结构与构件设计课件

1、第三章 结构与构件设计第一节 概述钢筋砼结构 由钢筋和砼两种材料组成共同受力的结构。砼抗压强度高，抗拉强度低，为抗压强度 的1/81/20； 破坏时有明显 的脆性性质。素砼主要用于以受压为主的基础、柱墩和一些非承重结构。Pcr = 9.7kN150300fc=13.4N/mm2ft=1.54N/mm2 ftsc= ft2500素砼梁Pu Pcrsc= ft ft破坏时跨中截面受压边缘的压应力与抗拉强度相近，远未达到砼的抗压强度，破坏表现为脆性断裂，无明显预兆。 Pcr = 9.7kNfc=13.4N/mm2ft=1.54N/mm2fy=335N/mm2 ftsc= ft1503002500钢筋

2、砼梁Pu 52.5kNsc= ft ft ss sc2f16 fy配置钢筋后，钢筋砼梁的承载力比素砼梁大大提高，钢筋的抗拉强度和砼的抗压强度均得到充分利用，且破坏过程有明显预兆。Py 50.0kN fc钢筋砼Reinforced Concrete（缩写RC）除在受拉区配筋外，还有其他配筋方式；可在受压区配钢筋协助砼承受压力；在复杂应力区域（如梁在受剪区段、受扭构件等），可配箍筋或纵横交错的钢筋；当构件受力很大时，可直接配钢骨；可用箍筋约束砼提高砼的抗压强度，甚至直接采用钢管；采用纤维（钢纤维、玻璃纤维等）与砼一起搅拌形成的纤维砼，其抗拉强度可提高。两种（或两种以上）材料的有机组合，充分发挥各自

3、的长处，可创造出多种形式的复合材料，适应各种不同受力的要求，取得很好的综合经济效益 受压构件中配置受压钢筋受扭构件配筋螺旋箍筋约束砼梁中配置箍筋常见配筋方式 钢筋与砼共同工作的条件钢筋（材）和砼两种材料的物理力学性能很不相同，他们可以结合在一起共同工作，是因为：钢筋和砼之间存在有良好的粘结力，在荷载作用下，可以保证两种材料协调变形，共同受力；钢材与砼具有基本相同的温度线膨胀系数（钢材为1.210-5，砼为(1.01.5)10-5），因此当温度变化时，两种材料不会产生过大的变形差而导致两者间的粘结力破坏。砼保护层防止钢筋生锈，提高耐久性，增加粘结力。钢筋砼结构的缺点自重大。不适用于大跨、高层结构

4、。轻质、高强和预应力抗裂性差。普通RC结构，在正常使用阶段带裂缝工作，环 境较差(露天、沿海、化学侵蚀)时影响耐久性；限制了普通RC用于大跨结构，高强钢筋无法应用。预应力砼钢筋砼结构一旦破坏，其修复、加固、补强较困难。钢模、滑模等；泵送、早强、商品、高性能砼等砼结构加固技术不断得到发展，如最近研究开发的采用碳纤维布加固砼结构技术，快速简便。施工复杂。工序多（支模、绑钢筋、浇筑、养护），消耗 木料多，工期长，施工受季节、天气影响大。三峡工程左厂房小浪底水利枢纽工程砼施工中的小浪底进水塔群二 滩毛里塔尼亚友谊港 天津港大沽灯塔 美国密执安州的麦基那克海峡大桥钢筋砼的分类按受力状态分杆系结构和非杆系

5、结构。按制作方法分整体式、装配式和装配整体式。按初应力状态分普通钢筋砼和预应力钢筋砼。 预应力砼结构（Prestressed Concrete)在结构受荷之前，预先对砼施加压力，造成人为的压应力状态，使产生的压应力可部分或全部抵消荷载引起的拉应力。 钢筋砼结构的发展简况及应用 1824年英国人阿斯普丁发明硅酸盐水泥； 1849年法国人朗波制造了第一只钢筋砼小船； 1872年在纽约建造第一所钢筋砼房屋； RC结构的开始应用于土木工程距今仅150多年。 与砖石结构、钢木结构相比，钢筋砼结构的历史并不长，但发展非常迅速，目前砼结构已成为大量土木水利工程结构中最主要的结构，而且高性能砼和新型砼结构形式

6、还在不断发展。 结构设计的主要内容与程序主要内容： 选用材料 确定结构形式 计算构件截面尺寸 结构设计的程序结构选型 砌体结构 混和结构 钢结构 钢筋砼结构结构构件布置 屋盖 楼板 墙、柱 基础 过梁 阳台 楼梯等结构构件的计算简图单个构件的设计计算绘制结构施工图上次课内容回顾混凝土结构的概念结构设计的主要内容 选用材料 确定结构形式 计算构件截面尺寸结构设计的程序 结构选型 结构构件布置 结构构件的计算简图 单个构件的设计计算 绘制结构施工图进行结构力学分析之前，应首先将实际结构进行抽象和简化，使之既能反映实际的主要受力特征，同时又能使计算大大简化。这种经合理抽象和简化，用来代替实际结构的力

7、学模型叫做结构的计算简图。 结构构件计算简图计算简图的选取在结构的分析中占有相当重要的地位，它直接影响着计算工作量的大小和分析结构与实际间的差异。 计算简图的选取应遵循下列两条原则：（1） 正确反映结构的实际受力情况，使计算结果尽可能与实际相符；（2） 便于分析和计算结构的简化包括以下两方面： 一是结构体系的简化； 二是结构构件的简化 构件的简化 支座的简化 荷载的简化现浇整体式框架结构的结构体系的简化框架结构是由横向框架和纵向框架组成的空间结构，要精确计算其内力是十分困难的。为了简化计算通常忽略它们之间的空间联系，而将空间结构体系简化为横向和纵向平面框架计算，并取出具有代表性的一榀或几榀框架

8、作为计算单元。一般可取纵向边框架、纵向中框架、横向边框架和横向中框架共四榀作为计算单元。结构中，把各个杆件连接在一起的区域称为节点，通常根据其实际构造和结构受力特点，分为铰节点、刚节点。 铰节点的特点是与铰相连的各杆件可以分别绕该铰做自由转动，不存在节点对杆的约束，即由于转动在杆端不会产生力矩，也不会传递力矩，只能传递轴力和剪力，一般用小圆圈表示。 节点的简化刚节点的特征是节点对与之相连的各杆件的转动有约束作用，转动时各杆间的夹角保持不变，杆端除产生轴力和剪力外，还产生弯矩，同时某杆件上的弯矩也可以通过节点全部传递给其它杆件。结构构件与其支承物间的连接装置就是支座。在对支座简化时，一般忽略支座

9、与构件接触面间摩擦以及接触面大小的影响，认为支座与杆件是以一支承点（即反力的合力作用点）连接起来的。支座的简化支座根据实际构造和约束特点可分为以下几种。（1） 固定铰支座（简称铰支座）如：预制柱插入杯形基础，四周用沥青麻丝填实。 支座的简化(2) 可动铰支座在单层多跨并有纵向变形缝的厂房中，当中柱为单柱时，搭在中柱柱顶的其中一榀屋架将直接搁置于钢滚轴上，而钢滚轴搁置于柱顶或牛腿顶面上。(3) 固定支座在实际工程中，有些结构构件既不能发生任何方向的移动，也不能发生任何角度的转动。荷载的简化是指将实际结构构件上所受到的各种荷载简化为作用在构件纵轴上的线荷载、集中荷载或力偶。在简化时应注意力的作用点

10、、方向和大小。荷载的简化荷载的分类荷载是主动作用在结构上的外力，如结构自重、人的重量、水压力、风压力等。 根据特征的不同，荷载可有下列的分类：根据荷载作用时间的久暂，荷载可分为恒荷载和活荷载（也叫可变荷载）。恒荷载是长期作用在结构上的大小和方向不变的荷载，如结构的自重等活荷载是随着时间的推移，其大小、方向或作用位置发生变化的荷载，如雪荷载、风荷载、人的重量等。 根据荷载的分布范围，荷载可分为集中荷载和分布荷载。集中荷载是指分布面积远小于结构尺寸的荷载，如吊车的轮压，由于这种荷载的分布面积较集中，因此在计算简图上可把这种荷载作用于结构上的某一点处。分布荷载是指连续分布在结构上的荷载，当连续分布在

11、结构内部各点上时叫体分布荷载，当连续分布在结构表面上时叫面分布荷载，当沿着某条线连续分布时叫线分布荷载，当为均匀分布时叫均布荷载。钢筋的品种和力学性能一.钢筋的品种 按化学成分区分低碳钢：（含碳量0.6%）强度高、塑性差低合金钢：碳素钢基础上加入少量合金元素而成， 强度高、塑性好第二节 钢筋砼材料主要物理力学性能 按外形区分光面钢筋带肋钢筋月牙肋 纹路与肋不相交， 不易产生应力集中，粘结强度 略低于等高肋钢筋。等高肋（螺旋纹、人字纹）与钢筋砼粘结力好，纹路与肋相交，易产生应力集中。光面圆钢筋螺旋纹钢筋人字纹钢筋月牙纹钢筋按加工方式区分热轧钢筋 级钢筋： 光面低碳钢，塑性好、强度低； 多作为厚度

12、不大楼板的受力钢筋和箍筋。 级钢筋、 级钢筋： 月牙肋、低合金钢，强度较高； 多作为钢筋砼构件受力钢筋，尺寸较大的构件，为增强与砼的粘结可用级钢作箍筋。 级钢筋： 等高肋、低合金钢，强度高； 一般经冷拉后用于预应力钢筋砼结构。冷加工钢筋 热轧钢筋常温下经冷拉、冷拔、冷轧、冷扭加工后而成。冷加工提高钢筋的强度，节约钢材。冷加工后，强度提高，塑性降低。一般用于预应力砼结构。热处理钢筋 等高肋低合金钢，级钢经加热、淬火和回火等调质工艺而成，强度提高，塑性降低不多。用于预应力砼结构。钢丝 直径6mm，外形有光面、刻痕和螺旋肋三种，另有二股、三股和七股钢绞线，外接圆直径9.515.2 mm。用于预应力砼

13、结构。 二. 钢筋的力学性能 （一）软钢的力学性能 a为比例极限 cd为强化段b为屈服强度 fybc为屈服台阶d为抗拉强度软钢：有明显屈服点的钢筋，如热轧 级钢筋。 含碳量高，屈服强度和抗拉强度高，伸长率小，流幅缩短。（二）硬钢的力学性能 a点：比例极限协定流限：强度设计指标，指经加载及卸载后尚存有0.2%永久残余变形时的应力，用0.2表示。 0.2一般相当于抗拉强度的70% 85%。硬钢：没有明显屈服点的钢筋，如热处理钢筋及高强钢丝。 （三）钢筋的冷加工冷拉钢筋 将钢筋拉伸超过其屈服强度，放松，经一段时间之后，钢筋会获得比原来屈服强度更高的屈服强度值。如图所示。冷拉后，屈服强度提高了，流幅缩

14、短，伸长率降低，钢材性质变硬变脆。冷拉后，抗压强度没有提高，计算仍取用原来的抗压强度。冷拔 将钢筋用强力拔过硬质合金拔丝模，截面变 小而长度增加，强度提高，塑性降低。冷轧 将热轧钢筋在常温下表面轧制成不同的形状，强度提高，塑性降低。 冷轧带肋钢筋采用低碳热轧盘圆进行冷轧减径，表面轧出月牙纹。 冷轧扭钢筋钢筋经冷轧并经扭转而成。 砼的物理力学性能 一砼的强度（一）立方体抗压强度fcu砼结构主要利用其抗压强度，因此抗压强度是最主要和最基本的指标。标准立方体强度：标准立方体试件测得的抗压强度，用fcu表示。砼强度等级：边长150mm立方体，温度为203、相对湿度不小于95%的条件下养护28天，用标准

15、试验方法测得的具有95%保证率的立方体抗压强度标准值fcuk作为砼的强度等级，以符号C表示，单位为N/mm2。影响砼强度的因素试验方法。试件尺寸。加载速度。龄期。试验录像水利水电工程用砼分11个强度等级，即C10、C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60，级差为5N/mm2。 （二）轴心抗压强度fc150mm150mm300mm的棱柱体试件测定， fc表示，较接近实际构件中砼的受压情况。fc (0.5 0.55) fc 时，最终徐变与应力不成正比，称为非线性徐变。当sc0.8fc 时，砼内部微裂缝的发展处于不稳定状态，徐变的发展不收敛，导致砼的破坏。 加载

16、龄期：砼的龄期越短，凝胶体的粘性流动越大，徐变越大。环境影响：外界相对湿度越高，结构内部水分不易外逸，徐变越小。徐变对结构的作用徐变有利于结构构件产生内（应）力重分布，减小应力集中现象。减小大体积砼内的温度应力。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，会导致破坏。松弛当结构受外界约束而无法变形，结构的应力会随时间的增长而降低，这种现象称为松弛。（六）砼的温度变形和干湿变形砼因温度和湿度变化引起的体积变化称为温度变形和干湿变形。大体积砼结构温度变形十分重要，当变形受到约束，温度变化引起的应力可能引起开裂。计算温度变形或应力时，砼温度线膨胀系数取为1.010-5

17、 。大体积砼结构中，用钢筋来防止温度裂缝或干缩裂缝是不可能的。适当布置钢筋，可分散裂缝，减小裂缝宽度。为减小温度应力和干缩应力，可设置伸缩缝。砼因外界湿度变化产生干缩与湿胀。湿胀常产生有利的影响，设计中一般可不考虑。干缩变形受到约束时，结构产生干缩裂缝。干缩变形影响因素： 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。 三砼的其他性能（一）重力密度（或重度）设计一般钢筋砼结构时，其重力密度可近似地采用为25kN/m3。（二）砼的耐久性水工砼的耐久性，与其抗渗、抗冻、抗冲刷、抗碳化和抗腐蚀等性能有密切关系

18、。钢筋与砼的粘结一.钢筋与砼之间的粘结力钢筋与砼间具有足够的粘结是保证两者共同受力变形的基本前提。通过钢筋与砼界面的粘结应力，可以实现钢筋与砼之间的应力传递，从而使两种材料可以结合在一起共同工作。粘结应力通常是指钢筋与砼界面间的剪应力。拔出试验 粘结应力 光面钢筋b峰值随P增加，由加荷端移至自由端， b图形长度（有效埋长）达到自由端。变形钢筋b峰值始终在加荷端附近，有效埋长增加 缓慢，粘结力大于光面钢筋。 光面钢筋的粘结力由三部分组成：水泥凝胶体与钢筋表面之间的胶着力；砼收缩，将钢筋紧紧握固而产生的摩擦力；钢筋表面不平整与砼之间产生的机械咬合力。变形钢筋的粘结力除了胶着力与摩擦力等以外，更主要的是钢筋表面突出的横肋对砼的挤压力。影响粘结力的主要因素 砼强度：粘结强度随砼强度的提高而增加，但并不与立方体强度fcu成正比，而与抗拉强度 ft 成正比。 保护层厚度：变形钢筋，粘结强度主要取决于劈裂破坏。相对保护层厚度c/d