混凝土结构设计原理(2,3章课件).ppt

1、,主 页,目 录,帮 助,上一章,下一章,第 2 章 混凝土结构的材料,主 页,目 录,帮 助,上一章,下一章,本章重点,熟悉混凝土在各种受力状态下的强度与变形性能及其选用原则；,熟悉土木工程所用钢筋的品种、级别、性能及其选用原则；,了解钢筋与混凝土的共同工作原理。,主 页,目 录,帮 助,上一章,下一章,2.1.1 建筑用钢筋的品种,按化学成分,按生产工艺,按表面形状,主 页,目 录,帮 助,上一章,下一章,1.碳素钢 碳素钢除含有铁元素，还含有少量的碳、锰、硅、磷、硫等。,Mn 锰，Si 硅，P 磷，Fe 铁，S 硫， C 碳,主 页,目 录,帮 助,上一章,下一章,2.普通低合金钢 碳素

2、钢中加入少量的合金元素，如：锰、镍、钛、钒等。,Mn 锰，Ni 镍， V 钒，Nb 铌，Ti 钛， C 碳,主 页,目 录,帮 助,上一章,下一章,2.1.1 建筑用钢筋的品种,热轧钢筋,主 页,目 录,帮 助,上一章,下一章,HPB 热轧光面钢筋，强度最低； HRB 热轧带肋钢筋； RRB 余热处理钢。,H 代表热轧，P 光圆，R 带肋，R 余热处理，B 代表钢筋 目前，混凝土结构中纵向受力钢筋优先采用HRB400级钢筋,主 页,目 录,帮 助,上一章,下一章,中、高强钢丝、钢绞线,主 页,目 录,帮 助,上一章,下一章,热处理钢筋 经淬火处理得，fptk=1470MPa，无明显屈服点。,冷

3、加工钢筋 冷加工工艺：冷拉、冷拔、冷轧、冷轧扭。 目的：提高强度，节约钢材。但塑性减小。 冷拉钢筋仍有屈服台阶。,2.1.2 钢筋的力学性能,上屈服点不稳定,下屈服点,出现颈缩,拉断,BC段为屈服平台 CD段为强化段,有明显流幅的钢筋,无明显流幅的钢筋,钢筋受压和受拉时的应力-应变曲线几乎相同,一.钢筋的应力-应变曲线,钢筋的冷加工,1）.冷拉,无时效,经时效,K点的选择：超过屈服强度,温度的影响：温度达700C时恢复到冷拉前的状态，先焊后拉,特性：只提高抗拉强度，不提高抗压强度，强度提高，塑性下降,钢筋的冷加工,2）.冷拔,经过冷拔后钢筋没有明显的屈服点和流幅,冷拔既能提高抗拉强度又能提高抗

4、压强度,二.钢筋的强度和变形指标,强度指标,* 明显流幅的钢筋：下屈服点对应的强度作为设计强度的依据。,* 无明显流幅的钢筋：残余应变为0.2%时所对应的应力作为条件屈服强度 。,主 页,目 录,帮 助,上一章,下一章,变形指标 用延伸率和冷弯性能衡量。,延伸率,同一根钢筋 延伸率大，钢筋的塑性性能好，破坏前有明显预兆。,：,：,反复弯曲要求： 冷弯过程中无裂缝、脱皮或断裂。 D愈小，愈大，塑性愈好。 反复次数愈多，塑性愈好。,主 页,目 录,帮 助,上一章,下一章,冷弯,冷弯是检验钢筋变形能力的指标。 钢筋塑性愈好，构件破坏前预兆愈明显。,三. 钢筋的徐变和松弛,徐变,应力不变，随时间的增长

5、应变继续增加,松弛,长度不变，随时间的增长应力降低,对结构，尤其是预应力结构，产生不利的影响，需采取必要的措施,2.1.3 钢筋应力-应变关系的理论模型,有明显流幅的钢筋,无明显流幅的钢筋,主 页,目 录,帮 助,上一章,下一章,2.1.4 钢筋的选用原则,强度高,主 页,目 录,帮 助,上一章,下一章,变形性能好 保证延伸率和冷弯性能满足要求。,：,：,主 页,目 录,帮 助,上一章,下一章,可加工性好,与混凝土粘结锚固性好,经济性,主 页,目 录,帮 助,上一章,下一章,钢筋混凝土结构：,宜用HRB400和HRB335钢筋 可用HPB235、RRB400钢筋,预应力混凝土结构：,宜用钢铰线

6、、钢丝、可用热处理钢筋 不主张推广应用冷加工钢筋，其延性差。,钢筋的选用原则,主 页,目 录,帮 助,上一章,下一章,2.2.1 组成结构及特点,主要材料：水泥、水、砂、石 混凝土: 普通混凝土是由水泥、石子和砂用水经搅拌、养护和硬化后形成的一种复合材料，具有多相特性。,2.2.1 混凝土的组成结构 通常把混凝土的结构分为三种基本类型： 微观结构：也即水泥石结构，包括水泥凝胶体、晶体骨架、 未水化完的水泥颗粒和凝胶孔组成； 亚微观结构：混凝土中的水泥砂浆结构； 宏观结构：砂浆和粗骨料组合结构。,主 页,目 录,帮 助,上一章,下一章,2.2.2 单轴向应力状态下混凝土强度,立方体抗压强度 fc

7、u,k（强度等级） 1.标准尺寸：150mm150mm150mm 2.养护条件：20 3，湿度90%；28d 3.试验方法：恒定的加载速度，垫板不涂润滑剂 4.强度保证率：95%,不涂润滑剂,涂润滑剂,单轴受力状态下混凝土的抗压强度,标准试块：150150 150,非标准试块：100100 100 换算系数 0.95 200200 200 换算系数 1.05,立方体抗压强度是区分混凝土强度等级的指标，我国规范混凝土的强度等级有： C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C50，C55，C60，C65，C70，C75，C80,表示混凝土Concrete,立方体抗压强度,立方体抗压

8、强度fcu,k与强度等级,主 页,目 录,帮 助,上一章,下一章,轴心抗压强度 fc,k,混凝土轴心抗压强度的平均值,立方体抗压强度的平均值,棱柱体强度与立方体强度之比值,主 页,目 录,帮 助,上一章,下一章,c1 的取 值,抗拉强度是混凝土的基本力学指标之一。可采用直接测试法来测定，但由于试验比较困难，目前国内外主要采用圆柱体或立方体的劈裂试验来间接测试混凝土的轴心抗拉强度。,轴心抗拉强度 ft,主 页,目 录,帮 助,上一章,下一章,轴心抗拉强度,轴心抗拉强度的平均值,立方体抗压强度的平均值,主 页,目 录,帮 助,上一章,下一章,复合应力下的强度,双向受力,主 页,目 录,帮 助,上一

9、章,下一章,复合应力下的强度,双向受力,主 页,目 录,帮 助,上一章,下一章,图中： fc 混凝土单轴抗压强度；,此图说明： 压-压：强度提高； 拉-拉：强度不变； 拉-压：抗拉和抗压强度都低。,主 页,目 录,帮 助,上一章,下一章,法向应力与剪力组合时：,拉-剪：抗拉、抗剪强度都降低； 压-剪：当 时，抗剪强度随压应力提高而增大； 当 时，内部裂缝增加，抗剪抗压强度 均降低。,复合受力状态下混凝土的抗拉强度,三向受压时混凝土的强度：,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,主 页,目 录,帮 助,上一章,下一章,2.2.3 混凝土的变形,（1）一次加载时应

10、力-应变关系,主 页,目 录,帮 助,上一章,下一章,2.2.3 混凝土的变形,一次加载时,2.2.3 混凝土的变形,（2）.单轴受压时的应力-应变关系的数学模型,美国Hognestad模型,德国Rsch模型,主 页,目 录,帮 助,上一章,下一章,混凝土的变形模量,弹性模量,变形模量,切线模量,主 页,目 录,帮 助,上一章,下一章,混凝土的变形模量,原点弹性模量,变形模量, 弹性系数（随应力增大而减小，0.51.0）,主 页,目 录,帮 助,上一章,下一章,混凝土的剪切模量,剪切模量与弹性模量及泊松比的关系如下： 泊松比 = 横向应变/纵向应变 剪切模量：Gc= 0.4 Ec,主 页,目

11、录,帮 助,上一章,下一章,长期荷载作用下的变形：徐变,定义：在荷载保持不变的情况下，变形随时间推移 继续增大的现象。 特点：早期发展快，但可以延续数年。,主 页,目 录,帮 助,上一章,下一章,徐变, 徐变的分类 线性徐变：初应力 c 0.5fc ， 徐变与初应力呈正比。 非线性徐变：初应力c 0.5fc，徐变与初应力不呈正比， 徐变的增长应力的增长。 当应力过高时（c 0.8 fc ），徐变会急剧增加而不收敛，发展最终导致破坏。 一般把 0.75 fc 0.8fc作为混凝土的长期极限强度。 应避免构件经常处于不变的高应力状态。,影响徐变的因素：,应力： c0.8fc，徐变急剧增长，造成混凝

12、土破坏,加荷时混凝土的龄期，越早，徐变越大,水泥用量越多，水灰比越大，徐变越大,骨料越硬，徐变越小 .养护条件：温度高，湿度大，水泥水化作用充分 徐变越小。,徐变对混凝土结构的影响,P拆去，钢筋受压混凝土受拉，可能会引起混凝土开裂,徐变： s， c,主 页,目 录,帮 助,上一章,下一章,徐变对结构的影响： 使构件变形增大； 在轴压构件中，使钢筋应力增加， 混凝土应力减小； 在预应力构件中，使预应力发生损失； 在超静定结构中，使内力发生重分布。,徐变产生的原因：,c0.5fc，线性徐变,c0.8fc，非线性徐变,原因之一，胶凝体的粘性流动,原因之二，混凝土内部微裂缝的不断发展,主 页,目 录,

13、帮 助,上一章,下一章,收缩,定义：混凝土在空气中结硬时体积减小的现象。 收缩率：310-4。收缩=凝缩+干缩 特点：早期快，可延续2年以上。,主 页,目 录,帮 助,上一章,下一章,收缩对结构的影响： 当收缩受到约束时，引起构件开裂。,减少收缩的措施： 限制水泥用量；减小水灰比；加强振捣和养护； 加强构造钢筋配置；设置变形缝；掺膨胀剂。,影响因素： 混凝土的组成及配合比，尤其是水灰比； 养护条件；使用时的温度与湿度。,主 页,目 录,帮 助,上一章,下一章,2.2.4 混凝土的选用原则,钢筋混凝土结构中 混凝土强度等级不应低于C15。 用HRB335级钢筋时，不宜低于C20； 用HRB400

14、和RRB400级钢筋时，不得低于C20。,预应力混凝土结构中 混凝土强度等级不应低于C30。 当采用钢丝、钢绞线、热处理钢筋时，不宜 低于C40。,主 页,目 录,帮 助,上一章,下一章,2.3.1粘结的意义,粘结和锚固是钢筋和混凝土形成整体、共同工作的基础。,粘结应力： 钢筋与混凝土接触面上为抵抗变形 差所产生的剪应力。,主 页,目 录,帮 助,上一章,下一章,粘结的分类,粘结按其在构件中的作用性质分为二类： .锚固粘结（延伸粘结） .裂缝间的局部粘结,(a) 锚固粘结应力,(b) 裂缝间的局部粘结应力,主 页,目 录,帮 助,上一章,下一章,2.3.2 粘结力的组成,（）钢筋与混凝土接触面

15、上的化学吸附作用力 胶着力。,（）混凝土收缩握裹钢筋而产生的摩阻力。,（）钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的机械咬 合作用力咬合力。,主 页,目 录,帮 助,上一章,下一章,变形钢筋与混凝土之间的机械咬合作用主要是由于变形钢筋肋间嵌入混凝土而产生的。,变形钢筋和混凝土的机械咬合作用,主 页,目 录,帮 助,上一章,下一章,2.3.3 粘结强度,平均粘结应力,光面钢筋 带肋钢筋,主 页,目 录,帮 助,上一章,下一章,2.3.4 影响粘结强度的因素,（1）混凝土强度； （2）钢筋表面形状； （3）保护层厚度、钢筋净距； （4）横向钢筋； （5）浇筑混凝土的深度。,主 页,目 录,帮 助,上一章,

16、下一章,不同强度混凝土的粘结力和相对滑移的关系,主 页,目 录,帮 助,上一章,下一章,2.3.5 钢筋的锚固,规范规定：以受拉钢筋的锚固长度la作为钢筋 基本锚固长度。,主 页,目 录,帮 助,上一章,下一章,普通钢筋锚固长度 按下列公式计算：,基本锚固长度la的修正, 当带肋钢筋的直径大于25mm时，锚固长度应乘以修正系数1.1； 环氧树脂涂层钢筋，锚固长度应乘以修正系数1.25； 当锚固钢筋在混凝土施工过程中易受扰动时(如滑模施工)，锚固长度应乘以施工修正系数1.1； 当带肋钢筋锚固区混凝土保护层厚度大于钢筋直径的3倍时，锚固长度可乘以修正系数0.8。, 配筋余量的修正：当受力钢筋的实际

17、配筋面积大于其设计计算面积时，锚固长度可乘以配筋余量修正系数。其数值为设计计算面积与实际配筋面积比值。 经上述修正后的锚固长度不应小于基本锚固长度的0.7倍，且不应小于250mm。, 机械锚固修正 当钢筋末端采用图示机械锚固措施时，锚固长度可取基本锚固长度的0.7倍。, 受压钢筋的锚固长度不宜小于受拉钢筋锚固长度的0.7倍；, 机械锚固时的箍筋要求 采用机械锚固时，锚固长度范围内的箍筋不应少于3个，其直径不应小于钢筋直径1/4，间距不应大于钢筋直径的5倍。,主 页,目 录,帮 助,上一章,下一章,2.3.6 钢筋的连接,钢筋连接的形式：, 绑扎连接搭接； 机械连接； 焊接。,钢筋连接原则,钢筋

18、搭接位置应设置在受力较小处； 同一钢筋宜少设连接接头； 相邻钢筋的搭接位置宜相互错开； 限制同一连接区段内接头钢筋面积率。 规范规定，两搭接接头的中心间距应大于1.3l1，否则，则认为两搭接接头属于同一搭接范围。,钢筋搭接长度,受拉钢筋绑扎搭接长度l1 按下式计算：,钢筋机械连接,挤压钢筋连接,本章小结,混凝土结构设计原理,第3章,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,第 3 章 混凝土结构设计计算原则,混凝土结构设计原理,第3章,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,本章重点,了解结构上的作用、作用效应和结构抗力的概念；,理解荷载标准值的含义，荷载分项系数的 含义； 理解混凝土结构设计方

19、法的理论基础 可靠度理论；,熟练掌握实用设计表达式。,混凝土结构设计原理,第 3 章,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,结构的功能概括为：安全性、适用性、耐久性。,安全性： 指建筑结构承载能力的可靠性，建筑结构应能承受正常施工和正常使用时可能出现的各种荷载和变形，在偶然事件发生时和发生后保持必需的整体稳定，不发生倒塌。,混凝土结构设计原理,第 3 章,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,结构的功能概括为：安全性、适用性、耐久性。,适用性： 指结构在正常使用过程中应具有良好的工作性能，不产生影响使用的过大变形以及不发生过宽裂缝，不产生影响正常使用的振动。,混凝土结构设计原理,第 3 章

20、,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,结构的功能概括为：安全性、适用性、耐久性。,耐久性： 结构在正常维护条件下，应具有足够的耐久性能，完好使用到设计规定的年限。 例如：不发生严重的风化、腐蚀、脱落、碳化、钢筋不发生锈蚀。,3.1.1 结构的功能要求,1.结构的安全等级,3.1.2 结构的极限状态极限状态：,整个结构或结构的一部分超过某一特定状 态就不能满足设计规定的某一功能要求，这个 特定状态称为该功能的极限状态。 结构能够完成预定的各项功能时，则称结构是“可靠”的或“有效”的。反之，则结构为“不可靠”或“失效”。,3.1.2 结构的极限状态,“有效状态”与“失效状态”的分界称为“极限状

21、态”。,1. 承载力能力极限状态： 结构或构件达到最大的承载能力或者达到不适于继续承载的变形状态。,结构或构件由于材料强度不够而破坏； 结构产生过大的塑性变形而不适于继续承载； 结构或构件丧失稳定； 整体结构或其中一部分作为刚体失去平衡； 结构转变为机动体系时。,2. 正常使用极限状态 结构或构件达到正常使用或耐久性能中某项规定限值的状态。,过大的变形、侧移； 过宽的裂缝（钢筋锈蚀、不安全感、漏水等）； 过大的振动（不舒适）； 局部损坏。 通常按承载力能力极限状态设计结构构件，然后按正常使用极限状态校核构件。,荷载的分类,2.按随空间位置的变异分类 (1)固定荷载 在结构上具有固定分布的荷载，

22、如位置固定的设备荷载、结构构件自重等。 (2)自由荷载 在结构上一定范围内可以任意分布的荷载，如楼面上的人员荷载、吊车荷载等。,荷载的分类,2.按随空间位置的变异分类 (1)固定荷载 在结构上具有固定分布的荷载，如位置固定的设备荷载、结构构件自重等。 (2)自由荷载 在结构上一定范围内可以任意分布的荷载，如楼面上的人员荷载、吊车荷载等。,荷载的分类,3.按结构的反应特点分类 (1)静态荷载 使结构产生的加速度可以忽略不计的荷载，如结构自重、住宅和办公楼的楼面荷载等。 (2)动态荷载 使结构产生的加速度不可忽略不计的荷载，如地震、吊车荷载、设备振动等。,3.1.4 结构上的作用、作用效应及结构抗

23、力,一. 结构上的作用 结构抗力：结构抗力R是指结构和构件承受 作用效应的能力，如构件的承载 力、 刚度、抗裂度等 影响结构抗力的主要因素:材料性能、几何参数、计算模式的精确性等。抗力也是随机变量。,3.2 概率极限状态设计方法,3.2.1 功能函数、极限状态方程 S荷载效应 结构上的各种作用产生的效应总和（如弯矩M、轴力N、剪力V、扭矩T、挠度 f、裂缝宽度 w 等）,R结构抗力 结构抵抗作用效应的能力 (如受弯承载力Mu、受剪承载力Vu、容许挠度f 、容许裂缝宽度w ),S = S(Q) -力学的主要内容,R = R( fc, fy, A, h0, As, ) -本课程的主要内容,混凝土结

24、构设计原理,第 3 章,Z = R-S (极限状态方程) 对应的： Z=R-S 0 时，结构处于可靠状态； Z=R-S =0时，结构达到极限状态； Z=R-S0时，结构处于失效状态。 极限状态方程可推广为：,3.2 概率极限状态设计方法,3.2.2 结构的可靠度 鉴于结构抗力和荷载效应的随机性，安全可靠应该属于概率的范畴，应当用结构完成其预定功能的可能性（概率）的大小来衡量，而不是一个定值来衡量。,可靠性：结构在规定的时间内，在规定的条件 下，完成预定功能的能力称为结构的 可靠性。 可靠度：结构在规定的时间内，在规定的条件 下，完成预定功能的概率称为结构的 可靠度。 可靠度是可靠性的概率度量。,概 念,以概率理论为基础的极限状态设计法,由于实际结构中的不确定性，因此无论如何设计结构，都会有失效的可能性存在，只是可能性大小不同