混凝土结构设计原理1.docx

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1、混凝土结构基本原理13章教案第一章绪论内容的分析和总结本章主要叙述了混凝土结构的一般涵义，结构中配置钢筋的作用和要求以及钢筋混凝土 结构的优缺点。此外介绍了混凝土结构的进展和应用前景。使学习者对混凝土结构有一个总 体概念，并且阐述了本课程的特点和学习本课程应留意的问题。学习的目的和要求L学习目的通过对本章的学习，主要理解钢筋混凝土中配筋的作用和对配筋的基本要求，了解钢筋 混凝土结构的优缺点，理解钢筋和混凝土共同工作的机理，了解混凝土结构的进展状况和学 习本课程应当留意的问题。2.学习要求(1)理解配筋的主要作用及对配筋的基本要求。(2) 了解结构或构件脆性破坏类型和延性破坏类型。(3) 了解钢

2、筋混凝土结构的主要优缺点及其进展简况。(4)把握本课程的主要内容、任务和学习方法。1-1混凝土的一般概念和特点一、混凝土结构的一般概念(P2图1 1)混凝土：水泥、砂、碎石制作的人造石材，简写为砂。1 .混凝土结构ConCreteStrUCtUre,以混凝土为主制成的结构，包括： 素混凝土结构 plain concrete structure,由无筋或不配置受力钢筋的混凝土制作的结构。 钢筋混凝土结构 reinforced concrete structure,由配置受力的一般钢筋、钢筋网或钢筋骨架的混凝土制作的结构。 预应力混凝土结构 prestressed concrete structu

3、re由配置预应力钢筋，再通过张拉或其他方法建立预加应力的混凝土制成的结构。2 .钢筋混凝土结构 reinforced concrete structure, 钢筋混凝土结构是由钢筋和混凝土依据肯定方式结合而成的结构。 混凝土的抗压强度高，抗拉强度却很低(ftfc10),受拉时极易开裂。 钢材的抗拉、抗压强度都很高。 配筋的作用：不仅可以提高结构承载力，而且可以改善结构受力性能。图1-1 简支梁二、钢筋和混凝土共同工作的主要缘由1 .混凝土结硬后，钢筋与混凝土之间产生了良好的粘结力，使两者共同受力。2 .钢筋和混凝土的温度线膨胀系数相近，因此不会产生较大的相对变形。钢筋：=L210-5C;混凝土

4、： a=l.O-L5lO-50C三、混凝土结构的组成及构件分类1 .混凝土结构的组成混凝土结构由受力构件组成：楼板、梁、柱、墙、基础等。（图1-2）2.混凝土结构的基本构件（图1-3）产杆 产,曲杆梁（受弯、受剪、受扭）柱（受压、压弯）拱（受压、受弯）曲梁（受弯、受剪、受扭）基本构出平板（板（受弯）板 ,墙（受压、受弯）,曲板拱（受压、受弯）1块体一独立基础（受压、冲切）图1-3 基本构件类型 四、钢筋混凝土结构的优缺点1 .优点：就地取材，耐久性好，耐火性好，整体性好， 可模性好，刚性大，节省钢材。2 .缺点：自重大，抗裂度差，费工大，用木材多，施工工期长， 隔热隔音性能差，加工拆修困难。1

5、-2钢筋混凝土的进展简况及应用（P3）一、材料和配筋方式的新进展1.高强钢筋和高强混凝土：用于大跨、重型、高层建筑，减轻结构自重，节省钢材。钢筋：常用强度210500Nmm2,国外常用热轧钢强度达600900 NZmm2,热处理钢筋 达 12501450 Nmm21,混凝土：常用混凝土强度2040Nmm2,高强混凝土可达80100 Nmn2.预应力混凝土：克服钢筋混凝土结构易裂的特点，拓宽了其结构应用。可用于大跨结构、高层建筑、桥梁隧道、海洋结构、压力容器。3 .轻质混凝土：可用于承重结构，减轻自重。有利于进展高层建筑、大跨结构，并改善结 构抗震性能。, 一般混凝土： =25kNm3;轻质混凝

6、土： =1418kNm3 C20、C25 C30、C35、C40、C45 C50、C55、C60、C65、 C70、C75 C80等十四级。尺寸效应：不同尺寸试件的强度转化为150mm试件强度的换算系数为： 200200 X 200mm 的试件为 1.05； IOoXlooXloOmm 的试件为 0.95。2.轴心抗压强度启（图2-3）采纳尺寸为150 150450mm的棱柱体试件。其特点是受力状态接近实际工程中的受压构件；消退试验机压板摩擦力的影响。人与AS关系：-试验所得平均值：启=sh对WC50取=0.76, C80取=0.82,中间直线插值。V考虑脆性影响取折减系数（X2,对C40取2

7、=1.0,对C80取a2=0.87,中间直线插值。I考虑制作养护条件及长期荷载影响取折减系数0.88： A=088aat-tt2.抗拉强度工（图24）Ol图2-4 混凝土抗拉强度试验E与feu关系：试验所得平均值：/ =0.395/黑(1-1.64阴阴法律规范取：ft = 0.880.395)045 X a2表2-3混凝土强度标准值4.1.3混凝土强度标准值(Ne2)强度种类符号混凝土强C15C20C25C30C35轴心抗压轴心抗拉A A10.01.2713.41.5416.71.7820. 12.0123.42. 20R表4.1.3消2凝土强度标为二值(Nm2)度等级C40C45C50C55

8、C60C65C70C75C8026.82. 4029.62.5132.42. 6535.52. 7438.52. 8541.52.9344.53.0047.43. 0550.23.10三、复合应力状态下混凝土的强度(图2-5)1 .双向正应力下强度双向受压：一向的受压强度随另一向压应力的增大而增大。 一拉一压：一向的强度随另一向应力的增大而降低。双向受拉：强度变化不大。2 .单轴正应力与剪应力的复合强度剪切强度随拉应力的增大而降低、随压应力的增大而提高，但压应力大于0.帆时又下降。抗压强度由于剪应力存在而下降。3 .三向受压强度：Ol=叉.+4.16混凝土的一向抗压强度受另二向压应力的增加而增

9、加，且极限应变也大大增加。（a）混凝土的三向受力强度（b）混凝土的双向受力强度（O健凝土在。及T作用F的复合强度曲线图2-5 混凝土的复合受力强度五、混凝土的变形性能1.混凝土在一次短期加荷时的变形性能 荷载下变形含弹性变形（卸荷可恢复）和塑性变形（卸荷不行恢复） -曲线（图2-6） 混凝土强度等级对应力一应变曲线的影响（图2-7）： 混凝土等级高则峰值高，曲线短，延性差； 混凝土等级低则峰值低，曲线平缓而长，延性好。 不同等级混凝土对应的峰值应变接近。 加载速度对应力一应变曲线的影响（图2-8）： 加载速度快，峰值高，对应峰值的应变小，曲线陡。图2-7不同混凝土强度的O-曲线 图2-8 不同

10、应变速度下的。一曲线 匀称受压时，O=IA时构件即破坏， = 0.0015-0.0025；非匀称受压时，由于相邻纤维之 间有卸荷作用，受压区外边缘应变达 = max时构件才破坏，m= 0.0020.006。 o一曲线数学模型(图2-9)(a)美国E-Hognestad模型(b)西德Rusch模型图2-9。一曲线数学模型 混凝土受拉时的o一曲线与受压时相像,但峰值应力、应变均相应小,皿=0.00010.00015。混凝土受压时的纵向应变&u和横向应变Sch 混凝土横向变形系数：vc=chcu 在oW0.5f时，试件大体处于弹性阶段，VC值近似为常数，取VC=O.2。 在。0.5/以后，VC值突然

11、增大，表明试件处于塑性阶段。(图2-10)图2-10应力与横向变形系数的关系混凝土的变形模量和弹性模量(图2-11) 混凝土的原点弹性模量Ec=tgo 混凝土的切线模量Ec ,=dd=tga 混凝土的割线模量 Ec=c=(s+l )=tga EC和EJ的关系为E=vEc, V为弹性特征系数，V与应力o的大小有关: 。=0.，V=O.80.9; c=0.9A, v=0.40.8 弹性模量Ee的确定：棱柱体试件，c=0.5A,重复加卸载510次，得: EC= 105/ (2.2+34.74jt)(Nmm2) 混凝土受拉弹性模量取受压弹性模量相同数值。混凝土的剪切模量Gc弹性理论：G=。取Vc =0

12、.2,则有Gc=0.4Ec2（1+ q）2 .混凝土在重复荷载作用下的变形性能混凝土一次加荷卸荷的。一曲线（图2-12a）为环形。混凝土在多次重复荷载作用下。一曲线（图2-12b） 若/05%非线性徐变。c0.8非收敛性徐变。 内在因素：i .水泥用量越多，水灰比越大，徐变越大。ii .骨料级配越好，骨料越坚硬，徐变越小。iii .加荷时混凝土龄期越短，混凝土中水泥凝胶体越多，徐变越大。环境影响：使用时温度越高，湿度越大，则徐变也越小。Io,)2402202001801401201008060402004 收缩加徐变图2-14混凝土的徐变与应力的关系4.混凝土的收缩变形定义：混凝土在空气中结硬

13、时体积减小的现象称为收缩。规律：收缩变形的进展也是先快后慢，半月完成25%, 一个月完成50%, 3个月后渐渐缓 慢，2年完成最终收缩值25X1（4,对一般混凝土取3X10。钢筋混凝土取1.5 XIOq.时间那图2-15 混凝土的收缩产生缘由 水泥凝胶体结硬引起体积的凝缩。 混凝土内游离水分蒸发逸散引起的干缩。危害 收缩受外部支座或内部钢筋约束时，将在混凝土中产生拉应力，甚至导致混凝土产生收 缩裂缝。 在预应力混凝土结构中产生预应力损失。 使某些对跨度变化比较敏感的超静定结构产生不利内力。影响因素 环境因素方面 混凝土制作方法和组成方面5.混凝土的温度变形混凝土的温度线膨胀系数为（1.01.5

14、） XlO-5,温度变化会产生变形及温度内力。大体积混凝土应实行适当措施，以减小附加应力和变形。2-2钢筋的物理力学性能（P21）一、钢筋的成分、品种和级别低碳钢：含碳量025%碳素钢 J 中碳钢：含碳量0.250.6%1 .化学成分1I高碳钢：含碳量0.61.4%一般低合金钢：在低中碳钢中加入少量的锌、钮、钛、硅等元素。r热轧：分I、II、HI、IV级，有明显流幅，伸长率较大。r钢筋1 冷拉：分I、II、HI、IV级，强度提高，3降低，塑性降低。I热处理：V级，强度大幅度提高，塑性降低不多。2 .级别品种Ir冷拔低碳钢丝冷拔钢丝c光面钢丝I0时RS,结构处于平安状态。当Z0时R0, RS）的

15、概率称为牢靠概率总。结构不能完成预定功能（Z0, RS）的概率为失效概率6。则有 Pf = P（Z = R - SWo） = J（Z）dZ Ps=l-Pfo建筑结构统一标准（GBJ68-84）规定一般工业与民用建筑的失效概率不得超过下述限 值：延性破坏结构：图=6.9xl07脆性破坏结构：60.以10-4五、牢靠指标和目标牢靠指标1 .牢靠指标 （图3-1） 设随机变量R、S、Z均为正态分布。 NZ=NR-Ns，%=加/+%2 , 则夕=产JXZSrOz +5 越大，？值越小；反之，越小，？值越大。表3-12.73.23.74.2Pf3.5x10-36.910-4LlxlO-41.31052

16、.目标牢靠指标结构设计时，应使与之相对应B23 .建筑物平安等级表3-2建筑结构的平安等级及目标牢靠指标建筑结构 平安等级破坏后果建筑物类型结构重要性系数几承载力量极限状态的牢靠指标延性破坏类型脆性破坏类型一级很严峻重要工业与民用建筑1.13.74.2二级严峻一般工业与民用建筑1.03.23.7三级不严峻次要工业与民用建筑0.92.73.23-2荷载和材料强度取值（P45）一、荷载代表值及其取值1 .荷载标准值G八Qk永久荷载标准值一般取其概率分布的平均值。可变荷载标准值取最大荷载概率分布的某一分位值（保证率95%）。2 .可变荷载组合值：Q=cQk （组合系数的WLO）3 .可变荷载准永久值

17、：Qq=q Qk （准永久系数WgWLO）二、材料强度取值1 .钢筋强度钢筋标准强度:取屈服强度平均值减去两倍标准差-八，其保证率为97.73%。钢筋设计强度：以标准强度除以材料强度分项系数小。产1.2）而得。2 .混凝土强度混凝土强度标准值：取其强度平均值减去1.645倍标准差，AG= 九-1.645。九，其 保证率为95%o混凝土强度设计值：以强度标准值除以材料强度分项系数大仇=L4）而得。3-3概率极限状态有用设计表达式（P39）一、承载力量极限状态设计表达式1.按荷载效应基本组合设计时，极限状态设计并表达式为：0sR内力组合设计值S可变荷载效应掌握的组合，表达为:S = VgGG +

18、“CqiQa + EyQWCiCQQiki=2对于一般排架、框架结构可采纳简化公式：S YgCgGk+ YqqQkS = 7GCGG + O.疙.CQjQ欣/=1由永久荷载效应掌握的组合，表达为：S = gCgGr + EyQWCSQQki=2结构构件的承载力设计值R=R （fc, fy, ak,）2.按荷载效应偶然组合设计时，极限状态设计表达式及各系数值，见有关特地法律规范。 二、正常使用极限状态设计表达式荷载效应标准组合：SS = CoGk + CQlQM +之WCiCQQjk（永久+可变）i=2该组合相当于全部荷载标准值所产生的荷载效应的组合。荷载效应准永久组合：SS = CgGr+之外

19、CQQik（永久+准可变）=1该组合相当于荷载标准值长期作用的哪一部分所产生的荷载效应的组合。小结：（1）结构上的作用是施加在结构上的各种荷载以及引起结构产生内力或变形等效 应的各种因素的总称。结构物上的作用分为直接作用和间接作用两种。其中直接作用亦称荷 载。荷载分恒载（永久荷载）和活载（可变荷载）两种。活荷载有标准值、组合值、准永久 值三种代表值，分别用于极限状态设计中的不同场合，其中标准值是荷载的基本代表值。（2）整个结构或结构的某一部分超过某一特定状态，称为结构的极限状态，此时就不 能满意平安、适用或耐久性要求。结构的极限状态划分为承载力极限状态和正常使用极限状 态两类。设计任何钢筋混凝

20、土结构或构件时，都必需进行承载力计算。同时还要求对正常使 用极限状态进行验算，以确保结构对平安、适用和耐久性的要求。（3）设计任何建筑物和构筑物时，都必需保证其在规定时间内（一般为50年）在规定 条件下完成预定功能（平安、适用、耐久）的概率大于某一规定的数值，或者说，要求其在 规定的时间内在规定的条件下失败的概率小于某一规定的数值。发生状况兄S0的概率称为 结构的失效概率。结构不失效的保证率，称为结构的牢靠度。失效概率与牢靠指标B之间有 着内在联系，所以可用B表示结构的牢靠度。我们我国依据结构的平安等级和破坏类型，规 定了按承载力量极限状态设计时的目标牢靠指标方值。为了有用，用结构重要性系数，荷载 分项系数、材料分项系数等来表达,得出供结构设计用的近似概率极限状态设计法及相应 的表达式。（4）按不小于95%的保证率确定材料强度和荷载效应的标准值。材料强度的标准值除 以材料分项系数后即为其设计值。荷载效应的标准值乘以荷载分项系数后即为荷载效应设计 值。在承载力量极限状态表达式中，均采纳荷载效应和材料强度的设计值，考虑多个活载最 大值不肯定同时发生，引入了组合系数。正常使用极限状态表达式中，永久荷载和材料强度 均用标准值，当按荷载短期效应组合时，可变荷载采纳组合值，按荷载长期效应组合时，可 变荷载采纳准永久值。