鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計之一一般概念及材料性能

電子教案

土木工程學(xué)院路橋系

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計總論結(jié)構(gòu)設(shè)計原理1.

什么叫結(jié)構(gòu),它包括哪些范疇？2.

設(shè)計是要作哪些工作？設(shè)計要達(dá)到怎樣的要求？3.原理，即結(jié)構(gòu)設(shè)計依據(jù)的理論、遵循的原則一般把構(gòu)造物的承重骨架稱為結(jié)構(gòu)。

先修課程

（1）材料力學(xué)—單一材料桿件（2）建筑材料

0.1結(jié)構(gòu)分類按建筑材料分類混凝土結(jié)構(gòu)

素混凝土鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力混凝土鋼結(jié)構(gòu)按受力情況分受彎構(gòu)件（梁），受壓構(gòu)件（柱），受扭構(gòu)件（扭桿），圬工結(jié)構(gòu)適用于中小跨徑的拱橋、墩臺、擋土墻、涵洞、護(hù)坡等，以及低層房屋建筑中，木結(jié)構(gòu)用作支架、臨時支護(hù)、模板等構(gòu)造。FRP混凝土圬工結(jié)構(gòu)木結(jié)構(gòu)組合結(jié)構(gòu)混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用廣泛，大量應(yīng)用于房屋、橋梁、水工建筑中，約占現(xiàn)代結(jié)構(gòu)的70％，中國人人均年消耗混凝土3t。鋼結(jié)構(gòu)材料彈性模量大、強度高、可靠性好，便于機械化施工；多應(yīng)用于高層建筑、水工建筑、大跨徑橋梁中組合受力構(gòu)件受拉構(gòu)件（系桿、吊桿）受剪構(gòu)件（深梁），節(jié)點構(gòu)造（支座、局部承壓區(qū)、鉸結(jié)構(gòu)），

采用主體符號或帶上、下標(biāo)的主體符號。如

M，fs，

Ecf，

fs′

主體符號：用斜體大、小寫字母；

上、下標(biāo)：用標(biāo)號或小寫正體字母。

例外：lE力：N(牛頓)，kN(千牛)1kN=1000N;1kgf=10N應(yīng)力：N/mm2

或

MPa(兆帕)長度：mm,cm,m0.2符號系統(tǒng)與計量單位

*1.除應(yīng)力單位外，有量綱的符號采用英文字母符號，主符號一般采用相應(yīng)英文首字母，如

M--moment，T—torsion,H—height2.大多數(shù)無量綱的符號采用希臘字母標(biāo)示，另外，應(yīng)力符號采用希臘字母σ。如ξη

，ρ

0.3學(xué)習(xí)中應(yīng)注意的問題

本課程是一門專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，是學(xué)習(xí)《橋梁工程》等課程的基礎(chǔ)。注重對結(jié)構(gòu)分析設(shè)計中各種構(gòu)件的理想特性的剖析，以求學(xué)者對結(jié)構(gòu)設(shè)計基本原理有清晰的概念理解。本課程重點內(nèi)容是結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計，只要符合要求設(shè)計是可以多樣化的；有很多半經(jīng)驗半理論公式，須注意使用條件和適用范圍；要學(xué)會使用設(shè)計規(guī)范；

本書中涉及的部分我國現(xiàn)行規(guī)范:《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTJD60-2004）交通部《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTGD62-2004）交通部《公路工程結(jié)構(gòu)可靠度統(tǒng)一設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50283-1999）《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50281-2002）《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50010—2002）第一章鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)概念及材料鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的基本概念混凝土材料鋼筋鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)1.1混凝土結(jié)構(gòu)的一般概念PP素混凝土梁承載力小，破壞突然鋼筋混凝土梁承載力大，變形性能好，破壞有預(yù)告1.1.1鋼筋混凝土梁PP鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是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)。鋼筋布置于受拉區(qū)在混凝土開裂后代替混凝土受拉.鋼筋協(xié)助混凝土受壓，減小構(gòu)件斷面尺寸，螺旋箍筋使混凝土處于三向受壓狀態(tài)，提高其強度和延性。1.1.2鋼筋混凝土柱①可靠的粘結(jié)力PPPP無粘結(jié)，鋼筋不能承載，不起作用思考題：兩梁疊放，與兩梁頂?shù)紫嗷ネ耆辰Y(jié)，那種情況承載力大？1.1.3鋼筋與混凝土柱共同工作機理②相近的溫度線膨脹系數(shù)

混凝土的溫度膨脹系數(shù)約在(1.0～1.5)×10-5m/℃之間，鋼筋的線膨脹系數(shù)為1.2×10-5m/℃。③混凝土對鋼筋的防腐蝕作用優(yōu)點：耐久性好耐火性好整體性好可模性好就地取材節(jié)約鋼材阻止射線的穿透缺點：自重大易開裂耗模板施工受季節(jié)性影響隔熱隔聲性能差隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，正逐漸被克服PP1.1.4鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點1824年，英國人J.Aspdin發(fā)明了波特蘭水泥泥，有了混凝土；；1849年，法國人JosephLouisLambot用水泥砂漿涂在鋼鋼絲網(wǎng)的兩面做成成小船----最早的鋼筋混凝土土結(jié)構(gòu)；1861年，法國花匠J.Monier用鋼絲作為配筋制制作了花盆并申請請了專利，后由申申請了鋼筋混凝土土板、管道、拱橋橋等專利----盡管他不懂鋼筋混混凝土結(jié)構(gòu)的受力力原理，甚至將鋼鋼筋配置在板的中中部，他卻被認(rèn)為為是鋼筋混凝土結(jié)結(jié)構(gòu)的發(fā)明者；1884年，德國人Wayss,Bauschingger和Koenen等提出了鋼筋應(yīng)配配置在構(gòu)件中受拉拉力的部位和鋼筋筋混凝土板的計算算理論。后來，鋼鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)逐逐漸得到了推廣應(yīng)應(yīng)用。1.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的的誕生1.1.5鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的的發(fā)展強度不斷提高美國60年代混凝土抗壓強強度平均值：28MPa，70年代：42Mpa，有特殊需要時：：40Mpa~100Mpa，試驗室中：266Mpa輕質(zhì)混凝土的應(yīng)用用容重一般為：14kN/m3~18kN/m3(普通混凝土為24kN/m3)，加氣混凝土、陶粒?；炷?、火山巖巖混凝土、碎磚混混凝土等無砂混凝土只有粗骨料，無細(xì)細(xì)骨料FRP筋的應(yīng)用用FRP筋代替鋼筋2.材料的發(fā)展1.1.5鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的的發(fā)展3.結(jié)構(gòu)方面的發(fā)展PPPP預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)的應(yīng)用在混凝土的受拉拉區(qū)施加預(yù)應(yīng)力力，以提高混凝凝土結(jié)構(gòu)的抗裂裂度，減輕構(gòu)件件的自重結(jié)構(gòu)體系的豐富富不同用途、不同同結(jié)構(gòu)功能具有有相應(yīng)的結(jié)構(gòu)體體系：混凝土結(jié)結(jié)構(gòu)、鋼與混凝凝土的組合結(jié)構(gòu)構(gòu)、FRP混凝土及預(yù)應(yīng)力力混凝土結(jié)構(gòu)等等1.1.5鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)的發(fā)展1.2混凝土1.2.1混凝土的強度承壓板試塊摩擦力不涂潤滑劑涂潤滑劑強度大于國標(biāo)試驗標(biāo)準(zhǔn)：：標(biāo)準(zhǔn)試塊尺寸（（mm）：150×150×150標(biāo)準(zhǔn)試驗方法：：不涂潤滑劑標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件溫溫度：：20℃±2℃℃濕度：>95%試件齡期：28d壓力試件裂縫發(fā)發(fā)展擴張整整個體系解體，，喪失承載力另影響強度的因素素還有：齡期、、加載速率、試試塊尺寸等非標(biāo)準(zhǔn)試塊：100×100×100換算系數(shù)0.95200×200×200換算系數(shù)1.05標(biāo)號（強度等級級）：C20-C801.立方體抗壓強度度fcu,k承壓板試塊標(biāo)準(zhǔn)試塊：150×150×300非標(biāo)準(zhǔn)試塊：100×100×300換算系數(shù)0.95200×200×400換算系數(shù)1.05考慮到承壓板對對試件的約束，，立方體抗壓強強度大于棱柱體體抗壓強度，且且有：fc=0.76fcu(試驗結(jié)果)考慮到構(gòu)件和試試件的區(qū)別，取取fc=0.67fcu對國外（美國、日日本、歐洲混凝凝土協(xié)會等）采采用的圓柱體試試件（d=150,h=300），有fc’=0.79fcu圓柱體抗壓強度度2.混凝土軸心抗壓壓強度fc（棱柱體抗壓強強度）1.2.1混凝土的強度1.2.1混凝土的強度直接受拉試驗100100150150500試驗結(jié)果：ft=0.395fcu0.55考慮到構(gòu)件和試試件的區(qū)別，尺尺寸效應(yīng)，加荷荷速度等的影響響，取ft=0.348fcu0.55劈裂試驗ftsddftsFFFF我國根據(jù)100mm立方體的劈裂與與抗壓試驗結(jié)果果有：fts=0.19fcu3/4ft=0.9fts3.混凝土的抗拉強強度ft4.強度指標(biāo)的確定定強度隨機變量強度標(biāo)準(zhǔn)值根據(jù)統(tǒng)計資料，，運用數(shù)理統(tǒng)計計方法確定的具具有一定保證率率（95%）的統(tǒng)計特征值值：強度標(biāo)準(zhǔn)值=強度平均值-1.645××均方差概率密度材料強度強度平均值強度標(biāo)準(zhǔn)值1.2.1混凝土的強度5.復(fù)合受力狀態(tài)下下混凝土的強度度雙軸應(yīng)力下的強強度拉1.01.01.21.2-0.2-0.22/fc1/fc壓/fc/fc0.20.1-0.10.00.61.0單軸抗拉強度單軸抗壓強度*雙向受壓強強度較單向受壓壓有所提高，應(yīng)應(yīng)力比約為2時強度提高最多多，約25%雙向受拉，強度度幾乎較單向拉拉無變化；一向向拉、一向壓，，強度下降。*混凝土抗壓壓強度隨剪應(yīng)力力存在而降低，，抗剪強度因壓壓應(yīng)力水平不同同而變化1.2.1混凝土的強度圖-法向應(yīng)力和剪應(yīng)應(yīng)力下的強度曲曲線圖-雙向正應(yīng)力下的的強度曲線三向受壓時的混混凝土強度1=fcc’1=fcc’2=3=fLfL----側(cè)向約束壓應(yīng)力（加液壓）圓柱體試驗有側(cè)向約束時的的抗壓強度無側(cè)向約束時圓圓柱體的單軸抗抗壓強度6.混凝土的疲勞強強度圖-重復(fù)荷載下的應(yīng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線破壞fcf321疲勞強度<fcfcf的確定原則：100×100×300或150×150×450的棱柱體試塊承承受200萬次（或以上））循環(huán)荷載時發(fā)發(fā)生破壞的最大大壓應(yīng)力值1.2.1混凝土的強度1.2.2混凝土的變形性性能單軸受壓時的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系作用是：峰值應(yīng)力后，吸收試驗機的變形能，測出下降段(MPa)fc0峰值應(yīng)變abcd252015105峰值應(yīng)力efo(10-3)246810殘余應(yīng)力收斂點反彎點1.混凝土在單調(diào)、、短期加載下的的變形性能影響單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線因素：：（1）混凝土強度，，強度對上升段段影響小，下降降段隨強度提高高而變陡（2）測試技術(shù)和試試驗條件，宜采采用等應(yīng)變加載載（3）應(yīng)變速率，速速率小，峰值應(yīng)應(yīng)力下降，應(yīng)變變提高，曲線拉拉長混凝土的彈性模模量、變形模量量cccep01原點切線模量（（彈性模量）：：拉壓相同變形模量（割線線模量、彈塑性性模量）切線模量彈性特征系數(shù)受壓時，為0.4~1.0；受拉破壞時，為為1.01.2.2混凝土的變形性性能混凝土的泊松比比和剪切模量混凝土的泊松比比，在壓力較小小時為0.15~0.18，接近破壞時可可達(dá)0.5以上，一般可取取0.2混凝土的剪切模模量為混凝土的彈性模模量的試驗方法法（150×150×300標(biāo)準(zhǔn)試件）c/fcc0.55~10次此線和原點切線基本平行，取其斜率作為Ec1.2.2混凝土土的變變形性性能2.混凝土土在長長期荷荷載作作用下下的變變形性性能—徐變0.51.01.52.02.505101520253035(×10-3)(月)cree’e’’cr’P原因之之一，，膠凝凝體的的粘性性流動動原因之之二，，混凝凝土內(nèi)內(nèi)部微微裂縫縫的不不斷發(fā)發(fā)展徐變的的原因因1.2.2混凝土土的變變形性性能應(yīng)力：：c<0.5fc，徐變變變形與與應(yīng)力力成正正比----線性徐徐變0.5fc<c<0.8fc，非線性性徐變變c>0.8fc，造成混混凝土土破壞壞，不不穩(wěn)定定加荷時時混凝土土的齡齡期，，越早早，徐徐變越越大水泥用用量越越多，，水灰灰比越越大，，徐變變越大大骨料越越硬，，徐變變越小小影響徐徐變的的因素素0.51.01.52.02.505101520253035(×10-3)(月)c<0.5fc，線性徐徐變c<0.8fc，非線性性徐變變cree’e’’cr’1.2.2混凝土土的變變形性性能3.混凝土土的收收縮混凝土土的收收縮----結(jié)硬過過程中中混凝凝土體體積縮縮小的的性質(zhì)質(zhì)水泥品品種：：等級級越高高，收收縮越越大水泥用用量：：水泥泥用量量越多多，水水灰比比越大大，收收縮越越大骨料：：骨料料越硬硬，收收縮越越小養(yǎng)護(hù)條條件、、制作作方法法、使使用環(huán)環(huán)境、、體積積與表表面積積的比比值等等1.2.2混凝土的變變形性能4.混凝土的收收縮徐變對對結(jié)構(gòu)的影影響徐變對混凝凝土結(jié)構(gòu)的的影響PAsPAss1c1Ps2Ass2P拆去，鋼筋筋受壓混凝凝土受拉，，可能會引引起混凝土土開裂徐變：s，c收縮對混凝凝土結(jié)構(gòu)的的影響AssAss收縮：鋼鋼筋受壓，混凝土受拉拉As1.2.2混凝土的變變形性能1.2鋼筋上屈服點不穩(wěn)定出現(xiàn)頸縮拉斷AB’BCDE下屈服點BC段為屈服平臺CD段為強化段0.2%0.2圖-有明顯流幅幅的鋼筋圖-無明顯流幅幅的鋼筋鋼筋受壓和和受拉時的的應(yīng)力-應(yīng)變曲線幾幾乎相同*明顯流幅的的鋼筋：下下屈服點對對應(yīng)的強度度作為設(shè)計計強度的依依據(jù)（鋼筋筋屈服后會會產(chǎn)生大的的塑性變形形，鋼筋混混凝土構(gòu)件件會產(chǎn)生不不可恢復(fù)的的變形和不不可閉合的的裂縫，以以至不能使使用）*無明顯顯流幅的鋼鋼筋：殘余余應(yīng)變?yōu)?.2%時所對應(yīng)的應(yīng)力力作為條件件屈服強度度,隨著冶金系系統(tǒng)采用國國際標(biāo)準(zhǔn)及及質(zhì)量的提提高，在相相應(yīng)的產(chǎn)品品標(biāo)準(zhǔn)中明明確規(guī)定屈屈服強度σ0.2不得小于極極限抗拉強強度σb的85%（0.85σσb）。因此，實際際應(yīng)用中可可取極限抗抗拉強度σb的85%作為條件屈屈服點1.2.1鋼筋的強度度與變形1.應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲曲線2.鋼筋的力學(xué)學(xué)參數(shù)指標(biāo)標(biāo)彈性模量E屈服強度σb變形指標(biāo)*伸長率率：鋼筋拉拉斷后的伸伸長與原長長的比值*冷彎要要求：將直直徑為d的鋼筋繞直徑徑為D的鋼輥彎成成一定的角角度而不發(fā)發(fā)生斷裂（（見書圖圖1-20）AB’BCDEE：斜率屈服強度：下屈服點0.2%0.2屈服強度：條件屈服點1.2.1鋼筋的強度度與變形3.鋼筋的成分分、級別和和品種按化學(xué)成分分碳素鋼（鐵鐵、碳、硅硅、錳、硫硫、磷等元元素）低碳鋼（含含碳量<0.25%）中碳鋼（含含碳量0.25~0.6%）高碳鋼（含含碳量0.6~1.4%）普通低合金金鋼（另加加硅、錳、、鈦、釩、、鉻等）錳系硅釩系硅鈦系硅錳系硅鉻系按加工鋼筋熱軋鋼筋：：熱軋光面面鋼筋HRB235，熱軋帶肋鋼鋼筋HRB335、HRB400，余熱處理鋼鋼筋RRB400冷拉鋼筋：由熱熱軋鋼筋在在常溫下用用機械拉伸伸而成熱處理鋼筋筋：將HRB400、RRB400鋼筋通過加加熱、淬火火、回火而而成1.2.1鋼筋的強度度與變形按加工鋼絲碳素鋼絲：：高碳鎮(zhèn)靜靜鋼通過多多次冷拔、、應(yīng)力消除除、矯正、、回火處理理而成刻痕鋼絲：：在鋼絲表表面刻痕，，以增強其其與混凝土土間的粘結(jié)結(jié)力鋼絞線：若若干根相同同直徑的鋼鋼絲成螺旋旋狀鉸繞在在一起冷拔低碳鋼鋼絲：由低低碳鋼冷拔拔而成按表面形狀狀光圓鋼筋變形鋼筋鋼筋的強度度等級及應(yīng)應(yīng)用范圍非預(yù)應(yīng)力鋼鋼筋：R235，HRB335，HRB400，KL400預(yù)應(yīng)力鋼筋筋：碳素鋼鋼絲，刻痕痕鋼絲，鋼鋼絞線，熱熱處理鋼筋筋，冷拉鋼鋼筋1.2.1鋼筋的強度度與變形4.鋼筋的冷加加工和熱處處理冷拉BKZZ’K’殘余變形冷拉伸長率無時效經(jīng)時效K點的選擇：應(yīng)力力控制和應(yīng)應(yīng)變控制溫度的影響響：溫度達(dá)達(dá)700oC時恢復(fù)到冷冷拉前的狀狀態(tài)，先焊焊后拉特性：只提提高抗拉強強度，不提提高抗壓強強度，強度度提高，塑塑性下降冷拔經(jīng)過冷拔后后鋼筋沒有有明顯的屈屈服點和流流幅冷拔既能提提高抗拉強強度又能提提高抗壓強強度1.2.1鋼筋的強度度與變形熱處理對特定鋼號的的鋼筋進(jìn)行行淬火和回回火處理強度提高，，塑性降低低不降低強度度的前提下下，消除由由淬火產(chǎn)生生的內(nèi)力，，改善塑性性和韌性5.鋼筋的徐變變和松弛徐變應(yīng)力不變，隨隨時間的增長長應(yīng)變繼續(xù)增增加松弛長度不變，隨隨時間的增長長應(yīng)力降低對結(jié)構(gòu)，尤其是是預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)構(gòu)，產(chǎn)生不利利的影響，需需采取必要的的措施6.鋼筋的疲勞重復(fù)荷載作用用下，鋼筋的的強度<靜載作用下的的強度規(guī)定的應(yīng)力幅幅度內(nèi)，經(jīng)一一定次數(shù)的重重復(fù)荷載后，，發(fā)生疲勞破破壞的最大應(yīng)應(yīng)力值稱為疲疲勞強度。對對鋼筋用疲勞勞應(yīng)力幅來表表示其疲勞強強度。1.2.1鋼筋的強度與與變形1.4鋼筋與混凝土土之間的粘結(jié)結(jié)1.4.1粘結(jié)作用PPM2=M1+MM1T2=T1+TT1xM2=M1+MM1理想分布實際分布st鋼筋的周長粘結(jié)應(yīng)力：鋼鋼筋與混凝土土交界面上承承受相對滑移移變形產(chǎn)生的的剪應(yīng)力，稱稱為粘結(jié)應(yīng)力粘結(jié)應(yīng)力梁中粘結(jié)應(yīng)力力的分布與V的分布規(guī)律相相同；實際上由于微微裂縫的存在在分布規(guī)律還還要變化粘結(jié)強度粘結(jié)應(yīng)力分布布一般用拔出試試驗測出鋼筋筋與混凝土間間的平均粘結(jié)結(jié)強度鋼筋周長埋置長度拔出拉力1.4.1粘結(jié)作用1.4.2粘結(jié)機理分析析光圓鋼筋粘附力摩擦力機械咬合力（鋼筋表面不不平、微銹時時可顯著提高高咬合力）有滑移時粘附力即消消失鋼筋受力較大時粘粘結(jié)力主要由此二二部分組成變形鋼筋粘附力摩擦力機械咬合力主要作用粘結(jié)破壞形態(tài)光圓鋼筋鋼筋拔出變形鋼筋縱向分量徑向分量混凝土撕裂混凝土局部擠碎刮出式破壞1.4.2粘結(jié)機理分析1.4.3影響粘結(jié)強度的因因素混凝土強度：黏結(jié)強度與混凝土土抗拉強度大致成成正比關(guān)系