注册土木工程师——水工钢筋混凝土结构复习.ppt

第4章钢筋混凝土结构 王清湘 4 1材料的力学性能 4 1 1钢筋的类别及力学性能4 1 1 1钢筋的种类和级别1 热轧钢筋2 冷拉钢筋3 冷轧带肋钢筋4 热处理钢筋5 碳素钢丝和钢绞线 4 1 1 2钢筋的力学性能 软钢ss es理想弹塑性本构模型 硬钢应力 应变曲线 4 1 1 3混凝土结构对钢筋性能的要求1 钢筋的强度2 钢筋的塑性3 钢筋的可焊性4 钢筋的耐火性5 钢筋与混凝土的粘结力 4 1 2混凝土的强度 变形及其影响因素4 1 2 1混凝土的强度1 混凝土立方体抗压强度及混凝土强度等级2 混凝土轴心抗压强度3 混凝土抗拉强度A 直接拉伸法B 劈裂法4 复合应力状态下混凝土的强度 4 1 2 2混凝土的变形1 一次短期荷载下的混凝土应力 应变曲线2 混凝土单轴受压应力 应变曲线的简化模型3 混凝土的弹性模量4 混凝土重复荷载下的变形性能5 荷载长期作用下混凝土的变形性能6 混凝土的收缩 混凝土在空气中结硬时体积减小的现象 混凝土的徐变混凝土的徐变是指混凝土在长期荷载作用下应变或变形随时间而增长的现象 影响混凝土徐变的因素很多 可主要归结为三个方面 加载史 混凝土内在因素 环境因素 1 应力越大徐变越大 当混凝土应力较大时 sc 0 5fc 产生非线性徐变 徐变变形比应力增长要快 荷载持续的时间越长 徐变越大 2 混凝土龄期越小 徐变越大 3 混凝土强度高 密实度高徐变小 4 水灰比越大徐变越大 当水灰比不变时 水泥用量越多徐变越大 5 构件的厚度小 徐变大 6 养护条件好 高温高湿 徐变小 4 1 2 3钢筋与混凝土共同工作的基础 1 钢筋与混凝土有大体相同的温度膨胀系数 钢材线膨胀系数为1 2 10 5 混凝土为 1 0 1 5 10 5 这样 在温度变化时 温度应力的影响一般可不予考虑 2 混凝土对钢筋起到很好的保护作用 可避免钢筋过早锈蚀 提高耐久性 3 钢筋与混凝土之间有很好的粘结作用 4 2钢筋混凝土结构基本计算原则 4 2 1现行水工混凝土结构设计规范采用的计算方法4 2 1 1结构功能的极限状态及其分类 4 2 1 2失效概率及可靠指标假定R S均符合正态分布Z R S 0时结构处于可靠状态Z R S 0时结构处于失效状态Z R S 0时结构处于极限状态 Z R S的概率分布曲线及 和Pf的关系 4 2 1 3荷载分类及荷载代表值1 荷载分类结构上的荷载 按其随时间的变异性不同可分为以下三类 1 永久荷载 恒荷载 2 可变荷载 活荷载 3 偶然荷载 2 荷载代表值 1 荷载标准值 2 可变荷载的组合值 3 可变荷载的准永久值 荷载的标准值的取值 4 2 1 3材料强度的标准值与设计值1 材料强度的标准值mf 材料强度平均值 sf 材料强度标准差 af 材料强度标准值的保证率系数 df 材料强度变异系数 2 材料的强度设计值混凝土 c 1 35软钢取 s 1 1 1 2 碳素钢丝 钢绞线 热处理钢筋等硬钢取 s 1 5 材料强度标准值 设计值 4 2 2 1承载力极限状态设计表达式1 基本组合 4 2 2概率极限状态设计的实用设计表达式 表4 2 4作用分项系数 偶然组合 1 偶然荷载的分项系数取为1 0 2 参与组合的某些可变荷载 可根据各类水工建筑物设计规范的规定做适当折减 3 结构系数gd按表4 2 3取用 表4 2 3承载能力极限状态计算时的结构系数gd值 4 2 2 2正常使用极限状态设计表达式短期组合长期组合C1 C2 结构的功能限值 裂缝宽度或挠度 Ss Sl 荷载效应短期组合及长期组合的功能函数fk 材料强度标准值r 可变荷载的准永久值系数 可参照有关荷载规范的规定及工程经验取用 4 3承载能力极限状态计算 4 3 1钢筋混凝土受弯构件正截面承载力计算4 3 1 1受弯构件截面形式4 3 1 2受弯构件正截面试验研究 梁的工作阶段A 试验结果分析B 梁的工作阶段 第 阶段 拉区混凝土未裂阶段 第 阶段 裂缝阶段 第 阶段 破坏阶段C 梁正截面破坏形态 适筋破坏 超筋破坏 少筋破坏 4 3 1 3正截面受弯承载力计算1 基本假定 1 平截面假定 2 不考虑受拉区混凝土参加工作 拉力完全由钢筋承担 3 采用理想化的混凝土的应力 应变 sc ec 关系曲线作为计算的依据 4 钢筋ss es关系曲线采用理想弹塑性模型 2 界限破坏及界限受压区高度 图4 3 10适筋 超筋 界限破坏时的截面平均应变图 As x0b h0 h b es ey Mu s0 fyAs Mu fc x0b h0 xb x0b fyAs ecu 图4 3 11界限破坏时的截面受压区高度及混凝土等效应力图形 界限破坏时截面实际相对界限受压区高度x0b 在实际设计计算中 用矩形等效应力图代替实际应力图 并近似取xb bx0b 故 水工规范b 0 8 ecu 0 0033 则 4 3 5 式中xb 相对界限受压区计算高度 xb 界限受压区计算高度 h0 截面有效高度 fy 钢筋抗拉强度设计值 Es 钢筋弹性模量 在进行构件配筋计算或承载力复核时 若计算出的相对受压区计算高度x x h0 xb 则为适筋破坏 若x x h0 xb 则为超筋破坏 从式 4 3 5 可以看出 相对界限受压区计算高度xb和钢筋等级有关 对于没有明显屈服点的钢筋 因ey fy Es 0 002 带入式 4 3 5 可得 4 3 1 4单筋矩形截面构件正截面承载力计算1 截面配筋设计 1 由式 4 3 13 计算 2 由 求x 3 若x xb 则求r xfc fy As rbh0 若Asxb 则梁会发生超筋破坏 应增大梁截面尺寸或提高混凝土强度或采用后面介绍的双筋截面 2 承载力复合 1 由式 4 3 11 计算x 2 如果x xb 则由式 4 3 12 计算Mu 如果x xb 则取x xb 仍由式 4 3 12 近似计算Mu 3 如果M Mu gd 则梁正截面承载力符合要求 否则梁正截面承载力不符合要求 4 3 2钢筋混凝土受弯构件斜截面承载力计算4 3 2 1概述4 3 2 2无腹筋梁的斜截面受剪破坏形态1 斜拉破坏2 剪压破坏3 斜压破坏 4 3 2 3影响梁斜截面承载力的主要因素1 剪跨比2 混凝土强度fc3 纵筋配筋率r 4 3 2 4有腹筋梁斜截面受剪承载力计算1 腹筋作用2 有腹筋梁的破坏形态3 有腹筋梁斜截面受剪承载力计算公式A 仅配箍筋 1 对一般的钢筋混凝土梁 2 对集中荷载作用下的矩形截面独立梁 B 同时配有箍筋和弯起钢筋 4 公式的适用范围A 上限当hw b 4时当hw b 6时当4 hw b 6时 按线性内插法确定 B 下限对 级钢筋 应使配箍率对 级钢筋 应使配箍率 4 3 3受扭构件承载力计算4 3 3 1概述4 3 3 2纯扭构件承载力计算1 变角空间桁架理论 图4 3 32空间桁架 2 规范给出的矩形截面纯扭构件承载力计算公式 T 设计扭矩 Tc 混凝土受扭承载力 Ts 箍筋及受扭纵筋受扭承载力 ft 混凝土受拉强度设计值 Wt 截面抗扭塑性抵抗矩 Wt b2 3h b 6 b为矩形截面短边 fyv 箍筋抗拉强度设计值 取值不大于310N mm2 受扭纵筋与箍筋的配筋强度比 由式 4 3 51 计算 尚应符合0 6 1 7的要求 纯扭构件承载力计算步骤如下 1 假定 值 例如令 1 0或1 2 2 由式 4 3 53 求出箍筋 可假定直径求出间距 3 由求出抗扭纵筋Ast 4 抗扭纵筋Ast沿周边均匀布置 至少应在四角布置 4 3 3 3剪扭构件承载力计算1 剪 扭相关性2 矩形截面剪扭构件承载力计算 剪扭构件的受剪承载力 剪扭构件的受扭承载力 对集中荷载作用下矩形截面剪扭构件的受剪承载力 4 3 3 4弯剪扭构件承载力计算1 矩形截面弯剪扭构件2 T形 工字形截面弯剪扭构件 弯剪扭构件截面配筋示意图 T形 工字形截面划分矩形截面的方法 1 3Ast 1 3Ast As 1 3Ast b f b f b b bf h h f h h f hf 4 3 3 5受扭构件的截面尺寸限值及构造要求4 3 4钢筋混凝土结构受压构件承载力的计算4 3 4 1轴心受压构件的承载力普通箍筋柱的设计计算 式中N 轴力设计值 含结构重要性系数 荷载分项系数和设计状况系数 gd 结构系数 一般取gd 1 2 A 构件截面面积 当纵向钢筋配筋率r 3 时 A应改为净截面面积An An A As As 全部纵向钢筋的截面面积 fc 混凝土的轴心抗压强度设计值 fy 纵向钢筋的抗压强度设计值 j 轴心受压构件的稳定系数 4 3 4 2偏心受压构件的承载力1 偏心受压构件的的破坏形态和分类A 大偏心受压破坏B 小偏心受压破坏C 界限破坏2 矩形偏心受压构件的基本计算公式 O C M M3 N3 B Mb Nb M1 N1 A N D M2 N2 偏心受压构件的弯矩轴力关系 3 不对称配筋矩形偏心受压构件的截面设计与承载力复合4 对称配筋矩形偏心受压构件的截面设计A 对称配筋大偏心受压构件截面设计如果2as x xbh0 如果x 2as B 对称配筋小偏心受压构件截面设计 C 对称配筋矩形截面偏心受压构件设计步骤 4 3 4 4矩形 T形和工字形截面的偏心受压构件 其斜截面受剪承载力应按下式计算 式中l 计算剪跨比 对框架柱 l hn 2h0 当l3时 取l 3 此处 Hn为柱净高 对其它偏心受压构件 当承受均布荷载时 取l 1 4 当承受集中荷载时 取l a h0 N 与剪力设计值V相应的轴向压力设计值 当N 0 3fcA时 取N 0 3fcA 此处A为构件的截面面积 4 3 5钢筋混凝土受拉构件承载力计算4 3 5 1概述4 3 5 2轴心受拉构件承载力计算4 3 5 3大偏心受拉构件正截面承载力计算4 3 5 4小偏心受拉构件正截面承载力计算 4 3 5 5矩形 T形和工字形截面的偏心受拉构 其斜截面受剪承载力应按下式计算 当式中右边的计算值小于时 取等于式中l 计算剪跨比 当承受均布荷载时 取l 1 4 当承受集中荷载时 取l3时 取l 3 N 与剪力设计值V相应的轴向拉力设计值 4 4正常使用极限状态验算 4 4 1钢筋混凝土构件裂缝控制验算4 4 1 1裂缝控制 1 抗裂验算 2 裂缝宽度验算 水工规范根据水工混凝土结构所处的环境可分为下列4个类别 一类 室内正常环境 二类 露天环境 长期处于地下或水下的环境 三类 水位变动区或有侵蚀性地下水的地下环境 四类 海水浪溅区及盐雾作用区 潮湿并有严重侵蚀性介质作用的环境 4 4 1 2裂缝的成因及对策1 直接由荷载引起的裂缝2 非荷载因素引起的裂缝A 由于温度变化引起的裂缝B 由于混凝土收缩引起的裂缝C 由于基础不均匀沉降所引起的裂缝D 由于混凝土塑性塌落所引起的裂缝E 由于冰冻所引起的裂缝F 由于钢筋锈蚀所引起的裂缝 生锈引起膨胀 沿筋开裂 在钢筋表面上由于生锈膨胀引起的裂缝 最后下部保护层脱落 G 由于碱骨料反应引起的裂缝 4 4 1 3正截面抗裂验算4 4 1 4裂缝宽度计算按荷载效应的短期组合及长期组合所求的的最大裂缝宽度可分别按下列公式计算 钢筋混凝土构件最大裂缝宽度计算中 按荷载效应的短期组合及长期组合计算时的纵向受拉钢筋应力可按下列公式计算 1 轴心受拉构件 2 受弯构件 4 4 2钢筋混凝土构件变形验算4 4 2 1受弯构件的短期刚度Bs 1 不出现裂缝的构件 2 出现裂缝的构件4 4 2 2受弯构件的长期刚度Bl 1 对应于荷载效应的短期组合 并考虑部分荷载的长期作用的影响 时 2 对应于荷载效应的长期组合时 4 5预应力混凝土结构 4 5 1预应力混凝土的基本概念所谓预应力混凝土结构 就是在结构受外荷载作用之前 预先人为的对混凝土预加压力 造成人为的应力状态 它所产生的预压应力能抵消外荷载所引起的大部分或全部拉应力 这样 在外荷载作用下 裂缝就能延缓发生或不致发生 即使发生了 裂缝宽度也比较小 4 5 2施加预应力的方法4 5 2 1先张法4 5 2 2后张法 4 5 3预应力钢筋张拉控制应力及预应力损失4 5 3 1预应力钢筋张拉控制应力scon张拉控制应力scon是指张拉钢筋时预应力钢筋达到的最大应力值4 5 3 2预应力损失1 张拉端锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失sl12 预应力钢筋与孔道壁之间的摩擦引起的预应力损失sl23 受张拉的钢筋与承受拉力的设备之间的温度差引起的预应力损失sl34 预应力钢筋的应力松弛引起的预应力损失sl45 混凝土收缩和徐变引起的预应力损失sl56 环形构件采用螺旋式预应力筋时局部挤压引起的预应力损失sl6 4 5 3 3预应力损失组合各项预应力损失是按不同张拉方式和不同时间分批发生的 水工规范将预应力损失分为两批 发生在混凝土预压前的为第一批预应力损失 发生在混凝土预压后的为第二批预应力损失 表4 5 2各阶段预应力损失值的组合 4 5 4混凝土预压应力spc的计算4 5 4 1轴心受拉构件当混凝土由于徐变ees发生时 对非预应力筋产生压应力 假定压应力为sl5 其反作用力Assl5使混凝土产生拉应力 因此在求spc时 将扣掉所有损失的预应力钢筋回弹力Ap scon sl 和非预应力筋反作用力Assl5视作外力共同作用在截面上 按材料力学的方法求混凝土应力 与受弯构件不同的是轴心受拉构件预压应力spc沿截面是均匀分布的 而受弯构件预压应力spc沿截面是不均匀分布的 spc AP scon sl Assl5 1 先张法 2 后张法 4 5 4 2受弯构件1 先张法 混凝土压应力 2 后张法 混凝土压应力 4 5 5预应力轴心受