混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法

混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法第1頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求2.結(jié)構(gòu)的作用、作用效應(yīng)及結(jié)構(gòu)抗力結(jié)構(gòu)按概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)按承載能力極限狀態(tài)計(jì)算按正常使用極限狀態(tài)計(jì)算混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性2第2頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期一適用性耐久性安全性結(jié)構(gòu)的可靠性結(jié)構(gòu)的可靠性

reliability3可靠性就是指結(jié)構(gòu)在規(guī)定的使用期限內(nèi)（設(shè)計(jì)工作壽命=50年），在規(guī)定的條件下（正常設(shè)計(jì)、正常施工、正常使用和維護(hù)），完成預(yù)定結(jié)構(gòu)功能的能力。第3頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1.2結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)（LimitState）結(jié)構(gòu)能夠滿(mǎn)足功能要求而良好地工作，則稱(chēng)結(jié)構(gòu)是“可靠”的或“有效”的。反之，則結(jié)構(gòu)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)

UltimateLimitState

正常使用極限狀態(tài)ServiceabilityLimitState

結(jié)構(gòu)整體或部分作為剛體失去平衡結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到最大承載力受動(dòng)力荷載作用而產(chǎn)生疲勞破壞結(jié)構(gòu)塑性變形過(guò)大而破壞結(jié)構(gòu)形成幾何可變體系構(gòu)件由于壓屈而喪失穩(wěn)定

過(guò)大的變形和側(cè)移過(guò)大的裂縫過(guò)大的振動(dòng)侵蝕性介質(zhì)腐蝕等4第4頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一切引起結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的原因，總稱(chēng)為作用。直接作用：直接以力的形式作用于結(jié)構(gòu)，也稱(chēng)荷載；間接作用：不是直接以力的形式出現(xiàn)，但是對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形和內(nèi)力；混凝土的收縮、溫度變化、基礎(chǔ)不均勻沉降、地震等。51）作用第5頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期一結(jié)構(gòu)功能的表達(dá)

S—作用效應(yīng)

ActionEffect

結(jié)構(gòu)上的作用是使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)力、變形和裂縫的原因的總稱(chēng)，分為直接作用和間接作用，作用效應(yīng)即為作用引起的構(gòu)件內(nèi)力與變形。R—結(jié)構(gòu)抗力

Resistant

結(jié)構(gòu)抵抗作用效應(yīng)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

可靠S=R

極限狀態(tài)S>R

失效

6第6頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期一兩種或兩種以上的可變荷載組合時(shí)，同時(shí)以標(biāo)準(zhǔn)值出現(xiàn)的概率很小，乘以荷載組合系數(shù)yc進(jìn)行折減。荷載組合系數(shù)yc應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)組合。除此之外，有頻遇值系數(shù)yf和準(zhǔn)永久值系數(shù)yq

7考慮荷載超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值的可能性——荷載分項(xiàng)系數(shù)考慮材料強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)值的可能性——材料分項(xiàng)系數(shù)：是一個(gè)大于1.0的系數(shù)。第7頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期一荷載分項(xiàng)系數(shù)分為恒載分項(xiàng)系數(shù)和活載分項(xiàng)系數(shù)材料分項(xiàng)系數(shù)分為砼分項(xiàng)系數(shù)和鋼筋分項(xiàng)系數(shù)8第8頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求2.結(jié)構(gòu)的作用、作用效應(yīng)及結(jié)構(gòu)抗力結(jié)構(gòu)按概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)按承載能力極限狀態(tài)計(jì)算按正常使用極限狀態(tài)計(jì)算混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性9第9頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期一建筑結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)g0——結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的重要性將結(jié)構(gòu)分為三個(gè)安全等級(jí)，采用結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)來(lái)體現(xiàn)。一級(jí)－g0＝1.1二級(jí)－g0＝1.0三級(jí)－g0＝0.9規(guī)范設(shè)計(jì)表達(dá)式

10第10頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期一Sk——荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值11荷載效應(yīng)設(shè)計(jì)值承載力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式gs——荷載分項(xiàng)系數(shù)抗力設(shè)計(jì)值gR——抗力分項(xiàng)系數(shù)g0——結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)計(jì)算表達(dá)式第11頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期一承載力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式12可變荷載效應(yīng)控制組合永久荷載效應(yīng)控制組合各荷載分項(xiàng)系數(shù)按荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算的荷載效應(yīng)值組合值系數(shù)荷載效應(yīng)組合第12頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期一抗力設(shè)計(jì)值R承載力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式13混凝土和鋼筋的材料分項(xiàng)系數(shù)混凝土和鋼筋的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值第13頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期一14例題某鋼筋承受軸拉力設(shè)計(jì)值N＝

50KN，鋼筋級(jí)別為HRB335，直徑d=16mm，結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)為1.1，問(wèn)其強(qiáng)度是否滿(mǎn)足要求？

荷載效應(yīng)設(shè)計(jì)值：S=N=50KN承載能力設(shè)計(jì)值：查附表3，得到鋼筋抗拉強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值為300N/mm2查附表10，得到鋼筋面積為201.1mm2R=fy×As=300×201.1×10－3＝60.33KNγ0S＝1.1×50KN≤R＝60.33KN故強(qiáng)度滿(mǎn)足要求【解】

γ0S≤R第14頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求2.結(jié)構(gòu)的作用、作用效應(yīng)及結(jié)構(gòu)抗力結(jié)構(gòu)按概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)按承載能力極限狀態(tài)計(jì)算按正常使用極限狀態(tài)計(jì)算混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性15第15頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期一極限狀態(tài)表達(dá)式◆C

結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到正常使用要求所規(guī)定的限值?！鬝

正常使用極限狀態(tài)的荷載效應(yīng)組合值。正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)驗(yàn)算構(gòu)件的變形、抗裂度和裂縫寬度?？煽慷纫罂蛇m當(dāng)降低。不需要乘荷載分項(xiàng)系數(shù)，也不考慮結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)。正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式16第16頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期一17正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式標(biāo)準(zhǔn)組合－產(chǎn)生嚴(yán)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(dòng)準(zhǔn)永久組合－考慮長(zhǎng)期效應(yīng)可變荷載代表值第17頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期一◆裂縫控制驗(yàn)算

一級(jí)：嚴(yán)格要求不出現(xiàn)裂縫的構(gòu)件，同時(shí)不得產(chǎn)生拉應(yīng)力。正常使用極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)抗力標(biāo)準(zhǔn)值第2章鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本計(jì)算原則18

二級(jí)：一般要求不出現(xiàn)裂縫的構(gòu)件，標(biāo)準(zhǔn)組合下可以產(chǎn)生拉應(yīng)力，但不得超過(guò)混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

三級(jí)：允許出現(xiàn)裂縫的構(gòu)件，限制裂縫寬度。預(yù)壓應(yīng)力第18頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求2.結(jié)構(gòu)的作用、作用效應(yīng)及結(jié)構(gòu)抗力結(jié)構(gòu)按概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)按承載能力極限狀態(tài)計(jì)算按正常使用極限狀態(tài)計(jì)算混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性19第19頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期一抗?jié)B性：混凝土抵抗壓力水滲透性能稱(chēng)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(jié)和融化循環(huán)作用而不破壞也不嚴(yán)重降低混凝土強(qiáng)度的性能；抗腐蝕性：酸和堿的化學(xué)腐蝕，小孔內(nèi)的結(jié)晶腐蝕。混凝土的耐久性

第20頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期一鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)劣化模型第21頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期一海洋環(huán)境下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)退化隨時(shí)間的發(fā)展第22頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期一23侵蝕性離子如Cl－、SO42－、Mg2＋、Na＋等，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具很強(qiáng)的化學(xué)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(yīng)，形成膨脹性物質(zhì)，導(dǎo)致混凝土開(kāi)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(qiáng)的穿透能力，很容易滲透進(jìn)入混凝土內(nèi)部并到達(dá)鋼筋表面，導(dǎo)致鋼筋銹蝕速度加快，破壞混凝土保護(hù)層，進(jìn)一步加速鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的破壞；因此，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)不僅要求具有一定強(qiáng)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(hù)層剝落第23頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期一加州伯克利分校的Mehta教授在總結(jié)59年來(lái)混凝土耐久性的研究進(jìn)展時(shí)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(yīng)、荷載、干濕循環(huán)等。而引起鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)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(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期一25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(guò)大2）混凝土碳化作用第25頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1）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(jié)構(gòu)劣化的主要原因之一。氯離子侵入混凝土腐蝕鋼筋的機(jī)理為：26

(1)破壞鈍化膜。氯離子進(jìn)入混凝土到達(dá)鋼筋表面，吸附于局部鈍化膜處時(shí)，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?jiàn)的腐蝕對(duì)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(yáng)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(yáng)極產(chǎn)物及時(shí)地搬運(yùn)走，使陽(yáng)極過(guò)程順利進(jìn)行甚至加速進(jìn)行。氯離子起到了搬運(yùn)的作用，卻并不被消耗，凡是進(jìn)入混凝土中的氯離子，會(huì)周而復(fù)始的起到破壞作用。

(4)導(dǎo)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(qiáng)化了離子通路，降低了陰陽(yáng)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(xué)腐蝕過(guò)程。第26頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期一27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(xué)結(jié)合、物理粘結(jié)、吸附等作用的影響。在許多情況下，擴(kuò)散被認(rèn)為是一個(gè)主要的傳輸方式之一。對(duì)于現(xiàn)有的沒(méi)有開(kāi)裂且水灰比不太低的結(jié)構(gòu)，大量的檢測(cè)結(jié)果表明氯離子擴(kuò)散過(guò)程一般滿(mǎn)足Fick第二定律。但在不同環(huán)境影響下，氯離子在混凝土中的擴(kuò)散速度、深度及質(zhì)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。NTbuiId443試驗(yàn)裝置示意圖非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸分析示意圖第27頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2）混凝土碳化

碳化是大氣中的CO2，與混凝土中的堿性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)作用，使混凝土的堿度逐漸降低的過(guò)程。由于混凝土是一個(gè)多孔體，在其內(nèi)部存在著大小不同的毛細(xì)管、孔隙、氣泡甚至缺陷，空氣中的CO2侵蝕到混凝土內(nèi)部，主要與水泥水化產(chǎn)生的氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)，形成碳酸鈣，使混凝土的堿度逐漸降低。28

碳化過(guò)程中釋放出水化產(chǎn)物中的結(jié)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下進(jìn)行，往往引起混凝土表面微裂紋，因而又加劇碳化過(guò)程。碳化使混凝土變脆，構(gòu)件延性變差。所以說(shuō)，混凝土碳化與混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性密切相關(guān)。第28頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期一硫酸根離子侵蝕混凝土在硫酸鹽作用下，其損傷過(guò)程既有物理作用，又涉及化學(xué)作用。其中，混凝土在硫酸鹽作用下的化學(xué)腐蝕是學(xué)術(shù)界研究的重點(diǎn)。試驗(yàn)研究以及自然環(huán)境中的硫酸鹽腐蝕介質(zhì)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(dǎo)致混凝土截面積、重量以及強(qiáng)度損失，混凝七結(jié)構(gòu)的水化產(chǎn)物逐漸減少，形成無(wú)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(dǎo)致混凝十的膨脹和開(kāi)裂；

(3)粉煤灰混凝土暴露在復(fù)合硫酸鹽中，混凝土連續(xù)剝落和表層脫落。第29頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，