第1、2章 混凝土结构设计原理.ppt

1、混凝土结构设计原理,混凝土结构上册 第五版,第1章 绪论,1.混凝土结构 以混凝土为主要材料构成的结构 包括： 素混凝土结构 钢筋混凝土结构 预应力混凝土结构,一、混凝土结构的概念和特点,1.混凝土结构 素混凝土结构：无筋或不配置受力钢筋的混凝土结构 基础、砌块、重力堤坝、路面、机场跑道 钢筋混凝土结构：配置受力的普通钢筋、钢筋网或钢筋骨架 预应力混凝土结构：配置受力的预应力钢筋通过张拉或其他方法建立预加应力的混凝土结构,一、混凝土结构的概念和特点,素混凝土梁承载力小，破坏突然 属脆性破坏,钢筋混凝土梁承载力大，变形性能好，破坏有预兆 属延性破坏,2. 配筋的作用与要求,一、混凝土结构的概念和

2、特点,在混凝土中配置适量的受力钢筋，并使得混凝土主要承受压力，钢筋主要承受拉力，就能起到充分利用材料，提高结构承载能力和变形能力的作用,2. 配筋的作用与要求,一、混凝土结构的概念和特点 混凝土和钢筋共同工作的原因,混凝土硬化后和钢筋粘结在一起，相互传递内力，二者之间有良好的工作性能，在荷载作用下可共同受力，共同变形,两者的温度线膨胀系数很接近，当温度变化时避免产生较大的相对变形而破坏两者的粘结力， 混凝土：1.010-51.5 10-5/，钢筋： 1.2 10-5 /,混凝土包裹着钢筋，可以保护钢筋免遭锈蚀,一、混凝土结构的概念和特点 3.混凝土结构的优缺点,优点： 取材容易 合理用材 耐久

3、性好 耐火性好 整体性好 可模性好,缺点： 自重大 抗裂性差 施工复杂、工序多、工期长、 施工受季节天气的影响较大 混凝土一旦破坏，修复、加固、补强比较困难 隔热隔声性能差,随着科学技术的不断发展，正逐渐被克服,结构设计的一般原则和方法,结构设计计算方法发展过程：,1.容许应力法： 以弹性理论为基础，但未考虑材料的塑性。 2.破坏阶段法： 考虑了材料的塑性，但仅仅用一个笼统的安全系数考虑超载，材料的变异等。 3.极限状态法： 用分项系数把不同的荷载、不同材料及不同构件的受力性质等用不同的安全系数区别开来。 按精确程度不同分为三个水准，半经验半概率设计法、近似概率设计法、全概率设计法。,结构的功

4、能要求, 安全性+适用性+耐久性可靠性,结构的可靠性 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,设计使用年限,正常设计、正常施工、正常使用和维护,结构的可靠度 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。,1 结构的功能要求： 安全性 Safety 结构在预定的使用期间内（一般为50年），应能承受正常施工、正常使用情况下可能出现的各种作用（荷载、外加变形（如支座不均匀沉降）、约束变形（温度和收缩变形受到约束） 在偶然事件（如地震、爆炸、冲击）发生时及发生后，结构应能保持整体稳定性，不应发生倒塌或连续破坏而造成生命财产的严重损失,1 结构的功能要求,适用性 Servic

5、eability 结构在正常使用期间，具有良好的工作性能。例如不发生影响正常使用的过大的变形（挠度、侧移）、振动（频率、振幅），或产生让使用者感到不安的过大的裂缝宽度 耐久性 Durability 结构在正常使用和正常维护条件下，应具有足够的耐久性。即结构不发生严重劣化、腐蚀、脱落、碳化、钢筋不发生锈蚀等，达到设计预期的使用年限,结构的极限状态 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，此特定状态称为该功能的极限状态。 我国将建筑结构的极限状态分为： 承载能力极限状态（ultimate limit state） 正常使用极限状态(serviceability l

6、imit state),结构的极限状态,承载能力极限状态：指结构或构件达到最大承载力或出现不适于继续承载的变形的状态。它是结构安全性功能极限状态。 包括下列之一： （1）结构或结构的一部分作为刚体失去平衡； （2）结构、结构构件或其连接因超过材料强度而破坏，或因过度的塑性变形而不能继续承载； （3）结构转变为机动体系； （4）结构或结构构件丧失稳定； （5）地基丧失承载能力而破坏,超过承载能力极限状态后，结构或构件不能满足安全性,正常使用极限状态 这种极限状态对应于结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值。 影响正常使用或外观的变形； 影响正常使用或耐久性能的局部损坏（如过大的裂缝宽

7、度） 影响正常使用的振动； 影响正常使用的其它特定状态（相对沉降量过大）。,超过正常使用极限状态后，结构或构件不能满足适用性和耐久性的要求,建筑结构荷载,作用：使结构产生内力或变形的原因 直接作用（荷载） 间接作用：地震、温度变化、混凝土收缩等 作用效应（S） 也叫荷载效应，指作用使结构产生的内力（例如，弯矩、剪力、轴力、扭矩等）、变形（挠度、转角）和裂缝。,结构上的直接作用（荷载）,永久荷载（恒荷载）： 荷载值不随时间变化的荷载。如：结构自重、土压力、预应力 可变荷载： 荷载值随时间变化的荷载。如：楼面活荷载、风荷载、雪荷载 偶然荷载： 在设计基准期内不一定出现，一旦出现，其值很大且持续时间

8、很短的荷载，如爆炸、撞击,1 荷载代表值 永久荷载（恒载）代表值：标准值，为结构设计尺寸和材料的自重的乘积。 可变荷载代表值：标准值、频遇值、准永久值、组合值。 标准值：基本代表值 频遇值标准值频遇值系数(11) 准永久值标准值准永久值系数(21) 荷载的组合值荷载标准值组合值系数,材料和荷载的取值,在进行正常使用极限状态设计时选用标准值,荷载设计值,（）荷载的分项系数 永久荷载分项系数: 1.2 1.35 可变荷载分项系数: 1.4,（）荷载设计值荷载标准值乘以荷载分项系数,进行承载能力极限状态设计时选用设计值,（3）荷载的设计值 荷载的标准值,3 材料强度的标准值 钢筋抗拉强度标准值 97

9、.73% 混凝土抗压强度标准值 95%,4 材料强度设计值（承载能力极限状态设计时用,混凝土抗压强度设计值,钢筋抗拉强度设计值,混凝土材料分项系数，1.4,钢筋材料分项系数，1.11.2,材料强度的设计值 材料强度的标准值,承载能力极限状态设计表达式,基本表达式,结构重要性系数,结构抗力的设计值,荷载效应组合的设计值,荷载分项系数（1）,荷载效应的标准值,抗力分项系数（1）,抗力的标准值,承载能力极限状态设计表达式,结构重要性系数：按安全等级或设计使用年限确定,对安全等级为一级或设计使用年限为100年及以上的结构构件不应小于1.1 对安全等级为二级或设计使用年限为50年的结构构件不应小于1.0

10、 对安全等级为三级或设计使用年限为5年及以下的结构构件不应小于0.9 在抗震设计中取1.0,承载能力极限状态设计表达式-荷载效应组合S,作用效应有基本组合、偶然组合、标准组合、频遇组合、准永久组合 按承载能力极限状态设计时，一般考虑作用效应的基本组合，必要时尚应考虑作用效应的偶然组合。 荷载有永久荷载和可变荷载，可变荷载不止一个，多个可变荷载也不一定会同时发生，为此，考虑到两个或两个以上可变荷载同时出现的可能性较小，引入荷载组合值系数对其标准值折减。 建筑结构荷载规范规定：对于基本组合，荷载效应组合的设计值应从由可变荷载效应控制的组合和由永久荷载效应控制的两组组合中取最不利值确定。,正常使用极

11、限状态设计表达式,C结构构件达到正常使用要求的规定限制。,按正常使用极限状态设计，主要是验算构件的变形和裂缝宽度。因其危害程度不及承载力引起的结构破坏造成的损失那么大，所以适当降低对可靠度的要求，取荷载标准值 根据不同的设计要求，采用标准组合、频遇组合和准永久组合,sk正常使用情况下荷载效应组合值,第二章 钢筋和混凝土材料力学性能,混凝土结构中，主要是利用它的抗压强度 立方体试件的强度比较稳定，因此把立方体抗压强度作为混凝土强度的基本指标 (1)混凝土的立方体抗压强度 fcu,k,边长为150mm的混凝土立方体试件，在标准条件下（温度为203，湿度90%）养护28天，用标准试验方法（加载速度0

12、.30.5N/mm2/s(混凝土强度等级C60);两端不涂润滑剂）测得的具有95%保证率的抗压强度,1. 单轴应力状态下混凝土的强度,2.1混凝土的物理力学性能,混凝土的强度等级是用立方体抗压强度标准值来划分的,立方体抗压强度标准值（fcu,k）是评定混凝土强度等级的指标， 规范根据强度范围，从C15-C80共划分为14个强度等级，级差为5N/mm2。 C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C50，C55，C60，C65，C70，C75，C80（C50以上为高强混凝土）,混凝土Concrete,立方体抗压强度标准值,立方体抗压强度只有标准值，没有设计值,立方体抗压强度的影响因

13、素,我国规范规定的标准试验方法：不涂润滑剂,影响因素：试验方法、龄期、加载速度、试块尺寸等,（1）试验方法的影响,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,（4）试件尺寸的影响（尺寸效应）,（2）加载速度的影响,（3）龄期的影响,加载速度越快，强度越高,龄期增长，强度越高,（2)棱柱体抗压强度（轴心抗压强度）fck,标准试块：150150 300,非标准试块：100100 300 换算系数 0.95 200200 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：

14、fck=0.76fcu,k (试验结果) 考虑到构件和试件的区别，取fck=0.67fcu,k,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=（0.790.81）fcu,k,圆柱体抗压强度,考虑到实际结构构件制作、养护和受力情况，实际构件强度与试件强度之间存在差异，规范基于安全取偏低值，规定轴心抗压强度标准值和立方体抗压强度标准值的换算关系为：,式中： k为棱柱体强度与立方体强度之比，对不大于C50级的混凝土取0.76，对C80取0.82，其间按线性插值。k2为高强混凝土的脆性折减系数，对C40取1.0，对C80取0.87，中间按直线规律变化取值。0

15、.88为考虑实际结构的砼强度与试件砼强度之间的差异而取用的折减系数。,fcu,k立方体抗压强度标准值即为混凝土强度等级 C30表示fcu,k=30N/mm2,2. 单轴受力状态下混凝土的抗拉强度,轴心抗拉强度ftk,2.1混凝土的物理力学性能,试验结果：ftk=0.26fcu,k2/3 考虑到构件和试件的区别，尺寸效应，加荷速度等的影响，取 ftk=0.23fcu,k2/3,轴心受拉试验,2.1 混凝土的物理力学性能,混凝土结构设计规范规定轴心抗拉强度标准值与立方体抗压强度标准值的换算关系为：,混凝土轴心抗拉强度与立方体抗压强度的关系,劈拉强度fts,根据试验结果回归分析劈拉强度平均值与抗压强

16、度平均值之间的关系： fts=0.19fcu,k 3/4,劈裂试验,3. 复合应力状态下混凝土的强度,双轴应力下的强度,双向正应力下的强度曲线,法向应力和剪应力下的强度曲线,2.1混凝土的物理力学性能,3. 复合应力状态下混凝土的强度,三向受压时的混凝土强度,圆柱体试验,有等侧向压应力2时的圆柱体抗压强度,无侧向约束时圆柱体的单轴抗压强度,2.1混凝土的物理力学性能,混凝土单轴受力时的应力-应变关系的重要性： 反映了混凝土受力全过程的重要力学特征, 是分析混凝土构件应力、建立承载力和变形计算理论的必要依据 是利用计算机进行非线性分析的基础。,试验方法：采用棱柱体试件，在普通试验机上采用等应力速

17、度加载，达到轴心抗压强度fc时，试验机中集聚的弹性应变能大于试件所能吸收的应变能，会导致试件产生突然脆性破坏，只能测得应力-应变曲线的上升段。 采用等应变速度加载，在试件旁附设高弹性元件与试件一同受压，以吸收试验机内集聚的应变能，可以测得应力-应变曲线的下降段。,5、单轴受压应力-应变关系（全曲线）,2.1混凝土的物理力学性能,A点以前，微裂缝没有明显发展，混凝土的变形主要弹性变形，应力-应变关系近似直线。A点应力随混凝土强度的提高而增加，对普通强度混凝土sA约为 (0.30.4)fc ，对高强混凝土sA可达(0.50.7)fc。,A点以后，由于微裂缝处的应力集中，裂缝开始有所延伸发展，产生部

18、分塑性变形，应变增长开始加快，应力-应变曲线逐渐偏离直线。微裂缝的发展导致混凝土的横向变形增加。但该阶段微裂缝的发展是稳定的。,混凝土在结硬过程中，由于水泥石的收缩、骨料下沉以及温度变化等原因，在骨料和水泥石的界面上形成很多微裂缝，成为混凝土中的薄弱部位。混凝土的最终破坏就是由于这些微裂缝的发展造成的。,达到B点，内部一些微裂缝相互连通，裂缝发展已不稳定，横向变形突然增大，体积应变开始由压缩转为增加。在此应力的长期作用下，裂缝会持续发展最终导致破坏。取B点的应力作为混凝土的长期抗压强度。普通强度混凝土sB约为0.8fc，高强强度混凝土sB可达0.95fc以上。,达到C点fc，内部微裂缝连通形成

19、破坏面，应变增长速度明显加快，C点的纵向应变值称为峰值应变 e 0，约为0.002。,纵向应变发展达到D点，内部裂缝在试件表面出现第一条可见平行于受力方向的纵向裂缝。D点称为拐点,随应变增长，试件上相继出现多条不连续的纵向裂缝，横向变形急剧发展，承载力明显下降，混凝土骨料与砂浆的粘结不断遭到破，裂缝连通形成斜向破坏面。收敛点E的应变e = (23) e 0，应力s = (0.40.6) fc,强度等级越高，线弹性段越长，峰值应变也有所增大。混凝土强度越高，下降段越陡，延性越差。,不同强度等级的混凝土应力-应变曲线,混凝土应力-应变曲线的数学模型（本构方程）,美国Hognestad模型,德国Rs

20、ch模型,2.1混凝土的物理力学性能,混凝土应力-应变曲线的数学模型-中国规范,cu,0,6. 混凝土单轴受拉变形,曲线形状与受压类似，也有上升段和下降段，但下降段很陡 受拉时曲线的原点切线斜率与受压基本一致，受压受拉采用相同的弹性模量Ec,混凝土的变形模量,弹性模量（原点切线模量）：拉压相同,变形模量（割线模量、弹塑性模量）,切线模量,弹性系数：弹性应变与总应变的比值，随应力增大而减小 受压时，为0.41.0； 受拉破坏时，为1.0,卸荷瞬时恢复变形,c0.5fc，线性徐变,c0.8fc，非线性徐变,长期荷载作用下混凝土的变形性能-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

21、的不断发展,徐变荷载不变的情况下混凝土应变随时间增长的现象,c=0.5fc,加荷瞬时变形,徐变变形,残余变形,弹性后效,影响徐变的因素,内在因素：混凝土的组成和配比 骨料刚度越大，徐变越小 水泥用量越多，水灰比越大，徐变越大,环境影响：养护和使用条件 养护时温度高、湿度大，徐变小 构件所处环境温度高、湿度小，徐变大,应力条件：初应力水平和龄期 混凝土的应力越大，徐变越大 c0.8fc，造成混凝土破坏，不稳定 加荷时混凝土的龄期越早，徐变越大,混凝土的收缩-结硬过程中混凝土体积缩小的性质,水泥品种：等级越高，收缩越大,水泥用量：水泥用量越多，水灰比越大，收缩越大,养护条件：温度湿度越大，收缩越小

22、,体表比：体表比越大，收缩越小,骨料：骨料越硬，收缩越小,制作方法：混凝土越密实，收缩越小,使用环境：温度、湿度大，收缩越小,外加剂品种及用量等,7. 混凝土的疲劳强度,重复荷载下的应力-应变曲线,fcf的确定原则： 100100 300或150150 450 的棱柱体试块，加载应力0.5fc，试件承受200万次（或以上）循环荷载时发生破坏的压应力值,2.2.1钢筋的种类,柔性钢筋,劲性钢筋：型钢、钢轨或者用钢板焊成的钢骨架,光圆钢筋,变形钢筋,2.2钢筋的物理力学性能,混凝土结构设计规范提出了推广高强度、高性能钢筋HRB400和HRB500的要求，特别是HRB400,逐步淘汰HRB335 箍

23、筋宜采用HRB400、HRBF400、HRB335和HPB300。 光圆钢筋HPB300虽然也可用作纵向受力钢筋，因其强度较低，故主要用作箍筋。 当HRB500和HRBF500用作箍筋时，只能用于约束混凝土的间接钢筋，即螺旋箍筋或焊接环筋。 细晶粒系列HRBF钢筋、HRB500和热处理钢筋RRB400都不能用作承受疲劳作用的钢筋，这时宜采用HRB400钢筋。 工地上常把上述4个强度等级的钢筋俗称为级、级、级和级钢筋，但在施工图和正式文件中，都不应采用此俗称。,2.2.3. 钢筋的强度和变形（应力-应变曲线）,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

24、的应力-应变曲线几乎相同,Es=/,2.变形性能指标,冷弯性能：将钢筋绕直径为D的弯芯弯曲到规定的角度后无裂纹、鳞落或断裂现象。D越小，弯转角越大，钢筋塑性越好,均匀伸长率：钢筋拉断后的伸长值与原长的比值 伸长率越大，塑性越好,3. 钢筋的冷加工和热处理,冷拉,无时效,经时效,特性：只提高抗拉强度，不提高抗压强度，提高抗拉强度，塑性下降,冷拉控制应力,冷拔,经过冷拔后钢筋没有明显的屈服点和流幅，属于硬钢,经过冷拔后钢筋强度显著提高，塑性显著下降,冷拔既能提高抗拉强度又能提高抗压强度,5. 钢筋应力-应变曲线的数学模型,有明显流幅的钢筋,无明显流幅的钢筋,双直线（完全弹塑性模型）：适用于流幅较长

25、的低强度钢筋。 三折线（完全弹塑性加硬化模型）：适用于流幅较短的软钢。 双斜线（弹塑性模型）：适用于没有流幅的高强钢筋或钢丝。,6. 钢筋的疲劳,钢筋的疲劳是指钢筋在承受重复、周期性的动荷载作用下，经过一定次数后，突然脆性断裂的现象。 钢筋疲劳断裂的原因：钢筋有内部和外部的缺陷，薄弱处容易产生应力集中 钢筋的疲劳强度低于其在静荷载作用下的极限强度 原状钢筋的疲劳强度最低 钢筋的疲劳试验方法 直接进行单根原状钢筋轴拉试验 将钢筋埋入混凝土中使其重复受拉或受弯的试验,1）强度：要求钢筋有足够的强度和适宜的强屈比(极限强度与屈服强度的比值)。例如，对抗震等级为一、二级的框架结构，其纵向受力钢筋的实际

26、强屈比不应小于1.25。 2）延性：要求钢筋应有足够的变形能力。 3）可焊性：要求钢筋焊接后不产生裂缝和过大的变形，焊接接头性能良好。 4）机械连接性能 5）施工适应性 6）钢筋与混凝土的粘结力：要求钢筋与混凝土之间有足够的粘结力，以保证两者共同工作。,7.钢筋混凝土结构对钢筋性能的要求,钢筋与混凝土之间粘结应力示意图 （a）锚固粘结应力 （b）裂缝间的局部粘结应力,1粘结的意义 混凝土与钢筋的粘结是指钢筋与周围混凝土之间的相互作用，包括沿钢筋长度的粘结和钢筋端部的锚固两种情况。钢筋和混凝土之间的粘结是钢筋和混凝土形成整体、共同工作的基础。,2.3混凝土与钢筋的粘结,2粘结力的组成 光圆钢筋与变形钢筋具有不同的粘结机理，其粘结作用主要由三部分组成： （）钢筋与混凝土接触面上的化学吸附作用力（胶结力）。一般很小，仅在受力阶段的局部无滑移区域起作用，当接触面发生相对滑移时，该力即消失。 （）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）。对于光圆钢筋，这种咬合力来自于表面的粗糙不平。,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