钢筋 教案.docx
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钢筋教案
授课
班级
17级建筑工程施工技术
首次
授课时间
第周
课题
（章节）
单元0绪论
教学
目的
要求
1、了解钢筋混凝土和砌体结构的概念
2、钢筋混凝土结构和砌体结构的特点
3、熟悉钢筋混凝土与砌体结构的发展
教学
重点
难点
钢筋混凝土结构和砌体结构的特点
教学
方法
讲授为主，结合多媒体教学
教学
资源
多媒体
教学内容
0.1钢筋混凝土和砌体结构的概念
0.1.1建筑结构的概念
建筑结构是指建筑物中由承重构件（梁、柱、桁架、墙、楼盖和基础）所组成的结构体系，用以承受作用在建筑物上的各种荷载，故应具有足够的强度、刚度、稳定性和耐久性，从而满足使用要求。
根据所用材料的不同，常见的建筑结构有钢筋混凝土结构、砌体结构、钢结构和木结构等。
0.1.2混凝土结构及砌体结构的概念
以混凝土为主制成的结构称为混凝土结构，混凝土结构广泛应用于土木工程建设中。
0.1.3砌体结构的概念和分类
由块材和砂浆砌筑而成的结构称为砌体结构。
根据砌体的受力性能可分为无筋砌体和配筋砌体
0.2钢筋混凝土结构和砌体结构的特点
0.2.1钢筋混凝土结构的特点
1.钢筋混凝土结构的优点
优点：
就地取材
用材合理
耐久性好
耐火性好
整体性好
可模性好
阻止射线的穿透
缺点：
自重大
易开裂
耗模板
施工工序多、周期长，
且易受天气、季节影响
拆除、改造难度大
二、.钢筋混凝土结构的诞生
*1824年，英国人J.Aspdin发明了波特兰水泥，有了混凝土；
*1849年，法国人L.Lambot用水泥砂浆涂在钢丝网的两面做成小船----最早的钢筋混凝土结构；
*1861年，法国花匠J.Monier花盆专利，钢筋混凝土板、管道、拱桥等专利----他被认为是钢筋混凝土结构的发明者；
*1866年，德国学者发表了计算理论和计算方法，1887年又发表了试验结果，并提出了钢筋应配置在受拉区的概念和板的计算方法。
此后，钢筋混凝土的推广应用有了较快的发展。
1890年在旧金山建造了一幢两层高、321英尺（95m）长的钢筋混凝土美术馆。
从此以后，钢筋混凝土在美国获得了迅速的发展。
从20世纪30年代开始，材料性能的改善，结构形式的多样化，施工方法的革新，计算理论和设计方法的完善等多方面开展了大量的研究工作，工程应用十分普遍，使钢筋混凝土结构进入了现代化阶段。
2.材料方面的发展
•强度不断提高
美国20世纪60年代混凝土抗压强度平均值：
28N/mm2，70年代：
42N/mm2，现在试验室中：
200N/mm2以上
•轻质混凝土的应用
容重一般为：
14kN/m3~18kN/m3（普通混凝土为24kN/m3），加气混凝土、陶粒混凝土、火山岩混凝土、碎砖混凝土等
•FRP筋的应用
用FRP筋代替钢筋
课程性质：
1.《钢筋混凝土结构》是土木工程专业最主要的一门专业基础课，
2.是一门关键的学位课程，
3.是报考结构工程硕士研究生的考试课程或复试课程，
4.该课程的实践性强（后续包含1个课程设计），实用性强，与该专业的毕业设计有着很大的联系，
5.今后报考“注册结构工程师”的一门难度较大的科目。
授课
班级
17级建筑工程施工技术
首次
授课时间
第周
课题
（章节）
项目1钢筋和混凝土材料的力学性能
材料的力学性能
钢筋和混凝土
材料的力学性能
教学
目的
要求
1了解材料试验的基本规程和标准；
2充分认识钢筋的品种、级别与形式，钢筋的力学性能及其强度指标；
3理解复合应力作用下的强度以及混凝土的变形；
4、理解钢筋的连接及其基本构造要求；
5、掌握混凝土在单向应力作用下的强度及其准值；
6、能根据施工图纸和施工实际条件，明确结构施工图中混凝土的强度等级和各种钢筋的名称、作用。
教学
重点
难点
能根据施工图纸和施工实际条件，明确结构施工图中混凝土的强度等级和各种钢筋的名称、作用。
教学
方法
讲授为主，结合多媒体教学
教学
资源
多媒体
教学内容
一、钢筋的物理力学性能
1.钢筋的成分、级别和品种
碳素钢（铁、碳、硅、锰、硫、磷等元素）
普通低合金钢（另加硅、锰、钛、钒、铬等
按加工方法热轧钢筋：
由低碳钢和普通低合金钢在高温状态下轧制而成
冷拉钢筋：
由热轧钢筋在常温下用机械拉伸而成
热处理钢筋：
将HRB400、RRB400钢筋通过加热、淬火、回火而成
碳素钢丝：
钢筋通过多次冷拔、应力消除、矫正、回火处理而成
刻痕钢丝：
在钢丝表面刻痕，以增强其与混凝土间的粘结力
钢绞线：
几根相同直径的钢丝成螺旋状铰绕在一起
钢厂提供的钢筋直径为6mm，6.5mm，8mm，8.2mm，10mm，12mm，14mm，16mm，18mm，20mm，22mm，25mm，28mm，32mm，36mm，40mm和50mm。
其中，d=8.2mm的钢筋仅适用于有纵肋的热处理钢筋。
设计时，应在表1-1的直径范围和上述提供的直径内选择钢筋。
当采用直径大于40mm的钢筋时，应有可靠的工程经验。
2.钢筋的应力-应变曲线
有明显屈服点的钢筋（或软钢）的力学性能
无明显屈服点的钢筋
3.钢筋的弹性模量
钢筋在弹性范围内的应力与应变的比值，称为弹性模量，用符号Es表示，常用钢筋的弹性模量见表1.10。
1.2.3钢筋与混凝土共同工作
1.钢筋混凝土结构共同工作原因
钢筋和混凝土是两种物理力学性质不同的材料，它们在钢筋混凝土结构中之所以能够共同工作，是因为如下原因。
（1）钢筋表面与混凝土之间存在黏结作用。
（2）钢筋和混凝土的温度线膨胀系数几乎相同（钢筋为1.2×10-5℃，混凝土为1.0×10-5～1.5×10-5℃），在温度变化时，二者的变形基本相等，不致破坏钢筋混凝土结构的整体性。
（3）钢筋被混凝土包裹着，从而使钢筋不会因大气的侵蚀而生锈变质。
2.黏结强度及影响因素
钢筋的黏结强度通常采用直接拔出试验来测定，为了反映弯矩的作用，也用梁式试件进行弯曲拔出试验。
由直接拔出试验，钢筋和混凝土之间的平均黏结应力τ可表示为
式中
N——钢筋的拉力；
d——钢筋的直径；
l——黏结长度。
黏结强度主要影响因素有以下几个方面。
混凝土强度
钢筋净间距
保护层厚度
横向配筋
侧向压应力
浇筑混凝土时钢筋的位置
钢筋的直径与外形
3.保证钢筋与混凝土间的黏结措施
《混凝土结构设计规范（2015年版）》（GB50010-2010）采用不进行黏结计算，用构造措施来保证混凝土与钢筋黏结。
保证黏结的构造措施有如下几个方面：
①保证最小搭接长度和锚固长度。
②满足钢筋最小间距和混凝土保护层最小厚度的要求。
③钢筋的搭接接头范围内应加密箍筋。
④钢筋端部应设置弯钩。
⑤在浇注深度较大的混凝土构件时，应分层浇注或二次浇捣。
⑥一般除重锈钢筋外，可不必除锈。
（1）基本锚固长度
（2）《混凝土结构设计规范（2015年版）》（GB50010-2010）规定，纵向受拉钢筋的锚固长度作为钢筋的基本锚固长度lab，它与钢筋强度、混凝土抗拉强度、钢筋直径及外形有关，可按下式计算，即
（3）式中lab——受拉钢筋的基本锚固长度；
（4）fy——钢筋抗拉强度设计值；
（5）ft——混凝土轴心抗拉强度设计值，当混凝土强度等级高于C60时，按C60取值；
（6）d——钢筋的公称直径；
（7）α——锚固钢筋的外形系数，见表1.11。
钢筋的锚固可采用机械锚固的形式，主要有弯钩、贴焊钢筋及焊锚板等。
采用机械锚固可以减少锚固长度。
纵向受拉普通钢筋的锚固长度修正系数ζa应根据钢筋的锚固条件按下列规定取用：
①当带肋钢筋的公称直径大于25mm时取1.10。
②环氧树脂涂层带肋钢筋取1.25。
③施工过程中易受扰动的钢筋取1.10。
④当纵向受力钢筋的实际配筋面积大于其设计计算面积时，修正系数取设计计算面积与实际配筋面积的比值，但对有抗震设防要求及直接承受动力荷载的结构构件，不应考虑此项修正。
⑤锚固区保护层厚度为3d时修正系数可取0.80，保护层厚度为5d时修正数可取0.70，中间按内插取值，此处d为纵向受力带肋钢筋的直径。
当锚固钢筋保护层厚度不大于5d时，锚固长度范围内应配置横向构造钢筋，其直径不应小于d/4；对梁、柱等杆状构件间距不应大于5d，对板、墙等平面构件间距不大于10d，且均不应小于100mm，此处d为锚固钢筋的直径。
当纵向受拉普通钢筋末端采用钢筋弯钩或机械锚固措施时，包括弯钩或锚固端头在内的锚固长度（投影长度）可取为基本锚固长度lab的0.6倍。
钢筋弯钩和机械锚固的形式和技术要求应符合表1.12及图1.16的规定。
混凝土结构中的纵向受压钢筋，当计算中充分利用钢筋的抗压强度时，受压钢筋的锚固长度应不小于相应受拉锚固长度的0.7倍。
4.钢筋的连接
焊接
绑扎搭接
机械连接
授课
班级
17级建筑工程施工技术
首次
授课时间
第周
课题
（章节）
项目2钢筋混凝土结构的设计方法
钢筋混凝土
结构的设计方法
材料的力学性能
钢筋和混凝土
材料的力学性能
教学
目的
要求
了解结构设计的功能要求以及以概率理论为基础的极限状态设计方法；
了解作用的分类、作用的代表值、作用的标准值与设计值；
了解材料强度的标准值、设计值及其在计算中的应用；
理解结构上的作用、作用效应、结构抗力及其分布概率；
7、理解内力组合的含义；
8、能够对一般工程结构上作用的荷载进行正确的分析。
9、掌握混凝土在单向应力作用下的强度及其准值；
10、能根据施工图纸和施工实际条件，明确结构施工图中混凝土的强度等级和各种钢筋的名称、作用。
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重点
难点
能够对一般工程结构上作用的荷载进行正确的分析。
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方法
讲授为主，结合多媒体教学
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教学内容
2.1结构设计的基本要求
2.1.1结构的功能要求
建筑结构是为了满足某些预定功能而设计的，结构设计的目的是使得所设计的结构能满足各种预定的功能要求，主要包括以下三个方面。
安全性，适用性，耐久性
上述结构的三方面的功能要求统称为结构的可靠性，即结构在规定的时间内（如设计基准期为50年），在规定的条件下（如正常设计、正常施工、正常使用和正常维护），完成预定功能的能力。
房屋建筑结构的安全等级，应根据结构破坏可能产生的后果的严重性按表2.1划分。
表2.1房屋建筑结构的安全等级
注：
房屋建筑结构抗震设计中的甲类建筑和乙类建筑，其安全等级宜规定为一级；丙类建筑，其安全等级宜规定为二级；丁类建筑，其安全等级宜规定为三级。
房屋建筑结构的设计基准期为50年。
设计基准期与结构的寿命并不等同。
因为当使用年限达到或超过设计基准期后并不意味着结构就要报废，不能再使用了，而只是指它的可靠性在逐渐降低。
房屋建筑结构的设计使用年限，应按表2.2采用。
表2.2房屋建筑结构的设计使用年限
2.1.3结构的极限状态
整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求，则此状态称为该功能的极限状态。
对结构的各种极限状态，均应规定明确的标志或限值。
结构设计时应对结构的不同极限状态进行计算或验算；当某一极限状态的计算或验算起控制作用时，可仅对该极限状态进行计算或验算。
2.1.4混凝土结构设计方法
结构设计时，应针对不同的极限状态，根据结构的特点和使用要求给出具体的标志和限值，作为结构设计的依据。
这种相应于结构各种功能要求的极限状态，作为结构设计依据的设计方法，就称为极限状态设计法。
为了保证结构的可靠性，以前的设计方法是在荷载及材料性能采用定值的基础上，再考虑一定的安全系数。
这种方法没有考虑荷载和材料性能的随机变异性。
实际上，各种荷载引起的结构内力与结构的承载力和抵抗变形的能力，均受到各种偶然因素的影响，都是随时间或空间变动的非确定值。
在结构设计中考虑这些因素的方法就称为概率设计法，它与其他各种从定值出发的安全系数理论有本质的区别。
我国《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB50068-2001）确定采用以概率极限状态设计法为结构设计的主要方法，并以这种方法为基础，制定了实用设计表达式以方便工程设计，称为极限状态设计表达式。
2.2结构上的作用、作用效应和结构抗力
2.2.1结构上的作用与分类
结构上的作用可按其值随时间的变化进行分类：
（1）永久作用（permanentaction）：
在结构使用期间，其值不随时间变化，或其变化值与平均值相比可以忽略不计的作用，称为永久作用。
（2）可变作用（variableaction）：
在结构使用期间，其值随时间变化，且其变化值与平均值相比不可忽略的作用，称为可变作用。
（3）偶然作用（accidentalaction）：
在结构使用期间内不一定出现，一旦出现，其值很大且持续时间较短的作用称为偶然作用。
此外，还可以按以下方式分类：
按其值随空间的变化分类，可分为固定作用和自由作用；按结构的反应特点分类，可分为静态作用和动态作用；按有无限值分类，可分为有界作用和无界作用等。
结构上的作用随时间变化的规律，宜采用随机过程的概率模型来描述，但对不同的问题可采用不同的方法进行简化。
2.2.2荷载的代表值
在结构设计时，应根据各种极限状态的设计要求采用不同的荷载代表值。
在结构设计中，常见的荷载代表值有以下几种。
荷载标准值
荷载准永久值
荷载频遇值
荷载组合值
2.2.3作用效应S
作用效应（effectofaction）就是由作用引起的结构或结构构件的反应，用符号S表示。
例如，内力、变形和裂缝等。
作用效应（或荷载效应）除了与荷载数值大小、分布的位置、结构尺寸及结构的支承约束条件等有关外，还与作用效应的计算模式有关。
而这些因素都具有不确定性，因此它是一个随机变量。
2.2.4结构抗力R
结构抗力是指整个结构或结构构件承受作用效应（即内力和变形）的能力，用符号R表示。
结构抗力主要与结构构件的几何尺寸、配筋数量、材料性能以及抗力的计算模式与实际的吻合程度有关，由于这些因素也都是随机变量，因此结构抗力显然也是一个随机变量。
2.2.5材料强度标准值
各种材料强度标准值fk的取值原则是：
在符合规定质量的材料强度实测总体中，标准强度应具有不小于95％的保证率，即按概率分布的0.05分位数确定。
混凝土强度标准值，如项目1所述，混凝土强度等级是由混凝土立方体强度标准值fcu,k确定的，即fcu,k=μf,cu-1.645σf,cu，保证率为95％。
假定混凝土轴心抗压强度及轴心抗拉强度的变异系数与立方体强度的变异系数相同，则混凝土轴心抗压强度标准值fck及轴心抗拉强度标准值ftk可由强度平均值与立方体强度试验平均值之间的关系得出。
各种强度混凝土的fck、ftk详见《混凝土结构设计规范（2015年版）》（GB50010-2010）。
关于钢筋强度的标准值，由于国家标准规定的热轧钢筋的屈服强度绝大多数符合保证率不小于95％的取值要求，为了使结构设计采用的钢筋强度与国家规定的钢筋出厂检验强度相一致，《混凝土结构设计规范（2015年版）》（GB50010-2010）以国家标准规定的屈服强度废品值（保证率为97.75％）作为确定钢筋强度标准值的依据。
2.2.6材料强度设计值
混凝土强度设计值
钢筋强度设计值
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项目3受弯构件正截面承载力计算
截面承载力计算钢筋混凝土
结构的设计方法
材料的力学性能
钢筋和混凝土
材料的力学性能
教学
目的
要求
了解钢筋混凝土适筋梁受力破坏过程中三个阶段的特点和各种指标的变化规律；
了解钢筋混凝土梁正截面受弯承载力计算时采用的截面计算图形；
掌握梁、板中构造钢筋设置的要求；
掌握钢筋混凝土单筋矩形截面、双筋矩形截面和单筋T形截面正截面受弯承载力设计与强度复核的公式、适用条件、步骤及方法；
11、能根据施工图纸和施工实际条件，明确结构施工图中的受弯构件以及受弯构件中各种钢筋的名称、作用，并能正确评价其配筋的合理性。
12、理解内力组合的含义；
13、能够对一般工程结构上作用的荷载进行正确的分析。
14、掌握混凝土在单向应力作用下的强度及其准值；
15、能根据施工图纸和施工实际条件，明确结构施工图中混凝土的强度等级和各种钢筋的名称、作用。
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难点
能根据施工图纸和施工实际条件，明确结构施工图中的受弯构件以及受弯构件中各种钢筋的名称、作用，并能正确评价其配筋的合理性。
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3.1受弯构件正截面配筋的基本构造要求
3.1.1受弯构件截面的形式和尺寸
1.板
（1）板的截面形式
板常见截面形式：
（2）板的类型。
板的类型有单向板和双向板。
单向板受力与梁接近，只考虑一个方向弯矩的作用。
一般对悬臂板、两边支撑板、三边支撑板以及两方向跨度比＞2的四边支撑板均按单向板考虑。
双向板考虑两个方向弯矩的作用。
一般对两个方向跨度比≤2的四边支撑板按双向板考虑。
（3）板的厚度。
钢筋混凝土板的厚度要满足承载力、刚度、抗裂以及构造要求。
按刚度要求，板的厚度应符合表3.1的规定；按构造要求，板的厚度应符合表3.2的规定。
实际工程中，现浇板常用厚度有80mm、90mm、100mm、110mm、120mm，以10mm为模数，板厚在250mm以上时以5mm为模数，预制板以5mm为模数。
2.梁
（1）梁的截面形式。
（2）梁的截面尺寸。
表3.3不需做挠度计算的梁最小截面高度
3.1.2受弯构件的钢筋
板中钢筋
纵向受力钢筋
分布钢筋
构造钢筋
板中钢筋
纵向受力钢筋
弯起钢筋
箍筋
架立钢筋
梁侧构造钢筋
3.1.3钢筋的保护层
表3.4混凝土保护层最小厚度（mm）
注：
1.混凝土强度等级不大于C25时，表中保护层厚度数值应增加5mm；
2.钢筋混凝土基础宜设置混凝土垫层，基础中钢筋的混凝土保护层厚度应从垫层顶面算起，且不应小于40mm。
3.1.4钢筋的间距
1.钢筋间距
钢筋间距是指同排钢筋之间以及设置多排配筋时上下层钢筋之间的净距。
2.梁中钢筋的间距
《混凝土结构设计规范（2015年版）》（GB50010-2010）规定的梁中钢筋净距，梁常规的配筋方式如图3.6（a）、（b）所示；采用并筋配筋方式的如图3.6（c）、（d）所示，为沿截面纵向、横向双并筋时梁截面的有效高度;图3.6（e）、（f）为直径不超过28mm的钢筋按“品”字形并筋时梁截面的有效高度。
3.2梁正截面受弯性能的试验分析
3.2.1适筋梁的工作阶段
纵向受力钢筋的配筋率适中的梁称为适筋梁。
试验表明，适筋梁从加荷到破坏，其正截面上的应力-应变发展过程可分为三个阶段。
第Ⅰ阶段：
弹性工作阶段（梁受拉区出现裂缝前）
第Ⅱ阶段：
带裂缝工作阶段（从截面开裂到纵筋开始屈服）
第Ⅲ阶段：
破坏阶段
3.2.2钢筋混凝土受弯构件正截面的破坏形式
适筋梁
少筋梁
超筋梁
3.2.3适筋梁与超筋梁、少筋梁的界限
1.界限相对受压区高度ξb
相对受压区高度是指混凝土换算受压区高度x与截面有效高度h0的比值，用符号ξ表示。
界限相对受压区高度是指适筋梁界限破坏时，截面换算受压区高度x与截面有效高度h0的比值。
界限破坏是指受拉钢筋应力达到屈服强度的同时，受压区混凝土边缘达到极限压应变。
界限配筋时，对配置有明显屈服点钢筋的受弯构件，截面破坏时的应变图如图3.9所示，其界限相对受压区高度可按下式计算：
2.受弯构件最大配筋率ρmax
最大配筋率是超筋构件与适筋构件的界限配筋率。
对矩形截面：
利用基本公式：
式中Asmax——按最大配筋率计算的钢筋面积
3.受弯构件最小配筋率ρmin
最小配筋率是少筋构件与适筋构件的界限配筋率，它是根据受弯构件的开裂弯矩确定的。
对矩形截面：
3.3单筋矩形截面的承载力计算
钢筋混凝土受弯构件正截面承载力计算是建立在以下基本假定基础上的：
（1）平截面假定。
假定构件发生弯曲变形后，截面平均应变仍保持平面，即平均应变沿截面高度线性分布。
（2）不考虑截面受拉区混凝土的抗拉强度。
由于混凝土的抗拉强度很小，其所承担的拉力相对于钢筋承担的拉力很小，故可忽略，即全部拉力由钢筋承担。
1.基本公式
按照承载力极限状态设计应满足
式中M——荷载产生的弯矩设计值；
Mu——受弯构件正截面抗弯承载力设计值，也叫构件的极限弯矩。
利用基本公式可进行受弯构件的各类承载力计算。
但计算过程中有时需要解二元二次方程，比较麻烦。
实际计算时，可根据基本公式将有关数据编制成表格，再利用表格进行计算会使计算工作大大简化，下面介绍表格编制及使用方法。
其中
系数αs、γs与ξ之间存在一一对应关系，给定一个值，即可求出另两个值。
因此可将它们制成表格，设计时可直接查用（本教材查表法略）。
3.适用条件
上述基本公式仅适用于适筋受弯构件，不适用于少筋和超筋受弯构件。
因此《混凝土结构设计规范（2015年版）》（GB50010-2010）规定，任何受弯构件必须满足下列适用条件：
1）为防止截面出现超筋破坏，应满足
（2）为防止截面出现少筋破坏，应满足
计算时若ρ＞ρmax或ξ＞ξb，则可考虑加大截面尺寸、提高材料强度等级或设计成双筋截面；若ρ＜ρmin则可取ρ=ρmin，按As=ρminbh计算钢筋用量。
3.4双筋矩形截面的承载力计算
双筋截面受弯构件的用钢量比单筋截面多，一般情况下是不经济的，因此应尽量少用。
一般只在以下三种情况下采用：
（1）当截面承受的弯矩较大，而截面尺寸受到使用条件限制，材料强度等也不宜改变时，若设计成单筋截面，会使梁的ξ＞ξb，成为超筋截面梁，这时需设计成双筋梁；
（2）当构件在不同的荷载组合作用下，同一截面承受正负弯矩作用，需在梁的上部和下部分别配置钢筋，成为双筋梁；
（3）构造要求或因某种原因在截面的受压区已配置了纵向受力钢筋，如抗震结构中，为提高构件的延性，而在受压区配置一定数量的钢筋，成为双筋梁。
双筋矩形截面梁破坏时，受拉钢筋的拉应力能达到屈服强度，受压区混凝土的压应变达到极限压应变，当梁内配置一定数量的封闭箍筋，能防止受压钢筋过早地压屈时，受压钢筋就能与受压区混凝土共同变形，只要混凝土受压区高度满足一定的条件，受压钢筋就能和受压混凝土同时达到各自的极限压应变值，这时混凝土被压碎，受压钢筋屈服。
受压钢筋的应力取决于它的应变，对于HPB300、HRB335、HRB400和RRB400级钢，应变为0.002时，钢筋应力均可达到强度设计值。
当受压筋采用高强钢筋时，在受压区混凝土压碎时，钢筋应力只能达到0.002Es′=（0.002×2×105）N/mm2=400N/mm2
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