混凝土结构基本知识ppt课件.ppt

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1、1,混凝土结构基本知识一、绪论,2,（一）混凝土结构的定义与分类1.定义：以混凝土为主要材料的结构（体积含量 60%）。2.分类：钢筋混凝土结构 配置受力的普通钢筋，钢筋 网或钢骨架； 预应力混凝土结构配置预应力钢筋的混凝土结 构； 素混凝土结构 配置不受力的钢筋的混凝土 结构。,一、 绪论,3,（二）配筋的作用与要求1.钢筋混凝土的组成：钢筋+混凝土（按一定方式）2.两种材料的基本力学特性： 钢筋 抗拉与抗压强度较高（一般各向同性）； 混凝土抗拉强度远低于其抗压强度（之比 约为10%且各向异性）；,一、 绪论,4,素混凝土梁 承载力低，一开裂即告破坏，破坏前无预兆（为脆性）；钢筋混凝土梁承载

2、力高，混凝土开裂后，其承担的 拉应力转移到钢筋，钢筋屈服后梁才破坏，破坏前有预兆（为延性）。3.配筋的作用：（1）提高结构的承载力；（2）调整结构的破坏形态。,一、 绪论,5,4.讨论：配筋的基本原则：使钢筋在结构中处于受拉；使混凝土在结构中处于受压。5.钢筋与混凝土共同工作的原因：（1）两者之间存在良好的粘结力；（2）它们的线膨胀系数接近，即使存在温差，这 种粘结力也不致破坏。,一、 绪论,6,6.配筋的基本要求（1）钢筋的布置（即在结构中的位置）和数量由计 算确定；（2）在钢筋的端部应有锚固长度或弯钩（常称为构 造要求）。7.总结钢筋混凝土概念的实质：（1）由两种材料组成，力学性能互补。（

3、2）钢筋位置合适，能充分发挥材性。（3）保证共同共作。,一、 绪论,7,钢筋混凝土结构的优点 材料利用合理 钢筋与混凝土的材料强度可充分发挥； 可模性好 适用于各种复杂的结构形式； 耐久和耐火性好 维护费用低； 结构整体性好 有利于结构的抗震、抗爆； 刚度、阻尼大 有利于结构的变形控制； 材料易获得 混凝土材料可就地取材，还可利用工业废 料 作为其原材料，进而保护环境。,一、 绪论,8,材料的发展1.混凝土：强度由低向高发展，自重由大向小发展；2.钢 材：强度由低向高发展，延性大幅度改善；3.外加剂：抗冻，缓凝，防渗，纤维。力学的发展材料力学 结构力学 弹性力学 弹塑性力学 有限元,一、 绪论

4、,9,设计方法的发展允许应力法 破坏阶段法 极限状态法 概率极限状态法我国现行设计方法及规范1.设计方法：近似概率极限状态法；2.规范：混凝土结构设计规范GB50010-2002（以后简称为“规范”）。,混凝土结构的发展与应用情况,一、 绪论,10,混凝土结构基本知识二、钢筋混凝土结构的材料的力学性能,11,（一）混凝土的组成结构1.组成：混凝土=水泥+细骨料（砂）+粗骨料（碎石或鹅卵石）+水+外加剂2.基本力学性质：（1）弹塑性、各向异性（2）水泥+细骨料+水凝胶体（塑性）（3）粗骨料（弹性）3.混凝土的物理力学性能主要反映在两个方面：（1）破坏强度的问题（2）变形的问题,一、混凝土的强度指

5、标,12,（二）单轴向应力状态下的混凝土强度 混凝土构件一般处于多轴向应力状态下，为分析问题方便，先讨论单轴向应力状态下的混凝土的强度。由于混凝土的各向异性性质，其各项强度是不一样的，必须分别讨论。1.混凝土的抗压强度（1）混凝土的立方体抗压强度和强度等级 A. 立方体抗压强度的物理意义：混凝土强度 的基本指标和评定混凝土强度等级的标准,一、混凝土的强度指标,13,B.确定混凝土立方体抗压强度的标准方法 a.标准试件：150mm 150mm150mm的立方体； b.标准制作条件：在温度（203）C和相对湿 度90%以上的环境下，养护28天； c.标准试验方法：试件表面不涂润滑剂、均匀加载 和匀

6、速加“静”载； d.单位：N/mm。,一、混凝土的强度指标,14,C.强度等级 a.确定方法：采用混凝土的立方体抗压强度； b.数值确定：具有95%的保证率； c.工程符号： （ N/mm ），简写形式为C ； d .“规范”的等级范围：C15C80，共14级； e.应用范围：C15C45为普通混凝土，适用于一般的 混凝土结构； C50C80为高强混凝土，适用于预应力 混凝土构件。,一、混凝土的强度指标,15,D.试验方法对立方体抗压强度的影响 a.试件表面是否涂润滑剂：不涂时强度高；涂后强度低，其主要原因是由于“套箍”作用；且破坏形态不一样； b.加载速度：速度快强度高，速度慢强度低（2）混

7、凝土的轴心抗压强度 A.确定混凝土轴心抗压强度的标准方法 a. 标准试件： 150mm 150mm300mm的棱柱体； b. 其余同混凝土立方体抗压强度的标准方法； c. 工程符号： （ N/mm ），,一、混凝土的强度指标,16,B.关于 的讨论 a.高宽比：随着高宽比的增加， 会降低，但高宽比为3时，会稳定； b.混凝土立方体抗压强度与轴心抗压强度的关系：c.国外用圆柱体试件确定混凝土轴心抗压强度。,一、混凝土的强度指标,17,2.混凝土的轴心抗拉强度（1）确定方法：轴心受拉试验和劈裂试验；（2）混凝土轴心抗拉强度约为立方体抗压强 度的1/171/8；（3）在荷载较小时，混凝土即开裂，所以

8、混 凝土结构一般带裂缝工作，混凝土轴心 抗拉强度不起决定作用。,一、混凝土的强度指标,18,复合受力状态下混凝土的强度,双轴应力下的强度,双向正应力下的强度曲线,法向应力和剪应力下的强度曲线,一、混凝土的强度指标,19,（三）复合应力状态下混凝土的强度 1.关于双向应力状态下的强度变化规律 （1）双向受压时，混凝土抗压强度大于单向； （2）双向受拉时，混凝土抗拉强度接近于单向； （3）一向受压和一向受拉时，其抗拉（抗压）强度 均低于相应的单向强度； （4）由于剪应力的存在，混凝土抗压强度低于单向； （5）由于压应力的存在，混凝土抗剪强度有限增加。,一、混凝土的强度指标,20,2.关于三向受压状

9、态下的强度变化规律 结论：三向受压状态下的混凝土抗压强度大 于双向和单向。3.关于实际工程运用 （1）目前“规范”尚无定量计算公式； （2）实际工程中均采用单向强度，但要考虑 复合应力情况，从构造上加以调整。,一、混凝土的强度指标,21,变形的分类：受力变形荷载产生的； 体积变形收缩、膨胀即温差产生的。1.一次短期加载下混凝土的变形性能（1）混凝土受压时的应力-应变关系 实际试验曲线其规律为： a.应力-应变关系为曲线，上升段中仅有一小段直线； b.应力峰值对应的应变约为0.002（基本与等级无关） c.混凝土强度高时其延性越差。,二、混凝土的变形性能,22,一次短期加载下混凝土受压的应力应变

10、曲线,当0.3时， 关系接近于直线； 当=(0.30.8)时， 关系偏离直线； 当=(0.81.0)时，内部微裂缝进入非稳定发展阶段。,峰值应变,极限压应变,混凝土的应力应变曲线,二、混凝土的变形性能,23,（2）混凝土单轴向受压应力-应变曲线的数学模型 A.美国E.Hognestad模型（上升段为二次抛物线，下降 段为斜直线）用于美国ACI规范； B.德国Rsch 模型（上升段为二次抛物线，下降段采 用水平线）被欧盟和中国国家规范参考。（3）三向受压状态下混凝土的变形特点 A.变形特点：侧压力越大，变形能力越好（强度也高）； B.工程意义：设置密排箍筋间接产生侧压力。,二、混凝土的变形性能,

11、24,规范提出的混凝土应力-应变曲线表达式,二、混凝土的变形性能,25,规范中混凝土应力应变曲线参数的确定,二、混凝土的变形性能,26,混凝土的变形模量,初始弹性模量 ：过原点切线的斜率。,切线模量 ：过某一点切线的斜率。,割线模量 ：某一点与原点连线的斜率。,混凝土的变形模量,二、混凝土的变形性能,27,混凝土的收缩和徐变,混凝土在空气中硬化时体积会缩小，这种现象称为混凝土的收缩， 收缩是混凝土在不受外力情况下体积变化产生的变形。,混凝土在长期不变荷载的作用下，其变形随时间而不断增长的现象称为徐变。,二、混凝土的变形性能,28,混凝土的收缩是随时间而增长的变形，早期收缩变形发展较快，两周可完

12、成全部收缩的25%，一个月可完成50%，以后变形发展逐渐减慢，整个收缩过程可延续两年以上。通常，最终收缩应变值约为(25)10-4 ，而混凝土开裂应变为(0.52.7)10-4，说明收缩会导致开裂。,混凝土收缩包括凝缩和干缩两部分，凝缩是由于水泥结晶体比原材料的体积小；干缩是混凝土内自由水分蒸发引起的。,二、混凝土的变形性能,29,混凝土的收缩受结构周围的温度、湿度、构件断面形状及尺寸、配合比、骨料性质、水泥性质、混凝土浇筑质量及养护条件等许多因素有关： 水泥用量多、水灰比越大，收缩越大； 骨料弹性模量高、级配好，收缩就小； 干燥失水及高温环境，收缩大； 小尺寸构件收缩大，大尺寸构件收缩小；

13、高强混凝土收缩大。影响收缩的因素多且复杂，要精确计算尚有一定的困难。在实际工程中，要采取一定措施减小收缩应力的不利影响。,混凝土收缩的影响因素,二、混凝土的变形性能,30,随荷载作用时间的延续，变形不断增长，前4个月徐变增长较快，6个月可达最终徐变的（7080）%，以后增长逐渐缓慢，23年后趋于稳定。,混凝土的徐变,瞬时恢复,弹性后效,残余应变,收缩应变,徐变应变,瞬时应变,徐变会使结构（构件）的（挠度）变形增大，引起预应力损失，在长期高应力作用下，甚至会导致破坏。,31,徐变与混凝土持续应力大小有密切关系，应力越大徐变也越大； 混凝土加载龄期越长，徐变越小； 水泥含量越大，徐变越大； 骨料弹

14、性模量高、级配好，徐变就小； 干燥失水及高温环境，徐变大； 高强混凝土徐变小。,混凝土徐变的影响因素,二、混凝土的变形性能,32,（一）钢筋的品种和级别1.钢筋的分类（1）根据化学成分： A.碳素钢：低碳钢、中碳钢及高碳钢，其特点 是随着含碳量的增加，强度提高，脆性增加； B.普通低合金钢：为改善碳素钢的力学特性， 加入少量合金元素。,三、钢筋,33,（2）根据生产工艺： A.热轧钢筋：在高温下直接轧制成型（如碳 素钢和普通低合金）； B.热处理钢：将热轧钢经过调质（加热、淬火和回火），主要是提高强度，而塑性降低不多； C.冷加工钢筋：将普通热轧钢筋在常温下进行冷拉或冷拔。,三、钢筋,34,（

15、3）根据钢筋外型： A.柔性钢筋：普通钢筋; a.光圆钢筋：表面是光滑的； b.变形钢筋：表面有肋（如月牙肋等）； c.习惯上，直径大于4mm称为钢筋；小于 或等于4mm称为钢丝。 B.劲性钢筋：型钢、钢轨及其组合。（4）根据力学特性： A.软钢：有明显屈服台阶； B.硬钢：无屈服台阶；,三、钢筋,35,2.钢筋的级别(热轧钢筋）（1）分级原则：力学指标；（2）具体分级：级钢，HPB235，强度标准 值为235 N/mm ； 级钢，HRB335，强度标准 值为335 N/mm ； 级钢，HRB400，强度标准 值为400 N/mm ；,三、钢筋,36,3.关于冷加工钢筋（1）冷拉 A.加工方法

16、：在常温下将钢筋拉伸至屈服， 然后卸载； B.力学性质：经过一段时间后，再次拉伸时， 其屈服强度 将增大，但塑性降低； C.时效硬化：被拉伸至屈服点，经过一段时 间后，屈服强 度增加的现象。,三、钢筋,37,（2）冷拔 A.加工方法：在常温下将钢筋拔过比其自身直径小的硬质合 金拔丝模拉伸至屈服； B.力学性质：经过一段时间后，再次拉伸或 压缩时，其屈 服强度将增大，但塑 性降低。,三、钢筋,38,有明显屈服点钢筋的应力应变关系,cd段为屈服台阶df段为强化段,三、钢筋,39,钢筋的双线性理想弹塑性本构模型,三、钢筋,40,无明显屈服点钢筋的应力应变关系,条件屈服点为残余变形为0.2时对应的应力

17、,三、钢筋,41,粘结的意义：确保混凝土与钢筋能共同工作。粘结力的组成1. 化学吸附作用力；2摩阻力；3机械咬合力。光圆钢筋的粘结力主要由前两者组成；变形钢筋的粘结力主要由机械咬合力组成。粘结强度影响粘结强度的因素钢筋的锚固与搭接,钢筋与混凝土的粘结,42,混凝土结构基本知识三、钢筋混凝土结构的设计方法,43,（一）建筑结构的功能要求（1）安全性：在使用年限期间能承受各种作用；（2）适用性：在使用年限期间能良好工作；（3）耐久性：在使用年限期间保持安全和适用。（二）结构的极限状态1.极限状态的一般定义：结构或构件不能满足某一功能要求的特定状态；2.极限状态的物理意义：未达到极限状态则处于有效状

18、态；超过极限状态则处于失效状态。,一、结构设计的基本要求,44,极限状态的分类（1）承载力极限状态：结构或构件丧失承载 能力或不能继续承载的状态；其主要表 现为材料破坏、丧失稳定或结构机动。（2）正常使用极限状态：结构或构件达到正 常使用时的规定限值的状态；其主要表 现为过大变形、裂缝过宽或较大振动；（3）两种极限状态之间的关系：结构或构件 必须进行承载力极限状态计算，必要时 进行正常使用极限状态验算。,一、结构设计的基本要求,45,（一）结构上的作用1.作用的定义：使结构或构件产生效应（内力、应力、位移等）的因素。2.作用的分类：（1）直接作用（如荷载）； （2）间接作用（如温差、不均匀沉降

19、）。,二、结构上的作用、作用效应和结构抗力,46,3.荷载的分类（1）永久荷载：在设计基准期内大小、方向、作用点及形式不随时间变化，或者其变化可忽略不计，通常称为恒载；（2）可变荷载：在设计基准期内大小、方向、作用点及形式等任意因素随时间变化，通常称为活载；（3）偶然荷载：在设计基准期内一般不出现，一旦出现，其值很大且持续时间很短。,二、结构上的作用、作用效应和结构抗力,47,4.荷载的标准值（1）荷载标准值的定义：具有一定概率的最大荷载值；（2）确定方法：荷载标准值为其平均值加上 1.645倍标准差，此时所对应的出现概率为95%。（二）结构的功能要求1.结构的安全等级（1）确定原则：根据破坏

20、后果的严重性；（2）等级标准：,二、结构上的作用、作用效应和结构抗力,48,2.结构的使用年限（1）结构使用年限的概念：结构保持规定的可靠性的时间；（2）结构使用年限的规定： A.一般房屋结构为50年； B.桥梁结构和水工结构超过50年，可根据业主要求确定； C.结构使用时间超过规定的年限后，可靠性降低，但不一定不能用。,二、结构上的作用、作用效应和结构抗力,49,结构的可靠度（1）传统方法存在的问题：缺乏科学性（2）发展方向：应采用概率来描述结构的可 靠性。,三、 概率极限状态设计方法,50,（3）结构的可靠性：结构在规定的时间内和 规定的条件下完成预定功能的能力；（4）结构的可靠度：结构在

21、规定的时间内和 规定的条件下完成预定功能的概率；（5）规定的时间：设计基准期；（6）规定的条件：正常设计、正常施工和正 常使用。,三、 概率极限状态设计方法,51,3.极限状态方程（1）极限状态函数：Z=R-S 上式中，R表示结构构件抗力，它与材料的力学指标及材料用量有关；S表示作用（荷载）效应及其组合，它与作用的性质有关；（2）极限状态函数中各量的数学意义： R和S均可视为随机变量，Z为复合随机变量，它们之间的运算规则应按概率理论进行。,三、 概率极限状态设计方法,52,（3）极限状态函数的物理意义： Z=R-S0，结构处于可靠状态； Z=R-S=0，结构处于极限状态； Z=R-S0，结构处

22、于失效状态；,三、 概率极限状态设计方法,53,可靠指标和失效概率（1）失效概率的求解 根据极限状态函数，由概率论可知如下关系成立： (a) ，为失效概率； (b) ，为可靠概率； (c) ，失效和可靠一定发生。,三、 概率极限状态设计方法,54,关于目标可靠指标 a.目标可靠指标：结构设计必须达到的指标； b.目标可靠指标与安全等级的关系： c.延性破坏：破坏前有预兆； d.脆性破坏：破坏前无预兆。,三、 概率极限状态设计方法,55,（一）承载能力极限状态设计表达式 上式的物理意义为：荷载效应设计值不超过抗力的设计值；,四、 极限状态实用设计表达式,56,（二）关于承载能力极限状态设计表达式

23、的可靠性1.可靠性的评价包含在三类分项系数之中，即 结构构件重要性系数 ； 荷载分项系数 ； 材料分项系数 ；2.分项系数的确定原则：由实用设计表达式求得的可靠指标满足目标可靠指标的要求。3.引入分项系数的原因：利用积分求解失效概率困难、计算可靠指标麻烦且不便工程师设计。,四、 极限状态实用设计表达式,57,（三）正常使用极限状态设计表达式1.表达式：类似承载力极限状态表达式，但是将分项系数全取为1.0；2.理由：正常使用极限状态仅用于验算，所以可降低可靠度；（四）按极限状态设计时材料强度和荷载的取值1.材料强度标准值等于其均值减去1.645倍标准差； 由概率论知，保证率为95%；(钢筋与砼不同）2.荷载标准值等于其均值加上1.645倍标准差； 由概率论知，保证率为95%；,四、 极限状态实用设计表达式,58,3.材料和荷载分项系数根据目标可靠指标确定， 且均大于1.0；4.标准值与设计值之间的关系（1）材料强度：设计值=（标准值）/分项系数；（2）荷载：设计值=（标准值）*分项系数。5.运用范围（1）设计值用于承载力极限状态计算；（2）标准值用于正常使用极限状态验算,四、 极限状态实用设计表达式,59,