第八章、建筑结构设计原理简介

8.1、钢筋混凝土结构的材料8.2、建筑结构功能要求和极限状态8.3、结构上的荷载和荷载效应8.4、结构极限状态设计表达式8.5、耐久性规定,第八章：建筑结构设计原理简介,2,1混凝土：由水泥，砂石，水按一定配合比组成的人工石材。,虽然实际工程中的混凝土构件和结构一般处于复合应力状态，但是单向受力状态下混凝土的强度是复合应力状态下强度的基础和重要参数。,8.1钢筋混凝土结构的材料,混凝土的强度,3,混凝土的强度与水泥强度等级、水灰比有很大关系，骨料的性质、混凝土的级配、混凝土成型方法、硬化时的环境条件及混凝土的龄期等也不同程度地影响混凝土的强度。试件的大小和形状、试验方法和加载速度也影响混凝土强度试验结果，各国对各种单向受力下的混凝土强度都规定了统一的标准试验方法。,4,砼立方体强度的定义：立方体试件的强度比较稳定，我国把立方体强度值作为混凝土强度的基本指标，并把立方体抗压强度作为评定混凝土强度等级的标准。我国规范规定：，用cu,k表示，单位N/mm2。,1混凝土立方体抗压强度的定义和强度等级,换句话：混凝土强度等级应按立方体强度标准值确定。,5,立方体抗压强度标准值（cu,k）,两重含义：,1、采用边长为150的立方体试块，在标准条件（温度为1723，湿度在90以上）下养护28d，按照标准的试验方法加压到破坏测得的立方体抗压强度。,2、作为标准值，所测得的混凝土的立方体抗压强度不小于该值的保证率为95，也即强度低于该值的概率不大于5。,6,规范规定混凝土强度等级应按立方体抗压强度标准值确定。规范规定的混凝土强度等级有C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80共14个等级。例如，C30表示立方体抗压强度标准值为30N/mm2。其中C50C80属于高强度混凝土范畴。,砼强度等级规定：,7,规范规定，素混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C15，,钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C20；当采用400MPa及以上钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C25。,3钢筋混凝土结构对混凝土强度等级的要求,预应力混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C40，且不应低于C30。,承受重复荷载的钢筋混凝土构件，混凝土强度等级不应低于C30.,8,混凝土轴心抗压强度,混凝土抗压强度与试件形状有关，采用棱柱体比立方体能更好的反映混凝土结构的实际抗压能力。用混凝土棱柱体试件测得的抗压强度称为轴心抗压强度。,9,混凝土轴心抗压强度,我国普通混凝土力学性能试验方法规定以150mm150mm300mm的棱柱体作为混凝土轴心抗压强度试验的标准试件。试件制作同立方体试件，试件上下表面不涂润滑剂。,10,由于棱柱体试件的高度越大，试验机压板与试件之间摩擦力对试件高度中部的横向变形的约束影响越小。但是，当高宽比达到一定值后，这种影响就不明显了。,棱柱体试件的抗压强度都比立方体强度值小，并且棱柱体试件高宽比越大，强度越小。,11,在确定棱柱体试件尺寸时，一方面要考虑到试件具有足够的高度以不受试验机压板与试件承压面间摩擦力的影响，在试件的中间区段形成纯拉状态，同时也要考虑到避免试件过高，在破坏前产生的附加偏心而降低抗压极限强度。根据资料，一般认为试件的高宽比为23时，可以基本消除上述两种因素的影响。,规范规定以上述棱柱体试件测得具有95保证率的抗压强度为混凝土轴心抗压强度标准值，用ck表示。,12,混凝土的强度标准值由立方体抗压强度标准值fcu,k经计算确定。,13,知识点：混凝土轴心抗压强度与立方体抗压强度的关系,c1为棱柱体强度与立方体强度之比，对混凝土强度等级为C50及以下的取c10.76，对C80取c10.82，在此之间按直线规律变化取值。,c2为高强度混凝土的脆性折减系数，对C40及以下取c21.00，对C80取0.87，中间按直线规律取值。,0.88为考虑实际构件与试件混凝土强度之间的差异而取用的修正系数。,14,混凝土轴心抗拉强度,砼的抗拉强度对砼构件多方面的工作性能有重要影响，而且在构件的抗裂、抗扭、抗冲切等计算中还常直接利用砼的抗拉强度，新规范在抗剪计算中亦考虑的抗拉强度。,砼抗拉强度远低于抗压强度，仅抗压强度的1/181/9。,在钢筋砼构件的破坏阶段，处于受拉工作状态的砼一般早已开裂，故在构件的承载力计算多数情况下是不考虑受拉砼工作的。,因此，砼的抗拉强度也是一项必须确定的重要指标。,15,混凝土由于硬化过程中的收缩以及温度和湿度变化也会产生变形。,2混凝土的变形,变形是混凝土的一个重要力学性能。,受力变形,直接在载荷作用下所产生的变形；,体积变形,16,1.3.1短期加载时混凝土的变形,1混凝土受压时的应力应变关系（受拉基本相同）,混凝土的应力应变曲线是砼力学性能的一个重要方面，是钢筋砼构件应力分析、建立强度和变形计算理论不可少的依据。,典型的混凝土应力应变全曲线,17,砼在加荷前就已存在微裂缝，是因为在其凝结初期由于水泥石收缩、骨料下沉等原因，在水泥石和骨料间的交界面上形成的。在外力作用下，微裂缝将有一个发展过程，砼的破坏过程是裂缝不断产生、扩展和失稳的过程。,18,短期加载时混凝土的变形,三个阶段,第阶段：应力应变关系接近于直线。砼内部已存在微裂缝但没有发展。,砼的变形主要是骨料和水泥结晶体的弹性变形,上升段,19,第阶段：随着荷载的增大，砼内部裂缝不断产生、发展。这些裂缝仍然处于稳定状态。应力不增加，裂缝不发展。,我们把临界点B相对应的应力作为长期受压强度的依据。？,由于不可恢复的变形明显增加，应力应变曲线弯向应变轴，横向变形系数增大。表现出明显的非弹性特征。,20,第阶段：随着荷载的增大，裂缝宽度和数量急剧增加。曲线斜率急剧减小。即使应力不增加，裂缝也会持续开展。在高应力状态下，砼内部微裂缝转变为明显的纵向裂缝，试件开始破坏。,峰值应力点对应的应变为峰值应变。,21,从以上砼破坏过程分析可以得出结论：砼受压破坏是由于砼内部微裂缝的扩展所致。,所以如果对砼横向变形加以约束，限制裂缝开展，可以提高其纵向受压强度。具体措施？,问题：有什么有效措施能提高其纵向受压强度？,22,峰值应力后，裂缝迅速发展，应力逐渐减小，呈现明显下降段。一般情况，开始下降较快，曲线坡度较陡，然后曲线坡度开始变缓，经拐点D后更为平缓，在之后曲线中曲率最大点为E点。E之后主裂缝已很宽，结构内聚力已耗尽，对于无侧向约束的混凝土已失去结构的意义。,下降段,下降段表达了混凝土耐受变形的能力，即E点所对应应变为其极限压应变。,注：一般的压力试验机是无法得到砼的应力应变曲线的下降段的。P12,23,3混凝土模量和弹性系数P15,计算超静定结构内力、温度变化和支座沉降产生的内力以及预应力砼构件的预压应力时，通常近似地把砼看作弹性材料分析，此时，就需要用到砼的弹性模量。但对砼来说，应力应变关系为一曲线，在不同的受力阶段，应力和应变之间的变形模量是一个变数，因此怎样恰当规定砼的弹性指标成为我们要解决的首要问题。,问题的提出：,24,弹性模量,砼的模量表达,25,4混凝土弹性模量测定,我国规范弹性模量测定方法：采用棱柱体或圆柱体试件，取应力上限为0.3fc，重复加载510次。由于混凝土的非弹性性质，每次卸载到零时，存在残余变形。但是随着荷载重复次数的增加，残余变形逐渐减小，最后趋于稳定，应力应变趋于直线。该直线的斜率就是混凝土的弹性模量。,混凝土受压弹性模量与受拉弹性模量大致相等。,26,1钢筋的性能,钢筋作用,受力钢筋,架立钢筋,分布钢筋,纵向构造钢筋(腰筋),构造箍筋,8.1.2钢筋,主要承担拉力，也可加强砼的抗压能力.,保证受力钢筋的设计位置不因捣制砼而有所移动,将构件所受到的外力分布在较广的范围，以改善在板中受力情况，同时固定受力钢筋。,改善梁、柱中受力情况，同时固定受力钢筋。,梁截面高度较大时梁中构造钢筋,注意：受力、架立和分布钢筋并不一定能绝对区别开来，即同一钢筋往往可同时起上述两种以上的作用。,27,2钢筋品种、级别和分类,1纵向受力普通钢筋宜采用HRB400、HRB500、HRBF400、HRBF500钢筋，也可采用HPB300、HRB335、HRBF335、RRB400钢筋；,混凝土结构的钢筋应按下列规定选用：,2梁、柱纵向受力普通钢筋应采用HRB400、HRB500、HRBF400、HRBF500钢筋；,3箍筋宜采用HRB400、HRBF400、HPB300、HRB500、HRBF500钢筋，也可采用HRB335、HRBF335钢筋；,4预应力筋宜采用预应力钢丝、钢绞线和预应力螺纹钢筋。,28,2钢筋品种、级别和分类,根据钢筋产品标准的修改，不再限制钢筋材料的化学成分和制作工艺，而按性能确定钢筋的牌号和强度级别，并以相应的符号表达。,增加强度为500MPa级的热轧带肋钢筋；推广400MPa、500MPa级高强热轧带肋钢筋作为纵向受力的主导钢筋；限制并准备逐步淘汰335MPa级热轧带肋钢筋的应用；用300MPa级光面钢筋取代235MPa级光面钢筋。在规范的过渡期及对既有结构进行设计时，235MPa级光面钢筋的设计值按原规范取值。,29,2钢筋品种、级别和分类,增加预应力钢筋的品种：增补高强、大直径的钢绞线；列入大直径预应力螺纹钢筋（精轧螺纹钢筋）；列入中强度预应力钢丝以补充中等强度预应力钢筋的空缺，用于中、小跨度的预应力构件；淘汰锚固性能很差的刻痕钢丝。,箍筋用于抗剪、抗扭及抗冲切设计时，其抗拉强度设计值不受限制，不宜采用强度高于400MPa级的钢筋。当用于约束混凝土的间接钢筋时，其高强度可以得到充分发挥，采用500MPa级钢筋具有一定经济效益。,近年来，我国强度高，性能好的预应力钢筋已可充分供应，冷加工钢筋不再列入规范。,30,钢筋与混凝土的粘结力,粘结与粘结力定义,粘结是指钢筋与周围砼界面间的一种相互作用，粘结力是指钢筋砼受力后沿其接触面上产生的一种剪应力。,31,钢筋与混凝土的粘结力,锚固粘结应力：,两种粘结应力,锚固长度和延伸长度(a,b)锚固长度：钢筋伸进支座或连续梁中承担负弯矩的上部钢筋在跨中截断时，需延伸的一段长度。通过此延伸长度上粘结应力的积累使钢筋中建立起能发挥钢筋强度的应力。,两相邻开裂截面之间产生。保证开裂截面钢筋与砼之间的应力传递(c)P191,局部粘结应力：,开裂截面处,32,2、粘结力组成,胶着力,混凝土收缩裹压钢筋产生。由于砼凝固时收缩，对钢筋产生垂直于摩擦面的压应力。这种压应力越大，接触面的粗糙程度越大，摩阻力越大。,钢筋表面凹凸不平引起。对于光面钢筋这种咬合力来自表面的粗糙不平。,光面钢筋的粘结：,钢筋和砼接触面上的化学吸附作用力。浇注时水泥浆体对钢筋表面氧化层的渗透及水化时水泥晶体的生长和硬化。一般很小，仅在受力阶段的局部无滑移区域起作用。接触面发生相对滑移时即消失。,摩阻力,机械咬合力,8.2建筑结构的功能要求和极限状态,8.2.1建筑结构的功能要求（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。,8.2.2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。,(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)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。,8.3结构上的作用与作用效应S,2.2结构上的作用与作用效应S,2.2.1结构上的作用与荷载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。,荷载的分类和荷载效应建筑结构荷载规范（GB500682010）（以下简称为荷载规范）将结构上的荷载作如下分类：（1）按作用时间的变异分类：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。,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）按空间位置变异分类：固定荷载在结构空间位置上具有固定分布的荷载，如结构构件的自重、固定设备重等。自由荷载在结构空间位置上的一定范围内可以任意分布的荷载，如起重机荷载、人群荷载等。,8.3.2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%。,(4)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。,8.3.3荷载效应,8.4结构的极限状态设计表达式8.4.1：功能函数Z=R-SZ0:可靠状态Z=0：极限状态Z0：失效状态,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,8.4.2结构的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,（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,8.4.3正常