模塊一：混凝土結構材料及設計方法

1、工程管理專業(yè)混凝土結構及砌體結構模塊式教學課件v模塊一：混凝土結構材料及設計方法v模塊二：鋼筋混凝土受彎構件的設計計算及 構造規(guī)范v模塊三：鋼筋混凝土受壓構件的設計計算及構造規(guī)范v模塊四：鋼筋混凝土受拉構件的設計計算及構造規(guī)范v模塊五：鋼筋混凝土彎、剪、扭構件設計計算及構造規(guī)范v模塊六：鋼筋混凝土結構正常使用極限狀態(tài)的驗算v模塊七：預應力混凝土構件工作原理及設計計算簡介v模塊八：鋼筋混凝土結構設計方法實際應用v模塊九：砌體結構簡介任務一、關于混凝土結構課程的幾個話題任務一、關于混凝土結構課程的幾個話題、什么是混凝土結構、什么是混凝土結構、為什么把鋼筋與混凝土澆筑在一起協同工作？、為什么把鋼筋與

2、混凝土澆筑在一起協同工作？、混凝土結構發(fā)展狀況簡介、混凝土結構發(fā)展狀況簡介、本課程學習方法及要求、本課程學習方法及要求任務二、關于混凝土結構用材料的基本知識任務二、關于混凝土結構用材料的基本知識、土木工程用鋼筋的品種、級別、性能及其選用原則、土木工程用鋼筋的品種、級別、性能及其選用原則、混凝土在各種受力狀態(tài)下的強度與變、混凝土在各種受力狀態(tài)下的強度與變 形性能及其選用原則形性能及其選用原則、鋼筋與混凝土的共同工作原理、鋼筋與混凝土的共同工作原理任務三、鋼筋混凝土設計方法任務三、鋼筋混凝土設計方法、結構上的作用、作用效應和結構抗力的概念及其隨機特性、結構上的作用、作用效應和結構抗力的概念及其隨機

3、特性、混凝土結構設計方法的理論基礎、混凝土結構設計方法的理論基礎 可靠度理論可靠度理論、我國規(guī)范的設計方法、我國規(guī)范的設計方法概率極限狀態(tài)設計概率極限狀態(tài)設計模塊一 鋼筋混凝土結構材料及設計方法任務一、關于混凝土結構課程的幾個話題關于混凝土結構課程的幾個話題、什么是混凝土結構、什么是混凝土結構、為什么把鋼筋與混凝土澆筑在一起協同工、為什么把鋼筋與混凝土澆筑在一起協同工 作？作？、混凝土結構發(fā)展狀況簡介、混凝土結構發(fā)展狀況簡介、本課程學習方法及要求、本課程學習方法及要求1 、 什么是混凝土結構v結結 構：廣義上指房屋建筑和土木工程的建筑物、構構：廣義上指房屋建筑和土木工程的建筑物、構 筑物及其相

4、關組成部分的實體。狹義上指各種工程實體的承筑物及其相關組成部分的實體。狹義上指各種工程實體的承重骨架。重骨架。混凝土結構：以混凝土為主要材料制作的結構。如： 素混凝土結構（plain concrete structure） 鋼筋混凝土結構（reinforced concrete structure） 勁性混凝土結構（steel-reinforced concrete structure） 預應力混凝土結構（pre-stressed concrete structure ） 鋼管混凝土結構（ concrete-filled tube structure ）素砼結構鋼筋砼結構勁勁性砼結構預應應力砼

5、結構鋼鋼管砼結構2、為什么把鋼筋與混凝土澆筑在一起協同工作？素混凝土梁素混凝土梁 破壞特征：破壞特征：一裂即斷，脆性一裂即斷，脆性， 破壞破壞無預兆；無預兆；F Fmaxmax8kN8kN 破壞特征：破壞特征：裂不等于壞，裂不等于壞， 破壞有預兆；破壞有預兆；F Fmaxmax36kN36kN鋼筋混凝土梁鋼筋混凝土梁鋼筋與混凝土協同工作的必要性鋼筋與混凝土協同工作的必要性：素混凝土結構中加入少量鋼筋以后：承載力有很大提高；受力性能和破壞特征有明顯改善。鋼筋的主要作用是抗拉和抗剪，也可以抗壓，但一般盡量充分利用混凝土抗壓優(yōu)勢。鋼筋與混凝土協同工作的可行性鋼筋與混凝土協同工作的可行性：混凝土結硬后

6、與鋼筋牢固地粘結在一起， 能相互傳遞應力；鋼筋與混凝土有相近的線膨脹系數。（鋼筋：c=1.210-5-1 混凝土：c=1.010-5 1.510-5-1）；混凝土可以保護鋼筋不發(fā)生銹蝕。鋼筋與混凝土結構的優(yōu)缺點：鋼筋與混凝土結構的優(yōu)缺點： 優(yōu)點優(yōu)點承載力大就地取材耐久耐火可模性好整體性好、剛度大自重大 混凝土：2425 kN/m3 粘土磚: 1819kN/m3 杉木：4 kN/m3易開裂性質脆缺點缺點3 3、混凝土結構發(fā)展狀況如何？、混凝土結構發(fā)展狀況如何？v1824年，英國人J.Aspdin發(fā)明水泥；v1850年，法國人L.Lambot制成鐵絲網水泥船；v1859年，轉爐煉鋼成功；v1861

7、年，法國人J.Monier取得鋼筋混凝土板、管道、拱橋的專利。v與鋼、木、砌體結構相比，歷史最短，但發(fā)展最快，v已經成為當今世界各國的主導結構。v材料：材料：朝輕質、高強方向發(fā)展。強度發(fā)展如：混凝土：C10 C25 C60 C80 C100 C200v結構：結構：高層大跨。馬來西亞吉隆坡石油 大廈，88層，452m，鋼-混凝土結構； 上海金茂大廈，88層，421m，鋼-混凝土結構； 香港國際金融中心，88層，415m，混合結構； 美國亞特蘭大奧運會主體育館240m193m，張拉整體結構；v 橋梁跨度也越來越大。如四川萬縣拱橋，跨度為420m。金茂大廈金茂大廈88層層, 421m臺北臺北1011

8、01層層, 508m國際金融中心國際金融中心 88層層, 415m重慶市萬縣長江大橋重慶市萬縣長江大橋v設計方法設計方法: 經驗法經驗法半經驗、半理論法半經驗、半理論法概率極限狀態(tài)法概率極限狀態(tài)法4、本課程學習方法及要求 學習方法及要求學習方法及要求： 認真聽課，注意記錄，課后有充分時間研讀教材。 掌握本課程基本概念、基本原理，理清各種構件設計計算步驟。 善于歸納類比各類構件設計計算特點。 多查規(guī)范，重視各類構件構造要求。 多看圖畫圖，及時獨立完成小作業(yè)及大作業(yè)。 考核方法：考核方法： 過程考核：50%；期末：40%（期末考試成績要求達到60分方可及格）； 筆記及小作業(yè)： 10% 沈蒲生主編，

9、梁興文副主編. 混凝土結構設計原理(第4版). 北京：高等教育出版社，2012.2 任務二、關于混凝土結構用材料的基本知識關于混凝土結構用材料的基本知識、土木工程用鋼筋的品種、級別、性能及其選用原則、混凝土在各種受力狀態(tài)下的強度與變形性能及其選用原則、鋼筋與混凝土的共同工作原理、土木工程用鋼筋的品種、級別、性能及其、土木工程用鋼筋的品種、級別、性能及其選用原則選用原則1.1 建筑用鋼筋的種類 熱軋鋼筋 400650RRB400400650HRB400335650HRB335300622HPB300fyk/(N/mm2)d/(mm)符號符號種種 類類HPB 熱軋光面鋼筋，橋梁規(guī)范用R表示；HRB

10、 熱軋帶肋鋼筋；RRB 余熱處理鋼，橋梁規(guī)范用KL表示。Mn 錳，Si 硅，V 釩，Nb 鈮，Ti 鈦， C 碳低 碳：C0.6%20MnSiV含碳萬分數含錳、硅、釩的百分數，取整。中、高強鋼絲、鋼絞線做預應力筋用。中強：8001370MPa高強：14701860MPa1003.5% 4% 熱處理鋼筋 經淬火處理得，fptk=1470MPa，無明顯屈服點。冷加工鋼筋冷加工鋼筋 冷加工工藝：冷加工工藝：冷拉、冷拔、冷軋、冷軋扭。 目的：目的：提高強度，節(jié)約鋼材。但塑性減小。冷拉鋼筋仍有屈服臺階。1.2 混凝土結構對鋼筋性能的要求 強度高屈 服 點0by0b0.2條 件 屈 服 點殘 余 應 變

11、0.2熱軋鋼筋熱軋鋼筋鋼絲、鋼絞線、鋼絲、鋼絞線、各種冷加工鋼筋各種冷加工鋼筋塑性好（用伸長率和冷彎性能衡量。）伸長率1510100100%510100m mlllldldl l1ld:同一根鋼筋上述伸長率只反映斷口附近殘留變形大小， 不反映鋼筋總伸長率情況。105均勻伸長率均勻伸長率鋼筋彈鋼筋彈性模量性模量實測鋼筋實測鋼筋拉斷強度拉斷強度gt殘余殘余伸長伸長00lll s0bE已回復彈已回復彈性應變性應變+=鋼筋均勻伸長率的測定：鋼筋均勻伸長率的測定： =90,180 ,反復彎曲反復彎曲要要求：冷彎過程中無裂縫、鱗求：冷彎過程中無裂縫、鱗落或斷裂。落或斷裂。D 愈小，要求愈高。愈小，要求愈高

12、。反復次數愈高，要求愈高。反復次數愈高，要求愈高。Dd冷彎冷彎冷彎是檢驗鋼筋局部變形能力的指標。冷彎是檢驗鋼筋局部變形能力的指標。 鋼筋塑性愈好，構件破壞前預兆愈明顯。鋼筋塑性愈好，構件破壞前預兆愈明顯。 可加工性好焊接彎折與混凝土粘結錨固性好光面變形變形鋼筋比光面鋼筋好變形鋼筋比光面鋼筋好 鋼筋的直徑常用： 6mm，6.5mm，8mm，8.2mm，10mm，12mm， 14mm，16mm，18mm，20mm，22mm，25mm， 28mm，32mm，36mm，40mm，50mm。其中， 8.2mm僅適用有縱肋的熱處理鋼筋。 鋼筋的選用普通鋼筋：宜用HRB400和HRB335鋼筋 可用HPB3

13、00、RRB400和冷加工鋼筋預應力筋：宜用鋼鉸線、鋼絲 可用熱處理鋼筋和強度較高的冷加工鋼筋d=650mm2.1 組成及特點主要材料：水泥、水、砂、石 特點:1）以固相為主，包含固體、液體、氣體的三相體2）水化過程長，性能要很長時間才穩(wěn)定3）水泥石收縮可形成微裂縫；4）受制作、養(yǎng)護、使用條件影響大 2.2 混凝土強度 立方體抗壓強度（強度等級） 1）標準尺寸：150mm150mm150mm 2）養(yǎng)護條件：20 3，濕度90%，28d 3）加荷方法：加荷速度0.150.25MPa/s， 墊板不涂油或墊橡膠板。 4）強度保證率：95% ，f = -1.645、混凝土在各種受力狀態(tài)下的強度與變形性

14、能及其選用原則、混凝土在各種受力狀態(tài)下的強度與變形性能及其選用原則ckc1c2cu ,k0 .8 8ff 混凝土強度與試塊混凝土強度的修正系數脆性影響系數 棱柱體強度與立方體強度之比值 非標準試塊強度換算系數： 200mm200mm200mm:1.05； 100mm100mm100mm:0.95。 分級：C15,C20,C25,C30,C35,C40,C45,C50, C55, C60, C65,C70,C75,C80 (高強混凝土），共14個等級。 CConcrete,單位：N/mm2或MPa。軸心抗壓強度fckfcu,kh b1.00.5012345bbhc1 和 c2 值混凝土強度等級C

15、40C45C50C55C60C65C70C75C80 c10.760.760.760.770.780.790.800.810.82 c24.000.9840.9680.9510.9350.9190.9030.8870.87 軸心抗拉強度45. 00.55kcu,2tk)645. 11 (395. 088. 0ff軸心抗拉強度與立方體抗壓強度的折算系數 試驗離散性的影響系數 試驗離散性系數 復雜應力下的強度圖中：ft*，fc*混凝土單軸抗 拉、 抗壓強度；f1 ，f2，f3混凝土的多軸強度, f1f2f3說明：壓-壓：強度提高； 拉-拉：強度不變；拉-壓：抗拉和抗壓強度都低。雙向受力存在剪力作用

16、存在剪力作用拉-剪：抗拉、抗剪強度都降低；壓-剪：當 時，抗剪強度隨壓應力提高而增大； 當 時，內部裂縫增加，抗剪抗壓強度均降低。 6 . 0/cf6 . 0/cf三向受力三向受力三向受壓時，強度增加，最大增加5倍。 影響混凝土強度的主要因素影響混凝土強度的主要因素 1.1.原材料的品質原材料的品質 2.2.水灰比及水泥用量水灰比及水泥用量 3.3.齡期齡期2.3 混凝土的變形混凝土的變形 一次加載時0A:近似彈性 AB:非線性 BC:體積增大 CF:破壞 高強混凝土：高強混凝土： ， 0cu 多次加載：彈性模量割線模量。棱柱體試件。受壓：受拉：Ec=0.5 Ec剪切模量：Gc=0.4 Ec

17、泊松比 = 橫向應變/縱向 應變=0.2cu5c7 .342 . 210tanfE 徐變定義：在荷載保持不變的情況下，變形隨時間推移 繼續(xù)增大的現象。特點：早期發(fā)展快，但可以延續(xù)數年。影響因素：加載時的混凝土齡期； 持續(xù)壓力大?。?混凝土的組成材料及配合比； 混凝土的制作養(yǎng)護條件。徐變對結構的影響：使構件變形增大；在軸壓構件中，使鋼筋應力增加，混凝土應力減??；在預應力構件中，使預應力發(fā)生損失；在超靜定結構中，使內力發(fā)生重分布。 收縮定義：混凝土在空氣中結硬時體積減小的現 象。收縮率：310-4。收縮=凝縮+干縮特點：早期快，可延續(xù)12年。影響因素：混凝土的組成及配合比，尤其是水灰比； 養(yǎng)護條件

18、；使用時的溫度與濕度。收縮對結構的影響：當收縮受到約束時，引起構件開裂。減少收縮的措施：限制水泥用量；減小水灰比；加強振搗和養(yǎng)護； 構造鋼筋數量加強；設置變形縫；摻膨脹劑。2.4 混凝土的選用原則鋼筋混凝土結構中：混凝土強度等級不應低于C15。 用HRB335級鋼筋時，不宜低于C20；用HRB400和RRB400級鋼筋時，不得低于于C20。預應力混凝土結構中 混凝土強度等級不應低于C30。當采用鋼絲、鋼絞線、熱處理鋼筋時，不宜低于C40。 粘結錨固長度平均粘結應力 amdlF光面鋼筋光面鋼筋 帶肋鋼筋帶肋鋼筋 2mN/mm5 .35 .12mN/mm0 .65 .2由 和鋼筋強度可推算出錨固長

19、度mal、鋼筋與混凝土的共同工作原理、鋼筋與混凝土的共同工作原理普通鋼筋錨固長度普通鋼筋錨固長度 按下列公式計算：按下列公式計算：aldffltya鋼筋抗拉強鋼筋抗拉強度設計值度設計值 鋼筋外鋼筋外形系數形系數 鋼筋直徑鋼筋直徑 混凝土軸心抗混凝土軸心抗拉強度設計值拉強度設計值 0.140.16帶肋鋼筋帶肋鋼筋光面鋼筋光面鋼筋鋼筋類型鋼筋類型 增加粘結錨固的措施增加粘結錨固的措施 光面鋼筋端部做彎鉤：光面鋼筋端部做彎鉤：(1.250.5 )5.5ABRddddddddACABDC25. 6)25. 1 (35 . 5d3手工手工彎鉤：彎鉤：機械彎鉤：機械彎鉤：（自己推導)(適d10mm)鋼筋表

20、面帶肋；鋼筋表面帶肋； 縱向鋼筋端部焊橫向鋼筋；縱向鋼筋端部焊橫向鋼筋；縱向鋼筋端部加箍筋；縱向鋼筋端部加箍筋；采用高強混凝土；采用高強混凝土；彎起鋼筋端部加水平錨固段彎起鋼筋端部加水平錨固段；在縱向鋼筋端部焊錨板；在縱向鋼筋端部焊錨板；將鋼筋焊在預埋件上。將鋼筋焊在預埋件上。任務三、鋼筋混凝土結構設計方法任務三、鋼筋混凝土結構設計方法 1、結構上的作用、作用效應和結構抗力的概念 、混凝土結構設計方法的理論基礎 可靠度理論 、我國規(guī)范的設計方法概率極限狀態(tài)設計1、結構上的作用、作用效應和結構抗力的概念結構上的作用、作用效應和結構抗力的概念1.1結構上的作用、作用效應與結構抗力結構上的作用定義：

21、凡能使結構產生內力、應力、位移、應變、 裂縫的因素，都稱為結構上的作用。 直接作用：荷載分類 間接作用：溫度、收縮、徐變、地基不均勻沉降、 地震等。作用效應作用在結構上產生的反應，如內力、應力、位移、應變、裂縫等，稱為作用效應結構抗力結構抵抗作用效應的能力，稱為結構抗力。1.2荷載荷載分類永久荷載(恒荷載)：大小、方向、作用點不隨時間改變 的荷載為永久荷載，如自重、土壓力、預應力等可變荷載(活荷載) ：大小、方向或作用點隨時間改變而變化的荷載為可變荷載，如樓面和屋面活載、風荷載、雪荷載、 吊車荷載、車輛荷載等；偶然荷載：結構使用期間可能不出現，一旦出現，其作用時間短、效應大的荷載為偶然荷載，如

22、爆炸力，撞擊、地震等。荷載代表值標準值 由設計基準期內最大荷載概率分布的某 一分位值確定的荷載值，是永久荷載的 唯一代表值。頻遇值結構上時而出現的較大值,但小于標準值。計算裂縫變形時用。頻遇值 = f 標準值 t/T0.1準永久值可變荷載中較穩(wěn)定的那一部分值。計算裂縫變形時用。準永久值 = q 標準值 t/T=0.5（t為設計基準期內荷載達到和超過該值的總持續(xù)時間，T為設計基準期。） 組合值 當有兩個或兩個以上可變荷載同時作用時的代表值 組合值 = c 標準值 1.3 材料強度材料強度標準值 混凝土：ckftkf 鋼筋：ykfykf保證率：95 645. 1 f材料強度設計值 混凝土： , 鋼

23、筋： ,cckc ff ctkt ff syky ff syky ff 建筑工程中 混凝土： 鋼筋： ckcdcff tktdcff sksdsff sksdsff 橋梁工程中 式中： 混凝土的材料分項系數； 鋼筋的材料分項系數；c ss1.4結構的設計使用年限與安全等級 結構的設計使用年限類別結構類型結構的設計使用年限（年）臨時性結構5易于替換的結構構件25普通房屋和構筑物50紀念性建筑和特別重要建筑100結構的安全等級按結構的重要性劃分一級：重要建筑二級：一般建筑 三級：次要建筑結構的可靠性:指結構的安全性、適用性、耐久性。結構的可靠度: 指結構在規(guī)定時間內、規(guī)定條件下完成預定功能 的概率

24、，是結構可靠性的概率度量。平均值zf (z)反彎點zpspr可靠概率失效概率Z0Z0失效 可靠標準差正態(tài)分布正態(tài)分布 變異系數變異系數z=z/z = - 0，結構可靠；= 0，極限狀態(tài)。、混凝土結構設計方法的理論基礎、混凝土結構設計方法的理論基礎 可靠度理論可靠度理論2.12.1結構可靠度結構可靠度 0，失效狀態(tài)。結構的可靠指標現行設計方法以概率理論為基礎，用可靠指標度量，采用多個分項系數表達。設 ，則可靠指標為：zz 2s2RsRzz 式中： 結構抗力的平均值和標準值； 作用效應的平均值和標準值。RR 、ss 、2.2 2.2 結構的極限狀態(tài)及其分類定義：整個結構或結構的一部分超過某一特定狀態(tài)就不能滿足設計指定的某一功能要求，這個特定的狀態(tài)稱之為該功