《建筑结构基本构》PPT课件.ppt

第一篇基础篇 第四章建筑结构基本构件 组成结构体系的单元体称为基本构件 按受力特征的不同可分为轴心受力构件 偏心受力构件 受弯构件 按受力性质的不同可分为拉杆 压杆和受弯构件 从结构的角度来划分 组成建筑结构的基本构件有板 梁 柱 框架 桁架 索 膜 基础等 第一节混凝土轴心受力构件 当构件所受外力的作用点与构件截面的物理形心重合时 构件横截面产生的力为均匀分布 这种构件称为轴心受力构件 轴心受力构件包括轴心受拉构件和轴心受压构件 一 轴心受拉构件 一 定义构件所受的力使构件横断面仅产生均匀拉应力时 即为轴心受拉构件 如桁架的下弦杆 受拉斜腹杆以及各种拉索等 二 计算由于混凝土的抗拉强度很低 当轴心拉力N不大时 混凝土已经开裂 推出受拉工作 拉力全部由钢筋承担 当受拉钢筋达到屈服强度时 认为受拉构件达到承载力极限状态 即构件破坏 式中 轴向拉力设计值 轴心受拉构件正截面承载力设计值 钢筋抗拉强度设计值 纵向受拉钢筋的全部截面面积 三 主要构造要求 1 钢筋混凝土轴心受拉构件一般宜采用正方形 矩形或其他对称截面 2 纵向受力钢筋在混凝土截面中应对称布置或沿截面周边均匀布置 3 为防止出现过宽的混凝土裂缝 宜优先选用直径较小的钢筋 4 按混凝土截面积A计算的全部受力钢筋配筋率应不小于最小配筋率 5 箍筋的主要作用是固定纵筋的位置 与纵筋形成钢筋骨架 箍筋直径不宜小于6mm 间距一般不宜大于200mm 五 例题 某钢筋混凝土屋架下弦杆 截面尺寸为b h 200mm 160mm 经内力组合得轴向拉力设计值N 240KN 混凝土强度等级为C25 纵向钢筋为HRB335级 确定纵向钢筋截面面积并选择钢筋 解 1 计算纵筋面积并选筋由公式得 查表选4 16纵筋 二级 A 804mm2 2 验算最小配筋率条件配筋率 满足要求 二 普通箍筋柱轴心受压时正截面承载力计算 式中 三 轴心受压构件的主要构造要求 常用的截面形式有 正方形截面 圆形截面 环形截面及正多边形截面 方形受压构件的截面尺寸不宜小于250mm 250mm 长细比不宜过大 常取b为方形截面边长 d为圆形截面直径 轴心受压构件的纵向受力钢筋应沿截面的四周均匀放置 钢筋根数不得少于4根 纵向钢筋直径不宜小于12mm 通常在12 32mm范围内选用 纵筋的中距不宜大于300mm 箍筋必须做成封闭式 第二节钢筋混凝土受弯构件 一 受弯构件的主要构造要求 1 板的构造要求 1 板的厚度板的最小厚度 按挠度要求确定 对于现浇民用建筑楼板 当板的厚度与计算跨度之比值满足一定要求时 1 35 1 45 可认为板的刚度基本满足要求 而不需进行挠度验算 板的常用厚度 工程中单向板常用的板厚有60 70 80 100 120mm 预制板的厚度可比现浇板小一些 且可取5mm的倍数 2 钢筋 板仅需配置受力钢筋和分布钢筋 分布钢筋 垂直于板的受力钢筋方向上布置的构造钢筋 配置在受力钢筋的内侧 作用是将板面上承受的荷载更均匀的传给受力钢筋 并用来抵抗温度 收缩应力沿分布钢筋方向产生的拉应力 同时在施工时可固定受力钢筋的位置 直径 板中的受力钢筋通常采用HPB235或HRB335 常用的直径为6 8 10 12mm 在同一构件中 当采用不同直径的钢筋时 其种类不宜多于2种 以免施工不便 间距 当板厚 150mm 不宜大于200mm 当板厚 150mm时 不宜大于1 5h 且不宜大于250mm 混凝土保护层厚度 为了保证钢筋不致因混凝土的碳化而产生锈蚀 保证钢筋和混凝土能紧密地粘结在一起共同工作 受力钢筋的表面必须有一定厚度的混凝土保护层 常见的最小厚度有 15mm 25mm 2 梁的构造要求 1 截面形式及尺寸截面形式混凝土梁形状截面尺寸常用梁高 200 250 300 350 750 800 900 1000mm等 常用梁宽 矩形截面 h b 2 0 3 5常用梁宽为150 180 200mm 2 钢筋 在一般的钢筋混凝土梁中 通常配置有纵向受力钢筋 箍筋 弯起钢筋及架立筋 纵向钢筋 作用是承受弯矩在梁内所产生的拉力 应设置在梁的受拉一侧 其数量应通过计算来确定 纵筋常用HRB335和HRB400 直径 梁纵向受力钢筋常用直径为10 25mm 一般不宜大于28mm 间距 弹性受力阶段 阶段 从开始加荷到受拉区混凝土开裂 梁的整个截面均参加受力 虽然受拉区混凝土在开裂以前有一定的塑性变形 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 当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 此时的弯矩值称为开裂弯矩Mcr 带裂缝工作阶段 阶段 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 带裂缝工作阶段 阶段 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 荷载继续增加 钢筋拉应力 挠度变形不断增大 裂缝宽度也不断开展 但中和轴位置没有显著变化 由于受压区混凝土压应力不断增大 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 带裂缝工作阶段 阶段 当钢筋应力达到屈服强度时 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 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曲线均出现明显的转折 荷载继续增加 钢筋拉应力 挠度变形不断增大 裂缝宽度也不断开展 但中和轴位置没有显著变化 由于受压区混凝土压应力不断增大 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 屈服阶段 阶段 对于配筋合适的梁 钢筋应力达到屈服时 受压区混凝土一般尚未压坏 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xn有较大减少 屈服阶段 阶段 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xn的减少将使得混凝土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 同时 受压区高度xn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 屈服阶段 阶段 由于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 屈服阶段 阶段 由于混凝土受压具有很长的下降段 因此梁的变形可持续较长 但有一个最大弯矩Mu 超过Mu后 承载力将有所降低 直至压区混凝土压酥 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 a状态 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极限弯矩Mu的标志 配筋合适的钢筋混凝土梁在屈服阶段这种承载力基本保持不变 变形可以持续很长的现象 表明在完全破坏以前具有很好的变形能力 有明显的预兆 这种破坏称为 延性破坏 a状态 计算Mcr的依据 阶段 计算裂缝 刚度的依据 适筋梁的破坏特征是拉区纵向钢筋首先屈服 然后受压区边缘混凝土到达极限压应变而压碎破坏 这种破坏以裂缝的加宽和挠度的急剧发展以及开裂截面发生显著转动作为预兆 能引起人们的注意 具有塑性破坏的性质 超筋梁由于纵向钢筋配置过多 以至在受压区混凝土边缘达到极限压应变而破碎时 钢筋尚未屈服 截面破坏前拉区混凝土裂缝还很细微 梁的挠度不大 无明显的破坏预兆作为警告 因而也具有脆性破坏性质 少筋梁由于纵向钢筋配置较少 以至只要拉区混凝土一开裂 裂缝处钢筋的应力立即达到并超过屈服应力 接着梁因压区混凝土到达极限压应变或因钢筋被拉断而破坏 这种破坏具有脆性破坏的性质 少筋梁承载力低 破坏无预兆 在建筑结构设计中不允许采用 三 单筋矩形截面正截面承载力计算 1 计算公式 或 2 公式适用条件 防止超筋破坏 防止少筋破坏 3 截面设计和截面复核 1 截面设计已知 截面尺寸b h混凝土及钢筋强度等级 弯矩设计值M求 纵向受拉钢筋解法一 直接利用公式 求解 由式 求出混凝土受压区高度x 可利用一元二次方程的求根公式 验算使用条件1 若 则由式 求出纵向受拉钢筋的面积 若 则属于超筋梁 说明截面尺寸过小 应加大截面尺寸重新设计或改用双筋截面 验算适用条件2 应 若 说明截面尺寸过大 应适当减小截面尺寸 当截面尺寸不能减小时 则应按最小配筋率配筋 即取 解法二 利用表格进行计算 在进行截面计算时 为化简计算 也可利用现成的表格 查表计算 或按公式计算 2 截面复核 已知 截面尺寸 b h 混凝土及钢筋的强度 纵向受拉钢筋 弯矩设计值M 求 截面所能承受的M 由公式 求得若 则若 则说明此梁属于超筋梁 应取代入计算 求出后 与梁实际承受的弯矩M比较 若 截面安全 若 M 截面不安全 4 影响受弯构件正截面承载力的因素 与截面尺寸 b h 材料强度 钢筋数量等有关 截面尺寸 b h 加大截面h比加大b更有效材料强度 用提高混凝土等级的办法来提高正截面承载力效果不大 受拉钢筋数量综上所述 如若提高受弯构件的正截面承载力 应优先考虑的措施是加大截面的高度 其次是提高受拉钢筋的强度等级或加大钢筋的数量 而加大截面的宽度或提高混凝土强度等级则效果不明显 一般不予采用 四 例题 1 已知截面梁尺寸为b 250mm h 500mm 承受的最大弯矩设计值M 150KN m 混凝土强度等级为C20 纵向受拉钢筋采用HRB335级钢筋 求 纵向受拉钢筋面积A 解 首先确定材料的设计强度 根据混凝土和钢筋的强度等级查表得 500 40 460mmM 150KN m 150 106N mm 1 用基本公式求解 查表选用2 22 2 20 1388mm2 验算最小配筋率 满足要求 2 用查表法求解 选用2 22 2 20 或 2 已知一简支板 板厚h 80mm 计算跨度L0 2m 承受的均布活载标准值 混凝土强度等级为C20 钢筋强度等级为HPB235级 永久荷载分布系数 1 20 可变荷载系数 1 4 钢筋混凝土重度为25KN m3 求受拉钢筋面积 解 取1m板宽作为计算单元 即b 1000mm 计算截面最大弯矩 满足要求 由表 选一级 8 180 验算最小配筋率 满足要求 五 双筋矩形截面受弯构件 在梁的受拉区和受压区同时按计算配置纵向受力钢筋的截面称为双筋截面 由于在梁的受压区布置受压钢筋来承受压力是不经济的 故一般情况下不宜采用 在下列情况下可采用双筋截面 当截面承受的弯矩较大 而截面高度及材料强度等又由于种种原因不能提高 以致按单筋矩形梁计算时出现超筋情况时 可采用双筋截面 此时在混凝土受压区配置受压钢筋来补充混凝土抗压能力的不足 构件在不同的荷载组合下承受异号弯矩的作用 在同一截面可能既出现正弯矩又出现负弯矩 此时就需要在梁的上下方都布置受力钢筋 为了提高截面的延性 在梁的受压区配置一定数量的受压钢筋 有利于提高截面的延性 因此 在抗震设计中要求框架梁必须配置一定比例的受压钢筋 六 T形截面 因为受弯构件产生裂缝后 裂缝截面处的受拉混凝土因开裂而退出工作 拉力可认为全部由受拉钢筋承担 故可将受拉区混凝土的一部分去掉 把原有的纵向受拉钢筋集中布置在腹板 由于在计算中不考虑混凝土的抗拉作用 即构件的承载力与截面受拉区的形状无关 所以截面的承载力不但与原有截面相同 而且可以节约混凝土减轻构件自重 第三节钢筋混凝土偏心受压构件 一 定义当构件的截面上受到轴力和弯矩的共同作用或受到偏心力的作用时 该结构构件称为偏心受力构件 当偏心力为压力时 称为偏心受压杆件 亦称压弯构件 当偏心力为拉力时 称为偏心受拉构件 亦称拉弯构件 二 偏心受压构件正截面的破坏特征 偏心受压构件正截面的受力特点和破坏特征与轴向压力偏心距大小 纵向钢筋的数量 钢筋强度等级等因素有关 一般可分为以下两类 第一类 受拉破坏 亦称为大偏心受压破坏 第二类 受压破坏 亦称为小偏心受压破坏 1 大偏心受压破坏截面在偏心距较大的轴向力N作用下 由于受拉一侧的纵向钢筋首先到达屈服应力 使中和轴急剧地往受压一侧移动 迫使受压区混凝土边缘到达极限压应变而破坏 这种破坏形态具有塑性破坏的性质 亦称受拉破坏 形成这种破坏的条件是较大 而且受拉一侧的纵向钢筋配筋率不高 破坏时 受拉和受压的纵向钢筋都能达到屈服应力 压区混凝土的压力达到 2 小偏心受压破坏截面在偏心距较小的轴向力N作用下 受压区混凝土边缘首先达到其极限压应变 距轴向力较近一侧的纵向受力筋也同时达到其屈服应力 这种破坏在破坏前没有明显的预兆 因而具有脆性破坏的性质 亦称受压破坏 形成这种破坏的条件是较小 或者虽然较大但纵向受拉钢筋配置过多 破坏时 压区混凝土的压应力达到 受压较大一侧纵向受力筋承受的压力为 3 大小偏心受压界限大小偏心受压破坏的根本区别在于构件破坏时 远离压力N一侧的钢筋应力是否达到屈服 与受弯构件类似 我们把压区混凝土达到极限压应变值与受拉筋达到屈服点应变值同时发生的破坏成为界限破坏 第四节预应力混凝土构件 一 预应力混凝土基本概念 预应力混凝土结构 在构件受荷载以前预先对混凝土受拉区施加压应力的结构 二 全预应力混凝土和部分预应力混凝土 1 当构件是按在使用荷载作用下截面上混凝土不出现拉应力 即全截面受压 的要求进行设计时 一般称为全预应力混凝土 2 当构件是按在使用荷载作用下容许出现裂缝但最大裂缝宽度不超过允许值的要求进行设计时 一般称为部分预应力混凝土 三 优缺点 优点 1 抗裂性好 刚度大 2 节省材料 减小自重 3 提高构件的抗剪能力 4 提高受压构件的稳定性 5 提高构件的耐疲劳性能 三 优缺点 缺点 1 工艺复杂 对质量要求高 因而需要配备技术较熟练的专业队伍 2 需要一定的专门设备 3 开工费用大 对构件数量少的工程成本高 4 全预应力混凝土反拱值过大 5 全预应力混凝土延性差 6 计算复杂 四 应用 要求裂缝控制等级高的结构 建造大跨度或承受重型荷载的构件 对构件的刚度和变形控制要求高的结构构件 五 施加预应力的方法和锚具 一 先张法 定义 在浇灌混凝土之前张拉钢筋的方法称为先张法 工序 二 后张法 定义 在结硬后的混凝土构件上张拉钢筋的方法称为后张法 工序 三 后张无粘结预应力技术 特点 不需要预留孔道 无粘结预应力筋可与非预应力筋同时铺设 也可采用曲线配筋 布置灵活 六 夹具和锚具 夹具 构件制成后能够取下重复使用的称之 锚具 留在构件上不再取下的称之 七 预应力混凝土材料 一 预应力钢筋 要求 1 高强度 2 具有一定的塑性 3 良好的加工性能 4 与混凝土有较好的粘结强度 二 混凝土 要求 1 强度高 2 收缩 徐变小 3 快硬 早强 第五节钢结构构件 一 钢结构的特点1 强度高而自重轻2 塑性和韧性好3 材质均匀 可靠性好4 制造方便 工业化程度高5 耐热但不耐火6 耐腐蚀性差 二 钢结构材料常用指标与钢材种类1 常用指标比例极限 弹性极限 屈服强度 抗拉强度弹性模量 线膨胀系数和质量密度2 塑性和冲击韧性伸长率 断面收缩率 韧性 为钢材抵抗冲击荷载的能力 用材料在断裂时所吸收的能量来度量 3 冷弯性能4 可焊性在一定的材料 结构和工艺条件下 要求钢材施焊后能获得良好的焊接接头性能 5 钢材种类与选用种类 碳素结构钢 低合金高强度结构钢和优质碳素结构钢 选用 1 结构的重要性 2 荷载情况 3 连接方法 4 结构所处的温度 三 钢轴心受力构件 1 轴心受力构件的常用截面形式有 实腹式构件 制作简单 与其他构件连接较方便 1 单个型钢截面例如 圆钢 钢管 角钢 T型钢 槽钢 工字钢 H型钢 2 组合截面型钢和钢板组合双角钢组成的截面冷弯薄壁型钢截面 格构式构件 由两个或多个型钢肢件组成 肢件采用角钢缀条或缀板连接整体 常用于受压力较大的构件中 以使两主轴方向等稳定性 刚度大 用料省 2 轴心受压构件的整体稳定对于理想轴心受压构件 当压力增大到一定大小 再给直线平衡状态的构件一侧向干扰使其微弯 则构件将保持微弯状态 并能达到平衡 当压力再增加 则弯曲变形迅速增大 而使构件最终丧失承载能力 这种现象称为构件弯曲或弯曲失稳 影响轴心压杆失稳的主要因素有 构件的截面形式 构件的长细比 构件的残余应力分布 几何缺陷 轴心受压构件的整体稳定计算公式 轴心受压构件的整体稳定系数 四 钢受弯构件 1 实腹式受弯构件通常称为梁 分型钢梁和组合梁两大类 型钢梁 构造简单 制造省工 成本较低 优先采用 组合梁 在荷载较大或跨度较大时 型钢的尺寸 规格不能满足梁承载力和刚度的要求 必须采用组合梁 2 钢梁的稳定问题钢梁除满足强度和刚度要求外 还要满足整体稳定和局部稳定的要求 钢梁除满足强度和刚度要求外 还要满足整体稳定和局部稳定的要求 因为有些梁在荷载作用下 虽然其截面应力尚低于钢材的设计强度 但整个构件的变形却会突然偏离原来荷载作用的平面 与该平面形成某一角度 使梁同时发生弯曲和扭转而破坏 这种情况称为梁的整体失稳 钢梁整体失稳的主要原因是该梁侧向支撑不够 而梁自身的抗扭刚度和梁截面在荷载平面外的抗弯刚度又不足所致 另一种情况是梁的受压翼缘长宽比太大或腹板高厚比太大也可能使梁在受载过程中出现波状局部失稳 这两类失稳现象都是突然发生的 危害性很大 因而当梁不满足防止失稳的构造要求时 要进行整体稳定和局部稳定的验算 钢梁的稳定性分析要比强度和挠度计算复杂得多 五 钢构件间的连接 连接方法分类 焊缝连接 铆钉连接 螺栓连接 1 焊接连接 是通过将连接处相邻的钢材加热熔化融和后连接在一起的 优点 构造简单 用料经济 不削弱截面 制作加工方便 连接的密闭性好 结构刚度大 缺点 在焊缝附近材质变脆 焊接残余应力和变形使受压构件承载力降低 焊接结构对裂纹很敏感 容易从局部裂纹扩展到整体 低温冷脆明显 2 铆钉连接 塑性和韧性较好 传力可靠 质量易于检查 但构造复杂 费钢费工 目前很少采用 3 螺栓连接 优点 安装方便 便于拆卸 缺点 增加制造工作量 使构件截面削弱 另加连接件多费钢材 第六节砌体结构构件 一 设计方法的发展概况 1 早期 凭经验 2 1