第3章结构与构件设计

1、第三章第三章 结构与构件设计结构与构件设计 3.1 概述概述3.1.1混凝土结构的基本概念混凝土结构的基本概念 混凝土结构混凝土结构包括：素混凝土结构、钢筋混凝土结包括：素混凝土结构、钢筋混凝土结构、预应力混凝土结构。构、预应力混凝土结构。 由钢筋和混凝土按照一定的方式结合而成的结构由钢筋和混凝土按照一定的方式结合而成的结构称为钢筋混凝土结构。我国当前的大、中型给水排水称为钢筋混凝土结构。我国当前的大、中型给水排水构筑物一般采用的均是钢筋混凝土结构。构筑物一般采用的均是钢筋混凝土结构。 钢筋的特点钢筋的特点：抗拉和抗压强度都很高，但是柔性：抗拉和抗压强度都很高，但是柔性大，往往挠度不一定能满足

2、要求大，往往挠度不一定能满足要求。 混凝土特点混凝土特点：抗压强度较高而抗拉强度相当低，抗：抗压强度较高而抗拉强度相当低，抗拉强度一般只有抗压强度的拉强度一般只有抗压强度的1/201/10。例如：一根没有配置钢筋的纯混凝土简支梁，跨度为例如：一根没有配置钢筋的纯混凝土简支梁，跨度为4m，截面尺寸为截面尺寸为bh=200300mm2,混凝土强度等级为混凝土强度等级为C20，梁的，梁的跨中作一集中荷载跨中作一集中荷载P。当。当P=8kN时破坏。时破坏。如果简支梁中配有钢筋，梁破坏时如果简支梁中配有钢筋，梁破坏时P=36kNP=36kN. .梁中配有钢筋后，可以产生如下效果梁中配有钢筋后，可以产生如

3、下效果: :结构的承载力发生了显著的变化，从结构的承载力发生了显著的变化，从8kN8kN增大到增大到36kN36kN. .结构的受力特性得到了显著的改善。结构的受力特性得到了显著的改善。在钢筋混凝土结构中，钢筋和混凝土这两种性质不同的材在钢筋混凝土结构中，钢筋和混凝土这两种性质不同的材料之所以能结合成一个整体而共同工作，有下面三个条件料之所以能结合成一个整体而共同工作，有下面三个条件:(1)混凝土和钢筋之间有良好的工作性能，两者可靠地结合在混凝土和钢筋之间有良好的工作性能，两者可靠地结合在一起，可共同受力，共同变形。一起，可共同受力，共同变形。 (2)两者的温度线膨胀系数很接近，避免产生较大的

4、温度应力两者的温度线膨胀系数很接近，避免产生较大的温度应力破坏两者的粘结力，混凝土：破坏两者的粘结力，混凝土：1.010-51.5 10-5，钢筋：，钢筋： 1.2 10-5 (3)混凝土包裹在钢筋的外部，可使钢筋免于腐蚀或高温软化混凝土包裹在钢筋的外部，可使钢筋免于腐蚀或高温软化 怎么保证？怎么保证？保证（采取的）措施(1)在一般环境中的钢筋混凝土构件，其受拉区混凝土虽然很难避免开裂，但必须加以控制。(2)混凝土保护层必须具备一定的厚度（见P457）钢筋混凝土的特点钢筋混凝土的特点: 优点优点就地取材。就地取材。节约钢材节约钢材耐久、耐火性好耐久、耐火性好可模性好可模性好整体性、抗震性能较好

5、整体性、抗震性能较好。缺点缺点:自重大自重大抗裂性较差抗裂性较差加固和改建比较困难加固和改建比较困难现浇钢筋混凝土结构木模板的消耗量大，施工周期较长现浇钢筋混凝土结构木模板的消耗量大，施工周期较长。3.1.2结构设计的主要内容与程序结构设计的主要内容与程序 结构设计的任务是结构设计的任务是：在确保构筑物安全可靠和：在确保构筑物安全可靠和正常使用的同时，选择技术先进、经济合理的结构正常使用的同时，选择技术先进、经济合理的结构体系。体系。1、结构设计的主要内容、结构设计的主要内容 选用材料、确定结构形式、计算构件截面尺寸、选用材料、确定结构形式、计算构件截面尺寸、确保整个建筑物和构筑物的安全使用。

6、确保整个建筑物和构筑物的安全使用。2、结构设计的程序、结构设计的程序 结构设计的基本步骤：结构选型、结构布置、结构设计的基本步骤：结构选型、结构布置、结构构件计算与设计、绘制施工图。结构构件计算与设计、绘制施工图。结构选型结构选型：砌体结构、钢结构、混凝土结构：砌体结构、钢结构、混凝土结构结构构件布置结构构件布置： 结构构件的受力途径应当简洁、合理，以减少结构构件的受力途径应当简洁、合理，以减少构件类型；尽量减少各结构构件的跨度，以节约材料。构件类型；尽量减少各结构构件的跨度，以节约材料。 (3)结构构件的计算简图结构构件的计算简图 能够正确反映结构构件的实际工作情况；便于分能够正确反映结构构

7、件的实际工作情况；便于分析与计算。析与计算。 (4)单个构件的设计计算单个构件的设计计算 (5)绘制结构施工图绘制结构施工图3.1.3结构构件计算简图结构构件计算简图1、构件的简化构件的简化2、支座简化与计算跨度、支座简化与计算跨度3、荷载简化与计算、荷载简化与计算（1）荷载分类）荷载分类永久作用永久作用(荷载荷载) 永久荷载指在设计基准期内，其值不随时间而变化，永久荷载指在设计基准期内，其值不随时间而变化，或其变化值与平均值相比可以忽略不计的荷载。例如结构或其变化值与平均值相比可以忽略不计的荷载。例如结构自重、土壤压力、预加应力等。自重、土壤压力、预加应力等。可变荷载可变荷载 指在设计基准期

8、内，其值随时间发生变化，且指在设计基准期内，其值随时间发生变化，且变化的程度与平均值不可以忽略不计的荷载。例如变化的程度与平均值不可以忽略不计的荷载。例如安装荷载、楼面上的人群、家具质量产生的活荷载、安装荷载、楼面上的人群、家具质量产生的活荷载、风荷载、雪荷载等。风荷载、雪荷载等。偶然荷载偶然荷载 偶然荷载指在设计基准期内不一定会出现，但偶然荷载指在设计基准期内不一定会出现，但是一旦出现量值就很大，且持续的时间也较短的作是一旦出现量值就很大，且持续的时间也较短的作用，例如地震、冲击、爆炸等。用，例如地震、冲击、爆炸等。（2）荷载简化）荷载简化荷载简图的形式通常有线荷载（均布荷载、三角荷载简图的

9、形式通常有线荷载（均布荷载、三角形荷载、梯形荷载）、集中荷载和力偶（矩）形荷载、梯形荷载）、集中荷载和力偶（矩）3.2 钢筋砼材料主要物理力学性能3.2.1钢筋钢筋 分类（外形）：分类（外形）： （1）光面钢筋光面钢筋，HPB235,一级钢筋一级钢筋 （2）带肋钢筋，带肋钢筋，HRB335(二级二级)、 HRB400(三级三级)、 RRB400(四级四级)。附表。附表P454分类（直径，分类（直径，mm）：附表）：附表3-2，P461 3.2 钢筋砼材料主要物理力学性能3.2.3钢筋与砼的共同工作钢筋与砼的共同工作1、钢筋与混凝土的粘结作用、钢筋与混凝土的粘结作用（1）钢筋与混凝土接触面上的化

10、学吸附力，也称）钢筋与混凝土接触面上的化学吸附力，也称胶结力；胶结力；（2）混凝土硬结时体积收缩将钢筋紧紧握裹而产）混凝土硬结时体积收缩将钢筋紧紧握裹而产生的摩擦力；生的摩擦力；（3）钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的机械）钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的机械咬合力，也称咬合力。咬合力，也称咬合力。3.3结构按极限状态计算的基本原则结构按极限状态计算的基本原则3.3.1设计基准期和设计使用年限设计基准期和设计使用年限设计基准期设计基准期（design reference period）:由于结构上的由于结构上的荷载是随着时间而变化，因此在分析结构可靠度时必须荷载是随着时间而变化，因此在分析结

11、构可靠度时必须相对固定在一个时间坐标系数以作为基准，区别建筑物相对固定在一个时间坐标系数以作为基准，区别建筑物的设计使用年限与建筑物的使用寿命的设计使用年限与建筑物的使用寿命设计使用年限设计使用年限(design working period)是设计规定的一是设计规定的一个时期，在这一规定时间内个时期，在这一规定时间内(建筑工程、给排水工程建筑工程、给排水工程50年，桥梁工程按年，桥梁工程按100年设计年设计)，在规定条件下，在规定条件下(正常设计、正常设计、正常施工、正常使用正常施工、正常使用)完成预定功能（安全、适用、耐完成预定功能（安全、适用、耐久）。久）。3.3结构按极限状态计算的基本

12、原则结构按极限状态计算的基本原则3.3.2极限状态的定义与分类极限状态的定义与分类定义定义:整个结构或结构的某一部分超过某一特定状态后，整个结构或结构的某一部分超过某一特定状态后， 就不能满足安全、适用和耐久等功能中某一功能要就不能满足安全、适用和耐久等功能中某一功能要 求求,此特定状态便称为该功能的极限状态。此特定状态便称为该功能的极限状态。分类分类承载力极限状态承载力极限状态正常使用极限状态正常使用极限状态1、承载力极限状态承载力极限状态 当结构或结构构件达到最大承载力或者达到不适于继续当结构或结构构件达到最大承载力或者达到不适于继续承载的变形状态时，称该结构构件达到承载力极限状态。承载的

13、变形状态时，称该结构构件达到承载力极限状态。 当结构或结构构件出现下列状态之一时，即认为超过了当结构或结构构件出现下列状态之一时，即认为超过了承载力极限状态。承载力极限状态。(1)结构或构件达到最大承载力结构或构件达到最大承载力(包括疲劳包括疲劳)(2)结构整体或其中一部分作为刚体失去平衡结构整体或其中一部分作为刚体失去平衡(如倾覆、滑移如倾覆、滑移)(3)结构塑性变形过大而不适于继续使用结构塑性变形过大而不适于继续使用(4)结构形成几何可变体系结构形成几何可变体系(超静定结构中出现足够多塑性铰超静定结构中出现足够多塑性铰)(5)结构或构件丧失稳定结构或构件丧失稳定(如细长受压构件的压曲失稳如

14、细长受压构件的压曲失稳)2、正常使用极限状态、正常使用极限状态 结构或构件达到正常使用或耐久性能的某一项规结构或构件达到正常使用或耐久性能的某一项规定限值的状态，为正常使用的极限状态。定限值的状态，为正常使用的极限状态。（1）影响正常使用和外观的变形）影响正常使用和外观的变形（2）影响正常使用或耐久性能的局部损坏）影响正常使用或耐久性能的局部损坏(包括裂缝包括裂缝)（3）影响正常使用的振动）影响正常使用的振动（4）影响正常使用的其他特定状态，如水池渗漏现象等）影响正常使用的其他特定状态，如水池渗漏现象等。 受弯构件：受弯构件：同时受到弯矩M和剪力V共同作用, 而N可以忽略的构件。pplllMp

15、lVp3.4钢筋混凝土受弯构件正截面承载力计算钢筋混凝土受弯构件正截面承载力计算 受弯构件截面类型：梁、板( a )( b )( c )( d )( e )( f )( g )钢筋混凝土构件的破坏有两种形式钢筋混凝土构件的破坏有两种形式:一种是由弯一种是由弯矩引起的正截面破坏，另外一种是由弯矩和剪矩引起的正截面破坏，另外一种是由弯矩和剪力共同作用所引起的斜截面破坏。力共同作用所引起的斜截面破坏。对适筋梁的试验： L)4131(L)4131(PL应变测点千分表弯矩M图剪力V图P3.4.1 受弯构件正截面的受力特征受弯构件正截面的受力特征应变图应力图对各阶段和各特征点进行详细的截面应力 应变分析：

16、yMyfyAsIIaMsAsIIsAsMIc maxMufyAs=ZDxfIIIaMfyAsIIIsAst maxMcrIaftkZ对各阶段特点的几点描述MyfyAsIIaMsAsIIsAsMIMufyAs=ZDxfIIIaMfyAsIIIsAsMcrIaftkZ钢筋和混凝钢筋和混凝土共同受力土共同受力 钢筋砼共钢筋砼共同受力，同受力， Ia:受弯受弯构件抗裂构件抗裂计算依据计算依据 出现裂缝，砼出现裂缝，砼被拉断被拉断 ，钢，钢筋有应变但未筋有应变但未到屈服点，钢到屈服点，钢筋单独受力受筋单独受力受弯构件正常工弯构件正常工作阶段裂缝和作阶段裂缝和挠度的计算依挠度的计算依据。据。 钢筋钢筋fy

17、不变不变 不变不变y增大增大 承载力达到承载力达到极限状态，极限状态，承载力计算承载力计算依据依据 。 梁破坏过程中的几个特点:1、在第一阶段梁的挠度增长速度缓慢，第二阶段由于梁带在第一阶段梁的挠度增长速度缓慢，第二阶段由于梁带裂缝工作，挠度增长速度较前为快，第三阶段由于钢筋裂缝工作，挠度增长速度较前为快，第三阶段由于钢筋屈服，故挠度急剧增加。屈服，故挠度急剧增加。2、随着弯矩的增加，中和轴不断上移，受压区高度、随着弯矩的增加，中和轴不断上移，受压区高度x逐渐减逐渐减小，混凝土边缘纤维压应变随之加大，受拉钢筋的拉应小，混凝土边缘纤维压应变随之加大，受拉钢筋的拉应变随变随M的增加而增加，但应变图

18、形仍是上下为三角形的增加而增加，但应变图形仍是上下为三角形(平平截面假定截面假定)，受压区应力图形在，受压区应力图形在I阶段为三角形，阶段为三角形，阶段阶段为微曲的曲线形状，为微曲的曲线形状，阶段为更为丰满的曲线分布。阶段为更为丰满的曲线分布。3、I阶段阶段: 增长速度较慢，开裂前后的钢筋应力发生突变；增长速度较慢，开裂前后的钢筋应力发生突变；第第阶段阶段s较较I阶段增长速度快，阶段增长速度快，=fy, 保持不变，直到保持不变，直到破坏。破坏。2、钢筋混凝土梁正截面的破坏形式 配筋率影响着构件承载力，而且影响着钢筋混凝土梁的破坏形态。配筋率：受力钢筋截面面积与正截面有效截面面积的比 0bhAs

19、bash0ashAsh0梁截面的有效高度梁截面的有效高度sahh0mm;2、钢筋混凝土梁正截面的破坏形式 根据配筋率的不同，钢筋混凝土梁可能出现下面三种根据配筋率的不同，钢筋混凝土梁可能出现下面三种不同的破坏形式：不同的破坏形式：(1)适筋梁破坏适筋梁破坏maxmin过程过程: :砼一旦开裂，砼将拉力传给钢筋，荷载继续增加，裂缝砼一旦开裂，砼将拉力传给钢筋，荷载继续增加，裂缝不断发展，挠度不断增加，最终受拉区钢筋屈服，然后受压不断发展，挠度不断增加，最终受拉区钢筋屈服，然后受压区砼被压碎而破坏。区砼被压碎而破坏。特点特点: :延性破坏；材料利用，钢筋受拉，砼受压，承载力高延性破坏；材料利用，钢

20、筋受拉，砼受压，承载力高PP.PP(2)少筋梁破坏( )minPP.PP过程过程: :一裂即断，脆性破坏，钢筋很快就被拉屈或拉断，一裂即断，脆性破坏，钢筋很快就被拉屈或拉断，破坏是由砼的抗拉强度决定。破坏是由砼的抗拉强度决定。特点特点: :承载力低，破坏脆性，砼抗压强度没有被充分发挥。承载力低，破坏脆性，砼抗压强度没有被充分发挥。（3）超筋梁破坏）超筋梁破坏PP.PPmax过程过程: :混凝土开裂，裂缝密而细，钢筋应力不高混凝土开裂，裂缝密而细，钢筋应力不高( (没有屈服没有屈服) )，梁最终是由受压区混凝土压碎而崩溃。梁最终是由受压区混凝土压碎而崩溃。特点特点: :脆性破坏，材料利用情况，钢筋强队没有被充分发挥脆性破坏，材料利用情况，钢筋强队没有被充分发挥3.4.2 单筋矩形截面受弯构件正截面承载力计算单筋矩形截面受弯构件正截面承载力计算 1、基本假定（以、基本假定（以a阶段的受力状态为依据）阶段的受力状态为依据）(1)弯曲前的平面，弯曲后仍为平面弯曲前的平面，弯曲后仍为平面(2)不考虑混凝土大抗拉强度，该区拉力全部由钢不考虑混凝土大抗拉强度，该区拉力全部由钢筋承担筋承担 (3)混凝土轴心受压时的应力应变关系曲线为抛物线，当混混凝土轴心受压时的应力应变关系曲线为抛物线，当混凝土强度等级