東南大學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理基礎(chǔ)總結(jié)

1、1.定義:以混凝土為主制成的結(jié)構(gòu)稱為混凝土結(jié)構(gòu)。2.分類:鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。1、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu) 由配置受力的普通鋼筋、鋼筋網(wǎng)或鋼筋骨架的混凝土制成的結(jié)構(gòu)稱為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu);2、預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu) 由配置受力的預(yù)應(yīng)力鋼筋通過張拉或其他方法建立預(yù)加應(yīng)力的混凝土制成的結(jié)構(gòu)稱為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu);3、鋼筋和混凝土協(xié)同工作的主要原因1、粘結(jié)力:混凝土硬化后與鋼筋之間有良好的粘結(jié)力,從面可靠地結(jié)合在一起,共同變形、共同受力。2、鋼筋和混凝土兩種材料的溫度線脹系數(shù)相近當(dāng)溫度變化時(shí),鋼筋與混凝土之間不會產(chǎn)生由溫度引起的較大的相對變形造成的粘結(jié)破壞。3、防銹混凝土包裹鋼筋,防止鋼筋銹蝕,耐久性好。4

2、、在設(shè)計(jì)和施工中,鋼筋的端部要留有一定的錨固長度,有的還要做彎鉤,以保證可靠地錨固,防止鋼筋受力后被拔出或產(chǎn)生較大的滑移;鋼筋的布置和數(shù)量應(yīng)由計(jì)算和構(gòu)造要求確定。1、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn):(1取材容易:混凝土所用的砂、石一般易于就地取材。另外,還可有效利用礦渣、粉煤灰等工業(yè)廢料。(2合理用材:鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)合理地發(fā)揮了鋼筋和混凝土兩種材料的性能,與鋼結(jié)構(gòu)相比,可以降低造價(jià)。(3耐久性:密實(shí)的混凝土有較高的強(qiáng)度,同時(shí)由于鋼筋被混凝土包裹,不易銹蝕,維修費(fèi)用也很少,所以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性比較好。(4耐火性:混凝土包裹在鋼筋外面,火災(zāi)時(shí)鋼筋不會很快達(dá)到軟化溫度而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體破壞。與裸露的木結(jié)

3、構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)相比耐火性要好(5可模性:根據(jù)需要,可以較容易地澆筑成各種形狀和尺寸的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。(6整體性:整澆或裝配整體式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有很好的整體性,有利于抗震、抵抗振動和爆炸沖擊波。2.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)也存在一些缺點(diǎn):(1自身重力較大:這對大跨度結(jié)構(gòu)、高層建筑結(jié)構(gòu)以及抗震不利,也給運(yùn)輸和施工吊裝帶來困難。(2抗裂性較差:受拉和受彎等構(gòu)件在正常使用時(shí)往往帶裂縫工作,對一些不允許出現(xiàn)裂縫或?qū)α芽p寬度有嚴(yán)格限制的結(jié)構(gòu),要滿足這些要求就需要提高工程造價(jià)。(3隔熱隔聲性能也較差。預(yù)應(yīng)力混凝土的優(yōu)點(diǎn):由于采用高強(qiáng)材料比鋼筋混凝土輕巧,自重減輕使之在使用階段不出現(xiàn)拉應(yīng)力,避免在腐蝕條件下的侵蝕,還能很好

4、的將部件裝配成整體構(gòu)件,缺點(diǎn)是由于使用高強(qiáng)材料造價(jià)高,施工工序復(fù)雜,還要經(jīng)驗(yàn)豐富的施工人員施工,還要嚴(yán)格的監(jiān)督管理制度。預(yù)應(yīng)力上拱度不易控制。開工費(fèi)用大,對于跨徑小,構(gòu)件少的工程成本高1.混凝土的抗壓強(qiáng)度測定的方法我國國家標(biāo)準(zhǔn)普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法(GBJ81-85規(guī)定以邊長為150mm的立方體為標(biāo)準(zhǔn)試件,標(biāo)準(zhǔn)立方體試件在(20±3的溫度和相對濕度95%以上的潮濕空氣中養(yǎng)護(hù)28d,按照標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測得的抗壓強(qiáng)度作為混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度,單位為N/mm2。2.混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度ft3、復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下的混凝土強(qiáng)度(1雙向受拉:抗壓降低,抗拉不變。(2雙向受壓:強(qiáng)度提高。(3拉-壓

5、狀態(tài):混凝土的強(qiáng)度均低于單向拉伸或壓縮時(shí)的強(qiáng)度。4、混凝土的變形(1混凝土受壓時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系(-關(guān)系曲線1上升段(OC,又可分為三段:OA段(0.3fc0.4fc:從加載至A點(diǎn)為第1階段,混凝土的變形主要是彈性變形,應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系接近直線,稱A點(diǎn)為比例極限點(diǎn);AB段(=0.3fc0.8fc:超過A點(diǎn),進(jìn)人裂縫穩(wěn)定擴(kuò)展的第2階段,混凝土的變形為彈塑性變形,臨界點(diǎn)B的應(yīng)力可以作為長期抗壓強(qiáng)度的依據(jù);BC段(=0.8fc1.0fc:裂縫快速發(fā)展的不穩(wěn)定狀態(tài)直至峰點(diǎn)C,這一階段為第3階段,這時(shí)的峰值應(yīng)力max通常作為混凝土棱柱體的抗壓強(qiáng)度fc,相應(yīng)的應(yīng)變稱為峰值應(yīng)變0,其值在0.00150.002

6、5之間波動,通常取0=0.002。2下降段(CE:在峰值應(yīng)力以后,混凝土強(qiáng)度并不完全消失,隨著應(yīng)力的減小,應(yīng)變?nèi)匀辉黾?曲線下降坡度較陡,混凝土表面裂縫逐漸貫通。3收斂段:在反彎點(diǎn)D之后,應(yīng)力下降速率減慢,趨于穩(wěn)定的殘余應(yīng)力。表面縱向裂縫把混凝土陵柱分成若干個小柱,外載力有裂縫處的摩擦咬合力及小柱的殘余應(yīng)力所承受。(2.荷載長期作用下混凝土的變形性能(徐變1徐變的概念在荷載的長期作用下,混凝土的變形將隨時(shí)間而增加,亦即在應(yīng)力不變的情況下,混凝土的應(yīng)變隨時(shí)間繼續(xù)增長,這種現(xiàn)象被稱為混凝土的徐變。2線性徐變和非線性徐變混凝土的徐變與混凝土的應(yīng)力大小有著密切的關(guān)系。應(yīng)力越大徐變也越大,隨著混凝土應(yīng)力

7、的增加,混凝土徐變將發(fā)生不同的情況:1線性徐變當(dāng)混凝土應(yīng)力c0.5fc時(shí),徐變與應(yīng)力成正比,曲線接近等間距分布,這種情況稱為線性徐變。2非線性徐變當(dāng)混凝土應(yīng)力c>0.5fc時(shí),徐變變形與應(yīng)力不成正比,徐變變形比應(yīng)力增長要快,稱為非線性徐變。一般地,混凝土長期抗壓強(qiáng)度取(0.750.8fc。熱軋鋼筋根據(jù)其力學(xué)指標(biāo)的高低,分為以下四個種類:HPB235級(級,符號HRB335級(級,符號HRB400級(級,符號RRB400級(余熱處理級,符號級鋼筋的強(qiáng)度最低,級鋼筋的次之,級鋼筋的最高。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的縱向受力鋼筋宜優(yōu)先采用HRB400級鋼筋。第二章、受彎構(gòu)件正截面承載力計(jì)算結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)

8、間內(nèi),在規(guī)定的條件下,完成預(yù)定功能的概率稱為結(jié)構(gòu)的可靠度。結(jié)構(gòu)的安全性、實(shí)用性和耐久性這三者總稱為結(jié)構(gòu)的可靠性。當(dāng)整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分超過某一特定狀態(tài)而不能滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的某一功能要求時(shí),則此特定狀態(tài)稱為該功能的極限狀態(tài)。1.承載能力極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到最大承載能力或者達(dá)到不適于繼續(xù)承載的變形狀態(tài),稱為承載能力極限狀態(tài)。超過承載能力極限狀態(tài)后,結(jié)構(gòu)或構(gòu)件就不能滿足安全性的要求。如:(1整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分作為剛體失去平衡;(2結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接處因超過材料強(qiáng)度而破壞;(3產(chǎn)生過大的塑性變形而不能繼續(xù)承載;(4結(jié)構(gòu)或構(gòu)件喪失穩(wěn)定;(5結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)動體系。2.正常使用極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到正常使用

9、或耐久性能中某項(xiàng)規(guī)定限度的狀態(tài)稱為正常使用極限狀態(tài)。超過了正常使用極限狀態(tài),結(jié)構(gòu)或構(gòu)件就不能保證適用性和耐久性的功能要求。例如:1、影響正常使用或外觀的變形;2、影響正常使用或耐久性能的局部損壞;3、影響正常使用的震動;4、影響正常使用的其他特定狀態(tài)。使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)力或變形的原因稱為“作用”,分直接作用和間接作用兩種。結(jié)構(gòu)抗力是指結(jié)構(gòu)構(gòu)件承受內(nèi)力和變形的能力。作用效應(yīng)S是指結(jié)果對所收作用的反應(yīng)。結(jié)果抗力R是指結(jié)構(gòu)構(gòu)件承受內(nèi)力和變形的能力。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的三種狀況:持久狀況;短暫狀況和偶然狀況。第三章、受彎構(gòu)件正截面承載力計(jì)算1.適筋破壞形態(tài)(minb塑性破壞其特點(diǎn)是縱向受拉鋼筋先屈服,受壓區(qū)混凝土隨后

10、壓碎。破壞始自受拉區(qū)鋼筋的屈服,由于鋼筋要經(jīng)歷較大的塑性變形,隨之引起裂縫急劇開展和梁撓度的激增,它將給人以明顯的破壞預(yù)兆,屬于延性破壞類型。2.超筋破壞形態(tài)(>b破壞始自混凝土受壓區(qū)先壓碎,縱向受拉鋼筋應(yīng)力尚小于屈服強(qiáng)度,但此時(shí)梁已告破壞。鋼筋在梁破壞前仍處于彈性工作階段,裂縫開展不寬,延伸不高,梁的撓度亦不大,總之,它在沒有明顯預(yù)兆的情況下由于受壓區(qū)混凝土被壓碎而突然破壞,故屬于脆性破壞類型。3,少筋破壞形態(tài)(<min其特點(diǎn)是受拉區(qū)混混凝土一裂就環(huán)。破壞始自受拉區(qū)混凝土拉裂,少筋梁一旦開裂,受拉鋼筋立即達(dá)到屈服強(qiáng)度,有時(shí)可迅速經(jīng)歷整個流幅而進(jìn)人強(qiáng)化階段,在個別情況下,鋼筋甚至可

11、能被拉斷。少筋梁破壞時(shí),裂縫往往只有一條,不僅開展寬度很大,且沿梁高延伸較高。同時(shí)它的承載力取決于混凝土的抗拉強(qiáng)度,屬于脆性破壞類型,3.混凝土保護(hù)層厚度(1定義:縱向受力鋼筋的外表面到截面邊緣的垂直距離,稱為混凝土保護(hù)層厚度,用c表示。(2混凝土保護(hù)層有三個作用:保護(hù)縱向鋼筋不被銹蝕(防銹;在火災(zāi)等情況下,使鋼筋的溫度上升緩慢(防火;使縱向鋼筋與混凝土有較好的粘結(jié)(粘結(jié)力。在梁的受拉區(qū)配置受拉鋼筋為單頸受彎構(gòu)件,同時(shí)在梁的受壓區(qū)配置受力鋼筋為雙頸受彎構(gòu)件,作用的代表值為標(biāo)準(zhǔn)值,準(zhǔn)永久值,頻遇值。四、受彎構(gòu)件的斜截面承載廣義剪跨比=M/Vho 狹義剪跨比=a/ho1.無腹筋梁的斜截面破壞形式1

12、斜壓破壞<1破壞特征:混凝土被腹剪斜裂縫分割成若干個斜向短柱而壓壞,破壞是突然發(fā)生的。多數(shù)發(fā)生在剪力大而彎矩小的區(qū)段,以及梁腹板很薄的T形截面或工字形截面梁內(nèi)2剪壓破壞1<<3破壞特征:在剪彎區(qū)段的受拉區(qū)邊緣先出現(xiàn)一些垂直裂縫,它們沿豎向延伸一小段長度后,就斜向延伸形成一些斜裂縫,而后又產(chǎn)生一條貫穿的較寬的主要斜裂縫,稱為臨界斜裂縫,臨界斜裂縫出現(xiàn)后迅速延伸,使斜截面剪壓區(qū)的高度縮小,最后導(dǎo)致剪壓區(qū)的混凝土破壞,使斜截面喪失承載力。屬脆性破壞。3斜拉破壞>3破壞特征:當(dāng)垂直裂縫一出現(xiàn),就迅速向受壓區(qū)斜向伸展,斜截面承載力隨之喪失。破壞荷載與出現(xiàn)斜裂縫時(shí)的荷載很接近,破壞

13、過程急驟,破壞前梁變形亦小,具有很明顯的脆性。2.腹筋的作用1,直接承擔(dān)部分剪力,1,增加縱筋的肖栓作用,2,抑制斜裂縫的的開展。4.混凝土強(qiáng)度斜截面破壞是因混凝土到達(dá)極限強(qiáng)度而發(fā)生的,故混凝土的強(qiáng)度對梁的受剪承載力影響很大。斜壓破壞取決于混凝土的抗壓強(qiáng)度;斜拉破壞取決于混凝土的抗拉強(qiáng)度;剪壓破壞混凝土強(qiáng)度的影響則居于上述兩者之間上限值是防止截面最小尺寸發(fā)生斜壓破壞,下限值是按要求配置箍筋,防止發(fā)生斜拉破壞。剪力的最大值是距支座h/2處,混凝土和箍筋共同承擔(dān)60%,0.6V,彎起鋼筋承擔(dān)40%,0.4V混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定彎起點(diǎn)與按計(jì)算充分利用該鋼筋截面之間的距離,不應(yīng)小于0.5h,也即處彎起點(diǎn)

14、應(yīng)在該鋼筋充分利用截面以外,大于或等于0.5h五.受扭構(gòu)件承載力計(jì)算1.受扭破壞形態(tài)(1適筋破壞:對于正常配筋條件下的鋼筋混凝土構(gòu)件,在扭矩作用下,縱筋和箍筋先屈服,然后混凝土被壓碎。屬延性破壞。稱為適筋受扭構(gòu)件。(2部分超筋破壞:縱筋和箍筋不匹配,兩者配筋比率相差較大,則破壞時(shí)縱筋和箍筋只有一個屈服。也屬延性破壞,但較適筋破壞的截面延性小。稱為部分超筋受扭構(gòu)件。(3 超筋破壞：筋和箍筋配筋率都過高，縱筋和箍筋均不屈服，而混凝土先行壓壞。屬脆性破壞。 稱為超筋受扭構(gòu)件。 (4 少筋破壞：縱筋和箍筋配置均過少，受扭一裂就壞。屬脆性破壞。 稱為少筋受扭構(gòu)件。 六.軸心受壓構(gòu)件正截面受壓承載力計(jì)算

15、縱筋的作用是提高柱的承載力，減小構(gòu)件的截面尺寸，防止因偶然偏心產(chǎn)生的破壞，改善破壞時(shí)構(gòu) 件的延性和減小混凝土的徐變變形。箍筋能與縱筋形成骨架，并防止縱筋受力后外凸。 普通箍筋柱 1.破壞形態(tài)根據(jù)長細(xì)比的不同分為短柱和長柱 1）.短柱：當(dāng)軸向力 P 達(dá)到破壞荷載的 90%左右時(shí)，柱中部四周混凝土表面出現(xiàn)縱向裂縫，部分混 凝土保護(hù)層剝落， 最后是箍筋間的縱向鋼筋發(fā)生屈曲， 向外鼓出， 混凝土被壓碎而整個實(shí)驗(yàn)柱破壞。 2）.長柱：破壞時(shí)，凹側(cè)的混凝土首先被壓碎，混凝土表面有縱向裂縫，縱向鋼筋被壓彎而向外鼓 出，混凝土保護(hù)層脫落，凸側(cè)則由受壓突然轉(zhuǎn)變?yōu)槭芾霈F(xiàn)橫向裂縫 2. 穩(wěn)定系數(shù) 考慮構(gòu)件長細(xì)比

16、增大的附加效應(yīng)使構(gòu)件承載力降低的計(jì)算系數(shù) = Nlu / Nsu 式中 Nlu 、Nsu 分別為長柱和短柱的承載力。 1）穩(wěn)定系數(shù)值主要和構(gòu)件的長細(xì)比有關(guān)。2）受長期荷載作用的影響和荷載初偏心影響 3. 承載力計(jì)算公式 螺旋箍筋柱 4. 當(dāng)軸心受壓構(gòu)件承受很大的軸向壓力，而截面尺寸又受到限制，或采用普通箍筋柱，即使提高 了混凝土強(qiáng)度等級和增加了縱筋配筋量也不足以承受該軸心壓力時(shí)， 可考慮采用螺旋筋以提高承載 破壞形態(tài)：核心混凝土處于三向受壓狀態(tài)，其抗壓強(qiáng)度超過軸心抗壓強(qiáng)度，補(bǔ)償了剝落的外圍混 凝土，壓力曲線回升。隨著軸力不斷增大，直至螺旋箍筋達(dá)到屈服，不能再約束核心混凝土橫向變 形，混凝土被壓

17、碎，構(gòu)件破壞 七. 偏心受壓構(gòu)件正截面承載力計(jì)算 1. 鋼筋混凝土偏心受壓短柱的破壞形態(tài)有受拉破壞和受壓破壞兩種 1） 受拉破壞大偏心受壓破壞 當(dāng)偏心距較大，且受拉鋼筋配筋率不高時(shí)，偏心受壓構(gòu)件的破壞是受拉鋼筋首先到達(dá)屈服強(qiáng)度， 然 后混凝土壓壞，稱為受拉破壞。臨近破壞時(shí)有明顯的預(yù)兆，裂縫顯著開展，構(gòu)件的承載能力取決于 受拉鋼筋的強(qiáng)度和數(shù)量 6 N u0.9 (fcAfyAs 1.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)缺點(diǎn) 1）.帶裂縫工作，由于裂縫的存在，使構(gòu)件剛度下降，不適用于不允許開裂的場合 2）.無法充分利用高強(qiáng)材料 2.預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)基本原理 就是事先認(rèn)為地在混凝土或鋼筋混凝土中引入內(nèi)部應(yīng)力，且其數(shù)值 和

18、分布恰好能將使用荷載產(chǎn)生的應(yīng)力抵消到一個合適程度的配筋混凝土 3.配筋混凝土結(jié)構(gòu)的分類 1）.全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件 2）.部分預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件。A 類：當(dāng)對構(gòu)件控制截面受拉邊緣的拉應(yīng)力加以限制時(shí)，為 A 類預(yù)應(yīng) 力混凝土構(gòu)件。B 類：當(dāng)構(gòu)件控制截面受拉邊緣拉應(yīng)力超過限值或出現(xiàn)不超過寬度限值的裂縫時(shí)， 為B類 4.優(yōu)點(diǎn) 1）提高構(gòu)件的抗裂度和剛度。2）節(jié)省材料，減少自重。3）減小混凝土梁的豎向剪力和主拉應(yīng)力。 4）結(jié)構(gòu)質(zhì)量安全可靠。5）預(yù)應(yīng)力可作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接手段，促進(jìn)了橋梁結(jié)構(gòu)新體系與施工方法的 發(fā)展 5.缺點(diǎn) 1）工藝復(fù)雜，對施工質(zhì)量要求高。2）需要專門的設(shè)備。3）預(yù)應(yīng)力上拱度不易控制。4）開

19、工費(fèi)用 大，對于跨徑小，構(gòu)件少的工程成本高 6.先張法 先拉鋼筋，后澆筑構(gòu)件混凝土的方法現(xiàn)在張拉臺座上，按要求設(shè)計(jì)規(guī)定的拉力張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋， 并 進(jìn)行臨時(shí)錨固，再澆筑構(gòu)件混凝土，待混凝土達(dá)到要求強(qiáng)度后，放張，讓預(yù)應(yīng)力鋼筋的回縮，通過 預(yù)應(yīng)力鋼筋與混凝土間的粘接作用，傳遞給混凝土使混凝土獲得預(yù)壓應(yīng)力。 優(yōu)點(diǎn)：工序簡單，預(yù)應(yīng)力鋼筋靠粘接力自錨，臨時(shí)固定所用錨具可以反復(fù)使用，比較經(jīng)濟(jì)，質(zhì)量穩(wěn) 定。缺點(diǎn)：施工設(shè)備和工藝復(fù)雜，且需龐大的張拉臺座，很少采用先張法 7.后張法 先澆筑構(gòu)件混凝土，待混凝土結(jié)硬后，再張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋并錨固。 先澆筑硂并在其中預(yù)留孔道，帶硂達(dá)到要求強(qiáng)度后，將預(yù)應(yīng)力鋼筋穿入孔道內(nèi)，將千斤頂支承于硂 構(gòu)件端部，先拉預(yù)應(yīng)力鋼筋，是構(gòu)件也同時(shí)受到反力壓縮， 。待張拉到控制拉力后，用錨具將預(yù)應(yīng) 力鋼筋錨固于混凝土構(gòu)件上，使混凝土獲得并保持其預(yù)應(yīng)力。最后，在預(yù)留孔道內(nèi)壓注水泥漿， 保 護(hù)鋼筋不被銹蝕并使預(yù)應(yīng)力鋼筋與混凝土粘結(jié)成整體 8 優(yōu)點(diǎn)：能使硂保持較好的預(yù)應(yīng)力度。缺點(diǎn)：工藝復(fù)雜