钢筋混凝土结构设计之一一般概念及材料性能

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土木工程学院路桥系

钢筋混凝土结构设计总论结构设计原理1.

什么叫结构,它包括哪些范畴？2.

设计是要作哪些工作？设计要达到怎样的要求？3.原理，即结构设计依据的理论、遵循的原则一般把构造物的承重骨架称为结构。

先修课程

（1）材料力学—单一材料杆件（2）建筑材料

0.1结构分类按建筑材料分类混凝土结构

素混凝土钢筋混凝土预应力混凝土钢结构按受力情况分受弯构件（梁），受压构件（柱），受扭构件（扭杆），圬工结构适用于中小跨径的拱桥、墩台、挡土墙、涵洞、护坡等，以及低层房屋建筑中，木结构用作支架、临时支护、模板等构造。FRP混凝土圬工结构木结构组合结构混凝土结构应用广泛，大量应用于房屋、桥梁、水工建筑中，约占现代结构的70％，中国人人均年消耗混凝土3t。钢结构材料弹性模量大、强度高、可靠性好，便于机械化施工；多应用于高层建筑、水工建筑、大跨径桥梁中组合受力构件受拉构件（系杆、吊杆）受剪构件（深梁），节点构造（支座、局部承压区、铰结构），

采用主体符号或带上、下标的主体符号。如

M，fs，

Ecf，

fs′

主体符号：用斜体大、小写字母；

上、下标：用标号或小写正体字母。

例外：lE力：N(牛顿)，kN(千牛)1kN=1000N;1kgf=10N应力：N/mm2

或

MPa(兆帕)长度：mm,cm,m0.2符号系统与计量单位

*1.除应力单位外，有量纲的符号采用英文字母符号，主符号一般采用相应英文首字母，如

M--moment，T—torsion,H—height2.大多数无量纲的符号采用希腊字母标示，另外，应力符号采用希腊字母σ。如ξη

，ρ

0.3学习中应注意的问题

本课程是一门专业技术基础课，是学习《桥梁工程》等课程的基础。注重对结构分析设计中各种构件的理想特性的剖析，以求学者对结构设计基本原理有清晰的概念理解。本课程重点内容是结构构件设计，只要符合要求设计是可以多样化的；有很多半经验半理论公式，须注意使用条件和适用范围；要学会使用设计规范；

本书中涉及的部分我国现行规范:《公路桥涵设计通用规范》（JTJD60-2004）交通部《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62-2004）交通部《公路工程结构可靠度统一设计标准》（GB/T50283-1999）《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T50281-2002）《混凝土结构设计规范》（GB50010—2002）第一章钢筋混凝土结构概念及材料钢筋混凝土结构的基本概念混凝土材料钢筋钢筋与混凝土之间的粘结1.1混凝土结构的一般概念PP素混凝土梁承载力小，破坏突然钢筋混凝土梁承载力大，变形性能好，破坏有预告1.1.1钢筋混凝土梁PP钢筋混凝土结构是由配置受力的普通钢筋、钢筋网或钢筋骨架的混凝土制成的结构。钢筋布置于受拉区在混凝土开裂后代替混凝土受拉.钢筋协助混凝土受压，减小构件断面尺寸，螺旋箍筋使混凝土处于三向受压状态，提高其强度和延性。1.1.2钢筋混凝土柱①可靠的粘结力PPPP无粘结，钢筋不能承载，不起作用思考题：两梁叠放，与两梁顶底相互完全粘结，那种情况承载力大？1.1.3钢筋与混凝土柱共同工作机理②相近的温度线膨胀系数

混凝土的温度膨胀系数约在(1.0～1.5)×10-5m/℃之间，钢筋的线膨胀系数为1.2×10-5m/℃。③混凝土对钢筋的防腐蚀作用优点：耐久性好耐火性好整体性好可模性好就地取材节约钢材阻止射线的穿透缺点：自重大易开裂耗模板施工受季节性影响隔热隔声性能差随着科学技术的不断发展，正逐渐被克服PP1.1.4钢筋混凝土结构的优缺点1824年，英国人J.Aspdin发明了波特兰水泥，有了混凝土；1849年，法国人JosephLouisLambot用水泥砂浆涂在钢丝网的两面做成小船----最早的钢筋混凝土结构；1861年，法国花匠J.Monier用钢丝作为配筋制作了花盆并申请了专利，后由申请了钢筋混凝土板、管道、拱桥等专利----尽管他不懂钢筋混凝土结构的受力原理，甚至将钢筋配置在板的中部，他却被认为是钢筋混凝土结构的发明者；1884年，德国人Wayss,Bauschingger和Koenen等提出了钢筋应配置在构件中受拉力的部位和钢筋混凝土板的计算理论。后来，钢筋混凝土结构逐渐得到了推广应用。1.钢筋混凝土结构的诞生1.1.5钢筋混凝土结构的发展强度不断提高

美国60年代混凝土抗压强度平均值：28MPa，70年代：42Mpa，有特殊需要时：40Mpa~100Mpa，试验室中：266Mpa轻质混凝土的应用

容重一般为：14kN/m3~18kN/m3(普通混凝土为24kN/m3)，加气混凝土、陶粒混凝土、火山岩混凝土、碎砖混凝土等无砂混凝土

只有粗骨料，无细骨料FRP筋的应用

用FRP筋代替钢筋2.材料的发展1.1.5钢筋混凝土结构的发展3.结构方面的发展PPPP预应力混凝土结构的应用在混凝土的受拉区施加预应力，以提高混凝土结构的抗裂度，减轻构件的自重结构体系的丰富不同用途、不同结构功能具有相应的结构体系：混凝土结构、钢与混凝土的组合结构、FRP混凝土及预应力混凝土结构等1.1.5钢筋混凝土结构的发展1.2混凝土1.2.1混凝土的强度承压板试块摩擦力不涂润滑剂涂润滑剂强度大于国标试验标准：

标准试块尺寸（mm）：150×150×150标准试验方法：不涂润滑剂标准养护条件

温度：20℃±2℃湿度：>95%试件龄期：28d压力试件裂缝发展扩张整个体系解体，丧失承载力另影响强度的因素还有：龄期、加载速率、试块尺寸等非标准试块：100×100×100换算系数0.95200×200×200换算系数1.05标号（强度等级）：C20-C801.立方体抗压强度fcu,k承压板试块标准试块：150×150×300非标准试块：100×100×300换算系数0.95200×200×400换算系数1.05考虑到承压板对试件的约束，立方体抗压强度大于棱柱体抗压强度，且有：fc=0.76fcu(试验结果)考虑到构件和试件的区别，取fc=0.67fcu对国外（美国、日本、欧洲混凝土协会等）采用的圆柱体试件（d=150,h=300），有fc’=0.79fcu圆柱体抗压强度2.混凝土轴心抗压强度fc（棱柱体抗压强度）1.2.1混凝土的强度1.2.1混凝土的强度直接受拉试验100100150150500试验结果：ft=0.395fcu0.55考虑到构件和试件的区别，尺寸效应，加荷速度等的影响，取ft=0.348fcu0.55劈裂试验ftsddftsFFFF我国根据100mm立方体的劈裂与抗压试验结果有：fts=0.19fcu3/4ft=0.9

fts3.混凝土的抗拉强度ft4.强度指标的确定强度随机变量强度标准值根据统计资料，运用数理统计方法确定的具有一定保证率（95%）的统计特征值：强度标准值=强度平均值-1.645×均方差概率密度材料强度强度平均值强度标准值1.2.1混凝土的强度5.复合受力状态下混凝土的强度双轴应力下的强度拉1.01.01.21.2-0.2-0.22/fc1/fc压/fc/fc0.20.1-0.10.00.61.0单轴抗拉强度单轴抗压强度*双向受压强度较单向受压有所提高，应力比约为2时强度提高最多，约25%双向受拉，强度几乎较单向拉无变化；一向拉、一向压，强度下降。*混凝土抗压强度随剪应力存在而降低，抗剪强度因压应力水平不同而变化1.2.1混凝土的强度图-法向应力和剪应力下的强度曲线图-双向正应力下的强度曲线三向受压时的混凝土强度1=fcc’1=fcc’2=3=fLfL----侧向约束压应力（加液压）圆柱体试验有侧向约束时的抗压强度无侧向约束时圆柱体的单轴抗压强度6.混凝土的疲劳强度图-重复荷载下的应力-应变曲线破坏fcf321疲劳强度<fcfcf的确定原则：100×100×300或150×150×450的棱柱体试块承受200万次（或以上）循环荷载时发生破坏的最大压应力值

1.2.1混凝土的强度1.2.2混凝土的变形性能单轴受压时的应力-应变关系作用是：峰值应力后，吸收试验机的变形能，测出下降段(MPa)fc0峰值应变abcd252015105峰值应力efo(10-3)246810残余应力收敛点反弯点1.混凝土在单调、短期加载下的变形性能影响单轴受压应力-应变曲线因素：（1）混凝土强度，强度对上升段影响小，下降段随强度提高而变陡（2）测试技术和试验条件，宜采用等应变加载（3）应变速率，速率小，峰值应力下降，应变提高，曲线拉长混凝土锤的弹性傍模量、痕变形模肌量cccep01原点切型线模量勒（弹性尤模量）捕：拉压淡相同变形模征量（割约线模量跨、弹塑雅性模量镜）切线模灰量弹性特驰征系数受压靠时，上为0.锦4~雷1.伸0；受拉破呢坏时，鸭为1.苏01.仰2.炮2混凝离土的增变形扇性能混凝土纯的泊松莫比和剪言切模量混凝嫁土的辛泊松欠比，糊在压仔力较巷小时扶为0.1煎5~0程.18，接胸近破养坏时疮可达0.5以上，桂一般可弟取0.挤2混凝土蚁的剪切销模量为混凝土纷的弹性细模量的拿试验方愧法（150×150交×池300标准试皱件）c/fcc0.55~10次此线和原点切线基本平行，取其斜率作为Ec1.到2.晃2混凝某土的浩变形帅性能2.混凝土肌在长期旬荷载作淡用下的稠变形性福能—徐变0.51.01.52.02.505101520253035(×10-3)(月)cree’e’’cr’P原因瓣之一殿，胶毁凝体献的粘形性流零动原因之踢二，混家凝土内椒部微裂奖缝的不离断发展徐变的惧原因1.2气.2混凝井土的旋变形束性能应力：c<0.承5fc，徐变变信形与应耗力成正凑比---改-线性徐圆变0.嗽5fc<c<0.恋8fc，非线性所徐变c>0.抹8fc，造成姿混凝子土破湿坏，汉不稳凡定加荷时混凝土依的龄期士，越早耗，徐变烫越大水泥用酬量越多刑，水灰霜比越大袭，徐变饱越大骨料越木硬，徐挤变越小影响徐填变的因串素0.51.01.52.02.505101520253035(×10-3)(月)c<0硬.5fc，线性徐侵变c<0创.8fc，非线秘性徐照变cree’e’’cr’1.2弹.2混凝土饰的变形葱性能3.混凝五土的每收缩混凝湿土的茎收缩--赔--结硬过理程中混川凝土体勉积缩小滥的性质水泥惧品种牢：等牛级越患高，钓收缩控越大水泥用辜量：水叶泥用量分越多，饮水灰比泡越大，逐收缩越相大骨料渴：骨鼠料越视硬，易收缩障越小养护条俱件、制薯作方法首、使用锋环境、励体积与套表面积册的比值笨等1.2胜.2混凝衬土的控变形蒜性能4.混凝摊土的岔收缩森徐变粗对结判构的烂影响徐变眨对混商凝土努结构抬的影亚响PAsPAss1c1Ps2Ass2P拆去，梨钢筋受梁压混凝遥土受拉壁，可能内会引起坑混凝土庄开裂徐变贝：s，c收缩语对混罢凝土置结构厌的影遮响AssAss收缩：暴钢筋夜受压，混凝既土受沉拉As1.2珠.2混凝土劝的变形额性能1.2钢筋上屈服点不稳定出现颈缩拉断AB’BCDE下屈服点BC段为屈服平台CD段为强化段0.2%0.2图-有明显玩流幅的来钢筋图-无明显闯流幅的猪钢筋钢筋受见压和受终拉时的施应力-应变躺曲线论几乎则相同*明显流初幅的钢耗筋：下拘屈服点挺对应的响强度作挣为设计滋强度的解依据（柱钢筋屈染服后会枕产生大恩的塑性建变形，丸钢筋混单凝土构纹件会产裤生不可住恢复的签变形和滩不可闭挖合的裂做缝，以话至不能扛使用）*背无明毛显流侍幅的压钢筋另：残佩余应挤变为0.2雕%时所对应乒的应马力作需为条馋件屈忆服强蹄度,随着冶冬金系统忆采用国谊际标准缘瑞及质量骂的提高炎，在相蜡应的产影品标准苹中明确需规定屈深服强度σ0.2不得小买于极限重抗拉强蒜度σb的85售%（0.8朴5σb）。因此，谷实际应削用中可储取极限馆抗拉强铜度σb的85漏%作为衣条件摧屈服惠点1.启2.粥1钢筋的端强度与析变形1.应力—应变关逗系曲线2.钢筋膀的力地学参薯数指乞标弹性模督量E屈服强旁度σb变形速指标*料伸长揭率：古钢筋沃拉断郊后的染伸长遍与原咬长的逃比值*削冷弯样要求责：将众直径玻为d的钢筋勤绕直鼻径为D的钢筹辊弯桥成一驰定的溪角度小而不薄发生筝断裂拳（毙见书爱图1-2写0）AB’BCDEE：斜率屈服强度：下屈服点0.2%0.2屈服强度：条件屈服点1.扯2.茅1钢筋饮的强瞧度与启变形3.钢筋窑的成爹分、来级别故和品猛种按化塌学成贝分碳素钢俩（铁、颂碳、硅宅、锰、烤硫、磷梁等元素割）低碳钢咸（含碳欧量<0墓.2每5%）中碳或钢（父含碳韵量0.辛25心~0战.6灿%）高碳钢律（含碳娱量0.妙6~具1.扭4%）普通敏低合寻金钢锅（另刻加硅已、锰院、钛紫、钒坑、铬魄等）锰系硅钒祖系硅钛成系硅锰雪系硅铬系按加工钢筋热轧钢库筋：热把轧光面脆钢筋HRB筒235，热轧带经肋钢筋HRB毙335、HRB听400，余热忌处理现钢筋RR介B4系00冷拉钢筋雀：由瓦热轧省钢筋斥在常竭温下枝用机惨械拉梁伸而呆成热处理经钢筋：右将HR奖B4樱00、RR独B4牵00钢筋订通过灿加热坦、淬能火、旁回火感而成1.瓦2.潜1钢筋睬的强怠度与扯变形按加工钢丝碳素钢集丝：高良碳镇静秀钢通过害多次冷是拔、应樱力消除不、矫正店、回火掏处理而名成刻痕钢绵丝：在搂钢丝表碧面刻痕苦，以增竹强其与要混凝土倦间的粘虎结力钢绞驶线：森若干则根相哈同直竖径的彼钢丝黄成螺矩旋状姓铰绕弊在一闸起冷拔方低碳砌钢丝题：由得低碳难钢冷尝拔而雷成按表面传形状光圆顷钢筋变形钢霞筋钢筋析的强跌度等透级及塑应用塞范围非预应母力钢筋手：R2问35，HR呜B3净35，HRB事400，KL4援00预应力再钢筋：边碳素钢惯丝，刻施痕钢丝些，钢绞仍线，热矩处理钢卫筋，冷汤拉钢筋1.梨2.木1钢筋身的强呀度与疾变形4.钢筋的横冷加工庙和热处淡理冷拉BKZZ’K’残余变形冷拉伸长率无时注效经时买效K点的选择满：应华力控寻制和英应变总控制温度竖的影塌响：晃温度葛达70杏0º耽C时恢复勒到冷拉榨前的状箩态，先可焊后拉特性部：只润提高每抗拉橡强度宾，不谋提高求抗压恒强度侍，强闹度提敲高，窄塑性崭下降冷拔经过纳冷拔蛙后钢份筋没愚有明肿显的呢屈服巨点和导流幅冷拔肃既能首提高案抗拉列强度疫又能伍提高陵抗压急强度1.群2.赖1钢筋艘的强港度与垂变形热处理对特定纪钢号示的钢加筋进陆行淬姻火和订回火心处理强度提汤高，塑庸性降低不降低蛇强度的姥前提下且，消除寄由淬火事产生的箱内力，论改善塑吵性和韧搞性5.钢筋浩的徐脾变和缝松弛徐变应力不瞧变，随辆时间的及增长应显变继续愈增加松弛长度不莲变，随刘时间的泼增长应仔力降低对结构墨，尤爪其是雁预应帆力结兴构，萝产生纽奉不利济的影薪响，易需采灿取必欺要的骗措施6.钢筋的妄疲劳重复荷犹载作用劫下，钢肾筋的强库度<静载队作用蠢下的风强度规定的圈应力幅详度内，禁经一定驳次数的肺重复荷诉载后，特发生疲窄劳破坏声的最大挥应力值叔称为疲司劳强度艇。对钢声筋用疲破劳应力尘幅来表伴示其疲蓝劳强度电。1.惜2.型1钢筋朝的强冻度与妹变形1.查4钢筋与译混凝土美之间的或粘结1.筒4.赤1粘结作涂用PPM2=M1+MM1T2=T1+TT1xM2=M1+MM1理想分布实际分布st钢筋溪的周烘长粘结应帅力：钢呈筋与混阿凝土交旅界面上章承受相咏对滑移愚变形产弟生的剪船应力，讽称为粘结腊应力粘结型应力梁中闻粘结豆应力肥的分牌布与V的分布欢规律相镰同；实际背上由较于微挠裂缝搭的存暂在分伙布规幼律还俭要变马化粘结揪强度粘结引应力捎分布一般申用拔孤出试缠验测渗出钢世筋与观混凝丽土间抽的平乳均粘性结强妻度钢筋周未长埋置长度拔出拉力1.巾4.垮1粘结欠作用1.脾4.好2粘结斤机理仁分析光圆钢喇筋粘附力摩擦爷力机械咬组合力（钢栗筋表根面不除平、序微锈肥时可两显著边提高袋咬合智力）有滑移躬时粘漏附力暑即消惭失钢筋受累力较大乳时粘结题力主要侧由此二球部分组念成变形乏钢筋粘附半力摩擦析力机械款咬合宰力主要作轰用粘结破属坏形态光圆傍钢筋钢筋拔该出变形报钢筋纵向分量径向分量混凝们土撕劫裂混凝土为局部挤调碎刮出杠式破坏1.趟4.旦2粘结机缴理分析1.4曲.3影响邪粘结格强度帮的因瓣素混凝糊土强辰度：黏结强掘度与混扑凝土抗燥拉强度监大致成相正比关咽系。浇注位乞置（水极平浇注骂、竖向酸浇注）混凝蛾土沉馋淀收抹缩和仁离析丝式泌水刚使对广水平舒放置扇的钢挽筋下快部会捏形成交疏松所层，五导致虚黏结帆强度档降低声。若劣混凝宰土浇堵注方湖向与狮钢筋桑平行困，黏畏结强宁度比踩浇注稀方向浅与钢拦筋垂清直的摇情况衡有明乞显提走高。钢筋的殿外形特谢征：变形尝钢筋号的黏养结强培度较佳高，拜但是贴，使芹用变疤形钢蛇筋，块在黏复结破绞坏时涝容易敏使周秩围混架凝土窝产生幕劈裂筝裂缝钢。保护渠层厚遭度和阴钢筋磁的净封距：在一定适相对埋响置长度l/d的情燥