結構與構件設計

第三章結構與構件設計第一節(jié)概述鋼筋砼結構

由鋼筋和砼兩種材料組成共同受力的結構。砼抗壓強度高，抗拉強度低，為抗壓強度的1/8~1/20；破壞時有明顯的脆性性質。素砼主要用于以受壓為主的基礎、柱墩和一些非承重結構。Pcr=9.7kN150300fc=13.4N/mm2ft=1.54N/mm2ftsc=ft2500素砼梁Pu≈Pcrsc=ftft破壞時跨中截面受壓邊緣的壓應力與抗拉強度相近，遠未達到砼的抗壓強度，破壞表現(xiàn)為脆性斷裂，無明顯預兆。

鋼材

◎抗拉和抗壓強度都很高；

◎具有屈服現(xiàn)象，破壞時有較好的延性；◎細長鋼筋受壓時易壓曲?！蛞卒P蝕，不耐高溫。將砼和鋼材這兩種材料有機地結合在一起，可以取長補短，充分利用材料的性能。

Pcr=9.7kNfc=13.4N/mm2ft=1.54N/mm2fy=335N/mm2ftsc=ft1503002500鋼筋砼梁Pu≈

52.5kNsc=ftftsssc2f16

fy配置鋼筋后，鋼筋砼梁的承載力比素砼梁大大提高，鋼筋的抗拉強度和砼的抗壓強度均得到充分利用，且破壞過程有明顯預兆。Py≈

50.0kN

fc鋼筋砼—ReinforcedConcrete（縮寫RC）除在受拉區(qū)配筋外，還有其他配筋方式；可在受壓區(qū)配鋼筋協(xié)助砼承受壓力；在復雜應力區(qū)域（如梁在受剪區(qū)段、受扭構件等），可配箍筋或縱橫交錯的鋼筋；當構件受力很大時，可直接配鋼骨；可用箍筋約束砼提高砼的抗壓強度，甚至直接采用鋼管；采用纖維（鋼纖維、玻璃纖維等）與砼一起攪拌形成的纖維砼，其抗拉強度可提高?！飪煞N（或兩種以上）材料的有機組合，充分發(fā)揮各自的長處，可創(chuàng)造出多種形式的復合材料，適應各種不同受力的要求，取得很好的綜合經(jīng)濟效益

受壓構件中配置受壓鋼筋受扭構件配筋螺旋箍筋約束砼梁中配置箍筋常見配筋方式★鋼筋與砼共同工作的條件鋼筋（材）和砼兩種材料的物理力學性能很不相同，他們可以結合在一起共同工作，是因為：鋼筋和砼之間存在有良好的粘結力，在荷載作用下，可以保證兩種材料協(xié)調變形，共同受力；鋼材與砼具有基本相同的溫度線膨脹系數(shù)（鋼材為1.2×10-5，砼為(1.0~1.5)×10-5），因此當溫度變化時，兩種材料不會產(chǎn)生過大的變形差而導致兩者間的粘結力破壞。砼保護層防止鋼筋生銹，提高耐久性，增加粘結力。★鋼筋砼結構的優(yōu)點耐久性好。鋼筋有砼保護層，不易銹蝕。整體性好（現(xiàn)澆鋼筋砼結構）。適用于抗震、抗爆結構?？赡Ｐ院?。砼可澆筑成各種尺寸、各種復雜形狀的結構，如空間薄殼、箱形結構等。耐火性好。砼是不良熱導體，30mm厚砼保護層可耐火2小時，使鋼筋不致因升溫過快而喪失強度。就地取材。砼所用砂、石，易于就地取材。近年有用工業(yè)廢料制造人工骨料，或作為水泥的外加成分，改善砼的性能。節(jié)約鋼材。鋼筋和砼的材料強度得到充分發(fā)揮，結構承載力與剛度比例合適，單位應力價格低，經(jīng)濟指標優(yōu)于鋼結構。

★鋼筋砼結構的優(yōu)點★鋼筋砼結構的缺點自重大。不適用于大跨、高層結構。輕質、高強和預應力抗裂性差。普通RC結構，在正常使用階段帶裂縫工作，環(huán)境較差(露天、沿海、化學侵蝕)時影響耐久性；限制了普通RC用于大跨結構，高強鋼筋無法應用。預應力砼鋼筋砼結構一旦破壞，其修復、加固、補強較困難。鋼模、滑模等；泵送、早強、商品、高性能砼等砼結構加固技術不斷得到發(fā)展，如最近研究開發(fā)的采用碳纖維布加固砼結構技術，快速簡便。施工復雜。工序多（支模、綁鋼筋、澆筑、養(yǎng)護），消耗木料多，工期長，施工受季節(jié)、天氣影響大。三峽工程左廠房

小浪底水利樞紐工程小浪底進水塔基礎砼澆筑砼施工中的小浪底進水塔群

二灘葛洲壩船閘毛里塔尼亞友誼港

天津港大沽燈塔

塞那河上的諾曼底大橋

美國密執(zhí)安州的麥基那克海峽大橋

★鋼筋砼的分類按受力狀態(tài)分—桿系結構和非桿系結構。按制作方法分—整體式、裝配式和裝配整體式。按初應力狀態(tài)分—普通鋼筋砼和預應力鋼筋砼。

預應力砼結構（PrestressedConcrete)在結構受荷之前，預先對砼施加壓力，造成人為的壓應力狀態(tài)，使產(chǎn)生的壓應力可部分或全部抵消荷載引起的拉應力。

★鋼筋砼結構的發(fā)展簡況及應用

1824年英國人阿斯普丁發(fā)明硅酸鹽水泥；

1849年法國人朗波制造了第一只鋼筋砼小船；

1872年在紐約建造第一所鋼筋砼房屋；

RC結構的開始應用于土木工程距今僅150多年。

與磚石結構、鋼木結構相比，鋼筋砼結構的歷史并不長，但發(fā)展非常迅速，目前砼結構已成為大量土木水利工程結構中最主要的結構，而且高性能砼和新型砼結構形式還在不斷發(fā)展。

結構設計的主要內容與程序主要內容：

選用材料確定結構形式計算構件截面尺寸

結構設計的程序結構選型

砌體結構混和結構鋼結構鋼筋砼結構結構構件布置

屋蓋樓板墻、柱基礎過梁陽臺樓梯等結構構件的計算簡圖單個構件的設計計算繪制結構施工圖上次課內容回顧混凝土結構的概念結構設計的主要內容

選用材料確定結構形式計算構件截面尺寸結構設計的程序

結構選型結構構件布置結構構件的計算簡圖單個構件的設計計算繪制結構施工圖進行結構力學分析之前，應首先將實際結構進行抽象和簡化，使之既能反映實際的主要受力特征，同時又能使計算大大簡化。這種經(jīng)合理抽象和簡化，用來代替實際結構的力學模型叫做結構的計算簡圖。結構構件計算簡圖計算簡圖的選取在結構的分析中占有相當重要的地位，它直接影響著計算工作量的大小和分析結構與實際間的差異。計算簡圖的選取應遵循下列兩條原則：

（1）正確反映結構的實際受力情況，使計算結果盡可能與實際相符；

（2）便于分析和計算結構的簡化包括以下兩方面：

一是結構體系的簡化；二是結構構件的簡化

構件的簡化支座的簡化荷載的簡化

現(xiàn)澆整體式框架結構的結構體系的簡化

框架結構是由橫向框架和縱向框架組成的空間結構，要精確計算其內力是十分困難的。為了簡化計算通常忽略它們之間的空間聯(lián)系，而將空間結構體系簡化為橫向和縱向平面框架計算，并取出具有代表性的一榀或幾榀框架作為計算單元。一般可取縱向邊框架、縱向中框架、橫向邊框架和橫向中框架共四榀作為計算單元。

結構中，把各個桿件連接在一起的區(qū)域稱為節(jié)點，通常根據(jù)其實際構造和結構受力特點，分為鉸節(jié)點、剛節(jié)點。

鉸節(jié)點的特點是與鉸相連的各桿件可以分別繞該鉸做自由轉動，不存在節(jié)點對桿的約束，即由于轉動在桿端不會產(chǎn)生力矩，也不會傳遞力矩，只能傳遞軸力和剪力，一般用小圓圈表示。

節(jié)點的簡化剛節(jié)點的特征是節(jié)點對與之相連的各桿件的轉動有約束作用，轉動時各桿間的夾角保持不變，桿端除產(chǎn)生軸力和剪力外，還產(chǎn)生彎矩，同時某桿件上的彎矩也可以通過節(jié)點全部傳遞給其它桿件。結構構件與其支承物間的連接裝置就是支座。在對支座簡化時，一般忽略支座與構件接觸面間摩擦以及接觸面大小的影響，認為支座與桿件是以一支承點（即反力的合力作用點）連接起來的。

支座的簡化

支座根據(jù)實際構造和約束特點可分為以下幾種。（1）固定鉸支座（簡稱鉸支座）

如：預制柱插入杯形基礎，四周用瀝青麻絲填實。

支座的簡化(2)可動鉸支座在單層多跨并有縱向變形縫的廠房中，當中柱為單柱時，搭在中柱柱頂?shù)钠渲幸婚菁軐⒅苯訑R置于鋼滾軸上，而鋼滾軸擱置于柱頂或牛腿頂面上。

(3)固定支座

在實際工程中，有些結構構件既不能發(fā)生任何方向的移動，也不能發(fā)生任何角度的轉動。荷載的簡化是指將實際結構構件上所受到的各種荷載簡化為作用在構件縱軸上的線荷載、集中荷載或力偶。在簡化時應注意力的作用點、方向和大小。荷載的簡化荷載的分類

荷載是主動作用在結構上的外力，如結構自重、人的重量、水壓力、風壓力等。根據(jù)特征的不同，荷載可有下列的分類：根據(jù)荷載作用時間的久暫，荷載可分為恒荷載和活荷載（也叫可變荷載）。

恒荷載是長期作用在結構上的大小和方向不變的荷載，如結構的自重等活荷載是隨著時間的推移，其大小、方向或作用位置發(fā)生變化的荷載，如雪荷載、風荷載、人的重量等。

根據(jù)荷載的分布范圍，荷載可分為集中荷載和分布荷載。

集中荷載是指分布面積遠小于結構尺寸的荷載，如吊車的輪壓，由于這種荷載的分布面積較集中，因此在計算簡圖上可把這種荷載作用于結構上的某一點處。分布荷載是指連續(xù)分布在結構上的荷載，當連續(xù)分布在結構內部各點上時叫體分布荷載，當連續(xù)分布在結構表面上時叫面分布荷載，當沿著某條線連續(xù)分布時叫線分布荷載，當為均勻分布時叫均布荷載。鋼筋的品種和力學性能一.鋼筋的品種★按化學成分區(qū)分低碳鋼：（含碳量<0.25%）強度低、塑性好中碳鋼：（0.25%≤含碳量≤0.6%）高碳鋼：（含碳量>0.6%）強度高、塑性差低合金鋼：碳素鋼基礎上加入少量合金元素而成，強度高、塑性好第二節(jié)鋼筋砼材料主要物理力學性能★按外形區(qū)分光面鋼筋帶肋鋼筋月牙肋——

紋路與肋不相交，不易產(chǎn)生應力集中，粘結強度略低于等高肋鋼筋。等高肋——（螺旋紋、人字紋）與鋼筋砼粘結力好，紋路與肋相交，易產(chǎn)生應力集中。光面圓鋼筋螺旋紋鋼筋人字紋鋼筋月牙紋鋼筋★按加工方式區(qū)分熱軋鋼筋

Ⅰ級鋼筋：

光面低碳鋼，塑性好、強度低；多作為厚度不大樓板的受力鋼筋和箍筋。

Ⅱ級鋼筋、

Ⅲ級鋼筋：

月牙肋、低合金鋼，強度較高；多作為鋼筋砼構件受力鋼筋，尺寸較大的構件，為增強與砼的粘結可用Ⅱ級鋼作箍筋。

Ⅳ級鋼筋：等高肋、低合金鋼，強度高；一般經(jīng)冷拉后用于預應力鋼筋砼結構。冷加工鋼筋

熱軋鋼筋常溫下經(jīng)冷拉、冷拔、冷軋、冷扭加工后而成。冷加工提高鋼筋的強度，節(jié)約鋼材。冷加工后，強度提高，塑性降低。一般用于預應力砼結構。熱處理鋼筋

等高肋低合金鋼，Ⅳ級鋼經(jīng)加熱、淬火和回火等調質工藝而成，強度提高，塑性降低不多。用于預應力砼結構。鋼絲

直徑＜6mm，外形有光面、刻痕和螺旋肋三種，另有二股、三股和七股鋼絞線，外接圓直徑9.5~15.2mm。用于預應力砼結構。

二.鋼筋的力學性能

（一）軟鋼的力學性能

a為比例極限

cd為強化段b為屈服強度

fybc為屈服臺階d為抗拉強度軟鋼：有明顯屈服點的鋼筋，如熱軋Ⅰ~Ⅳ級鋼筋。

★含碳量高，屈服強度和抗拉強度高，伸長率小，流幅縮短。（二）硬鋼的力學性能

a點：比例極限協(xié)定流限：強度設計指標，指經(jīng)加載及卸載后尚存有0.2%永久殘余變形時的應力，用σ0.2表示。σ0.2一般相當于抗拉強度的70%~85%。硬鋼：沒有明顯屈服點的鋼筋，如熱處理鋼筋及高強鋼絲。

σε（三）鋼筋的冷加工冷拉鋼筋將鋼筋拉伸超過其屈服強度，放松，經(jīng)一段時間之后，鋼筋會獲得比原來屈服強度更高的屈服強度值。如圖所示。冷拉后，屈服強度提高了，流幅縮短，伸長率降低，鋼材性質變硬變脆。冷拉后，抗壓強度沒有提高，計算仍取用原來的抗壓強度。冷拔將鋼筋用強力拔過硬質合金拔絲模，截面變小而長度增加，強度提高，塑性降低。冷軋將熱軋鋼筋在常溫下表面軋制成不同的形狀，強度提高，塑性降低。

冷軋帶肋鋼筋—采用低碳熱軋盤圓進行冷軋減徑，表面軋出月牙紋。

冷軋扭鋼筋—鋼筋經(jīng)冷軋并經(jīng)扭轉而成。

砼的物理力學性能

一．砼的強度（一）立方體抗壓強度fcu砼結構主要利用其抗壓強度，因此抗壓強度是最主要和最基本的指標。標準立方體強度：標準立方體試件測得的抗壓強度，用fcu表示。砼強度等級：邊長150mm立方體，溫度為20±3℃、相對濕度不小于95%的條件下養(yǎng)護28天，用標準試驗方法測得的具有95%保證率的立方體抗壓強度標準值fcuk作為砼的強度等級，以符號C表示，單位為N/mm2。影響砼強度的因素①試驗方法。②試件尺寸。③加載速度。④齡期。試驗錄像★水利水電工程用砼分11個強度等級，即C10、C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60，級差為5N/mm2。

（二）軸心抗壓強度fc150mm×150mm×300mm的棱柱體試件測定，

fc表示，較接近實際構件中砼的受壓情況。fc

<fcufc與fcu成線性關系，fc/fcu比值平均為0.76。考慮到實際結構構件與試件制作及養(yǎng)護條件的差異、尺寸效應及加荷速度等因素的影響，規(guī)范偏安全地取：試驗錄像（三）軸心抗拉強度ft砼基本力學性能指標，ft表示。砼構件開裂、裂縫、變形，以及受剪、受扭、受沖切等的承載力均與抗拉強度有關。根據(jù)與軸心受壓強度相同的理由，規(guī)范取用關系式：劈裂試驗PdP拉壓壓軸心受拉試驗對中困難，常采用立方體或圓柱體劈裂試驗測定砼的抗拉強度。立方體試件通過墊條施加線載荷P，垂直截面上除墊條附近外，產(chǎn)生均勻拉應力，當拉應力達到ft時，試件對半劈裂。試驗錄像二．砼的變形

（一）砼在一次短期加載時的應力—應變曲線砼的變形有兩類:外荷載作用產(chǎn)生的受力變形,溫度和干濕變化引起的體積變形。砼單軸受力應力-應變關系是反映砼受力全過程的重要力學特征，是分析砼構件應力、建立承載力和變形計算理論的必要依據(jù)，也是利用計算機進行非線性分析的基礎。砼單軸受壓應力-應變關系曲線，常采用棱柱體試件來測定。普通試驗機采用等應力速度加載，達到fc時，試驗機中集聚的彈性應變能大于試件所能吸收的應變能，導致試件突然脆性破壞，只能測得應力-應變曲線的上升段。采用等應變速度加載，或在試件旁附設高彈性元件與試件一同受壓，吸收試驗機內集聚的應變能，可測得應力-應變曲線的下降段。應力小于fc的30%～40%時（a點），應力應變關系接近直線。當應力

，呈現(xiàn)塑性。應力增大到fc

的80%左右（b點），應變增長更快。應力達到fc

（c點）時，試件表面出現(xiàn)縱向裂縫，試件開始破壞。達到的最大應力σo稱為砼棱柱體抗壓強度fc，相應的應變?yōu)棣舘一般為0.002左右?！镉绊憫Α獞兦€形狀因素砼強度低，曲線平坦；強度高，曲線陡，εcu?。患虞d速度快，最大應力提高，曲線陡；加載速度慢，曲線平緩，εcu增大。試驗錄像★規(guī)范建議的應力-應變曲線★砼受拉應力-應變關系（二）砼在重復載荷下的應力-應變曲線應力不大，重復5～10次后，加載和卸載的應力—應變曲線合并接近一直線，同彈性體一樣工作。應力超過某一限值，經(jīng)多次循環(huán)，應力應變關系成為直線后，重新變彎，試件很快破壞。該限值為砼的疲勞強度（三）砼的彈性模量原點切線模量：應力不大時，應力應變關系近似于直線，彈性模量可用應力σc除以其相應的應變εc來表示：

Ec=tgα0=σc/εce彈性模量測定方法se0.4fc5~10次利用多次重復加載卸載后應力應變關系趨于直線的性質求彈性模量。加載至0.4fc，卸載至零，重復加載卸載5～10次，應力—應變曲線漸趨穩(wěn)定并接近于一直線，該直線的正切tgα即為砼的彈性模量。彈性模量經(jīng)驗公式：砼的變形模量應力較大時，砼的塑性