混凝土及砌体结构

2017年2月,自我介绍,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,6.钢筋混凝土梁板结构,7.砌体材料及其力学性能,8.砌体结构构件的承载力计算,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、GB500102002）,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,钢筋的主要力学性能1.2.1,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20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。,钢筋的主要力学性能,附录表1-1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。钢筋强度保证率指钢筋强度总体中大于设计强度等级的概率，亦即钢筋强度大于设计等级的组数占总组数的百分率。这是根据概率统计的方法算出来的。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,附录表1-2/3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,附录表1-6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1700Nmm2以上。,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1.2.2,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。,钢筋的主要力学性能,0.85b,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0.85b作为假想屈服点(或称条件屈服点)，用0.2表示，0.85b作为条件屈服强度。b-极限抗拉强度值。,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,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。P13图,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68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,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度（fcu）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（203，90%湿度）养护28天，用标准试验方法（加载速度0.150.3N/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C15C80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GB5001020104.1.2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，混凝土强度等级不得低于C25。对承受重复荷载的构件，混凝土强度等级不得低于C30。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=34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150mm150mm450mm的棱柱体试件，也常用100100300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。c2C40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100mm100mm500mm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1/171/8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c2C40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,（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附录表1-9采用。,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P17图2-9,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。,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，0.30.8fc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,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Ec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,附表1-11混凝土弹性模量（10-4N/mm2）,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（7080）%，以后增长逐渐缓慢，23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（2035）%。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。应力水平应力越大，徐变越大。,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,图楼板干燥收缩裂缝与边框架的变形,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(25)10-4混凝土开裂应变为(0.52.7)10-4,1.3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附表取用。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，按附表采用。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2-2取用。对应规范表9.3.1。表2-2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