筋配置较多)：由于剪应力起主导作用，所以，首先在梁腹部出现若干条互相平行的腹剪型斜裂缝（该处剪应力最大），并向支座和集中荷载作用处发展，随着荷载的增加，梁腹部被这些斜裂缝分割成若干个斜向短柱，最后因短柱混凝土被压碎而破坏，破坏时腹筋往往不屈服。这种破坏的破坏荷载较高，但变形很小，属脆性破坏。梁的情况：腹筋配置过多，或集中荷载距支座较近以及梁腹很薄的T形或工形梁。抗剪能力：主要取决于混凝土的轴心抗压强度fc。l 影响因素P90l 剪跨比的定义P87l 按实际配置的纵向钢筋绘制的梁上各正截面所能抵抗的弯矩图，称抵抗弯矩图，简称材料图。第五章l 工程中有两类受扭构件：(1) 构件中的扭矩可以直接由荷载静力平衡求出的，称为平衡扭转。受扭构件必须具有足够的抗扭承载力，否则结构破坏（静定结构）。(2) 扭矩大小与受扭构件的抗扭刚度有关，称为协调扭转。超静定结构中，扭矩是由相邻构件的变形产生。钢筋混凝土纯扭构件，开裂前钢筋中的应力很小，开裂后不立即破坏，裂缝可以不断增加，随着钢筋用量的不同，有不同的破坏形态。(1) 少筋破坏：裂后钢筋应力激增，构件破坏，呈脆性破坏特征。承载力取决与混凝土的抗拉强度。(2) 适筋破坏：裂后钢筋应力增加，继续开裂，钢筋屈服，混凝土压碎，构件破坏，具有一定的延性。(3) 超筋破坏：受扭的纵向钢筋和受扭箍筋都过量配置，裂后钢筋应力增加，继续开裂，混凝土压碎，构件破坏，钢筋未屈服。属于无预兆的脆性破坏。承载力取决于混凝土的抗压强度。(4) 部分超筋破坏：裂后钢筋应力增加，继续开裂，混凝土压碎，构件破坏，纵筋或箍筋未屈服。 设计时应避免出现少筋破坏、超筋破坏和部分超筋破坏。l 用配筋强度比来表示受扭纵筋和受扭箍筋两者之间的强度关系：P112试验表明，只有当值在一定范围（0.52.0）内时，才能保证构件破坏时两种受扭钢筋的强度都得到充分利用，这类构件称为适量配筋构件，是抗扭设计的目标。规范规定：0.6 1.7。一般取（1.01.3），1.2最佳。l 破坏形态与三个外力之间的比例关系和配筋情况有关，主要有三种破坏形式：弯型破坏、扭型破坏和剪扭型破坏三种：弯型破坏、扭型破坏、剪扭型破坏。P114第六章l 钢筋混凝土柱规定最小配筋率的原因：为提高受压构件的延性，轴心受压构件、偏心受压构件全部纵筋的配筋率不应小于0.6%，且不宜超过5%，以免造成浪费。同时，一侧钢筋的配筋率不应小于0.2%。(按构件的全截面面积计算，见P453，附表9)。实验表明，收缩和徐变能使混凝土中的压应力逐渐向钢筋转移，从而使钢筋压应力不断增长。规定柱的最小配筋率，防止柱中钢筋应力在持续使用荷载作用下屈服。l 纵筋的作用：协助混凝土承担轴向压力；防止构件突然破坏的脆性性质；承受构件失稳破坏时凸出面出现的拉力以及由于荷载的初偏心或其它偶然因素引起的附加弯矩在构件中产生的拉力；减少混凝土的徐变变形。l 箍筋的作用：普通箍筋与纵筋形成骨架，承受剪力，防止纵筋在混凝土压碎前向外压屈（凸出），保证纵筋与混凝土共同受力，直到构件破坏；约束核心混凝土，并与纵向钢筋一起在一定程度上改善构件的脆性破坏性质，提高极限压应变。l 轴心受压短柱、长柱的破坏形态：对短柱，试验表明，在轴心荷载作用下，整个截面的应变基本上是均匀分布的，当荷载较小时，混凝土和钢筋都处于弹性阶段，柱子压缩变形的增加与荷载的增长成正比，但荷载稍大后，由于混凝土塑性变形的发展，压缩变形增加的速度快于荷载的增长速度。 随着荷载继续增加，柱中开始出现细微的纵向裂缝，在临近破坏荷载时，纵向裂缝变得更明显，箍筋间的纵筋发生压屈，向外凸出，呈灯笼状，混凝土被压碎，而整个柱破坏，破坏是以混凝土被压碎为标志的（初偏心无影响）对长柱，初偏心影响不能忽略，构件受荷后，由于初始偏心距将产生附加弯矩，而附加弯矩产生的水平挠度有加大了原来的初始偏心距。这样互相影响的结果，使长柱最终在轴力和弯矩的共同作用下发生破坏。破坏时受压一侧往往产生较长的纵向裂缝，箍筋之间的纵筋被压屈，向外凸出，混凝土被压碎，而另一侧的混凝土则被拉裂，在构件高度中部发生横向裂缝，这实际是偏心受压的破坏特征。l 大小偏心受压构件的破坏形态大偏心受压破坏（受拉破坏）： 截面受拉侧混凝土较早出现裂缝，As的应力随荷载增加发展较快，首先达到屈服。 此后，裂缝迅速开展，受压区高度减小 最后受压侧钢筋As 受压屈服，压区混凝土压碎而达到破坏。 这种破坏具有明显预兆，变形能力较大，破坏特征与配有受压钢筋的适筋梁相似，承载力主要取决于受拉侧钢筋。破坏始自受拉钢筋先屈服，最后受压区混凝土被压碎而破坏，破坏时一般受压钢筋也能达到屈服强度。属塑性破坏。 形成这种破坏的条件是：偏心距e0较大，且受拉侧纵向钢筋配筋率合适。 小偏心受压破坏： 截面受压侧混凝土和钢筋的受力较大； 受拉侧钢筋应力较小； 当相对偏心距e0/h0很小时，受拉侧还可能出现受压情况； 截面最后是由于受压区混凝土首先压碎而达到破坏； 承载力主要取决于压区混凝土和受压侧钢筋，破坏时受压区高度较大，受拉侧钢筋未达到受拉屈服，破坏具有脆性性质； 第二种情况在设计应予避免，因此受压破坏一般为偏心距较小的情况，故常称为小偏心受压。l N-M包络图 对于小偏压，Nu增大Mu减小或Mu增大Nu减小； 对于大偏压，Nu增大Mu增大或Nu减小Mu减小。曲线里面是安全区，外面是非安全区。 Mu=0，Nu最大；Nu=0时，Mu不是最大：界限破坏时，N=Nb，Mu最大。 对称配筋时，如果截面形状和尺寸相同，混凝土强度等级和钢筋级别也相同，但配筋量不同，则在界限破坏时，它们的Nu是相同的(因为Nu=afcbxb)，因此各条N-M曲线的界限破坏点在同一水平处。l N-M相关曲线的应用：小偏压，N，M，越不安全；大偏压，M，N，越不安全例：对大偏压构件，下面四种内力组合：(A) M=450kNm，N=1000kN；(B) M=400 kNm，N=1010 kN；(C) M=400 kNm，N=1200 kN；(D) M=450 kNm，N=900 kN。哪组为最不利组合。 对小偏压构件，下面四种内力组合：(1) M=65 kNm，N=2400 kN；(2) M=70 kNm，N=2400 kN；(C) M=60 kNm，N=2400 kN；(D) M=60 kNm，N=2300 kN。哪组为最不利组合。l 轴心受拉构件的破坏过程(1) 混凝土开裂前 开始加载时，轴心拉力很小，混凝土和钢筋都处于弹性受力状态。如果荷载继续增加，混凝土和钢筋的应力仍将继续加大，当混凝土的应力达到其抗拉强度值时，构件即将开裂。(2) 混凝土开裂后 构件开裂后，裂缝截面与构件轴线垂直，并且贯穿于整个截面（截面全部裂通）。在裂缝截面上，混凝土退出工作，即不能承担拉力，所有外力全部由钢筋承受。在开裂前和开裂后的瞬间，裂缝截面处的钢筋应力发生突变。由于钢筋的抗拉强度远高于混凝土的抗拉强度，所以构件开裂一般并不意味着丧失承载力，因而荷载还可以继续增加，新的裂缝也将产生，原有的裂缝将随荷载的增加不断加宽。(3) 破坏阶段 当钢筋屈服时，构件进入破坏阶段。l 偏心受拉构件的受力特点 小偏拉 由于拉力在As和As/之间，故临近破坏时截面全部裂通，拉力完全由钢筋承担，As和As/一般都能受拉屈服。大偏拉 由于拉力作用在As和As/之外，随N增大，靠近N一侧的混凝土开裂，但不会裂通，最终破坏特征取决于As的多少，当As适量时，As先屈服，最后混凝土压碎而破坏（As/也能屈服）（同大偏压，多数情况），As当过多时，混凝土压碎时，As没有屈服（类似小偏压），属脆性破坏（少数情况）。注：偏拉构件也产生纵向弯曲，但与偏压相反，纵向弯曲使截面的弯矩M减小，这在设计中不考虑（