2005年9月 目錄 0緒論 1 鋼筋混凝土的一般概念及材料的主要力學性能 2 鋼筋混凝土結構計算的基本原理 3 受彎構件承載力計算與構造 4 鋼筋混凝土構件的變形與裂縫計算 5 鋼筋混凝土受壓構件承載力計算 8 預應力混凝土構件 6 鋼筋混凝土受扭構件承載力計算 目錄 9 鋼筋混凝土梁板結構 11 多層及高層房屋結構概論 13 砌體材料及其力學性能 14 砌體結構構件的承載力計算 15 混合結構房屋墻 柱設計15 1房屋結構布置方案 緒論 0 1建筑結構的分類及應用 基本建筑構件 板 梁 柱 墻 基礎等建筑結構 由基本建筑構件組成的建筑物承重骨架建筑結構的要求 安全性 實用性 耐久性 緒論 0 2建筑結構的發展簡況 材料方面古代 磚 木結構近代 鋼筋混凝土結構和鋼結構計算理論古代 近似計算近代 20世紀40年代 考慮砼塑性性能的破壞階段計算方法 采用了單一的安全系數 50年代 極限狀態計算 規定了極限狀態 有三個系數 荷載 材料系數和工作條件系數 1966年規范 近來 以概率論為基礎的極限狀態計算法 89年規范及新規范 GBI10 89 GB50010 2002 緒論 施工工藝方面向著工業化 定型化 標準化方向發展 施工技術方面大模板滑模施工 預應力混凝土平板樓蓋等 總之 高強度 高性能的材料的應用 計算理論的更加科學合理 重量更輕 跨度更大 安全性 耐久性更好 施工更方便快捷是今后的發展方向 緒論 0 3本課程內容特點及要求 內容 鋼筋混凝土結構 基本結構和房屋結構 砌體結構特點 本課程所述材料的力學性能與材料力學所學內容有許多相似之處 但也有不同之處 主要在均質和非均質 彈性和彈塑性等之分 建筑結構的計算方法 絕大部分是建立在實驗的基礎上 目前尚無完善的理論 應十分注重試驗和各公式的使用條件和范圍 內力分析和變形計算的理論來自結構力學 但 考慮到結構的實際 又建立了一套自身的計算方法 應注意他們的聯系和區別 本課程除了進行構件的強度和變形計算外 還要解決 緒論 結構設計問題 包括結構方案 構件選型 材料選擇和構造要求等 綜合性和實踐性很強 構造要求和結構計算同樣重要 我們專業更應注重構造要求 要求 在本課程學習的同時 要熟悉和重視國家最新頒布的建筑結構 規范 對現行各種 規范 的條款要理會 熟悉并學會應用 本課程涉及的眾多構造要求是非常重要的 要充分重視對構造要求的學習 并加深理解其中的道理 本課程是一門實踐性很強的課程 學好本課程的關鍵 實踐性環節在其中起著十分重要的作用 在理論學習的過程中 要注重聯系實際 多到施工現場及預制構件廠去實習 觀摩 參觀 多動手 勤思考 重理解 會分析 結合施工圖的識讀 積累實踐經驗 鋼筋混凝土的一般概念及材料的主要力學性能1 1 P1 P2 a 鋼筋混凝土的一般概念和特點 概念 由鋼筋和混凝土結合在一起共同工作的材料 該材料可充分利用混凝土的抗壓性能和鋼筋的抗拉性能 特點 與磚木結構相比強度高 鋼材用量少 耐久性好 耐火性好 可模性好 整體性好 材料來源廣泛 圖1 1素混凝土和鋼筋混凝土波懷情況對比 軟剛和硬剛鋼筋的強度和變形性能主要由單向拉伸測得的應力應變曲線來表征 試驗表明 鋼筋的拉伸應力應變曲線可分為兩類 有明顯的流幅的鋼筋 也稱為軟鋼 見圖1 2 沒有明顯流幅的鋼筋 也稱為硬鋼 見圖1 3 比例極限有明顯流幅的鋼筋應力應變曲線 軸向拉伸時 在達到比例極限a點之前 材料處于彈性階段 軟鋼應力與應變的比值為常數 即為鋼筋的彈性模量Es a為應力應變成比例的極限狀態 它所對應的應力稱為比例極限 鋼筋的主要力學性能1 2 1 a b c d e 屈服極限當應力達到b點后 材料開始屈服 b點稱屈服的上限點 過點后 應力與應變曲線出現上下波動 形成一個明顯的屈服臺階 屈服臺階的下限c點所對應的應力稱為 屈服強度 鋼筋的主要力學性能 鋼筋的強度和變形 極限強度當鋼筋屈服塑流到一定程度 即到達點以后 應力應變曲線又開始上升 抗拉能力有所提高 隨著曲線上升到最高點d 相應的應力稱為鋼筋的極限強度 cd段稱為鋼筋的強化階段 過了d點以后 鋼筋在薄弱處的斷面將顯著縮小 發生局部頸縮現象 變形迅速增加 應力隨之下降 直到過點時試件被拉斷 圖 鋼筋的主要力學性能 0 85 b b 0 2 條件屈服強度 硬剛 高碳鋼與低碳鋼不同 見圖1 3 它沒有明顯的屈服臺階 塑性變形小 延伸率亦小 但極限強度高 通常用殘余應變為0 2 的應力 約0 85 b作為假想屈服點 或稱條件屈服點 用 0 2表示 0 85 b作為條件屈服強度 b極限抗拉強度值 圖 鋼筋的伸長率除強度指標外 鋼筋還應具有一定的塑性變形能力 反映鋼筋塑性性能的基本指標是伸長率和冷彎性能 所謂伸長率即鋼筋拉斷后的伸長值與原長的比率 鋼筋的主要力學性能 1 1 式中 伸長率 L 試件受力前的標距長度 有5d 10d 100d L1 試件拉斷后的標距長度伸長率越大的鋼筋塑性越好 即拉伸前有足夠的伸長 使構件的破壞有預兆 反之構件的破壞具有突發性而呈現脆性 鋼筋的主要力學性能 鋼筋的冷彎性能為了使鋼筋在加工成型時不發生斷裂 要求鋼筋具有一定的冷彎性能 冷彎是將直徑為d的鋼筋繞某一規定直徑為D的鋼輥進行彎曲 在達到規定的冷彎角度 1800 時鋼筋不發生裂紋 鱗落或斷裂 就表示合格 見表1 1 表1 1各種鋼筋伸長率及冷彎試驗要求 5 表示試件長度為5d的鋼筋的伸長率 鋼筋的主要力學性能1 2 2 鋼筋的成分 分類 級別 品種 成分 鋼筋的主要成分為鐵 還有少量的碳 錳 硅 釩 鈦及一些有害元素如磷 硫等 剛材的強度隨含碳量的增加而增加 但其塑性性能及可焊性隨之降低 錳 硅 釩 鈦等少量合金元素可是鋼材的強度 塑性等綜合性能提高 分類 我國建筑工程中采用的鋼筋 按化學成分可分為碳素鋼和普通低合金鋼兩大類 含碳量小于0 25 的碳素鋼稱為低碳鋼或軟鋼 含碳量為0 6 1 4 的碳素鋼稱為高碳鋼或硬鋼 在碳素鋼的元素中加入少量的合金元素 就成為普通低合金鋼 如20MnSi 20MnSiV 20MnSiNb 20MnTi等 鋼筋的主要力學性能 級別及品種 我國建筑工程中采用的鋼筋 國產普通鋼筋有以下4級 熱軋光面235級 熱軋帶肋335級 HRB400 20MnSiV 20MnSiNb 20MnTi 熱軋帶肋400級 RRB400 K20MnSi 余熱處理鋼筋400級 用HRB335 20MnSi 穿水熱處理而成 各級別性能見圖1 420表示含碳量為0 2 其余合金元素的含量在1 5 以下 k為控制的意思 圖 鋼筋的主要力學性能 表1 2普通鋼筋強度標準值及設計值 N mm2 注 1 當d大于40mm時 應有可靠的工程經驗 2 fyk鋼筋的標準強度 具有95 以上的保證率 由屈服極限確定 3 fy鋼筋的抗拉強度設計值 fy 鋼筋的抗壓強度設計值 鋼筋的主要力學性能 表1 3預應力鋼筋強度標準值及設計值 N mm2 鋼筋的主要力學性能 表1 4鋼筋彈性模量 105N mm2 注 必要時鋼鉸線可采用實測的彈性模量 鋼筋的主要力學性能 熱處理鋼筋上面所述為普通鋼筋 而預應力鋼筋采用熱處理鋼筋 由40Si2Mn d 6 48Si2Mn d 8 2 和45Si2Cr d 10 等通過加熱 淬火和回火等調質工藝處理制成的 熱處理鋼筋又稱調質鋼筋 鋼絲鋼絲主要用于預應力混凝土結構中 有消除應力的光面鋼絲 螺旋肋鋼絲和三面刻痕鋼絲三種 冷拔低碳鋼絲由低碳熱軋鋼筋經冷拔制成 分為兩個級別 甲級和乙級 冷拔低碳鋼絲的延性較差 新 規范 中也未列入 若在建筑工程中采用時 應遵守專門規程的規定 鋼絲 直徑在5mm以內 可以是單根的 也可以編成鋼絞線或鋼絲束 鋼筋的主要力學性能 鋼絞線鋼絞線是由多根高強鋼絲在絞絲機上絞合 再經低溫回火制成 按其股數可分為3股和7股兩種 高強鋼絲 鋼絞線的強度可達1700N mm2以上 鋼筋的主要力學性能1 2 3 鋼筋的冷拉和冷拔 1 冷拉冷拉是將鋼筋拉到超過鋼筋屈服強度的某一應力值 以提高鋼筋的抗拉強度 達到節約鋼材的目的 冷拉能提高鋼筋抗拉強度 但不能提高抗壓強度 冷拉能使鋼筋伸長 能節省鋼材 調直鋼筋 自動除銹 檢查焊接質量的作用 2 冷拔冷拔是將 6 8的HPB235級鋼筋 用強力從直徑較小的硬質合金拔絲模拔出使它產生塑性變形 拔成較細直徑的鋼絲 以提高其強度的冷加工方法 冷拔后鋼筋的強度得到了較大的提高 但塑性卻有較大的降低 經過冷拔加工的低碳鋼絲 須逐盤檢驗 分為甲 乙兩級 甲級用作預應力鋼筋 乙級用作非預應力鋼筋 1 2鋼筋的主要力學性能 k k l k k d e 1 2鋼筋的主要力學性能 冷拉只能提高鋼筋的抗拉強度 故不宜用作受壓鋼筋 而冷拔可同時提高抗拉和抗壓強度 必須指出 上述冷加工鋼筋以大幅度犧牲延性來換取強度的有限提高 終究不是提高結構性能的有效途徑 近年來 強度高 性能好的鋼筋 鋼絲 鋼絞絲 在我國已可充分供應 故冷拉鋼筋和冷拔鋼絲不在列入新 混凝土規范 但并不是不允許使用這些鋼筋 當應用這些鋼筋時 應符合專門規程的規定 1 2鋼筋的主要力學性能1 2 4 1 2 4鋼筋的形式 b a c d 光面鋼筋 a HPB235帶肋鋼筋 b d b 螺紋鋼筋 c 人字紋鋼筋 d 月牙形鋼筋我國帶肋鋼筋的外形目前生產的是月牙形 HRB335 表面有阿拉伯數字 2 HRB400 表面有阿拉伯數字 3 1 2鋼筋的主要力學性能1 2 5 1 2 5建筑結構對鋼筋的要求及選擇原則 要求強度要求 塑性要求 可焊性要求 與混凝土的粘結力選擇的原則在實際工程應用中 基于混凝土對鋼筋性能的要求 確定的選用原則為 鋼筋混凝土結構以HRB400級熱軋帶肋鋼筋為主導鋼筋 實際工程中 普通鋼筋宜采用HRB400級和HRB335級鋼筋 也可采用HPB235級及RRB400級鋼筋 預應力混凝土結構以高強 低松弛鋼絲 鋼絞線為主導鋼筋 預應力鋼筋宜采用預應力鋼絲 鋼絞線 也可采用熱處理鋼筋 各種形式的冷加工鋼筋應整頓市場 加強管理 保證質量 提高性能 通過市場競爭優化或淘汰 購買鋼筋應要求廠家提供三項力學性能 抗拉強度 屈服強度 伸長率 兩項化學性能 磷 硫含量 1 3混凝土的主要力學性能1 3 1 1 3混凝土的主要力學性能1 3 1混凝土的強度 1 混凝土的立方體抗壓強 fcu 度及強度等級混凝土結構中 主要是利用它的抗壓強度 因此抗壓強度是混凝土力學性能中最主要和最基本的指標 混凝土的強度等級是用抗壓強度來劃分的混凝土強度等級 邊長150mm立方體標準試件 在標準條件下 20 3 90 濕度 養護28天 用標準試驗方法 加載速度0 15 0 3N mm2 sec 兩端不涂潤滑劑 測得的具有95 保證率的立方體抗壓強度 用符號C表示 C30表示fcu k 30N mm2 fcu k混凝土強度標準值 注意 fcu與fcu k的區別在于是否具有95 的保證率根據 規范 強度范圍 從C15 C80共劃分為14個強度等級 級差為5N mm2 與原 規范GBJ10 89 相比 混凝土強度等級范圍由C60提高到C80 C50以上為高強混凝土 1 3混凝土的主要力學性能 如果采用的是100mm 200mm的非標準試件 應乘以0 95 1 05的系數將其折算成標準試件 規范 GB50010 2 2 4 1 2規定 在鋼筋混凝土結構中 混凝土的強度等級不宜低于C15 當采用HRB335級鋼筋時 混凝土強度等級不應低于C20 當采用HRB400和RRB400級鋼筋以及的對承受重復荷載的構件 混凝土強度等級不得低于C20 預應力混凝土結構的混凝土強度等級不應低于C30 當采用預應力鋼絲 鋼絞線 熱處理鋼筋作預應力鋼筋時 混凝土強度等級不宜低于C40 1 3混凝土的主要力學性能 2 混凝土軸心抗壓強度實際工程中 一般的受壓構件不是立方體而是棱柱體 即構件的高度要比截面的尺寸大 一般用h b 3 4的棱柱體抗壓強度來代表混凝土單向均勻受壓時的抗壓強度 軸心抗壓強度采用棱柱體試件測定 用符號fc表示 它比較接近實際構件中混凝土的受壓情況 我國通常取150mm 150mm 450mm的棱柱體試件 也常用100 100 300試件 對于同一混凝土 棱柱體抗壓強度小于立方體抗壓強度 棱柱體抗壓強度和立方體抗壓強度的換算關系為 混凝土的軸心抗壓設計強度 fc fck c 1 3混凝土的主要力學性能 式中 fck 混凝土軸心抗壓強度標準值fc 混凝土軸心抗壓強度設計值0 88 實驗試件與實際結構的差異修正系數 c1 棱柱體抗壓強度與立方體抗壓強度的比值 對C50以下取0 76 對C80取0 82 其間按線性差值計算 c2 C40以上混凝土脆性折減系數 C40取1 0 C80取0 87 其間按線性差值計算 c 混凝土材料分項系數 取1 4 1 3混凝土的主要力學性能 3 混凝土軸心抗拉強度混凝土軸心抗拉強度ft是采用100mm 100mm 500mm的棱柱體 兩端設有螺紋鋼筋 圖1 7 在實驗機上受拉來測定的 當試件拉裂時測得的平均拉應力即為混凝土的軸心抗拉強度 實驗表明 混凝土的抗拉強度比抗壓強度低得多 混凝土軸心抗拉強度只是混凝土立方體抗壓強度的1 17 1 8倍 而且隨混凝土強度等級的提高而減小 通過實驗 新規范按下式計算 圖 1 7 1 3混凝土的主要力學性能 式中 ftk 混凝土軸心抗拉強度標準值ft 混凝土軸心抗拉強度設計值 c2 C40以上混凝土脆性折減系數 C40取1 0 C80取0 87 其間按線性差值計算 混凝土立方體強度變異系數 c 混凝土材料分項系數 取1 4軸心受拉試驗由于兩端所埋設的鋼筋不易對中 實測數據偏差較大 目前國內普遍采用立方體試件做劈拉試驗來代替 1 3混凝土的主要力 學性能 圖 1 8 1 3混凝土的主要力學性能 4 混凝土強度指標混凝土強度也有標準值和設計值之分 混凝土強度的標準值具有95 的保證率 若將其除以材料分項系數 c c 1 4 即得混凝土強度設計值 混凝土強度標準值按下表采用 1 3混凝土的主要力學性能 混凝土立方體強度實測值 立方體強度標準值 軸心抗壓標準值 軸心抗拉標準值之間的關系 立方體強度實測值 每個立方體試件實際測得的強度值f0cu立方體強度標準值 規范 規定材料強度的標準值應具有不小于95 的保證率立方體強度標準值fcu k即為混凝土強度等級 規范 在確定混凝土軸心抗壓強度和軸心抗拉強度標準值時 假定它們的變異系數與立方體強度的變異系數相同 利用與立方體強度平均值的換算關系 便可按上式計算得到 同時 規范 考慮到試件與實際結構的差異以及高強混凝土的脆性特征 對軸心抗壓強度和軸心抗拉強度 還采用了以下兩個折減系數 結構中混凝土強度與混凝土試件強度的比值 取0 88 脆性折減系數 對C40取1 0 對C80取0 87 中間按線性規律變化 1 3混凝土的主要力學性能1 3 2 1 3 2混凝土的變形混凝土的變形可分為兩類 一類是受力引起的變形 另一類是收縮和溫度變化引起的變形 1 混凝土的受力變形 混凝土單向受壓時的應力 應變曲線 混凝土單軸受力時的應力 應變關系反映了混凝土受力全過程的重要力學特征是分析混凝土構件應力 建立承載力和變形計算理論的必要依據 也是利用計算機進行非線性分析的基礎 試驗表明混凝土完整的應力應變曲線包括兩部分 上升階段和下降階段 混凝土單軸受壓應力 應變關系曲線 常采用棱柱體試件來測定 在普通試驗機上采用等應力速度加載 達到軸心抗壓強度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 會導致試件產生突然脆性破壞 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 以吸收試驗機內集聚的應變能 可以測得應力 應變曲線的下降段 1 3混凝土的主要力學性能 圖 1 9 1 3混凝土的主要力學性能 強度等級越高 線彈性段越長 峰值應變也有所增大 但高強混凝土中 砂漿與骨料的粘結很強 密實性好 微裂縫很少 最后的破壞往往是骨料破壞 破壞時脆性越顯著 下降段越陡 峰值應力fc所對應的應變 0約為0 002左右 應力小于0 3fc時混凝土處于彈性階段 混凝土內部幾乎沒有裂縫 0 3 0 8fc之間 混凝土內部裂縫發展 但能保持穩定 大于0 8fc混凝土內部裂縫發展很快 塑性變形顯著增大 體積應變逐漸由壓縮轉為擴張 1 3混凝土的主要力學性能 1 3混凝土的主要力學性能 規范 應力 應變關系 1 3混凝土的主要力學性能 混凝土的彈性模量和變形模量 彈性模量 通過應力應變曲線原點的切線斜率 用Ec表示 也叫原點模量 變形模量 在應力應變曲線上取一點 將該點與原點相連得到的直線的斜率 用E c來表示 也叫割線模量 1 3混凝土的主要力學性能 彈性模量測定方法 圖 1 14 1 3混凝土的主要力學性能 表 1 6混凝土彈性模量 10 4N mm2 注釋 規范 表4 1 5P17 1 3混凝土的主要力學性能 混凝土的徐變 混凝土在荷載的長期作用下 其變形隨時間而不斷增長的現象稱為徐變 徐變會使結構 構件 的 撓度 變形增大 引起預應力損失 在長期高應力作用下 甚至會導致破壞 不過 徐變有利于結構構件產生內 應 力重分布 降低結構的受力 如支座不均勻沉降 減小大體積混凝土內的溫度應力 受拉徐變可延緩收縮裂縫的出現 與混凝土的收縮一樣 徐變與時間有關 因此 在測定混凝土的徐變時 應同批澆筑同樣尺寸不受荷的試件 在同樣環境下同時量測混凝土的收縮變形 從徐變試件的變形中扣除對比的收縮試件的變形 才可得到徐變變形 1 3混凝土的主要力學性能 在應力 0 5fc 作用瞬間 首先產生瞬時彈性應變 隨荷載作用時間的延續 變形不斷增長 前4個月徐變增長較快 6個月可達最終徐變的 70 80 以后增長逐漸緩慢 2 3年后趨于穩定 1 3混凝土的主要力學性能 影響徐變得因素內在因素是混凝土的組成和配比 骨料的剛度 彈性模量 越大 體積比越大 徐變就越小 水灰比越小 徐變也越小 環境影響包括養護和使用條件 受荷前養護的溫濕度越高 水泥水化作用越充分 徐變就越小 采用蒸汽養護可使徐變減少 20 35 受荷后構件所處的環境溫度越高 相對濕度越小 徐變就越大 1 3混凝土的主要力學性能 應力條件初應力水平si fc和加荷時混凝土的齡期t0 它們影響徐變的非常主要的因素 當初始應力水平si fc 0 5時 徐變值與初應力基本上成正比 這種徐變稱為線性徐變 當初應力si在 0 5 0 8 fc范圍時 徐變最終雖仍收斂 但最終徐變與初應力si不成比例 這種徐變稱為非線性徐變 當初應力si 0 8fc時 混凝土內部微裂縫的發展已處于不穩定的狀態 徐變的發展將不收斂 最終導致混凝土的破壞 因此將0 8fc作為混凝土的長期抗壓強度 高強混凝土的密實性好 在相同的s fc比值下 徐變比普通混凝土小得多 但由于高強混凝土承受較高的應力值 初始變形較大 故兩者總變形接近 此外 高強混凝土線性徐變的范圍可達0 65fc 長期強度約為0 85fc 也比普通混凝土大一些 1 3混凝土的主要力學性能 2 混凝土的收縮變形混凝土在水中硬化時體積會膨脹 但其值較小 對混凝土影響不大 混凝土在空氣中硬化時體積會縮小 這種現象稱為混凝土的收縮 收縮是混凝土在不受外力情況下體積變化產生的變形 當這種自發的變形受到外部 支座 或內部 鋼筋 的約束時 將使混凝土中產生拉應力 甚至引起混凝土的開裂 混凝土收縮會使預應力混凝土構件產生預應力損失 某些對跨度比較敏感的超靜定結構 如拱結構 收縮也會引起不利的內力 1 3混凝土的主要力學性能 樓板干燥收縮裂縫與邊框架的變形 圖 1 16 1 3混凝土的主要力學性能 混凝土的收縮是隨時間而增長的變形 早期收縮變形發展較快 兩周可完成全部收縮的25 一個月可完成50 以后變形發展逐漸減慢 整個收縮過程可延續兩年以上 一般情況下 最終收縮應變值約為 2 5 10 4混凝土開裂應變為 0 5 2 7 10 4 圖 1 17 1 3混凝土的主要力學性能 影響因素混凝土的收縮受結構周圍的溫度 濕度 構件斷面形狀及尺寸 配合比 骨料性質 水泥性質 混凝土澆筑質量及養護條件等許多因素有關 水泥用量多 水灰比越大 收縮越大 骨料彈性模量高 級配好 收縮就小 干燥失水及高溫環境 收縮大 小尺寸構件收縮大 大尺寸構件收縮小 高強混凝土收縮大 影響收縮的因素多且復雜 要精確計算尚有一定的困難 在實際工程中 要采取一定措施減小收縮應力的不利影響 施工縫 1 4鋼筋與混凝土之間的粘接1 4 1 1 4鋼筋與混凝土之間的粘結 1 4 1鋼筋與混凝土的粘結作用鋼筋與混凝土的粘結力 是保證鋼筋和混凝土共同工作的必要條件 其在混凝土中的粘結錨固力有以下四個方面 鋼筋和混凝土接觸面上的粘結 化學吸附力 亦稱膠結力 這來源于澆注時水泥漿體向鋼筋表面氧化層的滲透和養護過程中水泥晶體的生長和硬化 從而使水泥膠體與鋼筋表面產生吸附膠著作用 這種化學吸附力只能在鋼筋和混凝土的界面處于原生狀態時才存在 旦發生滑移 它就失去作用 其值很小 不起明顯作用 鋼筋與混凝土之間的摩阻力 由于混凝土凝固時收縮 使鋼筋與混凝土接觸面上產生正應力 因此 當鋼筋和混凝土產生相對滑移時 或有相對滑移的趨勢時 在鋼筋和混凝土的界面上將產生摩阻力 光面鋼筋與混凝土的粘結力主要靠摩阻力 1 4鋼筋與混凝土之間的粘接 鋼筋與混凝土的咬合力 對于光面鋼筋 咬合力是指表面粗糙不平而產生的咬合作用 對于帶肋鋼筋 咬合力是指帶肋鋼筋肋間嵌入混凝土而形成的機械咬合作用 這是帶肋鋼筋與混凝土粘結力的主要來源 機械錨固力彎鉤 彎折及附加錨固措施所提供的粘結錨固作用 a 擠壓產生的咬合力 b A A剖面上的力 圖 1 18 1 4鋼筋與混凝土之間的粘接 光面鋼筋與混凝土的粘結強度 主要取決于膠結力和摩擦阻力 變形鋼筋與混凝土的粘結強度 主要取決于咬合力 通過拔出試驗按下式確定 1 4鋼筋與混凝土之間的粘接1 4 2 1 4 2鋼筋的錨固與連接 1 鋼筋的錨固為了使鋼筋和混凝土能可靠地共同工作 鋼筋在混凝土中必須有可靠的錨固 受拉鋼筋的錨固當計算中充分利用鋼筋的強度時 混凝土結構中縱向受拉鋼筋的錨固長度應按下列公式計算 1 4鋼筋與混凝土之間的粘接 式中la 受拉鋼筋的錨固長度 fy fpy 普通鋼筋 預應力鋼筋的抗拉強度設計值按表1 2 表1 3取用 對應 規范 表4 2 3 1 4 2 3 2 ft 混凝土軸心抗拉強度設計值 按表1 5采用 當混凝土強度大于C40時 按C40取用 對應 規范 表4 1 4 d 鋼筋的公稱直徑 鋼筋的外形系數 按表1 7取用 對應 規范 表9 3 1 表1 7鋼筋的外形系數 1 4鋼筋與混凝土之間的粘接 注 光面鋼筋系指HPB235級鋼筋 其末端應做180o彎鉤 彎后平直長度不應小于3d 但作受壓鋼筋時 可不做彎鉤 帶肋鋼筋系指HRB335 HRB400級鋼筋和RRB400級鋼筋及余熱處理鋼筋 當符合下列條件時 錨固長度應加以修正 對于直徑大于25mm的HPB335 HRB400和RRB400時 其錨固長度應取計算結果乘以修正系數1 1 為了減少錨固長度 可在受拉鋼筋末端采用機械錨固措施 對于HRB335 HRB400和RRB400級鋼筋 當采用機械錨固措施時 其錨固長度 包括附加錨固端頭在內 可取按公式計算的錨固長度的0 7倍 詳見 規范 9 3 1和9 3 2條P114 P115 1 4鋼筋與混凝土之間的粘接 圖 1 20鋼筋機械錨固的形式及構造要求 1 4鋼筋與混凝土之間的粘接 采用機械錨固措施時 在錨固長度范圍內的箍筋不應少于3個 其直徑不應小于錨固鋼筋直徑的0 25倍 間距不應小于錨固直徑的5倍 當錨固鋼筋的混凝土保護層厚度不小于鋼筋公稱直徑的5倍時 可不配置上述箍筋 受壓鋼筋的錨固當計算中充分利用縱向鋼筋的受壓強度時 其錨固長度不應小于受拉鋼筋錨固長度的0 7倍 必須注意 對于光面鋼筋 受拉或受壓 其末端均應做180o標準彎鉤 焊接骨架 焊接網中的光面鋼筋可不做彎鉤 1 4鋼筋與混凝土之間的粘接 2 鋼筋的連結鋼筋的接頭可分為三種 綁扎搭接 機械連接或焊接 接頭宜設在受力較小處 同一根鋼筋上宜少設接頭 綁扎搭接綁扎搭接的工作原理是通過鋼筋與混凝土之間的粘結強度來傳遞內力的 因此 鋼筋的綁扎接頭要有足夠的搭接長度 規范 規定 縱向受拉鋼筋綁扎搭接接頭的搭接長度應根據位于同一連接區段內 1 3ll 的搭接鋼筋面積百分率按下列公式計算 但任何情況下均不應小于300mm 1 4鋼筋與混凝土之間的粘接 式中ll 受拉鋼筋的搭接長度 la 受拉鋼筋的錨固長度 按前面公式計算 縱向受拉鋼筋搭接長度修正系數 按表1 8的規定取用 對應 規范 公式9 4 3和表9 4 3 表1 8縱向鋼筋搭接長度修正系數 1 4鋼筋與混凝土之間的粘接 軸心受拉及小偏心受拉桿件的縱向受力鋼筋不得采用綁扎搭接接頭 當受拉鋼筋直徑d 28mm及受壓鋼筋的直徑d 32mm時 不宜采用綁扎搭接接頭 構件中的縱向受壓鋼筋 當采用搭接連接時 其受壓搭接長度不應小于規范規定的縱向受拉鋼筋搭接長度的0 7倍 且在任何情況下不應小于200mm 1 4鋼筋與混凝土之間的粘接 在縱向受力鋼筋搭接長度范圍內應配置箍筋 其直徑不應小于搭接鋼筋較大直徑的0 25倍 當鋼筋受拉時 箍筋間距不應大于搭接鋼筋較小直徑的5倍 且不應大于100mm 當鋼筋受壓時 箍筋間距不應大于搭接鋼筋較小直徑的10倍 且不應大于200mm 當受壓鋼筋直徑d 25mm時 尚應在搭接接頭兩個端面外100mm范圍內設置兩個箍筋 1 4鋼筋與混凝土之間的粘接 機械連接或焊接指通過連接件用機械的方法把鋼筋連接在一起 機械連接接頭能產生較牢固的連接力 具有工藝操作簡便 接頭性能可靠 連接速度快 節省鋼材和能源 施工安全等特點 所以應優先采用機械連接 但要求連接件的保護層厚度不應小于縱向受力鋼筋最小保護層厚度 連接件的之間凈距不應小于25mm 當采用焊接接頭時 上述機械連接或焊接接頭也應相互錯開 要求用綁扎接頭 但其接頭連接區段長度均取為35d d為縱筋的較大直徑 位于同一連接區段內的縱向受拉鋼筋接頭面積百分率均不應大于50 受壓鋼筋可不受限制 對應 規范 9 4 1 9 4 10要求同學們熟悉 1 4鋼筋與混凝土之間的粘接 錐螺紋鋼筋連接 1 4鋼筋與混凝土之間的粘接 1 4鋼筋與混凝土之間的粘接 擠壓鋼筋連接 1 4鋼筋與混凝土之間的粘接 2鋼筋混凝土結構計算的基本原理2 1 2 1 1 2 1結構的組成與結構的功能 2 1 1結構的組成和功能 1 組成結構是由板 梁 柱 墻 基礎等基本構件按某一規則組成的房屋骨架 2 功能 安全性正常使用和施工時能承受各種可能出現的作用 在設計規定的偶然時間發生時及發生后 結構仍能保持必須的整體穩定性 適用性在正常使用時具有良好的工作性能 不發生影響使用的變形和裂縫 耐久性在正常使用和維護下 在規定的時間內 一般為50年 規定的條件下 完成預定功能的能力 2鋼筋混凝土結構計算的基本原理 設計使用年限 新規范 定義 設計規定的一個期限 在這期限內 結構或構件只需進行正常的維護即可達到預期目的的使用 設計使用年限分類 2鋼筋混凝土結構計算的基本原理2 1 2 2 1 2建筑結構的安全的等級根據建筑物的重要性的不同 一旦發生破壞對人民生命財產的危害程度以及對社會的影響的不同 建筑結構可靠度設計統一標準 GB50068 2001 將建筑結構分為三級 一級建筑破壞后果很嚴重的重要建筑物 二級建筑破壞后果嚴重的一般建筑物 三級建筑破壞后果不嚴重的次要建筑物見 建筑結構可靠度設計統一標準 1 0 9條 2 2結構上的作用 作用效應 結構抗力2 2 1 2 2結構上的作用 作用效應 結構抗力 2 2 1結構上的作用 結構上的作用指作用于結構上的荷載及引起結構外加變形和約束變形的原因 分為直接作用和間接作用 直接作用以力的形式直接施加于結構上 如自重等 間接作用以變形形式施加于結構上 如地震振動 地基不均勻沉降 混凝土的收縮 徐變 溫度變化等 用 Q 表示 作用效應作用使結構產生的內力和變形稱之為作用效應 用 S 表示 可以認為作用和作用效應之間呈線性關系 即 S CQC 作用效應系數 2 2結構上的作用 作用效應 結構抗力2 2 2 2 2 2結構上的荷載 建筑結構荷載規范 GB50009 2001 以下簡稱為 荷載規范 將結構上的荷載按作用時間的長短和性質分為下列三類 永久荷載在結構使用期間 其值不隨時間變化 或者其變化與平均值相比可忽略不計的荷載 如結構自重 土壓力 預應力等 永久荷載也稱為恒載 可變荷載在結構使用期間 其值隨時間變化 且其變化值與平均值相比不可忽略的荷載 如樓面活荷載 屋面活荷載和積灰荷載 風荷載 雪荷載及工業廠房中的吊車荷載等 可變荷載也稱為活載 2 2結構上的作用 作用效應 結構抗力2 2 2 偶然荷載在結構使用期間不一定出現 而一旦出現 其量值很大且持續時間較短的荷載 如爆炸力 撞擊力等 2 2結構上的作用 作用效應 結構抗力2 2 3 2 2 3荷載的代表值結構設計時 根據各種極限狀態的設計要求所采用的不同的荷載數值稱為荷載代表值 對于永久荷載以標準值作為代表值 對可變荷載根據不同的設計要求采用不同的代表值 如標準值 組合值 頻遇值 準永久值 1 荷載標準值所謂荷載標準值 是指結構在設計基準期 50年 內 正常情況下可能出現的最大荷載值 它是結構設計時采用的荷載基本代表值 而其他的代表值都可由標準值乘以相應的系數后得出 通常要求荷載標準值應具有95 的保證率 即 大于標準值的荷載出現的可能性只有5 而小于標準值的荷載出現的可能性有95 2 2結構上的作用 作用效應 結構抗力 2 2結構上的作用 作用效應 結構抗力 永久荷載標準值對結構構件的自重 可按結構構件的設計尺寸與材料單位體積的自重計算確定 GB50009 2001 荷載規范 附錄A給出了常用材料和構件的自重 設計時可直接查用 可變荷載標準值 荷載規范 中已給出 設計時可直接查用 2 可變荷載準永久值在進行結構構件的變形和裂縫驗算時 需要考慮荷載長期作用對構件剛度和裂縫的影響 此時 可變荷載只能取其在設計基準期內經常作用在結構上的那部分荷載作為其代表值 它對結構的影響類似于永久荷載 荷載準永久值 qQK其中 q為荷載準永久值系數 QK為荷載標準值 2 2結構上的作用 作用效應 結構抗力 3 可變荷載組合值當結構承受兩種或兩種以上可變荷載時 由于所有可變荷載同時達到各自最大值的可能性極小 因此除主導的可變荷載外 其它伴隨的可變荷載均應乘以一個小于1的組合系數 c 作為可變荷載的組合值 4 可變荷載的頻遇值可變荷載的頻遇值是正常使用極限狀態按頻遇組合設計時采用的一種可變荷載組合值 它是在統計基礎上確定的 在設計基準期內被超越的總時間僅為設計基準期的一小部分 或其超越頻率限于某一給定值 可變荷載的頻遇值 fQK其中 f可變荷載頻遇值系數 2 2結構上的作用 作用效應 結構抗力2 2 4 2 2 5 2 2 4結構的抗力 結構的抗力結構或構件承受作用效應的能力 用 R 表示 構件制作完成后 結構的抗力是一定的 而作用效應可能是變化的 結構抗力的大小取決于材料的力學性能 構件的幾何參數及計算模式的精確性 荷載組合即永久荷載與可變荷載的共同作用 有時同時作用幾種可變荷載 建筑結構設計應根據使用過程中在結構上可能同時出現的荷載 按承載力極限狀態和正常使用極限狀態分別進行荷載 效應 組合 并應取各自的最不利的效應組合進行設計 對于承載能力極限狀態 應按荷載效應的基本組合 對于正常使用極限狀態 應根據不同的設計要求 采用荷載的標準組合 頻遇組合或準永久組合 對于需要進行地震作用計算的建筑結構設計時 除上述荷載 效應 組合外 尚應考慮地震作用效應與其它荷載效應的基本組合用于承載力極限狀態計算以及標準組合用于側移的計算 具體按 建筑抗震設計規范 GB50011 2001 規定執行 2 2 5荷載組合 2 3概率極限狀態設計法 2 3概率極限狀態設計法 我國設計理論的發展 最初彈性理論20世紀30年代 考慮砼塑性性能的破壞階段計算方法 采用了單一的安全系數 砼不是彈性材料 50年代 極限狀態計算規定了極限狀態 有三個系數 荷載 材料系數和工作條件系數 1966年規范 近來以概率論為基礎的極限狀態計算法89年規范及新規范 2 3概率極限狀態設計法 三個水準 水準1 半概率法 如 鋼筋混凝土結構設計規范 TJ10 74水準2 以概率為基礎概率法 如 鋼筋混凝土結構設計規范 TJ10 74水準3 全概率法 一般不用 2 3概率極限狀態設計法2 3 1 2 3 1結構的極限狀態 極限狀態所謂結構的極限狀態就是結構或構件滿足結構安全性 適用性 耐久性三項功能中某一功能要求的臨界狀態 超過這一界限 結構或其構件就不能滿足設計規定的該功能要求 而進入失效狀態 極限狀態是區分結構工作狀態的可靠或失效的標志 極限狀態可分為兩類 承載能力極限狀態和正常使用極限狀態 2 3概率極限狀態設計法 1 承載能力極限狀態承載能力極限狀態是指對應于結構或結構構件達到最大的承載能力或不適于繼續承載的變形 當結構或結構構件出現下列狀態之一時 應認為超過了承載能力極限狀態 整個結構或結構的一部分 作為剛體失去平衡 如傾覆等 結構構件或連接因為超過材料強度而破壞 包括疲勞破壞 或因過度變形而不適于繼續承載 結構轉變為機動體系 結構或結構構件喪失穩定 如壓屈等 地基喪失承載能力而破壞 如失穩等 這一極限狀態關系到結構全部或部分破壞或倒塌 會導致人員傷亡或嚴重經濟損失 因此對所有結構和構件都必須按承載力極限狀態進行計算 并保證具有足夠的可靠度 2 3概率極限狀態設計法 2 正常使用極限狀態正常使用極限狀態是指對應于結構或結構構件達到正常使用或耐久性能的某項規定的限值 當結構或結構構件出現下列狀態之一時 應認為超過了正常使用極限狀態 影響正常使用或外觀的變形 影響正常使用或耐久性能的局部損壞 包括裂縫 影響正常使用的振動 影響正常使用的其它特定狀態 按正常使用極限狀態設計時 應驗算結構構件的變形 抗裂度或裂縫寬度 地基變形 房屋側移等 超過正常使用極限狀態 會使結構或構件不能正常工作 使結構的耐久性受影響 2 3概率極限狀態設計法 下列破壞分別屬于超出了什么極限狀態 A 雨棚出現傾覆B 出現了很大的裂縫C 結構變成了機動體系D 發生了失穩破壞E 出現了很大的振動F 超過了構件強度而破壞 2 3概率極限狀態設計法2 3 2 2 3 2極限狀態方程 結構可靠度通常受到荷載 材料強度 截面幾何參數等因素的影響 而這些因素一般都具有隨機性 稱為 隨機變量 Xi i 1 2 n 結構和構件按極限狀態進行設計 因此 針對所需要的各種結構功能 如安全性 適用性和耐久性 通常可以建立包括各有關隨機變量在內的關系式 Z g X1 X2 Xn 0影響結構功能的因素劃分為兩大類 作用效應S和結構抗力R 所以有 Z g R S R SZ稱為結構的功能函數 當Z g R S R S 0則成為極限狀態 故稱之為極限狀態方程 2 3概率極限狀態設計法 顯然當Z 0時 則R S 結構處于可靠狀態 當Z 0時 則R S 結構處于極限狀態 當Z 0時 則R S 結構處于失效狀態 當結構按極限狀態設計時 應符合下列要求 Z g S R R S 0 2 3概率極限狀態設計法 極限狀態Z 0 2 3概率極限狀態設計法2 3 3 2 3 3結構的可靠度和失效概率 結構的可靠度結構和結構構件在規定的時間內 規定的條件下完成預定功能的概率 稱為結構的可靠度 結構的作用效應小于結構抗力時 結構處于可靠工作狀態 記為Ps 失效概率一般把不滿足功能要求的概率稱為結構的失效概率 記為Pf結構的可靠概率也稱結構可靠度 結構的可靠度是結構可靠性的概率度量 由于可靠概率和失效概率是互補的 即Pf Ps 1 因此 結構的可靠性也可用結構的失效概率來度量 2 3概率極限狀態設計法 2 3概率極限狀態設計法2 3 4 2 3 4結構的可靠指標 可靠指標 也是度量結構可靠性的一種數值指標 它與失效概率Pf之間是有對應的關系 Z Z Z R S Z R S分別是Z R S隨機變量的平均值 Z R S分別是Z R S隨機變量的標準差 又稱均方差 2 3概率極限狀態設計法 表2 1 值與Pf的對應關系 從上表可以看出 可靠度指標 與失效概率Pf成反比 因此 被稱為 可靠指標 2 3概率極限狀態設計法2 3 5 2 3 5目標可靠指標 目標可靠指標指結構構件設計時預先給定的可靠指標 用 表示 統一標準規定 由建筑物的重要性 延性破壞還是脆性破壞來確定 見表2 2 表2 2不同安全等級的目標可靠指標 2 4極限狀態設計表達式2 4 1 2 4極限狀態設計表達式 通過上面的講解可知 用可靠度指標設計計算結構的可靠度 即科學又合理 設計概念明確 但在一般的設計中 要正確統計R S的變化規律十分困難 計算也相當復雜 因此 統一標準 給出了以概率極限狀態設計方法為基礎的實用設計表達式 分為承載能力極限狀態和正常使用極限狀態兩種表達式 2 4 1承載力極限狀態設計表達式 對于承載能力極限狀態 結構構件應按荷載效應的基本組合或偶然組合 采用下列極限狀態設計表達式 0S R 0 重要性系數 一級 二級 三級分別取值為1 1 1 0 0 9 抗震設計不考慮 詳見 規范 3 2 3條 2 4極限狀態設計表達式 S 承載力極限狀態荷載效應組合設計值 R 結構構件的承載力設計值 詳見 荷載規范 3 2 3 3 2 6 1 基本組合 由可變荷載效應控制的組合 由永久荷載效應控制的組合 2 4極限狀態設計表達式 G 永久荷載分項系數 當其效應對結構不利時 對由可變荷載效應控制的組合 應取1 2 對由永久荷載效應控制的組合 應取1 35 當其效應對結構有利時 一般情況下取1 0 對結構的傾覆 滑移或漂浮驗算 應取0 9 Q 可變荷載分項系數 一般情況下應取1 4 對標準值大于4kN m2的工業房屋樓面結構的活荷載應取1 3 SGK 按永久荷載標準值計算的荷載效應值 SQiK 按可變荷載標準值QiK計算的荷載效應值 其中SQ1K為諸可變荷載效應中起控制作用者 Ci 可變荷載的組合值系數 應分別按規定采用 注 1基本組合中的設計值僅適用于荷載與荷載效應為線形的情況 2當對無法明顯判斷時 輪次以各可變荷載效應為 選其中最不利的荷載效應組合 3當考慮以豎向的永久荷載效應控制的組合時 參與組合的可變荷載僅限于豎向荷載 2 4極限狀態設計表達式 對于一般排架 框架結構 基本組合可采用簡化規則 并應按下列組合值中取最不利值確定 由永久荷載效應控制的組合 2 4極限狀態設計表達式 偶然組合 荷載效應的組合設計值應按下列規定確定 偶然荷載的代表值不乘分項系數 與偶然荷載同時出現的其他荷載可根據觀測資料和工程經驗采用適當的代表值 2 4極限狀態設計表達式 2 4 2正常使用極限狀態設計表達式 對于正常使用極限狀態 應根據不同的設計目的 分別按荷載效應的標準組合 頻遇組合和準永久組合進行設計 使變形 裂縫等荷載效應的設計值符合下列的要求 Sd CC 設計對變形 裂縫等規定的相應限值 Sd 變形 裂縫等荷載效應組合的設計值 標準組合 頻遇組合 2 4極限狀態設計表達式 準永久組合 f1 可變荷載Q1的頻遇值系數 SQ1K起控制作用的頻遇荷載標準效應值 該組合目前尚未規定具體應用場合 qi 可變荷載Qi的準永久值系數 c f q QK取值請查 荷載規范 表4 1 1 4 1 2 4 3 1 4 4 1 1 4 4 1 2 5 4 1 6 1 5條 7 1 4條 2 4極限狀態設計表達式 第二章例題2 1 例2 1解 一 計算標準荷載效應1 均布恒載gk產生的跨中彎矩MGKMGK 1 8 8 52 25 KN M 2 均布活載qk產生的跨中彎矩MqKMqK 1 8 6 52 18 75 KN M 3 集中可變荷載QK產生的跨中彎矩MQK 1 4 10 5 12 5 KN M 二 荷載效應組合 基本荷載組合 1 可變荷載控制 G 1 2 q Q 1 4M S GMGK qMqK Q c2MqK M 1 2 25 1 4 18 75 1 4 0 7 12 5 68 5 KN M 如用簡化公式計算M 1 2 25 0 9 1 4 18 75 1 4 12 5 69 38 KN M 兩種算法簡化公式略大2 由永久荷載控制 G 1 35 q Q 1 4 c1 c2 0 7M S GMGK q c1MqK Q c2MqKM 1 35 25 1 4 0 7 18 75 1 4 0 7 12 5 64 37 KN M 第二章例題2 1 三 考慮結構重要性系數后 0 1 1按可變荷載控制 0M 1 1 68 5 75 36 KN M 0M 1 1 69 38 76 32 KN M 簡化公式 按永久荷載控制 0M 1 1 64 37 70 81 KN M 第二章例題2 2 例題2 2已知某一框架柱的柱頂截面 在各種荷載作用下的彎矩標準值 組合值系數 c 頻遇值系數 f 準永久值系數 q見表2 2 求正常使用極限狀態下的標準組合 頻遇組合及準永久組合的荷載效應組合設計值Sd 3 受彎構件承載力計算與構造 3 受彎構件承載力計算與構造 板和梁是最常見的受彎構件 受彎構件的破壞主要是在純彎矩M作用下的正截面破壞和彎矩M 剪力Q共同作用下的斜截面破壞 如圖3 1所示 故需進行正截面承載能力計算和斜截面承載能力計算 3 1梁 板的構造3 1 1 3 1梁 板的構造 3 1 1梁的截面 配筋及計算 3 1 1 1梁的截面形式和尺寸 截面形式梁最常用的截面形式有矩形和T形 根據需要還可做成花籃形 十字形 I形 倒T形和倒L形等 如圖3 2 現澆整體式結構 為便于施工 常采用矩形或T形截面 在預制裝配式樓蓋中 為擱置預制板可采用矩形 花籃形 十字形截面 薄腹梁則可采用I形截面 3 1梁 板的構造 截面尺寸 梁的截面高度與跨度及荷載大小有關 從剛度要求出發 根據設計經驗 對一般荷載作用下的梁可參照表3 1初定梁高 梁截面寬度b與截面高度的比值b H 對于矩形截面為1 2 1 2 5 對于T形截面為1 2 5 1 3 為了統一模板尺寸和便于施工 梁截面尺寸應按以下要求取值 梁高為200 250 300 350 750 800mm 大于800mm時 以100mm為模數增加 梁寬為120 150 180 200 220 250 大于250mm時 以50mm為模數增加 3 1梁 板的構造 支承長度當梁的支座為磚墻 柱 時 梁伸入磚墻 柱 的支承長度 當梁高 500mm時 180mm 500mm時 240mm 當梁支承在鋼筋混凝土梁 柱 上時 其支承長度 180mm 3 1梁 板的構造 3 1 1 2梁的配筋梁中的鋼筋有縱向受力鋼筋 彎起鋼筋 箍筋和架立筋 3 1梁 板的構造 縱向受力鋼筋用以承受彎矩在梁內產生的拉力 設置在梁的受拉一側 當彎矩較大時 可在梁的受壓區也布置受力鋼筋 協助混凝土承擔壓力 即雙筋截面梁 縱向受力鋼筋的數量通過計算確定 a 直徑 常用直徑d 10 25mm 當梁