《建筑力学与结构》-第6章

6.1钢筋混凝土受弯构件6.1.1钢筋混凝土受弯构件的一般规定梁和板是常见的受弯构件,其区别仅在于截面的高宽比h/b不同.6.1.2受弯构件正截面承载力计算的一般规定１.受弯构件正截面破坏形态受弯构件正截面破坏特征主要由纵向受拉钢筋配筋率ρ的大小确定.受弯构件的配筋率ρ是指纵向受力钢筋的截面面积与正截面的有效面积的比值.但在验算最小配筋率时,有效面积应改为全面积.下一页返回6.1钢筋混凝土受弯构件式中As———纵向受力钢筋的截面面积(mm２);b———截面的宽度(mm);h０———截面的有效高度(mm).由ρ的表达式可以看出,ρ越大,表示As越大,即纵向受力钢筋的数量越多.由于配筋率ρ的不同,钢筋混凝土受弯构件将产生不同的破坏情况,根据其正截面的破坏特征可分为少筋梁破坏、适筋梁破坏和超筋梁破坏三种破坏情况,如图６-１０所示.２.适筋梁工作的三个阶段适筋梁从施加荷载到破坏为止,其正截面受力状态可分为三个阶段,上一页下一页返回6.1钢筋混凝土受弯构件第Ⅰ阶段荷载较小,梁基本上处于弹性工作阶段,随着荷载增加,弯矩加大,拉区边缘纤维混凝土表现出一定塑性性质.第Ⅱ阶段弯矩超过开裂弯矩Mcr,梁出现裂缝,裂缝截面的混凝土退出工作,拉力由纵向受拉钢筋承担.随着弯矩的增加,受压区混凝土也表现出塑性性质,当梁处于第Ⅱ阶段末Ⅱa时,受拉钢筋开始屈服.第Ⅲ阶段钢筋屈服后,梁的刚度迅速下降,挠度急剧增大,中和轴不断上升,受压区高度不断减小.受拉钢筋应力不再增加,经过一个塑性转动构成压区混凝土被压碎,构件丧失承载力.第Ⅰ阶段末可作为受弯构件抗裂度的计算依据.第Ⅱ阶段可作为受弯构件使用阶段的变形和裂缝开展计算时的依据.第Ⅲ阶段末的极限状态可作为受弯构件正截面承载能力计算的依据.上一页下一页返回6.1钢筋混凝土受弯构件３.基本计算公式及适用条件(１)基本假定.我国«混凝土结构设计规范(２０１５年版)»(GB５００１０—２０１０)对钢筋混凝土受弯构件正截面承载力计算采用下列基本规定:１)截面应变保持平面,即变形前的平面变形后仍为平面;２)不考虑混凝土的抗拉强度,全部拉应力由纵向受拉钢筋承担;３)受压区混凝土的应力与应变关系按下列规定选用上一页下一页返回6.1钢筋混凝土受弯构件6.1.3受弯构件斜截面承载力的构造要求１.受弯构件斜截面受力与破坏分析(１)斜截面开裂前的受力分析.如图６-１７所示,矩形截面简支梁,在跨中正截面抗弯承载力有保证的情况下,有可能在剪力和弯矩的联合作用下,在支座附近区段发生沿斜截面破坏.梁在荷载作用下的主应力迹线如图６-１８所示,图中实线为主拉应力迹线,虚线为主压应力迹线.位于中和轴处的微元体１,其正应力为零,切应力最大,主拉应力σtp和主压应力σcp与梁轴线呈４５°角.位于受压区的微元体２,主拉应力σtp减小,主压应力σcp增大,主拉应力与梁轴线夹角大于４５°.位于受拉区的微元体３,主拉应力σtp增大,主压应力σcp减小,主拉应力与梁轴线夹角小于４５°.上一页下一页返回6.1钢筋混凝土受弯构件当主拉应力或主压应力达到材料的抗拉或抗压强度时,将引起构件截面的开裂和破坏.(２)无腹筋梁的受力及破坏分析.腹筋是箍筋和弯起钢筋的总称.无腹筋梁是指不配箍筋和弯起钢筋的梁.试验表明,当荷载较小,裂缝未出现时,可将钢筋混凝土梁视为均质弹性材料的梁,其受力特点可用材料力学的方法分析.随着荷载的增加,梁在支座附近出现斜裂缝.上一页下一页返回6.1钢筋混凝土受弯构件(３)有腹筋梁的受力及破坏分析.配置箍筋可以有效提高梁的斜截面受剪承载力.箍筋最有效的布置方式是与梁腹中的主拉应力方向一致,但为了施工方便,一般和梁轴线呈９０°布置.在斜裂缝出现后,箍筋应力增大.有腹筋梁,如桁架,箍筋和混凝土斜压杆分别为桁架的受拉腹杆和受压腹杆,纵向受拉钢筋成为桁架的受拉弦杆,剪压区混凝土成为桁架的受压弦杆.当将纵向受力钢筋在梁的端部弯起时,弯起钢筋和箍筋有相似的作用,可提高梁斜截面的抗剪承载力.２.影响斜截面承载力的主要因素(１)剪跨比和跨高比.(２)腹筋(箍筋和弯起钢筋)配筋率.上一页下一页返回6.1钢筋混凝土受弯构件(３)混凝土强度等级.混凝土强度对斜截面受剪承载力有着重要影响.试验表明,混凝土强度越高,受剪承载力越大.(４)纵向钢筋配筋率.纵向钢筋受剪产生销栓力,可以限制斜裂缝的开展.梁的斜截面受剪承载力随纵向钢筋配筋率增大而提高.３.斜截面的主要破坏形态(１)斜拉破坏.产生条件:λ＞３且箍筋量少时.(２)剪压破坏.产生条件:１.５≤λ≤３且箍筋量适中.上一页下一页返回6.1钢筋混凝土受弯构件(３)斜压破坏.产生条件:λ＜１.５或箍筋多、腹板薄.４.基本计算公式及应用(１)基本计算公式.«混凝土结构设计规范(２０１５年版)»(GB５００１０—２０１０)给出的计算公式是根据剪压破坏的受力特征建立的.在设计中,通过控制最小配箍率且限制箍筋的间距不能太大来防止斜拉破坏,通过限制截面尺寸不能太小来防止斜压破坏.矩形、T形和I形截面的受弯构件,当同时配有箍筋和弯起钢筋时,其斜截面受剪承载力计算公式:上一页下一页返回6.1钢筋混凝土受弯构件式中V———配置弯起钢筋处的剪力设计值,按«混凝土结构设计规范(２０１５年版)»(GB５００１０—２０１０)的相关规定取用;Vp———由预加力所提高的构件受剪承载力设计值,按Vp＝0.0.5Np０计算,但计算预加力Np０时不考虑弯起预应力剪的作用;Asb、Apb———分别为同一平面内的弯起普通钢筋,弯起预应力筋的截面面积;as,ap———分别为斜截面上弯起普通钢筋,弯起预用力筋的切线与构件纵轴线的夹角.上一页返回６.２钢筋混凝土受压构件6.2.1受压构件的构造要求以承受纵向压力为主的构件称为受压构件.混凝土柱是土木工程结构中常见的受压构件,高层建筑中的剪力墙、屋架的受压斜杆等也属于受压构件.本节主要讲述混凝土受压柱.混凝土受压构件按照纵向压力作用位置的不同,分为轴心受压和偏心受压两种类型,如图６-３０所示.当纵向压力作用线与构件截面形心轴线重合称为轴心受压构件;纵向压力作用线与构件截面形心轴线不重合(或既有轴心压力,又有弯矩等作用)称为偏心受压构件.偏心受压分为单向偏心受压和双向偏心受压.下一页返回６.２钢筋混凝土受压构件１.材料要求及截面尺寸(１)混凝土.受压构件的承载力主要取决于混凝土,因此,采用较高强度等级的混凝土是经济合理的.一般柱的混凝土强度等级采用C３０~C４０,对多层及高层建筑结构的下层柱必要时可采用更高强度等级.(２)钢筋.受压构件的纵向受力钢筋,采用高强度钢筋不能充分发挥作用,因而宜采用HRB４００和HRB３３５级钢筋.箍筋一般采用HPB３００和HRB３３５级钢筋.轴心受压柱的纵向受力钢筋应沿截面四周均匀对称布置,偏心受压柱的纵向受力钢筋放置在弯矩作用方向的两对边,圆柱中纵向受力钢筋宜沿周边均匀布置.上一页下一页返回６.２钢筋混凝土受压构件(３)截面形式及尺寸.为了充分利用材料强度,使构件的承载力不致因长细比过大而降低过多,柱截面尺寸不宜过小,一般应控制在l０/b≤３０及l０/h≤２５(b为矩形截面的短边,h为长边).轴心受压构件多采用正方形截面,偏心受压多采用矩形截面.柱截面尺寸不宜小于２５０mm.为了避免长细比太大而过多降低构件承载力,构件长细比≤３０.当截面尺寸小于等于８００mm上一页下一页返回６.２钢筋混凝土受压构件２.纵向受力钢筋及箍筋(１)直径、根数.纵向受力钢筋直径d不宜小于１２mm,通常采用１２~３２mm.为保证骨架的刚度,矩形截面纵筋根数不应少于４根;圆形截面纵筋根数不应少于６根,不宜少于８根,并宜沿周边均匀布置.(２)纵筋布置.轴心受压构件的纵向钢筋应沿柱截面周边均匀布置;偏心受压构件纵向受力钢筋应布置在偏心方向的两侧,通常沿柱的短边方向设置.圆形截面纵向钢筋应沿截面周边均匀布置.(３)纵筋间距及保护层.当柱为竖向浇筑混凝土时,纵向受力钢筋的净距不应小于５０mm,且不宜大于３００mm;对水平浇筑的预制柱,其纵向钢筋的最小净距应按梁的规定取值.混凝土保护层最小厚度应不小于３０mm或纵筋直径d.上一页下一页返回６.２钢筋混凝土受压构件(４)配筋率.为使纵向受力钢筋起到提高受压构件截面承载力的作用,全部纵筋的配筋率不小于０.５％,同时一侧钢筋的配筋率不应小于0.２％.当温度、收缩等因素对结构产生较大影响时,构件的最小配筋率应适当增加.当混凝土等级为C６０及以上时,受压构件全部纵向钢筋最小配筋率增加０.１.(５)纵向构造钢筋.当矩形截面偏心受压构件的截面高度h≥６００mm时,应在两个侧面设置直径为１０~１６mm的纵向构造钢筋,以防止构件因温度和混凝土收缩应力而产生裂缝,并相应地设置复合箍筋或拉筋.(６)箍筋。上一页下一页返回６.２钢筋混凝土受压构件6.2.2轴心受压构件承载力计算的一般规定(a)普通箍筋柱;(b)螺旋式箍筋柱轴心受压构件根据配筋方式的不同,可分为两种:①配有纵向钢筋和普通箍筋的柱,称为普通箍筋柱,如图６-３３(a)所示;②配有纵向钢筋和螺旋式箍筋的柱,如图６-３３(b)所示,称为螺旋式箍筋柱.在配置普通箍筋的轴心受压构件中,箍筋和纵筋形成骨架,防止纵筋在混凝土压缩之前在较大程度上向外压曲,从而保证纵筋能与混凝土共同受力直到构件破坏.上一页下一页返回６.２钢筋混凝土受压构件在配置螺旋式箍筋的轴心受压构件中,间距较密的螺旋式箍筋能对核心混凝土形成较强的环向被动约束,从而能进一步提高构件的承载力和受压延性.通常由于施工制造的误差、荷载作用位置的不确定性、混凝土质量的不均匀性等原因,往往存在一定的初始偏心距.但有些构件,如以恒载为主的等跨多层房屋的内柱、桁架中的受压腹杆等,主要承受轴向压力,可近似按轴心受压构件计算.上一页返回６.３预应力混凝土构件6.3.1预应力混凝土材料性能要求１.预应力混凝土的概念在正常使用条件下,普通钢筋混凝土结构受弯构件的受拉区极易出现开裂现象,使构件处于带裂缝工作阶段.为保证结构的耐久性,裂缝宽度一般应限制在０.２~０.３mm以内,此时,钢筋应力仅为１５０~２５０N/mm２,当应力达到较高值时,构件裂缝宽度将过大而无法满足使用要求,因此,在普通钢筋混凝土结构中不能充分发挥高强度钢筋的作用,相应的也不可能充分发挥高强度等级混凝土的作用.对于高湿度及侵蚀性环境中的构件,为了满足变形和裂缝控制的要求,则需增加构件的截面尺寸和用钢量,这既不经济也不合理,因为构件的自重也增加了.下一页返回６.３预应力混凝土构件

预应力混凝土是改善构件抗裂性能的有效途径.在混凝土构件承受外荷载之前对其受拉区预先施加压应力,就成为预应力混凝土结构.预压应力可以部分或全部抵消外荷载产生的拉应力,因而可推迟甚至避免裂缝的出现.预加应力的概念和方法在日常生活中的应用是常见的.如木桶是用环向竹箍对桶壁预先施加环向压应力,当桶中盛水后,水压引起的环向拉应力小于预加压应力时,桶就不会漏水.又如当从书架上取下一叠书时,由于受到双手施加的压力,这一叠书就如同一横梁,可以承担全部书的重量.这类采用预加应力的例子在生活中还能举出很多.上一页下一页返回６.３预应力混凝土构件

２.预应力混凝土具有的特点与普通混凝土相比,预应力混凝土具有以下特点:(１)提高了构件的抗裂性能,使构件不出现裂缝或减小了裂缝宽度,扩大了钢筋混凝土构件的应用范围.(２)增加了构件的刚度,延迟了裂缝的出现和开展,减小了构件的变形.由于预应力能使构件不出现裂缝或减小裂缝宽度,从而减少了外界环境对钢筋的侵蚀,故其可提高构件的耐久性,延长构件使用年限.(３)减轻构件自重.由于采用高强度材料,故构件截面尺寸相应减小,自重减轻.上一页下一页返回６.３预应力混凝土构件

(４)节省材料.预应力混凝土能充分发挥高强度钢筋和高强度混凝土的性能,减少钢筋用量和混凝土的用量.(５)工序较多,施工较复杂,且需要专门的材料、设备和特殊的工艺,造价较高.３.预应力钢筋的种类(１)热处理钢筋.(２)消除应力钢丝.(３)钢绞线.(４)冷拉低合金钢和冷拔低碳钢丝.上一页下一页返回６.３预应力混凝土构件

４.混凝土的选用(１)高强度.预应力混凝土在制作阶段受拉区混凝土一直处于高压应力状态,受压区可能拉也可能压,特别是受压区混凝土受拉时,最容易开裂,这将影响在使用阶段受压区的性能;另外可以有效减少截面尺寸,减轻自重.(２)收缩小、徐变小.由于混凝土收缩、徐变的结果,使得混凝土得到的有效预压力减少,即预应力损失,所以,在结构设计中应采取措施减少混凝土收缩、徐变.(３)快硬、早强可及早施加预应力,提高张拉设备的周转率,加快施工速度.«混凝土结构设计规范(２０１５年版)»(GB５００１０—２０１０)规定:预应力混凝土结构强度等级不宜低于C40,且不应低于C30.上一页下一页返回６.３预应力混凝土构件

6.3.2施加预应力的方法

对混凝土施加预应力,一般是通过张拉预应力钢筋,被张拉的钢筋反向作用,同时挤压混凝土,使混凝土受到压应力.张拉预应力钢筋的方法主要有先张法和后张法两种.１.先张法先张法是首先在台座上或钢模内张拉钢筋,然后浇筑混凝土的一种预应力混凝土构件施工方法.２.后张法后张法是指先浇筑混凝土构件,然后直接在构件上张拉预应力钢筋的一种施工方法.上一页下一页返回６.３预应力混凝土构件

6.3.3预应力混凝土构件的构造要求１.预应力混凝土构件的截面形式和尺寸同钢筋混凝土受弯构件一样,预应力构件的截面形式常为矩形、T形,I形和箱形等,应根据构件的受力特点进行合理选择.对于轴心受拉构件,通常采用正方形或矩形截面.对于受弯构件,除荷载和跨度均较小的梁箱形或其他截面核心范围较大的截面形式,使它们不论在施工阶段或使用阶段,抗裂性能均较好.受弯构件的截面形式沿构件纵轴是可以变化的,如跨中为I形,而在近支座处为了承受较大的剪力并有足够的地方布置锚具,往往做成矩形.上一页下一页返回６.３预应力混凝土构件

２.纵向钢筋的布置(１)预应力钢筋的布置.先张法预应力钢筋(包括预应力螺纹钢筋、钢丝和钢绞线)