混凝土結構的設計方法

1、混凝土結構的設計方法第1頁，共31頁，2022年，5月20日，12點59分，星期四1. 結構設計的要求2. 結構的作用、作用效應及結構抗力結構按概率極限狀態(tài)設計按承載能力極限狀態(tài)計算按正常使用極限狀態(tài)計算混凝土結構的耐久性2第2頁，共31頁，2022年，5月20日，12點59分，星期四適用性耐久性安全性結構的可靠性結構的可靠性 reliability3可靠性就是指結構在規(guī)定的使用期限內（設計工作壽命=50年），在規(guī)定的條件下（正常設計、正常施工、正常使用和維護），完成預定結構功能的能力。第3頁，共31頁，2022年，5月20日，12點59分，星期四1.2結構的極限狀態(tài)（Limit State）

2、結構能夠滿足功能要求而良好地工作，則稱結構是“可靠”的或“有效”的。反之，則結構為“不可靠”或“失效”。區(qū)分 “可靠”與“失效”的臨界工作狀態(tài)為“極限狀態(tài)”。承載力極限狀態(tài)Ultimate Limit State 正常使用極限狀態(tài)Serviceability Limit State 結構整體或部分作為剛體失去平衡 結構或構件達到最大承載力 受動力荷載作用而產(chǎn)生疲勞破壞 結構塑性變形過大而破壞 結構形成幾何可變體系 構件由于壓屈而喪失穩(wěn)定 過大的變形和側移 過大的裂縫 過大的振動 侵蝕性介質腐蝕等4第4頁，共31頁，2022年，5月20日，12點59分，星期四一切引起結構內力和變形的原因，總稱為

3、作用。直接作用：直接以力的形式作用于結構，也稱荷載；間接作用：不是直接以力的形式出現(xiàn)，但是對結構產(chǎn)生變形和內力； 混凝土的收縮、溫度變化、基礎不均勻沉降、地震等。51）作用第5頁，共31頁，2022年，5月20日，12點59分，星期四結構功能的表達 S 作用效應 Action Effect 結構上的作用是使結構產(chǎn)生內力、變形和裂縫的原因的總稱，分為直接作用和間接作用，作用效應即為作用引起的構件內力與變形。R 結構抗力 Resistant 結構抵抗作用效應的能力，如抗彎承載力Mu、抗剪承載力Vu、容許撓度f、容許裂縫寬度w。S R 失效 6第6頁，共31頁，2022年，5月20日，12點59分，

4、星期四 兩種或兩種以上的可變荷載組合時，同時以標準值出現(xiàn)的概率很小，乘以荷載組合系數(shù)yc進行折減。荷載組合系數(shù)yc應用于承載力極限狀態(tài)的基本組合和正常使用極限狀態(tài)的標準組合。 除此之外，有頻遇值系數(shù)yf和準永久值系數(shù)yq 7考慮荷載超過標準值的可能性荷載分項系數(shù)考慮材料強度低于標準值的可能性材料分項系數(shù)：是一個大于1.0的系數(shù)。第7頁，共31頁，2022年，5月20日，12點59分，星期四荷載分項系數(shù)分為恒載分項系數(shù)和活載分項系數(shù)材料分項系數(shù)分為砼分項系數(shù)和鋼筋分項系數(shù)8第8頁，共31頁，2022年，5月20日，12點59分，星期四1. 結構設計的要求2. 結構的作用、作用效應及結構抗力結構按

5、概率極限狀態(tài)設計按承載能力極限狀態(tài)計算按正常使用極限狀態(tài)計算混凝土結構的耐久性9第9頁，共31頁，2022年，5月20日，12點59分，星期四建筑結構的安全等級g0 結構重要性系數(shù) 根據(jù)建筑結構的重要性將結構分為三個安全等級，采用結構重要性系數(shù)來體現(xiàn)。一級 g01.1二級 g01.0三級 g00.9規(guī)范設計表達式 10第10頁，共31頁，2022年，5月20日，12點59分，星期四Sk荷載效應標準值11荷載效應設計值承載力極限狀態(tài)設計表達式gs荷載分項系數(shù)抗力設計值gR抗力分項系數(shù)g0 結構重要性系數(shù)計算表達式第11頁，共31頁，2022年，5月20日，12點59分，星期四承載力極限狀態(tài)設計表

6、達式12可變荷載效應控制組合永久荷載效應控制組合各荷載分項系數(shù)按荷載標準值計算的荷載效應值組合值系數(shù)荷載效應組合第12頁，共31頁，2022年，5月20日，12點59分，星期四抗力設計值R承載力極限狀態(tài)設計表達式13混凝土和鋼筋的材料分項系數(shù)混凝土和鋼筋的強度標準值第13頁，共31頁，2022年，5月20日，12點59分，星期四14 例題 某鋼筋承受軸拉力設計值N 50KN，鋼筋級別為HRB335，直徑d=16mm，結構的重要性系數(shù)為1.1，問其強度是否滿足要求？ 荷載效應設計值：S = N = 50 KN承載能力設計值：查附表3，得到鋼筋抗拉強度的設計值為300N/mm2查附表10，得到鋼筋

7、面積為201.1mm2R = fy As = 300201.110360.33KN0S 1.150KN R 60.33KN故強度滿足要求【解】 0S R第14頁，共31頁，2022年，5月20日，12點59分，星期四1. 結構設計的要求2. 結構的作用、作用效應及結構抗力結構按概率極限狀態(tài)設計按承載能力極限狀態(tài)計算按正常使用極限狀態(tài)計算混凝土結構的耐久性15第15頁，共31頁，2022年，5月20日，12點59分，星期四極限狀態(tài)表達式 C 結構構件達到正常使用要求所規(guī)定的限值。 S 正常使用極限狀態(tài)的荷載效應組合值。正常使用極限狀態(tài)設計表達式 正常使用極限狀態(tài)設計時，應驗算構件的變形、抗裂度和

8、裂縫寬度?？煽慷纫罂蛇m當降低。不需要乘荷載分項系數(shù)，也不考慮結構重要性系數(shù)。正常使用極限狀態(tài)設計表達式16第16頁，共31頁，2022年，5月20日，12點59分，星期四17正常使用極限狀態(tài)設計表達式標準組合產(chǎn)生嚴重的永久性損害頻遇組合產(chǎn)生局部損害、較大變形或短暫振動準永久組合考慮長期效應可變荷載代表值第17頁，共31頁，2022年，5月20日，12點59分，星期四 裂縫控制驗算 一級：嚴格要求不出現(xiàn)裂縫的構件，同時不得產(chǎn)生拉應力。 正常使用極限狀態(tài)結構抗力標準值第2章 鋼筋混凝土結構設計的基本計算原則18 二級：一般要求不出現(xiàn)裂縫的構件，標準組合下可以產(chǎn)生拉應力，但不得超過混凝土軸心抗拉強

9、度標準值。 三級：允許出現(xiàn)裂縫的構件，限制裂縫寬度。 預壓應力第18頁，共31頁，2022年，5月20日，12點59分，星期四1. 結構設計的要求2. 結構的作用、作用效應及結構抗力結構按概率極限狀態(tài)設計按承載能力極限狀態(tài)計算按正常使用極限狀態(tài)計算混凝土結構的耐久性19第19頁，共31頁，2022年，5月20日，12點59分，星期四抗?jié)B性：混凝土抵抗壓力水滲透性能稱為混凝土的“抗?jié)B性”或“不透水性”；抗凍性：混凝土在飽和狀態(tài)下，抵抗多次凍結和融化循環(huán)作用而不破壞也不嚴重降低混凝土強度的性能；抗腐蝕性：酸和堿的化學腐蝕，小孔內的結晶腐蝕。混凝土的耐久性 第20頁，共31頁，2022年，5月20日

10、，12點59分，星期四鋼筋混凝土結構劣化模型第21頁，共31頁，2022年，5月20日，12點59分，星期四海洋環(huán)境下鋼筋混凝土結構退化隨時間的發(fā)展第22頁，共31頁，2022年，5月20日，12點59分，星期四23侵蝕性離子如Cl 、SO42、Mg2、Na等，對鋼筋混凝土結構具很強的化學侵蝕作用混凝土和鋼筋 硫酸根離子與水泥中的水化鋁酸鈣反應，形成膨脹性物質，導致混凝土開裂破壞；鈉離子與活性集料易發(fā)生堿集料破壞；Cl由于其半徑小，具有很強的穿透能力，很容易滲透進入混凝土內部并到達鋼筋表面，導致鋼筋銹蝕速度加快，破壞混凝土保護層，進一步加速鋼筋混凝土結構的破壞；因此，鋼筋混凝土結構不僅要求具有

11、一定強度，還要具有優(yōu)良的抗腐蝕性能。鋼筋銹蝕引起的順筋裂縫主梁鋼筋銹蝕、保護層剝落第23頁，共31頁，2022年，5月20日，12點59分，星期四 加州伯克利分校的Mehta教授在總結59年來混凝土耐久性的研究進展時指出：鋼筋混凝土材料耐久性的主要影響因素有鋼筋銹蝕(氯離子侵蝕和混凝土碳化)、凍融循環(huán)、硫酸鹽侵蝕、堿骨料反應、荷載、干濕循環(huán)等。而引起鋼筋混凝土結構劣化的破壞因素按照重要程度依次為鋼筋銹蝕、凍融破壞和海水侵蝕作用。鋼筋銹蝕引起混凝土剝落24第24頁，共31頁，2022年，5月20日，12點59分，星期四25鋼筋在混凝土中發(fā)生銹蝕的誘發(fā)因素1）混凝土中或外界環(huán)境中的氯離子含量過大2

12、）混凝土碳化作用第25頁，共31頁，2022年，5月20日，12點59分，星期四1）氯離子侵蝕 氯離子侵蝕引起的鋼筋銹蝕己經(jīng)成為鋼筋混凝土結構劣化的主要原因之一。氯離子侵入混凝土腐蝕鋼筋的機理為：26 (1)破壞鈍化膜。氯離子進入混凝土到達鋼筋表面，吸附于局部鈍化膜處時，可使該處的pH值迅速降低到4以下，破壞了鋼筋表面的鈍化膜。 (2)形成腐蝕電池?；炷林谐Ｒ姷母g對鋼筋表面鈍化膜的破壞發(fā)生在局部，使這些部位露出了鐵基體，鐵基體作為陽極而受腐蝕，大面積鈍化膜區(qū)域作為陰極。使得鋼筋表面產(chǎn)生蝕坑。 (3)去極化作用。氯離子將陽極產(chǎn)物及時地搬運走，使陽極過程順利進行甚至加速進行。氯離子起到了搬運的

13、作用，卻并不被消耗，凡是進入混凝土中的氯離子，會周而復始的起到破壞作用。 (4)導電作用。腐蝕電池的要素之一是要有離子通路，混凝土中氯離子的存在，強化了離子通路，降低了陰陽極之間的歐姆電阻，提高了腐蝕電池的效率，從而加速了電化學腐蝕過程。第26頁，共31頁，2022年，5月20日，12點59分，星期四27 通常，氯離子的侵入是以幾種侵入方式的組合而作用的，另外還受到氯離子與混凝土材料之間的化學結合、物理粘結、吸附等作用的影響。在許多情況下，擴散被認為是一個主要的傳輸方式之一。對于現(xiàn)有的沒有開裂且水灰比不太低的結構，大量的檢測結果表明氯離子擴散過程一般滿足 Fick第二定律。但在不同環(huán)境影響下，

14、氯離子在混凝土中的擴散速度、深度及質量能顯著提高，在鹽溶液中凍融循環(huán)，混凝土的性能下降明顯。NT buiId 443試驗裝置示意圖非穩(wěn)態(tài)擴散試驗數(shù)據(jù)回歸分析示意圖第27頁，共31頁，2022年，5月20日，12點59分，星期四2）混凝土碳化 碳化是大氣中的CO2，與混凝土中的堿性物質發(fā)生化學作用，使混凝土的堿度逐漸降低的過程。由于混凝土是一個多孔體，在其內部存在著大小不同的毛細管、孔隙、氣泡甚至缺陷，空氣中的CO2侵蝕到混凝土內部，主要與水泥水化產(chǎn)生的氫氧化鈣發(fā)生反應，形成碳酸鈣，使混凝土的堿度逐漸降低。28 碳化過程中釋放出水化產(chǎn)物中的結晶水，使混凝土產(chǎn)生了不可逆的收縮，碳化收縮若在約束條件

15、下進行，往往引起混凝土表面微裂紋，因而又加劇碳化過程。碳化使混凝土變脆，構件延性變差。所以說，混凝土碳化與混凝土結構的耐久性密切相關。第28頁，共31頁，2022年，5月20日，12點59分，星期四硫酸根離子侵蝕 混凝土在硫酸鹽作用下，其損傷過程既有物理作用，又涉及化學作用。其中，混凝土在硫酸鹽作用下的化學腐蝕是學術界研究的重點。試驗研究以及自然環(huán)境中的硫酸鹽腐蝕介質主要是硫酸鈉和硫酸鎂?；炷猎诹蛩猁}作用下，其破壞的形式主要有三種：29 (1)形成石膏并導致混凝土截面積、重量以及強度損失，混凝七結構的水化產(chǎn)物逐漸減少，形成無粘聚性的顆粒狀； (2)在混凝十中富含鋁相，PH值較高，硫酸鹽腐蝕形成鈣礬石晶體從而導致混凝十的膨脹和開裂； (3)粉煤灰混凝土暴露在復合硫酸鹽中，混凝土連續(xù)剝落和表層脫落。 第29頁，共31頁，2022年，5月2