講義總結(jié)注冊結(jié)構(gòu)專業(yè)基礎(chǔ)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)材料性能與設(shè)計原則

1、.第一節(jié) 材料性能與基本設(shè)計原則一、考試大綱的規(guī)定材料性能:鋼筋、混凝土、粘結(jié)基本設(shè)計原則:結(jié)構(gòu)功能、極限狀態(tài)及其設(shè)計表達式、可靠度 二、重點內(nèi)容1.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)用的鋼材有鋼筋和鋼絲兩類,主要包括熱軋鋼筋、熱處理鋼、消除應(yīng)力鋼絲(光面鋼絲、螺旋脅鋼絲、刻痕鋼絲)和鋼絞線。根據(jù)鋼筋的力學(xué)性能可分為有明顯屈服點和明顯流幅的軟鋼、無明顯屈服點和無明顯流幅的硬鋼。其中,熱軋鋼筋屬于軟鋼。熱處理鋼筋及消除應(yīng)力鋼絲則為硬鋼。鋼筋性能指針主要是屈服強度、極限強度、伸長率、冷彎試驗、鋼筋疲勞強度等。屈服強度,該指標(biāo)對于軟鋼是作為標(biāo)準(zhǔn)強度取值的依據(jù);對于硬鋼因無明顯屈服點,一般常取殘余應(yīng)變?yōu)?.2%時所對應(yīng)的

2、應(yīng)力值作為假定的屈服強度,稱為條件屈服強度,用0.2表示。對于熱處理鋼筋、消除應(yīng)力鋼絲和鋼絞線,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(以下簡稱規(guī)范)統(tǒng)一取0.85倍極限抗拉強度作為0.2。極限強度或抗拉強度,該指標(biāo)對于硬鋼是作為強度標(biāo)準(zhǔn)值取值的依據(jù);對于軟鋼,對其有一個最低限值的要求。伸長率,該指針衡量鋼筋塑性性能,是鋼筋標(biāo)準(zhǔn)試體拉斷時的殘余應(yīng)變,用表示。國內(nèi)取應(yīng)變量測標(biāo)距L為5d或10d(d為鋼筋直徑) ,其相應(yīng)的伸長率用5和10表示,標(biāo)距不同其伸長率也不同,標(biāo)距越短,平均殘余變形越大。對不同的鋼筋等級,規(guī)范規(guī)定了不同的最小伸長率限值。冷彎試驗,它是檢驗鋼筋塑性性能的一種方法,也可以檢查鋼筋的脆性。冷彎試驗的

3、兩個主要參數(shù)是彎心直徑D和冷彎角度。對不同強度等級的鋼筋,其對應(yīng)的彎心直徑D 和冷彎角度的規(guī)定值是不同的。如HPB235級和HPB335級鋼筋,=180°,D=(14)的對HRB400級鋼筋,=90°, D= (36)d。鋼筋疲勞強度,影響鋼筋疲勞強度的主要因素為鋼筋疲勞應(yīng)力幅,即fmaxfmin規(guī)范中根據(jù)鋼筋的疲勞強度設(shè)計值,給出了考慮應(yīng)力比的鋼筋疲勞應(yīng)力幅限值。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)對鋼筋性能的要求有:具有足夠的強度和適當(dāng)?shù)那鼜姳?足夠的塑性;可焊性;低溫性能;與混凝土要有良好的粘結(jié)力。2.混凝土(1)混凝土的強度混凝土的強度包括立方體抗壓強度、軸心抗壓強度、抗拉強度。立方體抗

4、壓強度,規(guī)范規(guī)定混凝土強度等級應(yīng)按立方體抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值(fcu,k)確定,它指按標(biāo)準(zhǔn)方法制作和養(yǎng)護的邊長為150mm的立方體試件在28d齡期,用標(biāo)準(zhǔn)方法測得的具有95%保證率的抗壓強度。試件的養(yǎng)護環(huán)境定為溫度在20士3°C、相對濕度90% ,試驗時標(biāo)準(zhǔn)的加荷速度為0.150.25N/mm2/s。當(dāng)用邊長為200mm和100mm的試塊時,所得數(shù)值要分別乘以強度換算系數(shù)1.05和0.95加以校正。規(guī)范規(guī)定,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土強度等級不應(yīng)低于C15;當(dāng)采用HRB335級鋼筋時不宜低于C20;當(dāng)采用HRB400和RRB400級鋼筋以及承受重復(fù)荷載的構(gòu)件不得低于C20;預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的混

5、凝土強度等級不應(yīng)低于C30,當(dāng)采用鋼絞線、鋼絲、熱處理鋼筋時不宜低于C40。軸心抗壓強度(fcu),能更好地反映混凝土的實際抗壓能力,其試件往往取150mm×150mm×450mm、150mm×150mm×600mm等尺寸。fck與fcu,k的關(guān)系表達式;fck=0.88clc2fcu,k式中cl當(dāng)混凝土強度等級<C50時, cl=0.76;當(dāng)為C80時,cl=0.82,中間按線性插入; c2高強度混凝土脆性折減系數(shù),當(dāng)混凝土強度等級<C40時,c2=1.0;當(dāng)為C80時, c2=0.87,中間按線性插入。抗拉強度(ftk),其大小約為1/1

6、71/8的立方抗壓強度。ftk與fcu,k的關(guān)系表達式為:ftk= 0.88×0.395f0.55cu,k(11.645)0.45 ×c2其中為變異系數(shù)。(2)復(fù)合受力狀態(tài)的混凝土強度雙向受力混凝土試件的試驗結(jié)果,可知:當(dāng)雙向受壓時,兩個方向的抗壓強度比單軸受壓時有所提高,最大的抗壓強度發(fā)生在兩個方向的壓應(yīng)力比約為0.52.0之間時;當(dāng)一個方向受壓,另一個方向受拉時,其抗壓或抗拉強度都比單軸抗壓或抗拉時的強度低, 當(dāng)雙向受拉時,其抗拉強度與單軸受拉時無明顯差別。受平面法向應(yīng)力和剪應(yīng)力的試驗結(jié)果,可知:混凝土的抗壓、抗拉強度都將有所降低。當(dāng)壓應(yīng)力0.6fck時,其抗剪強度將隨

7、的增大而提高;但>0.6fck時,其抗剪強度將隨的加大而下降;趨近于fck時,將降至小于純剪強度。三向受壓強度,當(dāng)試件三向受壓,變形受到制約,形成約束混凝土,則強度有較大的增長。f'cc=f'c十(4.57.0)其中f'cc為有側(cè)向壓力約束試件的軸心抗壓強度;f'e為元側(cè)向壓力約束試件的軸心抗壓強度;為側(cè)向約束壓力應(yīng)力。在工程實際中,可用間距較小的螺旋鋼筋柱,或用于構(gòu)件的節(jié)點區(qū)來提高承載力、延性和抗震性能。(3)混凝土的變形混凝土的變形可分為在荷載下的受力變形和與受力無關(guān)的體積變形。1)混凝土在單調(diào)、短期加荷作用下的變形性能通過試驗可得到混凝土的應(yīng)力應(yīng)變曲

8、線,該曲線是研究鋼筋混凝土構(gòu)件的強度、變形、延性和受力全過程分析的依據(jù)。在整個曲線中,最大應(yīng)力值fck、與fck相應(yīng)的應(yīng)變值。、破壞時的極限應(yīng)變值u是曲線的三個特征值。應(yīng)變。的平均值一般取為0.002,對于 非均勻受壓的情況,值約為0.0020.006,甚至更高?；炷潦軌簳r的橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變的關(guān)系,即混凝土的泊松比c ,可采用0.2?；炷恋膹椥阅Ａ恳?guī)范對彈性模量數(shù)值的規(guī)定:取棱柱試件,加荷至不超過適 當(dāng)?shù)膽?yīng)力=0.5/ck為止,重復(fù)510次,所得應(yīng)力應(yīng)變直線的斜率作為混凝土彈性模量 的試驗值?；炷恋氖芾冃?由于混凝土抗拉性能弱,對于C15C40強度等級的混凝土,其 極限拉應(yīng)變可取為(

9、11. 5)×10-4根據(jù)試驗資料,混凝土受拉時應(yīng)力應(yīng)變曲線上切線的 斜率與受壓時基本一致(即兩者的彈性模量相同) ,當(dāng)拉應(yīng)力為Itk時,彈性系數(shù)=0.5,所以相應(yīng)于ftk時的變形模量為0.5Ec。2)混凝土在重復(fù)荷載下的變形性能混凝土在重復(fù)荷載下的變形性能,即混凝土的疲勞性能。一般將試件承受200萬次 (或更多次數(shù))重復(fù)荷載時發(fā)生破壞的壓應(yīng)力值,稱為混凝土的疲勞強度()。疲勞強度 還與對試件所加重復(fù)作用應(yīng)力的變化幅度有關(guān),即按疲勞應(yīng)力比值()對強度予以修正, 當(dāng)f0.5時,可不修正;當(dāng)f<0. 5時,比值愈小則修正得也愈多,即疲勞強度修正系 數(shù)愈小。疲勞應(yīng)力比值為構(gòu)件作疲勞驗

10、算時,截面同一纖維上的混凝土最小應(yīng)力與最大應(yīng)力之比(fmin/fmin)。疲勞強度要比棱柱體抗壓強度低很多,大體上取為0.5fc。 3)混凝土在荷載長期作用下的變形性能在荷載的長期作用下,即使荷載大小維持不變,混凝土的變形隨時間而增長的現(xiàn)象稱 為徐變?；炷列熳兊挠绊懸蛩刂饕腔炷林形淳w化的水泥膠凝體。混凝土的徐變對鋼筋混凝土構(gòu)件的內(nèi)力分布及其受力性能有所影響。如鋼筋混凝土柱的徐變,使混凝土的應(yīng)力減小,使鋼筋的應(yīng)力增加,但最后影響柱的承載力,但徐變對結(jié)構(gòu)也有有利方面,如能緩和應(yīng)力集中現(xiàn)象、降低溫度應(yīng)力、減少支座不均勻沉降引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力等。 影響徐變的因素很多,如受力大小、外部環(huán)境、內(nèi)在因素

11、等。試驗表明,長期荷載作用應(yīng)力大小是影響徐變的一個主要因素,當(dāng)應(yīng)力0.5fc時,徐變與應(yīng)力成正比,此時可稱之為線性徐變,線性徐變在加荷初期增長很快,至半年徐變大部分完成,一年后趨于穩(wěn)定。當(dāng)應(yīng)力較大時,即當(dāng)=0.50.8fc時,塑性變形劇增,徐變與應(yīng)力不成正比,稱為非線徐變。當(dāng)應(yīng)力>0.8fc時,非線性徐變變形驟然增加,變形是不收斂的,將導(dǎo)致混凝土破壞,應(yīng)用上取=0.8fc作為混凝土的長期抗壓強度。荷載持續(xù)作用的時間愈長, 徐變愈大?；炷聊谟?徐變愈大;養(yǎng)護環(huán)境濕度愈大、溫度愈高,徐變愈小,但在使用期 處于高溫、干燥條件下,構(gòu)件的徐變將增大;構(gòu)件的尺寸愈大,則徐變愈小;水灰比愈大,徐

12、變愈大,在常用的水灰比(0.40.6)情況下,徐變與水灰比呈線性關(guān)系;水泥用量愈多,徐變愈大;此外,水泥品種、骨料的力學(xué)性質(zhì)也影響徐變。 4)混凝土的收縮和膨脹收縮和膨脹是混凝土在結(jié)硬過程中本身體積的變形,與荷載無關(guān)。結(jié)硬初期收縮變形 發(fā)展得很快,半個月大約可完成全部收縮的25% ,一個月可完成約50% ,兩個月可完成 約75% ,一年左右即漸穩(wěn)定。在鋼筋混凝土構(gòu)件中,鋼筋混凝土收縮受到阻礙,其收縮值較素混凝土小一半,收縮值取為1.5×10-4。通常認為產(chǎn)生收縮變形的主要原因是混凝土結(jié)硬過程中,特別是結(jié)硬初期,水泥水化 凝結(jié)作用引起體積的凝縮,以及混凝土內(nèi)游離水分蒸發(fā)逸散引起的干縮。

13、減少收縮變形的 措施有:增大濕度、高溫的養(yǎng)護環(huán)境;增大體表比;提高混凝土的密實度;減少水泥用 量、水灰比取小值;避免用強度高的水泥;采用彈性模量高、粒徑大的骨料等。 3.粘結(jié)(1)粘結(jié)力的組成粘結(jié)力是指鋼筋和混凝土接觸接口上沿鋼筋縱向的抗剪能力,即分布在界面上的縱向剪應(yīng)力。鋼筋與混凝土的粘結(jié)作用:混凝土凝結(jié)時,水泥膠的化學(xué)作用,使鋼筋和混凝土在接觸面上產(chǎn)生的膠結(jié)力;由于混凝土凝結(jié)時收縮,握裹住鋼筋,在發(fā)生相互滑動時 產(chǎn)生的摩阻力;鋼筋表面粗糙不平或變形鋼筋凸起的肋紋與混凝土的咬合力。 (2)粘結(jié)力的破壞機理及影響粘結(jié)強度的因素光圓鋼筋的粘結(jié)破壞,由于光圓鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力主要由膠結(jié)力形成

14、,光圓 鋼筋粘結(jié)強度低、滑移量大,其破壞形態(tài)可認為是鋼筋與混凝土相對滑移產(chǎn)生的,或鋼筋 從混凝土中被拔出的剪切破壞。變形鋼筋的粘結(jié)破壞,由于變形鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力主要是機械咬合力,其大 小往往占粘結(jié)力一半以上。根據(jù)試驗,變形鋼筋的粘結(jié)強度高出光圓鋼筋的23倍。 影響粘結(jié)強度的因素:混凝土的質(zhì)量,如水泥性能好、骨料強度高、配比得當(dāng)、振 搗密實、養(yǎng)護良好的混凝土對粘結(jié)力非常有利;鋼筋的形式;鋼筋保護層厚度,一般 應(yīng)取保護層厚度c鋼筋的直徑d,以防止發(fā)生劈裂裂縫;橫向鋼筋對粘結(jié)力起有利影 響,如設(shè)置箍筋可將縱向鋼筋的抗滑移能力提高25% ;鋼筋錨固區(qū)有橫向壓力對粘結(jié)力起有利影響;反復(fù)荷載對粘結(jié)

15、力起不利影響。4.建筑結(jié)構(gòu)功能與可靠度建筑結(jié)構(gòu)必須滿足安全性、適用性、耐久性的功能要求。 可靠性,是指結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間內(nèi),在規(guī)定的條件下,完成預(yù)定功能的能力。 可靠度,是指結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間內(nèi),在規(guī)定的條件下,完成預(yù)定功能的概率。所以, 結(jié)構(gòu)可靠度是結(jié)構(gòu)可靠性的一種定量描述(概率度量)。所謂規(guī)定的時間,是指設(shè)計時所規(guī)定的設(shè)計使用年限,具體的設(shè)計使用年限應(yīng)按現(xiàn)行 國家標(biāo)準(zhǔn)建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)確定。所謂規(guī)定的條件,是指結(jié)構(gòu)正常的設(shè) 計、施工、使用和維護條件,不考慮人為的過失。預(yù)定的功能是指強度、剛度、穩(wěn)定性、 抗裂性、耐久性能等。5.基本計算原則規(guī)范遵照國家標(biāo)準(zhǔn)建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)) (

16、以下簡稱標(biāo)準(zhǔn)) )所確定 的原則,對建筑物和構(gòu)筑物進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時,采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計法, 以可靠指針度量結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠度,并采用分項系數(shù)的設(shè)計表達式。(1)結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)若整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分超過某一特定狀態(tài)就不能滿足設(shè)計規(guī)定的某一功能要求, 則這個特定狀態(tài)就稱為該功能的極限狀態(tài),其可分為兩類:承載能力極限狀態(tài)和正常使用 極限狀態(tài)。承載能力極限狀態(tài),其對應(yīng)于結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達到最大承載力,或不適于繼續(xù)承載的靠指標(biāo),稱為可靠指標(biāo)月,該指標(biāo)的確定還涉及使用經(jīng)驗、經(jīng)濟性問題。目前,我國對 結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力極限狀態(tài)設(shè)計時使用的目標(biāo)可靠指針標(biāo)值見表14-1-1。 結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力極限狀態(tài)

17、設(shè)計時使用的目標(biāo)可靠指標(biāo)值表14-1-1破壞類型安全等級一級二級三級延性破壞3. 73. 22. 7脆性破壞4. 23. 73. 2(5)建筑結(jié)構(gòu)的安全等級根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)破壞可能產(chǎn)生的后果的嚴(yán)重性,我國將建筑結(jié)構(gòu)劃分為三個安全等級: 一級,破壞后果很嚴(yán)重,重要的工業(yè)與民用建筑物; 二級,破壞后果嚴(yán)重,一般的工業(yè)與民用建筑物; 三級,破壞后果不嚴(yán)重,次要的建筑物。對有特殊要求的建筑物,其安全等級應(yīng)根據(jù)具體情況而確定。設(shè)計時應(yīng)針對建筑物的 重要性選用安全等級。(6)承載能力極限狀態(tài)設(shè)計表達式對于承載力極限狀態(tài),應(yīng)考慮荷載效應(yīng)的基本組合,必須時尚應(yīng)考慮承荷載效應(yīng)的偶 然組合,當(dāng)按基本組合進行構(gòu)件的強度

18、設(shè)計時,其表達式為:式中0結(jié)構(gòu)重要性系數(shù);當(dāng)安全等級為一級或設(shè)計使用年限為100年及以上的結(jié)構(gòu) 構(gòu)件,不應(yīng)小于1. 1;當(dāng)安全等級為二級或設(shè)計使用年限為50年的結(jié)構(gòu)構(gòu) 件,不應(yīng)小于1. 0;當(dāng)安全等級為三級或設(shè)計使用年限為5年的結(jié)構(gòu)構(gòu)件, 不應(yīng)小于0.9在抗震設(shè)計中,不考慮結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重要性系數(shù); G永久荷載分項系數(shù):對由可變荷載效應(yīng)控制的組合,一般取1. 2;對由永久 荷載效應(yīng)控制的組合,一般取1. 35;當(dāng)其效應(yīng)對結(jié)構(gòu)有利時取1. 0;Ql , Qi第1個和第i個可變荷載分項系數(shù),一般取1. 4;當(dāng)其效應(yīng)對結(jié)構(gòu)有利時取為0;SGk永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng); SQlk在基本組合中起控制作用的一個可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng); SQik第i個可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng);Ci第i個可變荷載的組合值系數(shù),其值不應(yīng)大于1 ;R(·) 結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力函數(shù)r在抗震設(shè)計時,