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2011年9月 目录 0绪论 1 钢筋混凝土的一般概念及材料的主要力学性能 2 钢筋混凝土结构计算的基本原理 3 受弯构件承载力计算与构造 4 钢筋混凝土构件的变形与裂缝计算 5 钢筋混凝土受压构件承载力计算 8 预应力混凝土构件 6 钢筋混凝土受扭构件承载力计算 目录 9 钢筋混凝土梁板结构 11 多层及高层房屋结构概论 13 砌体材料及其力学性能 14 砌体结构构件的承载力计算 15 混合结构房屋墙 柱设计15 1房屋结构布置方案 绪论 0 1建筑结构的分类及应用 基本建筑构件 板 梁 柱 墙 基础等建筑结构 由基本建筑构件组成的建筑物承重骨架建筑结构的要求 安全性 实用性 耐久性 绪论 0 2建筑结构的发展简况 材料方面古代 砖 木结构近代 钢筋混凝土结构和钢结构计算理论古代 近似计算近代 20世纪40年代 考虑砼塑性性能的破坏阶段计算方法 采用了单一的安全系数 50年代 极限状态计算 规定了极限状态 有三个系数 荷载 材料系数和工作条件系数 1966年规范 近来 以概率论为基础的极限状态计算法 89年规范及新规范 GBI10 89 GB50010 2002 绪论 施工工艺方面向着工业化 定型化 标准化方向发展 施工技术方面大模板滑模施工 预应力混凝土平板楼盖等 总之 高强度 高性能的材料的应用 计算理论的更加科学合理 重量更轻 跨度更大 安全性 耐久性更好 施工更方便快捷是今后的发展方向 绪论 0 3本课程内容特点及要求 内容 钢筋混凝土结构 基本结构和房屋结构 砌体结构特点 本课程所述材料的力学性能与材料力学所学内容有许多相似之处 但也有不同之处 主要在均质和非均质 弹性和弹塑性等之分 建筑结构的计算方法 绝大部分是建立在实验的基础上 目前尚无完善的理论 应十分注重试验和各公式的使用条件和范围 内力分析和变形计算的理论来自结构力学 但 考虑到结构的实际 又建立了一套自身的计算方法 应注意他们的联系和区别 本课程除了进行构件的强度和变形计算外 还要解决 绪论 结构设计问题 包括结构方案 构件选型 材料选择和构造要求等 综合性和实践性很强 构造要求和结构计算同样重要 我们专业更应注重构造要求 要求 在本课程学习的同时 要熟悉和重视国家最新颁布的建筑结构 规范 对现行各种 规范 的条款要理会 熟悉并学会应用 本课程涉及的众多构造要求是非常重要的 要充分重视对构造要求的学习 并加深理解其中的道理 本课程是一门实践性很强的课程 学好本课程的关键 实践性环节在其中起着十分重要的作用 在理论学习的过程中 要注重联系实际 多到施工现场及预制构件厂去实习 观摩 参观 多动手 勤思考 重理解 会分析 结合施工图的识读 积累实践经验 钢筋混凝土的一般概念及材料的主要力学性能1 1 P1 P2 a 钢筋混凝土的一般概念和特点 概念 由钢筋和混凝土结合在一起共同工作的材料 该材料可充分利用混凝土的抗压性能和钢筋的抗拉性能 特点 与砖木结构相比强度高 钢材用量少 耐久性好 耐火性好 可模性好 整体性好 材料来源广泛 图1 1素混凝土和钢筋混凝土波怀情况对比 软刚和硬刚钢筋的强度和变形性能主要由单向拉伸测得的应力应变曲线来表征 试验表明 钢筋的拉伸应力应变曲线可分为两类 有明显的流幅的钢筋 也称为软钢 见图1 2 没有明显流幅的钢筋 也称为硬钢 见图1 3 比例极限有明显流幅的钢筋应力应变曲线 轴向拉伸时 在达到比例极限a点之前 材料处于弹性阶段 软钢应力与应变的比值为常数 即为钢筋的弹性模量Es a为应力应变成比例的极限状态 它所对应的应力称为比例极限 钢筋的主要力学性能1 2 1 a b c d e 屈服极限当应力达到b点后 材料开始屈服 b点称屈服的上限点 过点后 应力与应变曲线出现上下波动 形成一个明显的屈服台阶 屈服台阶的下限c点所对应的应力称为 屈服强度 钢筋的主要力学性能 钢筋的强度和变形 极限强度当钢筋屈服塑流到一定程度 即到达点以后 应力应变曲线又开始上升 抗拉能力有所提高 随着曲线上升到最高点d 相应的应力称为钢筋的极限强度 cd段称为钢筋的强化阶段 过了d点以后 钢筋在薄弱处的断面将显着缩小 发生局部颈缩现象 变形迅速增加 应力随之下降 直到过点时试件被拉断 图 钢筋的主要力学性能 0 85 b b 0 2 条件屈服强度 硬刚 高碳钢与低碳钢不同 见图1 3 它没有明显的屈服台阶 塑性变形小 延伸率亦小 但极限强度高 通常用残余应变为0 2 的应力 约0 85 b作为假想屈服点 或称条件屈服点 用 0 2表示 0 85 b作为条件屈服强度 b极限抗拉强度值 图 钢筋的伸长率除强度指标外 钢筋还应具有一定的塑性变形能力 反映钢筋塑性性能的基本指标是伸长率和冷弯性能 所谓伸长率即钢筋拉断后的伸长值与原长的比率 钢筋的主要力学性能 1 1 式中 伸长率 L 试件受力前的标距长度 有5d 10d 100d L1 试件拉断后的标距长度伸长率越大的钢筋塑性越好 即拉伸前有足够的伸长 使构件的破坏有预兆 反之构件的破坏具有突发性而呈现脆性 钢筋的主要力学性能 钢筋的冷弯性能为了使钢筋在加工成型时不发生断裂 要求钢筋具有一定的冷弯性能 冷弯是将直径为d的钢筋绕某一规定直径为D的钢辊进行弯曲 在达到规定的冷弯角度 1800 时钢筋不发生裂纹 鳞落或断裂 就表示合格 见表1 1 表1 1各种钢筋伸长率及冷弯试验要求 5 表示试件长度为5d的钢筋的伸长率 钢筋的主要力学性能1 2 2 钢筋的成分 分类 级别 品种 成分 钢筋的主要成分为铁 还有少量的碳 锰 硅 钒 钛及一些有害元素如磷 硫等 刚材的强度随含碳量的增加而增加 但其塑性性能及可焊性随之降低 锰 硅 钒 钛等少量合金元素可是钢材的强度 塑性等综合性能提高 分类 我国建筑工程中采用的钢筋 按化学成分可分为碳素钢和普通低合金钢两大类 含碳量小于0 25 的碳素钢称为低碳钢或软钢 含碳量为0 6 1 4 的碳素钢称为高碳钢或硬钢 在碳素钢的元素中加入少量的合金元素 就成为普通低合金钢 如20MnSi 20MnSiV 20MnSiNb 20MnTi等 钢筋的主要力学性能 级别及品种 我国建筑工程中采用的钢筋 国产普通钢筋有以下4级 热轧光面235级 热轧带肋335级 HRB400 20MnSiV 20MnSiNb 20MnTi 热轧带肋400级 RRB400 K20MnSi 余热处理钢筋400级 用HRB335 20MnSi 穿水热处理而成 各级别性能见图1 420表示含碳量为0 2 其余合金元素的含量在1 5 以下 k为控制的意思 图 钢筋的主要力学性能 表1 2普通钢筋强度标准值及设计值 N mm2 注 1 当d大于40mm时 应有可靠的工程经验 2 fyk钢筋的标准强度 具有95 以上的保证率 由屈服极限确定 3 fy钢筋的抗拉强度设计值 fy 钢筋的抗压强度设计值 钢筋的主要力学性能 表1 3预应力钢筋强度标准值及设计值 N mm2 钢筋的主要力学性能 表1 4钢筋弹性模量 105N mm2 注 必要时钢铰线可采用实测的弹性模量 钢筋的主要力学性能 热处理钢筋上面所述为普通钢筋 而预应力钢筋采用热处理钢筋 由40Si2Mn d 6 48Si2Mn d 8 2 和45Si2Cr d 10 等通过加热 淬火和回火等调质工艺处理制成的 热处理钢筋又称调质钢筋 钢丝钢丝主要用于预应力混凝土结构中 有消除应力的光面钢丝 螺旋肋钢丝和三面刻痕钢丝三种 冷拔低碳钢丝由低碳热轧钢筋经冷拔制成 分为两个级别 甲级和乙级 冷拔低碳钢丝的延性较差 新 规范 中也未列入 若在建筑工程中采用时 应遵守专门规程的规定 钢丝 直径在5mm以内 可以是单根的 也可以编成钢绞线或钢丝束 钢筋的主要力学性能 钢绞线钢绞线是由多根高强钢丝在绞丝机上绞合 再经低温回火制成 按其股数可分为3股和7股两种 高强钢丝 钢绞线的强度可达1700N mm2以上 钢筋的主要力学性能1 2 3 钢筋的冷拉和冷拔 1 冷拉冷拉是将钢筋拉到超过钢筋屈服强度的某一应力值 以提高钢筋的抗拉强度 达到节约钢材的目的 冷拉能提高钢筋抗拉强度 但不能提高抗压强度 冷拉能使钢筋伸长 能节省钢材 调直钢筋 自动除锈 检查焊接质量的作用 2 冷拔冷拔是将 6 8的HPB235级钢筋 用强力从直径较小的硬质合金拔丝模拔出使它产生塑性变形 拔成较细直径的钢丝 以提高其强度的冷加工方法 冷拔后钢筋的强度得到了较大的提高 但塑性却有较大的降低 经过冷拔加工的低碳钢丝 须逐盘检验 分为甲 乙两级 甲级用作预应力钢筋 乙级用作非预应力钢筋 1 2钢筋的主要力学性能 k k l k k d e 1 2钢筋的主要力学性能 冷拉只能提高钢筋的抗拉强度 故不宜用作受压钢筋 而冷拔可同时提高抗拉和抗压强度 必须指出 上述冷加工钢筋以大幅度牺牲延性来换取强度的有限提高 终究不是提高结构性能的有效途径 近年来 强度高 性能好的钢筋 钢丝 钢绞丝 在我国已可充分供应 故冷拉钢筋和冷拔钢丝不在列入新 混凝土规范 但并不是不允许使用这些钢筋 当应用这些钢筋时 应符合专门规程的规定 1 2钢筋的主要力学性能1 2 4 1 2 4钢筋的形式 b a c d 光面钢筋 a HPB235带肋钢筋 b d b 螺纹钢筋 c 人字纹钢筋 d 月牙形钢筋我国带肋钢筋的外形目前生产的是月牙形 HRB335 表面有阿拉伯数字 2 HRB400 表面有阿拉伯数字 3 1 2钢筋的主要力学性能1 2 5 1 2 5建筑结构对钢筋的要求及选择原则 要求强度要求 塑性要求 可焊性要求 与混凝土的粘结力选择的原则在实际工程应用中 基于混凝土对钢筋性能的要求 确定的选用原则为 钢筋混凝土结构以HRB400级热轧带肋钢筋为主导钢筋 实际工程中 普通钢筋宜采用HRB400级和HRB335级钢筋 也可采用HPB235级及RRB400级钢筋 预应力混凝土结构以高强 低松弛钢丝 钢绞线为主导钢筋 预应力钢筋宜采用预应力钢丝 钢绞线 也可采用热处理钢筋 各种形式的冷加工钢筋应整顿市场 加强管理 保证质量 提高性能 通过市场竞争优化或淘汰 购买钢筋应要求厂家提供三项力学性能 抗拉强度 屈服强度 伸长率 两项化学性能 磷 硫含量 1 3混凝土的主要力学性能1 3 1 1 3混凝土的主要力学性能1 3 1混凝土的强度 1 混凝土的立方体抗压强 fcu 度及强度等级混凝土结构中 主要是利用它的抗压强度 因此抗压强度是混凝土力学性能中最主要和最基本的指标 混凝土的强度等级是用抗压强度来划分的混凝土强度等级 边长150mm立方体标准试件 在标准条件下 20 3 90 湿度 养护28天 用标准试验方法 加载速度0 15 0 3N mm2 sec 两端不涂润滑剂 测得的具有95 保证率的立方体抗压强度 用符号C表示 C30表示fcu k 30N mm2 fcu k混凝土强度标准值 注意 fcu与fcu k的区别在于是否具有95 的保证率根据 规范 强度范围 从C15 C80共划分为14个强度等级 级差为5N mm2 与原 规范GBJ10 89 相比 混凝土强度等级范围由C60提高到C80 C50以上为高强混凝土 1 3混凝土的主要力学性能 如果采用的是100mm 200mm的非标准试件 应乘以0 95 1 05的系数将其折算成标准试件 规范 GB50010 2 2 4 1 2规定 在钢筋混凝土结构中 混凝土的强度等级不宜低于C15 当采用HRB335级钢筋时 混凝土强度等级不应低于C20 当采用HRB400和RRB400级钢筋以及的对承受重复荷载的构件 混凝土强度等级不得低于C20 预应力混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C30 当采用预应力钢丝 钢绞线 热处理钢筋作预应力钢筋时 混凝土强度等级不宜低于C40 1 3混凝土的主要力学性能 2 混凝土轴心抗压强度实际工程中 一般的受压构件不是立方体而是棱柱体 即构件的高度要比截面的尺寸大 一般用h b 3 4的棱柱体抗压强度来代表混凝土单向均匀受压时的抗压强度 轴心抗压强度采用棱柱体试件测定 用符号fc表示 它比较接近实际构件中混凝土的受压情况 我国通常取150mm 150mm 450mm的棱柱体试件 也常用100 100 300试件 对于同一混凝土 棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度 棱柱体抗压强度和立方体抗压强度的换算关系为 混凝土的轴心抗压设计强度 fc fck c 1 3混凝土的主要力学性能 式中 fck 混凝土轴心抗压强度标准值fc 混凝土轴心抗压强度设计值0 88 实验试件与实际结构的差异修正系数 c1 棱柱体抗压强度与立方体抗压强度的比值 对C50以下取0 76 对C80取0 82 其间按线性差值计算 c2 C40以上混凝土脆性折减系数 C40取1 0 C80取0 87 其间按线性差值计算 c 混凝土材料分项系数 取1 4 1 3混凝土的主要力学性能 3 混凝土轴心抗拉强度混凝土轴心抗拉强度ft是采用100mm 100mm 500mm的棱柱体 两端设有螺纹钢筋 图1 7 在实验机上受拉来测定的 当试件拉裂时测得的平均拉应力即为混凝土的轴心抗拉强度 实验表明 混凝土的抗拉强度比抗压强度低得多 混凝土轴心抗拉强度只是混凝土立方体抗压强度的1 17 1 8倍 而且随混凝土强度等级的提高而减小 通过实验 新规范按下式计算 图 1 7 1 3混凝土的主要力学性能 式中 ftk 混凝土轴心抗拉强度标准值ft 混凝土轴心抗拉强度设计值 c2 C40以上混凝土脆性折减系数 C40取1 0 C80取0 87 其间按线性差值计算 混凝土立方体强度变异系数 c 混凝土材料分项系数 取1 4轴心受拉试验由于两端所埋设的钢筋不易对中 实测数据偏差较大 目前国内普遍采用立方体试件做劈拉试验来代替 1 3混凝土的主要力 学性能 图 1 8 1 3混凝土的主要力学性能 4 混凝土强度指标混凝土强度也有标准值和设计值之分 混凝土强度的标准值具有95 的保证率 若将其除以材料分项系数 c c 1 4 即得混凝土强度设计值 混凝土强度标准值按下表采用 1 3混凝土的主要力学性能 混凝土立方体强度实测值 立方体强度标准值 轴心抗压标准值 轴心抗拉标准值之间的关系 立方体强度实测值 每个立方体试件实际测得的强度值f0cu立方体强度标准值 规范 规定材料强度的标准值应具有不小于95 的保证率立方体强度标准值fcu k即为混凝土强度等级 规范 在确定混凝土轴心抗压强度和轴心抗拉强度标准值时 假定它们的变异系数与立方体强度的变异系数相同 利用与立方体强度平均值的换算关系 便可按上式计算得到 同时 规范 考虑到试件与实际结构的差异以及高强混凝土的脆性特征 对轴心抗压强度和轴心抗拉强度 还采用了以下两个折减系数 结构中混凝土强度与混凝土试件强度的比值 取0 88 脆性折减系数 对C40取1 0 对C80取0 87 中间按线性规律变化 1 3混凝土的主要力学性能1 3 2 1 3 2混凝土的变形混凝土的变形可分为两类 一类是受力引起的变形 另一类是收缩和温度变化引起的变形 1 混凝土的受力变形 混凝土单向受压时的应力 应变曲线 混凝土单轴受力时的应力 应变关系反映了混凝土受力全过程的重要力学特征是分析混凝土构件应力 建立承载力和变形计算理论的必要依据 也是利用计算机进行非线性分析的基础 试验表明混凝土完整的应力应变曲线包括两部分 上升阶段和下降阶段 混凝土单轴受压应力 应变关系曲线 常采用棱柱体试件来测定 在普通试验机上采用等应力速度加载 达到轴心抗压强度fc时 试验机中集聚的弹性应变能大于试件所能吸收的应变能 会导致试件产生突然脆性破坏 只能测得应力 应变曲线的上升段 采用等应变速度加载 或在试件旁附设高弹性元件与试件一同受压 以吸收试验机内集聚的应变能 可以测得应力 应变曲线的下降段 1 3混凝土的主要力学性能 图 1 9 1 3混凝土的主要力学性能 强度等级越高 线弹性段越长 峰值应变也有所增大 但高强混凝土中 砂浆与骨料的粘结很强 密实性好 微裂缝很少 最后的破坏往往是骨料破坏 破坏时脆性越显著 下降段越陡 峰值应力fc所对应的应变 0约为0 002左右 应力小于0 3fc时混凝土处于弹性阶段 混凝土内部几乎没有裂缝 0 3 0 8fc之间 混凝土内部裂缝发展 但能保持稳定 大于0 8fc混凝土内部裂缝发展很快 塑性变形显著增大 体积应变逐渐由压缩转为扩张 1 3混凝土的主要力学性能 1 3混凝土的主要力学性能 规范 应力 应变关系 1 3混凝土的主要力学性能 混凝土的弹性模量和变形模量 弹性模量 通过应力应变曲线原点的切线斜率 用Ec表示 也叫原点模量 变形模量 在应力应变曲线上取一点 将该点与原点相连得到的直线的斜率 用E c来表示 也叫割线模量 1 3混凝土的主要力学性能 弹性模量测定方法 图 1 14 1 3混凝土的主要力学性能 表 1 6混凝土弹性模量 10 4N mm2 注释 规范 表4 1 5P17 1 3混凝土的主要力学性能 混凝土的徐变 混凝土在荷载的长期作用下 其变形随时间而不断增长的现象称为徐变 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 不过 徐变有利于结构构件产生内 应 力重分布 降低结构的受力 如支座不均匀沉降 减小大体积混凝土内的温度应力 受拉徐变可延缓收缩裂缝的出现 与混凝土的收缩一样 徐变与时间有关 因此 在测定混凝土的徐变时 应同批浇筑同样尺寸不受荷的试件 在同样环境下同时量测混凝土的收缩变形 从徐变试件的变形中扣除对比的收缩试件的变形 才可得到徐变变形 1 3混凝土的主要力学性能 在应力 0 5fc 作用瞬间 首先产生瞬时弹性应变 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 70 80 以后增长逐渐缓慢 2 3年后趋于稳定 1 3混凝土的主要力学性能 影响徐变得因素内在因素是混凝土的组成和配比 骨料的刚度 弹性模量 越大 体积比越大 徐变就越小 水灰比越小 徐变也越小 环境影响包括养护和使用条件 受荷前养护的温湿度越高 水泥水化作用越充分 徐变就越小 采用蒸汽养护可使徐变减少 20 35 受荷后构件所处的环境温度越高 相对湿度越小 徐变就越大 1 3混凝土的主要力学性能 应力条件初应力水平si fc和加荷时混凝土的龄期t0 它们影响徐变的非常主要的因素 当初始应力水平si fc 0 5时 徐变值与初应力基本上成正比 这种徐变称为线性徐变 当初应力si在 0 5 0 8 fc范围时 徐变最终虽仍收敛 但最终徐变与初应力si不成比例 这种徐变称为非线性徐变 当初应力si 0 8fc时 混凝土内部微裂缝的发展已处于不稳定的状态 徐变的发展将不收敛 最终导致混凝土的破坏 因此将0 8fc作为混凝土的长期抗压强度 高强混凝土的密实性好 在相同的s fc比值下 徐变比普通混凝土小得多 但由于高强混凝土承受较高的应力值 初始变形较大 故两者总变形接近 此外 高强混凝土线性徐变的范围可达0 65fc 长期强度约为0 85fc 也比普通混凝土大一些 1 3混凝土的主要力学性能 2 混凝土的收缩变形混凝土在水中硬化时体积会膨胀 但其值较小 对混凝土影响不大 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 当这种自发的变形受到外部 支座 或内部 钢筋 的约束时 将使混凝土中产生拉应力 甚至引起混凝土的开裂 混凝土收缩会使预应力混凝土构件产生预应力损失 某些对跨度比较敏感的超静定结构 如拱结构 收缩也会引起不利的内力 1 3混凝土的主要力学性能 楼板干燥收缩裂缝与边框架的变形 图 1 16 1 3混凝土的主要力学性能 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 一般情况下 最终收缩应变值约为 2 5 10 4混凝土开裂应变为 0 5 2 7 10 4 图 1 17 1 3混凝土的主要力学性能 影响因素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 施工缝 1 4钢筋与混凝土之间的粘接1 4 1 1 4钢筋与混凝土之间的粘结 1 4 1钢筋与混凝土的粘结作用钢筋与混凝土的粘结力 是保证钢筋和混凝土共同工作的必要条件 其在混凝土中的粘结锚固力有以下四个方面 钢筋和混凝土接触面上的粘结 化学吸附力 亦称胶结力 这来源于浇注时水泥浆体向钢筋表面氧化层的渗透和养护过程中水泥晶体的生长和硬化 从而使水泥胶体与钢筋表面产生吸附胶着作用 这种化学吸附力只能在钢筋和混凝土的界面处于原生状态时才存在 旦发生滑移 它就失去作用 其值很小 不起明显作用 钢筋与混凝土之间的摩阻力 由于混凝土凝固时收缩 使钢筋与混凝土接触面上产生正应力 因此 当钢筋和混凝土产生相对滑移时 或有相对滑移的趋势时 在钢筋和混凝土的界面上将产生摩阻力 光面钢筋与混凝土的粘结力主要靠摩阻力 1 4钢筋与混凝土之间的粘接 钢筋与混凝土的咬合力 对于光面钢筋 咬合力是指表面粗糙不平而产生的咬合作用 对于带肋钢筋 咬合力是指带肋钢筋肋间嵌入混凝土而形成的机械咬合作用 这是带肋钢筋与混凝土粘结力的主要来源 机械锚固力弯钩 弯折及附加锚固措施所提供的粘结锚固作用 a 挤压产生的咬合力 b A A剖面上的力 图 1 18 1 4钢筋与混凝土之间的粘接 光面钢筋与混凝土的粘结强度 主要取决于胶结力和摩擦阻力 变形钢筋与混凝土的粘结强度 主要取决于咬合力 通过拔出试验按下式确定 1 4钢筋与混凝土之间的粘接1 4 2 1 4 2钢筋的锚固与连接 1 钢筋的锚固为了使钢筋和混凝土能可靠地共同工作 钢筋在混凝土中必须有可靠的锚固 受拉钢筋的锚固当计算中充分利用钢筋的强度时 混凝土结构中纵向受拉钢筋的锚固长度应按下列公式计算 1 4钢筋与混凝土之间的粘接 式中la 受拉钢筋的锚固长度 fy fpy 普通钢筋 预应力钢筋的抗拉强度设计值按表1 2 表1 3取用 对应 规范 表4 2 3 1 4 2 3 2 ft 混凝土轴心抗拉强度设计值 按表1 5采用 当混凝土强度大于C40时 按C40取用 对应 规范 表4 1 4 d 钢筋的公称直径 钢筋的外形系数 按表1 7取用 对应 规范 表9 3 1 表1 7钢筋的外形系数 1 4钢筋与混凝土之间的粘接 注 光面钢筋系指HPB235级钢筋 其末端应做180o弯钩 弯后平直长度不应小于3d 但作受压钢筋时 可不做弯钩 带肋钢筋系指HRB335 HRB400级钢筋和RRB400级钢筋及余热处理钢筋 当符合下列条件时 锚固长度应加以修正 对于直径大于25mm的HPB335 HRB400和RRB400时 其锚固长度应取计算结果乘以修正系数1 1 为了减少锚固长度 可在受拉钢筋末端采用机械锚固措施 对于HRB335 HRB400和RRB400级钢筋 当采用机械锚固措施时 其锚固长度 包括附加锚固端头在内 可取按公式计算的锚固长度的0 7倍 详见 规范 9 3 1和9 3 2条P114 P115 1 4钢筋与混凝土之间的粘接 图 1 20钢筋机械锚固的形式及构造要求 1 4钢筋与混凝土之间的粘接 采用机械锚固措施时 在锚固长度范围内的箍筋不应少于3个 其直径不应小于锚固钢筋直径的0 25倍 间距不应小于锚固直径的5倍 当锚固钢筋的混凝土保护层厚度不小于钢筋公称直径的5倍时 可不配置上述箍筋 受压钢筋的锚固当计算中充分利用纵向钢筋的受压强度时 其锚固长度不应小于受拉钢筋锚固长度的0 7倍 必须注意 对于光面钢筋 受拉或受压 其末端均应做180o标准弯钩 焊接骨架 焊接网中的光面钢筋可不做弯钩 1 4钢筋与混凝土之间的粘接 2 钢筋的连结钢筋的接头可分为三种 绑扎搭接 机械连接或焊接 接头宜设在受力较小处 同一根钢筋上宜少设接头 绑扎搭接绑扎搭接的工作原理是通过钢筋与混凝土之间的粘结强度来传递内力的 因此 钢筋的绑扎接头要有足够的搭接长度 规范 规定 纵向受拉钢筋绑扎搭接接头的搭接长度应根据位于同一连接区段内 1 3ll 的搭接钢筋面积百分率按下列公式计算 但任何情况下均不应小于300mm 1 4钢筋与混凝土之间的粘接 式中ll 受拉钢筋的搭接长度 la 受拉钢筋的锚固长度 按前面公式计算 纵向受拉钢筋搭接长度修正系数 按表1 8的规定取用 对应 规范 公式9 4 3和表9 4 3 表1 8纵向钢筋搭接长度修正系数 1 4钢筋与混凝土之间的粘接 轴心受拉及小偏心受拉杆件的纵向受力钢筋不得采用绑扎搭接接头 当受拉钢筋直径d 28mm及受压钢筋的直径d 32mm时 不宜采用绑扎搭接接头 构件中的纵向受压钢筋 当采用搭接连接时 其受压搭接长度不应小于规范规定的纵向受拉钢筋搭接长度的0 7倍 且在任何情况下不应小于200mm 1 4钢筋与混凝土之间的粘接 在纵向受力钢筋搭接长度范围内应配置箍筋 其直径不应小于搭接钢筋较大直径的0 25倍 当钢筋受拉时 箍筋间距不应大于搭接钢筋较小直径的5倍 且不应大于100mm 当钢筋受压时 箍筋间距不应大于搭接钢筋较小直径的10倍 且不应大于200mm 当受压钢筋直径d 25mm时 尚应在搭接接头两个端面外100mm范围内设置两个箍筋 1 4钢筋与混凝土之间的粘接 机械连接或焊接指通过连接件用机械的方法把钢筋连接在一起 机械连接接头能产生较牢固的连接力 具有工艺操作简便 接头性能可靠 连接速度快 节省钢材和能源 施工安全等特点 所以应优先采用机械连接 但要求连接件的保护层厚度不应小于纵向受力钢筋最小保护层厚度 连接件的之间净距不应小于25mm 当采用焊接接头时 上述机械连接或焊接接头也应相互错开 要求用绑扎接头 但其接头连接区段长度均取为35d d为纵筋的较大直径 位于同一连接区段内的纵向受拉钢筋接头面积百分率均不应大于50 受压钢筋可不受限制 对应 规范 9 4 1 9 4 10要求同学们熟悉 1 4钢筋与混凝土之间的粘接 锥螺纹钢筋连接 1 4钢筋与混凝土之间的粘接 1 4钢筋与混凝土之间的粘接 挤压钢筋连接 1 4钢筋与混凝土之间的粘接 2钢筋混凝土结构计算的基本原理2 1 2 1 1 2 1结构的组成与结构的功能 2 1 1结构的组成和功能 1 组成结构是由板 梁 柱 墙 基础等基本构件按某一规则组成的房屋骨架 2 功能 安全性正常使用和施工时能承受各种可能出现的作用 在设计规定的偶然时间发生时及发生后 结构仍能保持必须的整体稳定性 适用性在正常使用时具有良好的工作性能 不发生影响使用的变形和裂缝 耐久性在正常使用和维护下 在规定的时间内 一般为50年 规定的条件下 完成预定功能的能力 2钢筋混凝土结构计算的基本原理 设计使用年限 新规范 定义 设计规定的一个期限 在这期限内 结构或构件只需进行正常的维护即可达到预期目的的使用 设计使用年限分类 2钢筋混凝土结构计算的基本原理2 1 2 2 1 2建筑结构的安全的等级根据建筑物的重要性的不同 一旦发生破坏对人民生命财产的危害程度以及对社会的影响的不同 建筑结构可靠度设计统一标准 GB50068 2001 将建筑结构分为三级 一级建筑破坏后果很严重的重要建筑物 二级建筑破坏后果严重的一般建筑物 三级建筑破坏后果不严重的次要建筑物见 建筑结构可靠度设计统一标准 1 0 9条 2 2结构上的作用 作用效应 结构抗力2 2 1 2 2结构上的作用 作用效应 结构抗力 2 2 1结构上的作用 结构上的作用指作用于结构上的荷载及引起结构外加变形和约束变形的原因 分为直接作用和间接作用 直接作用以力的形式直接施加于结构上 如自重等 间接作用以变形形式施加于结构上 如地震振动 地基不均匀沉降 混凝土的收缩 徐变 温度变化等 用 Q 表示 作用效应作用使结构产生的内力和变形称之为作用效应 用 S 表示 可以认为作用和作用效应之间呈线性关系 即 S CQC 作用效应系数 2 2结构上的作用 作用效应 结构抗力2 2 2 2 2 2结构上的荷载 建筑结构荷载规范 GB50009 2001 以下简称为 荷载规范 将结构上的荷载按作用时间的长短和性质分为下列三类 永久荷载在结构使用期间 其值不随时间变化 或者其变化与平均值相比可忽略不计的荷载 如结构自重 土压力 预应力等 永久荷载也称为恒载 可变荷载在结构使用期间 其值随时间变化 且其变化值与平均值相比不可忽略的荷载 如楼面活荷载 屋面活荷载和积灰荷载 风荷载 雪荷载及工业厂房中的吊车荷载等 可变荷载也称为活载 2 2结构上的作用 作用效应 结构抗力2 2 2 偶然荷载在结构使用期间不一定出现 而一旦出现 其量值很大且持续时间较短的荷载 如爆炸力 撞击力等 2 2结构上的作用 作用效应 结构抗力2 2 3 2 2 3荷载的代表值结构设计时 根据各种极限状态的设计要求所采用的不同的荷载数值称为荷载代表值 对于永久荷载以标准值作为代表值 对可变荷载根据不同的设计要求采用不同的代表值 如标准值 组合值 频遇值 准永久值 1 荷载标准值所谓荷载标准值 是指结构在设计基准期 50年 内 正常情况下可能出现的最大荷载值 它是结构设计时采用的荷载基本代表值 而其他的代表值都可由标准值乘以相应的系数后得出 通常要求荷载标准值应具有95 的保证率 即 大于标准值的荷载出现的可能性只有5 而小于标准值的荷载出现的可能性有95 2 2结构上的作用 作用效应 结构抗力 2 2结构上的作用 作用效应 结构抗力 永久荷载标准值对结构构件的自重 可按结构构件的设计尺寸与材料单位体积的自重计算确定 GB50009 2001 荷载规范 附录A给出了常用材料和构件的自重 设计时可直接查用 可变荷载标准值 荷载规范 中已给出 设计时可直接查用 2 可变荷载准永久值在进行结构构件的变形和裂缝验算时 需要考虑荷载长期作用对构件刚度和裂缝的影响 此时 可变荷载只能取其在设计基准期内经常作用在结构上的那部分荷载作为其代表值 它对结构的影响类似于永久荷载 荷载准永久值 qQK其中 q为荷载准永久值系数 QK为荷载标准值 2 2结构上的作用 作用效应 结构抗力 3 可变荷载组合值当结构承受两种或两种以上可变荷载时 由于所有可变荷载同时达到各自最大值的可能性极小 因此除主导的可变荷载外 其它伴随的可变荷载均应乘以一个小于1的组合系数 c 作为可变荷载的组合值 4 可变荷载的频遇值可变荷载的频遇值是正常使用极限状态按频遇组合设计时采用的一种可变荷载组合值 它是在统计基础上确定的 在设计基准期内被超越的总时间仅为设计基准期的一小部分 或其超越频率限于某一给定值 可变荷载的频遇值 fQK其中 f可变荷载频遇值系数 2 2结构上的作用 作用效应 结构抗力2 2 4 2 2 5 2 2 4结构的抗力 结构的抗力结构或构件承受作用效应的能力 用 R 表示 构件制作完成后 结构的抗力是一定的 而作用效应可能是变化的 结构抗力的大小取决于材料的力学性能 构件的几何参数及计算模式的精确性 荷载组合即永久荷载与可变荷载的共同作用 有时同时作用几种可变荷载 建筑结构设计应根据使用过程中在结构上可能同时出现的荷载 按承载力极限状态和正常使用极限状态分别进行荷载 效应 组合 并应取各自的最不利的效应组合进行设计 对于承载能力极限状态 应按荷载效应的基本组合 对于正常使用极限状态 应根据不同的设计要求 采用荷载的标准组合 频遇组合或准永久组合 对于需要进行地震作用计算的建筑结构设计时 除上述荷载 效应 组合外 尚应考虑地震作用效应与其它荷载效应的基本组合用于承载力极限状态计算以及标准组合用于侧移的计算 具体按 建筑抗震设计规范 GB50011 2001 规定执行 2 2 5荷载组合 2 3概率极限状态设计法 2 3概率极限状态设计法 我国设计理论的发展 最初弹性理论20世纪30年代 考虑砼塑性性能的破坏阶段计算方法 采用了单一的安全系数 砼不是弹性材料 50年代 极限状态计算规定了极限状态 有三个系数 荷载 材料系数和工作条件系数 1966年规范 近来以概率论为基础的极限状态计算法89年规范及新规范 2 3概率极限状态设计法 三个水准 水准1 半概率法 如 钢筋混凝土结构设计规范 TJ10 74水准2 以概率为基础概率法 如 钢筋混凝土结构设计规范 TJ10 74水准3 全概率法 一般不用 2 3概率极限状态设计法2 3 1 2 3 1结构的极限状态 极限状态所谓结构的极限状态就是结构或构件满足结构安全性 适用性 耐久性三项功能中某一功能要求的临界状态 超过这一界限 结构或其构件就不能满足设计规定的该功能要求 而进入失效状态 极限状态是区分结构工作状态的可靠或失效的标志 极限状态可分为两类 承载能力极限状态和正常使用极限状态 2 3概率极限状态设计法 1 承载能力极限状态承载能力极限状态是指对应于结构或结构构件达到最大的承载能力或不适于继续承载的变形 当结构或结构构件出现下列状态之一时 应认为超过了承载能力极限状态 整个结构或结构的一部分 作为刚体失去平衡 如倾覆等 结构构件或连接因为超过材料强度而破坏 包括疲劳破坏 或因过度变形而不适于继续承载 结构转变为机动体系 结构或结构构件丧失稳定 如压屈等 地基丧失承载能力而破坏 如失稳等 这一极限状态关系到结构全部或部分破坏或倒塌 会导致人员伤亡或严重经济损失 因此对所有结构和构件都必须按承载力极限状态进行计算 并保证具有足够的可靠度 2 3概率极限状态设计法 2 正常使用极限状态正常使用极限状态是指对应于结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定的限值 当结构或结构构件出现下列状态之一时 应认为超过了正常使用极限状态 影响正常使用或外观的变形 影响正常使用或耐久性能的局部损坏 包括裂缝 影响正常使用的振动 影响正常使用的其它特定状态 按正常使用极限状态设计时 应验算结构构件的变形 抗裂度或裂缝宽度 地基变形 房屋侧移等 超过正常使用极限状态 会使结构或构件不能正常工作 使结构的耐久性受影响 2 3概率极限状态设计法 下列破坏分别属于超出了什么极限状态 A 雨棚出现倾覆B 出现了很大的裂缝C 结构变成了机动体系D 发生了失稳破坏E 出现了很大的振动F 超过了构件强度而破坏 2 3概率极限状态设计法2 3 2 2 3 2极限状态方程 结构可靠度通常受到荷载 材料强度 截面几何参数等因素的影响 而这些因素一般都具有随机性 称为 随机变量 Xi i 1 2 n 结构和构件按极限状态进行设计 因此 针对所需要的各种结构功能 如安全性 适用性和耐久性 通常可以建立包括各有关随机变量在内的关系式 Z g X1 X2 Xn 0影响结构功能的因素划分为两大类 作用效应S和结构抗力R 所以有 Z g R S R SZ称为结构的功能函数 当Z g R S R S 0则成为极限状态 故称之为极限状态方程 2 3概率极限状态设计法 显然当Z 0时 则R S 结构处于可靠状态 当Z 0时 则R S 结构处于极限状态 当Z 0时 则R S 结构处于失效状态 当结构按极限状态设计时 应符合下列要求 Z g S R R S 0 2 3概率极限状态设计法 极限状态Z 0 2 3概率极限状态设计法2 3 3 2 3 3结构的可靠度和失效概率 结构的可靠度结构和结构构件在规定的时间内 规定的条件下完成预定功能的概率 称为结构的可靠度 结构的作用效应小于结构抗力时 结构处于可靠工作状态 记为Ps 失效概率一般把不满足功能要求的概率称为结构的失效概率 记为Pf结构的可靠概率也称结构可靠度 结构的可靠度是结构可靠性的概率度量 由于可靠概率和失效概率是互补的 即Pf Ps 1 因此 结构的可靠性也可用结构的失效概率来度量 2 3概率极限状态设计法 2 3概率极限状态设计法2 3 4 2 3 4结构的可靠指标 可靠指标 也是度量结构可靠性的一种数值指标 它与失效概率Pf之间是有对应的关系 Z Z Z R S Z R S分别是Z R S随机变量的平均值 Z R S分别是Z R S随机变量的标准差 又称均方差 2 3概率极限状态设计法 表2 1 值与Pf的对应关系 从上表可以看出 可靠度指标 与失效概率Pf成反比 因此 被称为 可靠指标 2 3概率极限状态设计法2 3 5 2 3 5目标可靠指标 目标可靠指标指结构构件设计时预先给定的可靠指标 用 表示 统一标准规定 由建筑物的重要性 延性破坏还是脆性破坏来确定 见表2 2 表2 2不同安全等级的目标可靠指标 2 4极限状态设计表达式2 4 1 2 4极限状态设计表达式 通过上面的讲解可知 用可靠度指标设计计算结构的可靠度 即科学又合理 设计概念明确 但在一般的设计中 要正确统计R S的变化规律十分困难 计算也相当复杂 因此 统一标准 给出了以概率极限状态设计方法为基础的实用设计表达式 分为承载能力极限状态和正常使用极限状态两种表达式 2 4 1承载力极限状态设计表达式 对于承载能力极限状态 结构构件应按荷载效应的基本组合或偶然组合 采用下列极限状态设计表达式 0S R 0 重要性系数 一级 二级 三级分别取值为1 1 1 0 0 9 抗震设计不考虑 详见 规范 3 2 3条 2 4极限状态设计表达式 S 承载力极限状态荷载效应组合设计值 R 结构构件的承载力设计值 详见 荷载规范 3 2 3 3 2 6 1 基本组合 由可变荷载效应控制的组合 由永久荷载效应控制的组合 2 4极限状态设计表达式 G 永久荷载分项系数 当其效应对结构不利时 对由可变荷载效应控制的组合 应取1 2 对由永久荷载效应控制的组合 应取1 35 当其效应对结构有利时 一般情况下取1 0 对结构的倾覆 滑移或漂浮验算 应取0 9 Q 可变荷载分项系数 一般情况下应取1 4 对标准值大于4kN m2的工业房屋楼面结构的活荷载应取1 3 SGK 按永久荷载标准值计算的荷载效应值 SQiK 按可变荷载标准值QiK计算的荷载效应值 其中SQ1K为诸可变荷载效应中起控制作用者 Ci 可变荷载的组合值系数 应分别按规定采用 注 1基本组合中的设计值仅适用于荷载与荷载效应为线形的情况 2当对无法明显判断时 轮次以各可变荷载效应为 选其中最不利的荷载效应组合 3当考虑以竖向的永久荷载效应控制的组合时 参与组合的可变荷载仅限于竖向荷载 2 4极限状态设计表达式 对于一般排架 框架结构 基本组合可采用简化规则 并应按下列组合值中取最不利值确定 由永久荷载效应控制的组合 2 4极限状态设计表达式 偶然组合 荷载效应的组合设计值应按下列规定确定 偶然荷载的代表值不乘分项系数 与偶然荷载同时出现的其他荷载可根据观测资料和工程经验采用适当的代表值 2 4极限状态设计表达式 2 4 2正常使用极限状态设计表达式 对于正常使用极限状态 应根据不同的设计目的 分别按荷载效应的标准组合 频遇组合和准永久组合进行设计 使变形 裂缝等荷载效应的设计值符合下列的要求 Sd CC 设计对变形 裂缝等规定的相应限值 Sd 变形 裂缝等荷载效应组合的设计值 标准组合 频遇组合 2 4极限状态设计表达式 准永久组合 f1 可变荷载Q1的频遇值系数 SQ1K起控制作用的频遇荷载标准效应值 该组合目前尚未规定具体应用场合 qi 可变荷载Qi的准永久值系数 c f q QK取值请查 荷载规范 表4 1 1 4 1 2 4 3 1 4 4 1 1 4 4 1 2 5 4 1 6 1 5条 7 1 4条 2 4极限状态设计表达式 第二章例题2 1 例2 1解 一 计算标准荷载效应1 均布恒载gk产生的跨中弯矩MGKMGK 1 8 8 52 25 KN M 2 均布活载qk产生的跨中弯矩MqKMqK 1 8 6 52 18 75 KN M 3 集中可变荷载QK产生的跨中弯矩MQK 1 4 10 5 12 5 KN M 二 荷载效应组合 基本荷载组合 1 可变荷载控制 G 1 2 q Q 1 4M S GMGK qMqK Q c2MqK M 1 2 25 1 4 18 75 1 4 0 7 12 5 68 5 KN M 如用简化公式计算M 1 2 25 0 9 1 4 18 75 1 4 12 5 69 38 KN M 两种算法简化公式略大2 由永久荷载控制 G 1 35 q Q 1 4 c1 c2 0 7M S GMGK q c1MqK Q c2MqKM 1 35 25 1 4 0 7 18 75 1 4 0 7 12 5 64 37 KN M 第二章例题2 1 三 考虑结构重要性系数后 0 1 1按可变荷载控制 0M 1 1 68 5 75 36 KN M 0M 1 1 69 38 76 32 KN M 简化公式 按永久荷载控制 0M 1 1 64 37 70 81 KN M 第二章例题2 2 例题2 2已知某一框架柱的柱顶截面 在各种荷载作用下的弯矩标准值 组合值系数 c 频遇值系数 f 准永久值系数 q见表2 2 求正常使用极限状态下的标准组合 频遇组合及准永久组合的荷载效应组合设计值Sd 4 受弯构件承载力计算与构造 4 受弯构件承载力计算与构造 板和梁是最常见的受弯构件 受弯构件的破坏主要是在纯弯矩M作用下的正截面破坏和弯矩M 剪力Q共同作用下的斜截面破坏 如图3 1所示 故需进行正截面承载能力计算和斜截面承载能力计算 4 1梁 板的构造3 1 1 4 1梁 板的构造 4 1 1梁的截面 配筋及计算 4 1 1 1梁的截面形式和尺寸 截面形式梁最常用的截面形式有矩形和T形 根据需要还可做成花篮形 十字形 I形 倒T形和倒L形等 如图3 2 现浇整体式结构 为便于施工 常采用矩形或T形截面 在预制装配式楼盖中 为搁置预制板可采用矩形 花篮形 十字形截面 薄腹梁则可采用I形截面 4 1梁 板的构造 截面尺寸 梁的截面高度与跨度及荷载大小有关 从刚度要求出发 根据设计经验 对一般荷载作用下的梁可参照表3 1初定梁高 梁截面宽度b与截面高度的比值b H 对于矩形截面为1 2 1 2 5 对于T形截面为1 2 5 1 4 为了统一模板尺寸和便于施工 梁截面尺寸应按以下要求取值 梁高为200 250 300 350 750 800mm 大于800mm时 以100mm为模数增加 梁宽为120 150 180 200 220 250 大于250mm时 以50mm为模数增加 4 1梁 板的构造 支承长度当梁的支座为砖墙 柱 时 梁伸入砖墙 柱 的支承长度 当梁高 500mm时 180mm 500mm时 240mm 当梁支承在钢筋混凝土梁 柱 上时 其支承长度 180mm 4 1梁 板的构造 4 1 1 2梁的配筋梁中的钢筋有纵向受力钢筋 弯起钢筋 箍筋和架立筋 4 1梁 板的构造 纵向受力钢筋用以承受弯矩在梁内产生的拉力 设置在梁的受拉一侧 当弯矩较大时 可在梁的受压区也布置受力钢筋 协助混凝土承担压力 即双筋截面梁 纵向受力钢筋的数量通过计算确定 a 直径 常用直径d 10 25mm 当梁