混凝土結(jié)構(gòu)材料及設(shè)計(jì)方法

工程管理專業(yè)《混凝土結(jié)構(gòu)及砌體結(jié)構(gòu)》模塊式教學(xué)課件一：混凝土結(jié)構(gòu)材料及設(shè)計(jì)方法二：鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的設(shè)計(jì)計(jì)算及構(gòu)造規(guī)范三：鋼筋混凝土受壓構(gòu)件的設(shè)計(jì)計(jì)算及構(gòu)造規(guī)范四：鋼筋混凝土彎、剪、扭構(gòu)件設(shè)計(jì)計(jì)算及構(gòu)造規(guī)范五：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)正常使用極限狀態(tài)的驗(yàn)算六：預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件工作原理及設(shè)計(jì)計(jì)算簡(jiǎn)介七：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法實(shí)際應(yīng)用八：砌體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介任務(wù)一、關(guān)于混凝土結(jié)構(gòu)課程的幾個(gè)話題１、什么是混凝土結(jié)構(gòu)２、為什么把鋼筋與混凝土澆筑在一起協(xié)同工作？３、混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)展?fàn)顩r簡(jiǎn)介４、本課程學(xué)習(xí)方法及要求任務(wù)二、關(guān)于混凝土結(jié)構(gòu)用材料的基本知識(shí)１、土木工程用鋼筋的品種、級(jí)別、性能及其選用原則２、混凝土在各種受力狀態(tài)下的強(qiáng)度與變形性能及其選用原則３、鋼筋與混凝土的共同工作原理任務(wù)三、鋼筋混凝土設(shè)計(jì)方法１、結(jié)構(gòu)上的作用、作用效應(yīng)和結(jié)構(gòu)抗力的概念及其隨機(jī)特性２、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的理論基礎(chǔ)——可靠度理論３、我國規(guī)范的設(shè)計(jì)方法——概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)一鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)材料及設(shè)計(jì)方法任務(wù)一、關(guān)于混凝土結(jié)構(gòu)課程的幾個(gè)話題

１、什么是混凝土結(jié)構(gòu)２、為什么把鋼筋與混凝土澆筑在一起協(xié)同工作？３、混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)展?fàn)顩r簡(jiǎn)介４、本課程學(xué)習(xí)方法及要求1、什么是混凝土結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：廣義上指房屋建筑和土木工程的建筑物、構(gòu)筑物及其相關(guān)組成部分的實(shí)體。狹義上指各種工程實(shí)體的承重骨架?；炷两Y(jié)構(gòu)：以混凝土為主要材料制作的結(jié)構(gòu)。如：素混凝土結(jié)構(gòu)（plainconcretestructure）鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)（reinforcedconcretestructure）勁性混凝土結(jié)構(gòu)（steel-reinforcedconcretestructure）預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)（pre-stressedconcretestructure）鋼管混凝土結(jié)構(gòu)（concrete-filledtubestructure）素砼結(jié)構(gòu)鋼筋砼結(jié)構(gòu)勁性砼結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力砼結(jié)構(gòu)鋼管砼結(jié)構(gòu)2、為什么把鋼筋與混凝土澆筑在一起協(xié)同工作？素混凝土梁破壞特征：一裂即斷，脆性，破壞無預(yù)兆；Fmax≈8kN破壞特征：裂不等于壞，破壞有預(yù)兆；Fmax≈36kN鋼筋混凝土梁鋼筋與混凝土協(xié)同工作的必要性：素混凝土結(jié)構(gòu)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(shì)。鋼筋與混凝土協(xié)同工作的可行性：混凝土結(jié)硬后與鋼筋牢固地粘結(jié)在一起，能相互傳遞應(yīng)力；鋼筋與混凝土有相近的線膨脹系數(shù)。（鋼筋：c=1.2×10-5℃-1混凝土：c=1.0×10-5~1.5×10-5℃-1）；混凝土可以保護(hù)鋼筋不發(fā)生銹蝕。鋼筋與混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)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：24~25kN/m3粘土磚:18~19kN/m3杉木：4

kN/m3易開裂性質(zhì)脆缺點(diǎn)3、混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)展?fàn)顩r如何？1824年，英國人J.Aspdin發(fā)明水泥；1850年，法國人L.Lambot制成鐵絲網(wǎng)水泥船；1859年，轉(zhuǎn)爐煉鋼成功；1861年，法國人J.Monier取得鋼筋混凝土板、管道、拱橋的專利。與鋼、木、砌體結(jié)構(gòu)相比，歷史最短，但發(fā)展最快，已經(jīng)成為當(dāng)今世界各國的主導(dǎo)結(jié)構(gòu)。材料：朝輕質(zhì)、高強(qiáng)方向發(fā)展。強(qiáng)度發(fā)展如：混凝土：C10→C25→C60→C80→C100→C200結(jié)構(gòu)：高層大跨。馬來西亞吉隆坡石油大廈，88層，452m，鋼-混凝土結(jié)構(gòu)；上海金茂大廈，88層，421m，鋼-混凝土結(jié)構(gòu)；香港國際金融中心，88層，415m，混合結(jié)構(gòu)；美國亞特蘭大奧運(yùn)會(huì)主體育館240m×193m，張拉整體結(jié)構(gòu)；橋梁跨度也越來越大。如四川萬縣拱橋，跨度為420m。金茂大廈88層,421m臺(tái)北101101層,508m國際金融中心88層,415m重慶市萬縣長江大橋設(shè)計(jì)方法:

經(jīng)驗(yàn)法半經(jīng)驗(yàn)、半理論法概率極限狀態(tài)法4、本課程學(xué)習(xí)方法及要求

學(xué)習(xí)方法及要求：

認(rèn)真聽課，注意記錄，課后有充分時(shí)間研讀教材。掌握本課程基本概念、基本原理，理清各種構(gòu)件設(shè)計(jì)計(jì)算步驟。善于歸納類比各類構(gòu)件設(shè)計(jì)計(jì)算特點(diǎn)。多查規(guī)范，重視各類構(gòu)件構(gòu)造要求。多看圖畫圖，及時(shí)獨(dú)立完成小作業(yè)及大作業(yè)。

考核方法：

過程考核：50%；期末：40%（期末考試成績要求達(dá)到60分方可及格）；筆記及小作業(yè)：10%

沈蒲生主編，梁興文副主編.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理(第4版).北京：高等教育出版社，2012.2

任務(wù)二、關(guān)于混凝土結(jié)構(gòu)用材料的基本知識(shí)

１、土木工程用鋼筋的品種、級(jí)別、性能及其選用原則２、混凝土在各種受力狀態(tài)下的強(qiáng)度與變形性能及其選用原則３、鋼筋與混凝土的共同工作原理１、土木工程用鋼筋的品種、級(jí)別、性能及其選用原則

§1.1建筑用鋼筋的種類

熱軋鋼筋

4006~50RRB4004006~50HRB4003356~50HRB3353006~22HPB300fyk/(N/mm2)d/(mm)符號(hào)種類HPB

—熱軋光面鋼筋，橋梁規(guī)范用R表示；HRB

—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：C<0.25%中碳：C=0.25~0.6%

高碳：C>0.6%20MnSiV含碳萬分?jǐn)?shù)含錳、硅、釩的百分?jǐn)?shù)，取整。中、高強(qiáng)鋼絲、鋼絞線做預(yù)應(yīng)力筋用。中強(qiáng)：800~1370MPa高強(qiáng)：1470~1860MPa熱處理鋼筋

經(jīng)淬火處理得，fptk=1470MPa，無明顯屈服點(diǎn)。冷加工鋼筋

冷加工工藝：冷拉、冷拔、冷軋、冷軋扭。

目的：提高強(qiáng)度，節(jié)約鋼材。但塑性減小。冷拉鋼筋仍有屈服臺(tái)階。§1.2

混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)鋼筋性能的要求

強(qiáng)度高熱軋鋼筋鋼絲、鋼絞線、各種冷加工鋼筋塑性好（用伸長率和冷彎性能衡量。）伸長率:::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。均勻伸長率鋼筋彈性模量實(shí)測(cè)鋼筋拉斷強(qiáng)度殘余伸長已回復(fù)彈性應(yīng)變+=鋼筋均勻伸長率的測(cè)定：=90°,180°,反復(fù)彎曲要求：冷彎過程中無裂縫、鱗落或斷裂。D愈小，要求愈高。反復(fù)次數(shù)愈高，要求愈高。冷彎冷彎是檢驗(yàn)鋼筋局部變形能力的指標(biāo)。鋼筋塑性愈好，構(gòu)件破壞前預(yù)兆愈明顯。

可加工性好與混凝土粘結(jié)錨固性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HPB300、RRB400和冷加工鋼筋預(yù)應(yīng)力筋：宜用鋼鉸線、鋼絲

可用熱處理鋼筋和強(qiáng)度較高的冷加工鋼筋d=6~50mm

§2.1組成及特點(diǎn)主要材料：水泥、水、砂、石特點(diǎn):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(shí)間才穩(wěn)定3）水泥石收縮可形成微裂縫；4）受制作、養(yǎng)護(hù)、使用條件影響大

§2.2混凝土強(qiáng)度

立方體抗壓強(qiáng)度（強(qiáng)度等級(jí)）1）標(biāo)準(zhǔn)尺寸：150mm×150mm×150mm2）養(yǎng)護(hù)條件：20℃±3℃，濕度≥90%，28d3）加荷方法：加荷速度0.15～0.25MPa/s，墊板不涂油或墊橡膠板。4）強(qiáng)度保證率：95%，f=-1.645２、混凝土在各種受力狀態(tài)下的強(qiáng)度與變形性能及其選用原則混凝土強(qiáng)度與試塊混凝土強(qiáng)度的修正系數(shù)脆性影響系數(shù)

棱柱體強(qiáng)度與立方體強(qiáng)度之比值非標(biāo)準(zhǔn)試塊強(qiáng)度換算系數(shù)：200mm×200mm×200mm:1.05；100mm×100mm×100mm:0.95。分級(jí)：C15,C20,C25,C30,C35,C40,C45,C50,C55,C60,C65,C70,C75,C80(高強(qiáng)混凝土），共14個(gè)等級(jí)。C—Concrete,單位：N/mm2或MPa。軸心抗壓強(qiáng)度c1和c2值混凝土強(qiáng)度等級(jí)≤C40C45C50C55C60C65C70C75C80c10.760.760.760.770.780.790.800.810.82c24.000.9840.9680.9510.9350.9190.9030.8870.87

軸心抗拉強(qiáng)度軸心抗拉強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度的折算系數(shù)

試驗(yàn)離散性的影響系數(shù)

試驗(yàn)離散性系數(shù)

復(fù)雜應(yīng)力下的強(qiáng)度圖中：ft*，fc*—混凝土單軸抗拉、抗壓強(qiáng)度；f1，f2，f3—混凝土的多軸強(qiáng)度,f1≥f2≥f3說明：壓-壓：強(qiáng)度提高；拉-拉：強(qiáng)度不變；拉-壓：抗拉和抗壓強(qiáng)度都低。雙向受力存在剪力作用拉-剪：抗拉、抗剪強(qiáng)度都降低；壓-剪：當(dāng)時(shí)，抗剪強(qiáng)度隨壓應(yīng)力提高而增大；當(dāng)時(shí)，內(nèi)部裂縫增加，抗剪抗壓強(qiáng)度均降低。三向受力三向受壓時(shí)，強(qiáng)度增加，最大增加5倍。

影響混凝土強(qiáng)度的主要因素1.原材料的品質(zhì)2.水灰比及水泥用量3.齡期§2.3混凝土的變形一次加載時(shí)0→A:近似彈性A→B:非線性B→C:體積增大

C→F:破壞高強(qiáng)混凝土：↗，↘多次加載：彈性模量割線模量。棱柱體試件。受壓：受拉：Ec′=0.5Ec剪切模量：Gc=0.4Ec

泊松比=橫向應(yīng)變/縱向應(yīng)變=0.2徐變定義：在荷載保持不變的情況下，變形隨時(shí)間推移繼續(xù)增大的現(xiàn)象。特點(diǎn)：早期發(fā)展快，但可以延續(xù)數(shù)年。影響因素：加載時(shí)的混凝土齡期；持續(xù)壓力大?。换炷恋慕M成材料及配合比；混凝土的制作養(yǎng)護(hù)條件。徐變對(duì)結(jié)構(gòu)的影響：使構(gòu)件變形增大；在軸壓構(gòu)件中，使鋼筋應(yīng)力增加，混凝土應(yīng)力減?。辉陬A(yù)應(yīng)力構(gòu)件中，使預(yù)應(yīng)力發(fā)生損失；在超靜定結(jié)構(gòu)中，使內(nèi)力發(fā)生重分布。

收縮定義：混凝土在空氣中結(jié)硬時(shí)體積減小的現(xiàn)象。收縮率：3×10-4。收縮=凝縮+干縮特點(diǎn)：早期快，可延續(xù)1～2年。影響因素：混凝土的組成及配合比，尤其是水灰比；養(yǎng)護(hù)條件；使用時(shí)的溫度與濕度。收縮對(duì)結(jié)構(gòu)的影響：當(dāng)收縮受到約束時(shí)，引起構(gòu)件開裂。減少收縮的措施：限制水泥用量；減小水灰比；加強(qiáng)振搗和養(yǎng)護(hù)；構(gòu)造鋼筋數(shù)量加強(qiáng)；設(shè)置變形縫；摻膨脹劑?！?.4混凝土的選用原則鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中：混凝土強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于C15。用HRB335級(jí)鋼筋時(shí)，不宜低于C20；用HRB400和RRB400級(jí)鋼筋時(shí)，不得低于C20。預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中

混凝土強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于C30。當(dāng)采用鋼絲、鋼絞線、熱處理鋼筋時(shí)，不宜低于C40。

粘結(jié)錨固長度平均粘結(jié)應(yīng)力光面鋼筋帶肋鋼筋

由和鋼筋強(qiáng)度可推算出錨固長度３、鋼筋與混凝土的共同工作原理普通鋼筋錨固長度按下列公式計(jì)算：鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值

鋼筋外形系數(shù)

鋼筋直徑

混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值

0.140.16帶肋鋼筋光面鋼筋鋼筋類型增加粘結(jié)錨固的措施

光面鋼筋端部做彎鉤：手工彎鉤：機(jī)械彎鉤：鋼筋表面帶肋；

縱向鋼筋端部焊橫向鋼筋；縱向鋼筋端部加箍筋；采用高強(qiáng)混凝土；彎起鋼筋端部加水平錨固段；在縱向鋼筋端部焊錨板；將鋼筋焊在預(yù)埋件上。任務(wù)三、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法1、結(jié)構(gòu)上的作用、作用效應(yīng)和結(jié)構(gòu)抗力的概念２、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的理論基礎(chǔ)——可靠度理論３、我國規(guī)范的設(shè)計(jì)方法——概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)1、結(jié)構(gòu)上的作用、作用效應(yīng)和結(jié)構(gòu)抗力的概念§1.1結(jié)構(gòu)上的作用、作用效應(yīng)與結(jié)構(gòu)抗力結(jié)構(gòu)上的作用定義：凡能使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)力、應(yīng)力、位移、應(yīng)變、裂縫的因素，都稱為結(jié)構(gòu)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(yīng)作用在結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的反應(yīng)，如內(nèi)力、應(yīng)力、位移、應(yīng)變、裂縫等，稱為作用效應(yīng)結(jié)構(gòu)抗力結(jié)構(gòu)抵抗作用效應(yīng)的能力，稱為結(jié)構(gòu)抗力?！?.2荷載荷載分類永久荷載(恒荷載)：大小、方向、作用點(diǎn)不隨時(shí)間改變的荷載為永久荷載，如自重、土壓力、預(yù)應(yīng)力等可變荷載(活荷載)

：大小、方向或作用點(diǎn)隨時(shí)間改變而變化的荷載為可變荷載，如樓面和屋面活載、風(fēng)荷載、雪荷載、吊車荷載、車輛荷載等；偶然荷載：結(jié)構(gòu)使用期間可能不出現(xiàn)，一旦出現(xiàn)，其作用時(shí)間短、效應(yīng)大的荷載為偶然荷載，如爆炸力，撞擊、地震等。荷載代表值標(biāo)準(zhǔn)值——

由設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)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(jié)構(gòu)上時(shí)而出現(xiàn)的較大值,但小于標(biāo)準(zhǔn)值。計(jì)算裂縫變形時(shí)用。頻遇值=ψf×標(biāo)準(zhǔn)值

t/T<0.1準(zhǔn)永久值——可變荷載中較穩(wěn)定的那一部分值。計(jì)算裂縫變形時(shí)用。準(zhǔn)永久值=ψq×標(biāo)準(zhǔn)值

t/T=0.5（t為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)荷載達(dá)到和超過該值的總持續(xù)時(shí)間，T為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期。）

組合值——

當(dāng)有兩個(gè)或兩個(gè)以上可變荷載同時(shí)作用時(shí)的代表值組合值=ψc×標(biāo)準(zhǔn)值

§1.3材料強(qiáng)度材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值混凝土：鋼筋：保證率：95％

材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值混凝土：,鋼筋：,建筑工程中混凝土：

鋼筋：橋梁工程中式中：–––混凝土的材料分項(xiàng)系數(shù)；–––鋼筋的材料分項(xiàng)系數(shù)；§1.4結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限與安全等級(jí)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限類別結(jié)構(gòu)類型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限（年）１臨時(shí)性結(jié)構(gòu)5２易于替換的結(jié)構(gòu)構(gòu)件25３普通房屋和構(gòu)筑物50４紀(jì)念性建筑和特別重要建筑100結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)按結(jié)構(gòu)的重要性劃分一級(jí)：重要建筑二級(jí)：一般建筑三級(jí)：次要建筑結(jié)構(gòu)的可靠性:指結(jié)構(gòu)的安全性、適用性、耐久性。結(jié)構(gòu)的可靠度:

指結(jié)構(gòu)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)、規(guī)定條件下完成預(yù)定功能的概率，是結(jié)構(gòu)可靠性的概率度量。正態(tài)分布

變異系數(shù)δz=μz/σzＺ=Ｒ-Ｓ

Ｚ＞0，結(jié)構(gòu)可靠；Ｚ=0，極限狀態(tài)。２、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的理論基礎(chǔ)——可靠度理論§2.1結(jié)構(gòu)可靠度Ｚ＜0，失效狀態(tài)。結(jié)構(gòu)的可靠指標(biāo)現(xiàn)行設(shè)計(jì)方法以概率理論為基礎(chǔ)，用可靠指標(biāo)度量，采用多個(gè)分項(xiàng)系數(shù)表達(dá)。設(shè)，則可靠指標(biāo)為：式中：–––結(jié)構(gòu)抗力的平均值和標(biāo)準(zhǔn)值；–––作用效應(yīng)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)值?！?.2結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)及其分類定義：整個(gè)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分超