混凝土结构设计原理期末整理.docx

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混凝土结构设计原理期末整理

混凝土结构：

以混凝土为主要材料，并根据需要在其中放置钢材制成的结构。

素混凝土结构:

指不配置钢材或不考虑钢筋受力的混凝土结构。

钢筋混凝土结构:

指配有普通受力钢筋的混凝土结构。

预应力混凝土结构:

指具有预应力纲筋，通过张拉预应力钢筋或其他方法建立预加应力的混凝土结构。

比较相同跨度、相同截面尺寸和相同材料等级的素混凝土简支梁（图a）和钢筋混凝土简支梁（图b）的受力和破坏过程，可得二者的受力特点：

1）素混凝土梁：

变形很小，一裂即坏，承载力很低，开裂荷载Fcr与破坏荷载Fu基本相等，破坏无明显的预兆，属于脆性破坏，混凝土抗压强度高的性能未被充分利用。

2）钢筋混凝土梁：

变形较大，梁的受拉区出现裂缝，但并未破坏，破坏荷载Fu显著的高于开裂荷载Fcr，混凝土抗压强度较高和钢筋抗拉强度高的性能均得到充分的利用，且具有明显的破坏预兆，属于延性破坏。

钢筋和混凝土能够结合在一起共同工作的原因

钢筋和混凝土的接触面上存在着良好的粘结力，可以保证两者协调变形，整体工作。

钢筋与混凝土的温度线膨胀系数基本相同，两者不会因温度变化导致粘结力破坏。

钢筋的混凝土保护层可以防止钢筋锈蚀，保证结构的耐久性。

钢筋混凝土结构的优点

1）合理用材。

可充分发挥钢筋和混凝土材料的力学性能，结构具有较高的承载力。

2）耐久性好。

因混凝土的强度随时间的增加有所提高；钢筋因混凝土的保护而不锈蚀。

3）耐火性好。

因混凝土是不良的热导体；钢筋不致因升温过快而丧失承载力，故较木结构和钢结构耐火性好。

4）整体性好。

现浇钢筋混凝土结构的整体性好，有利于抗震、抗爆、防辐射。

5）可模性好。

可根据使用需要，将混凝土浇筑成各种形状和尺寸的结构。

6）便于就地取材。

混凝土所用原材料一般为地方材料。

钢筋的品种及等级

（1）按化学成分不同分类

1）碳素结构钢低碳钢（含碳量小于0.25%）；

中碳钢（含碳量0.25%~0.6%）；

高碳钢（含碳量0.6%~1.4%）。

特点：

随着含碳量增加，强度提高，塑性降低。

（2）按生产加工工艺不同分类

1）热轧钢筋

加工工艺：

由低碳钢、普通低合金钢在高温下直接轧制而成。

工程应用：

钢筋混凝土结构或预应力混凝土结构中的非预应力钢筋。

2）热处理钢筋

　加工工艺：

由普通低合金钢40Si2Mn、48Si2Mn、45Si2Cr经淬火和回火处理后制成。

力学性能；强度高（强度标准值1470MPa）,塑性较好。

表示符号：

φHT；

工程应用：

预应力混凝土结构。

3）钢丝

钢丝品种：

光面钢丝、螺旋肋钢丝和三面刻痕的消除应力钢丝。

力学性能：

强度高（强度标准值1570MPa～1770MPa）。

表示符号：

相应符号分别为φP、φH、φI。

工程应用：

预应力混凝土结构。

4）钢绞线

加工工艺：

由光面钢丝绞织而成。

力学性能:

强度高（强度标准值1570MPa-1860MPa）。

表示符号：

φs。

工程应用：

预应力混凝土结构。

2.钢筋的形式

　外形分类：

光圆钢筋（图a）和变形钢筋（图b.c.d）。

　变形钢筋：

包括月牙肋钢筋、等高肋钢筋等，其特点是与混凝土黏结性好。

工程中常用月牙肋钢筋。

钢筋的强度和变形

按钢筋受拉的应力－应变关系不同分:

有明显屈服点钢筋，例如热轧钢筋。

无明显屈服点钢筋，例如钢丝和热处理钢筋。

钢筋塑性性能

伸长率和冷弯性能是反映钢筋塑性性能的基本指标。

1）伸长率是钢筋试件拉断后标距间的伸长值与拉伸前相应标距间长度的比值。

钢筋的伸长率越大，则塑性性能越好，破坏前的预兆越明显，属于延性破坏

2）冷弯是将钢筋围绕规定直径D的钢辊弯曲达到规定的角度α后，钢筋无裂纹或断裂现象。

钢筋绕过的钢辊直径D越小，弯曲角度α越大，表明其塑性性能越好。

冷加工钢筋概念

为提高钢筋的强度，节约钢材，在常温下通过拉伸等方法对热轧钢筋进行机械加工制成的钢筋。

冷加工钢筋品种及性能

（1）冷拉钢筋

加工工艺：

将热轧钢筋拉伸超过其屈服阶段进入强化阶段的某一应力，然后卸荷至零所得到的钢筋。

力学性能：

抗拉强度有一定的提高，抗压强度维持不变，伸长率减少，塑性降低。

（2）冷拔钢丝

加工工艺：

将热轧钢筋用强力拔过比其直径小的硬质合金拔丝模而成的。

力学性能：

多次冷拔后，抗拉强度和抗压强度都有大幅度的提高，伸长率显著的减小。

（3）冷轧钢筋

加工工艺：

指以热轧圆盘条为母材，经冷拉或冷拔减径后，在其表面轧制具有两面或三面月牙纹横肋的冷轧带肋钢筋。

力学性能：

与冷拔钢丝的强度基本接近，但塑性较好。

（4）冷轧扭钢筋

加工工艺：

将低碳钢热轧圆盘条经专用钢筋冷轧扭机调直、冷轧并冷扭一次成型，具有规定截面形状和节距的连续螺旋状钢筋。

力学性能：

抗拉强度比轧制前母材的强度有很大的提高，但伸长率也减少较多。

立方体抗压强度

立方体抗压强度标准值是指按照标准方法制作养护（20℃±2℃、相对湿度为95%以上）的边长为150mm的立方体试件，在28d龄期用标准试验方法测得的具有95%保证率的抗压强度，以fcu,k表示，单位N/mm2（也可记作MPa）。

混凝土强度等级用符号C和混凝土立方体抗压强度标准值表示。

例如C20，即表示fcu,k=20MPa。

轴心抗压强度

采用棱柱体试件（100×100×300mm或150×150×450mm），按照测定立方体抗压强度的条件和方法测得的抗压强度，称为棱柱体抗压强度或轴心抗压强度。

混凝土的变形

受力变形：

由荷载作用产生。

体积变形：

温湿度变化引起。

混凝土在一次短期荷载下的变形

棱柱体试件在一次短期压力荷载作用下的应力－应变曲线。

（1）上升段OC

1）压应力σ≤0.3fc的OA段，应力与应变关系基本为直线，混凝土表现为弹性性质；混凝土中的骨料和水泥结晶体的弹性变形起决定因素。

2）压应力σ接近0.8fc，即B点时，应变增加更快；混凝土表现出明显的塑性性质。

主要是混凝土内部微裂缝的扩展延伸和水泥凝胶体的粘性流动所致。

3）压应力σ达到最大值fc，即C点时，混凝土内部微裂缝不断产生，并相互贯通，试件表面出现明显的纵向裂缝而开始破坏。

相应于最大压应力值fc的应变ε0一般为0.002。

（2）下降段CE

1）应变过C点后，随着缓慢的卸荷，应力逐渐减小而应变却持续增加，在D点出现反弯点，相应的应变称为混凝土的极限压应变εcu。

εcu值越大，表示混凝土的塑性变形能力越大，构件的延性越好，抗震能力较强。

εcu值一般可取0.0033。

2）反弯点D之后，因试件压碎后各块体间存在咬合力或摩擦力，故曲线仍能继续延伸。

混凝土的受压变形模量可按如下方法确定：

1）原点切线模量。

又称混凝土的弹性模量。

在混凝土棱柱体受压应力－应变曲线的原点作一切线，则该切线的斜率即为原点切线模量，用Ec表示。

即

Ec=tanα0

2）割线模量。

又称混凝土的变形模量。

即通过混凝土棱柱体受压应力－应变曲线上任一点A的割线斜率，用E’c表示。

E’c=υEc

υ称为混凝土的受压弹性系数，一般在0.5~1.0之间变化。

3）切线模量。

指混凝土棱柱体受压应力－应变曲线上任一点A的切线斜率,用表示。

即

徐变的定义

混凝土在荷载长期作用下，应力不变，应变随时间不断增长的现象称为混凝土的徐变。

受弯构件的定义

受弯构件是指在荷载作用下，同时承受弯矩（M）和剪力（V）作用的构件。

建筑工程中的梁和板是典型的受弯构件。

受弯构件的破坏情况

正截面破坏：

由弯矩作用引起。

斜截面破坏：

由弯矩和剪力共同作用引起，又分为斜截面受剪和斜截面受弯破坏。

纵向受力钢筋

纵向受力钢筋的数量应通过承载力计算确定，同时还应满足下述构造要求：

钢筋宜采用HRB400级或HRB335级，常用直径为12～32mm，梁底部纵向受力钢筋一般不少于2根，同一构件中钢筋直径相差不宜小于2mm。

但是，同一截面内受力钢筋直径也不宜相差太大。

为保证钢筋与混凝土之间的粘结和混凝土的密实性，钢筋的净距不应小于如下表中的规定。

混凝土保护层厚度

1）作用

保护钢筋免遭锈蚀，保证钢筋与混凝土间有足够的粘结强度。

2）要求

纵向受力钢筋的混凝土保护层厚度应不小于受力钢筋的直径d，且不小于下如下表中的要求。

截面有效高度ho

截面有效高度ho是指受拉钢筋的重心至混凝土受压边缘的垂直距离，即

ho＝h－as

受弯构件正截面工作的三个阶段

1）第Ⅰ阶段（弹性受力阶段）

弯矩M较小，梁未出现裂缝，M和ƒ关系接近直线变化，当M达到开裂弯矩Mcr时，梁即将出现裂缝，第Ⅰ阶段结束。

2）第Ⅱ阶段（带裂缝工作阶段）

M超过开裂弯矩Mcr，梁出现裂缝进入第Ⅱ阶段，且随着荷载增加，裂缝不断开展，挠度速度增长。

当受拉钢筋的应力达屈服强度，第Ⅱ阶段结束。

3）第Ⅲ阶段（破坏阶段）

M增加不多，裂缝和挠度急剧增大。

钢筋应变增长，但应力维持屈服强度不变；当M增加到最大弯矩Mu时，受压区混凝土达到极限压应变压碎，梁即破坏。

受弯构件正截面破坏形态

受弯构件的配筋率ρ对正截面破坏形态有较大的影响，配筋率ρ为

ρ＝As/bho

破坏形态分为如下三种类型：

1）适筋梁

配筋率ρ适中，截面破坏始于纵向受力钢筋屈服，然后受压区混凝土压碎，具有明显的破坏预兆，属延性破坏，如图a所示。

2）超筋梁

配筋率ρ过大，钢筋应力小于屈服强度，受压区混凝土先达到极限压应变εcu被压碎破坏。

没有明显的破坏预兆，具有脆性破坏特征，如图b所示。

在工程应用中应避免。

3）少筋梁

配筋率ρ过低，受拉区混凝土一裂即坏，钢筋应力迅速屈服并进入强化阶段，属脆性破坏，如图c所示。

在工程应用中应避免。

基本假定

1）截面应变保持平面；

2）不考虑受拉区混凝土承受拉力；

3）纵向受拉钢筋的应力—应变关系采用折线；

4）混凝土受压的应力-应变关系采用曲线—水平线。

受压区混凝土的等效矩形应力图形

为简化计算，将截面曲线应力图形用等效矩形应力图形代换。

等效代换的原则：

1）压应力的合力大小相等；2）压应力的合力作用点位置不变。

等效矩形应力图形的应力值取α1ƒc，相应的受压区高度为χ，实际受压区高度为χc，令

χ＝β1χc

《规范》规定：

当混凝土强度等级≤C50时，取α1＝1.0，β1＝0.8；当混凝土强度等级为C80时，取α1＝0.94，β1＝0.74；对介于C50~C80之间的混凝土强度等级，α1、β1值由线性内插法确定。

适筋截面的界限条件

1.相对界限受压区高度ξb和最大配筋率ρmax

在适筋破坏和超筋破坏之间存在着一种纵向受拉钢筋屈服时，受压区混凝

土边缘纤维也同时达到极限压应变破坏的状态，称为“界限破坏”。

适筋破坏：

εs＞εy，χ＜χb

界限破坏：

εs＝εy，χ＝χb

超筋破坏：

εs＞εy，χ＞χb

χb是界限破坏时截面换算受压区高度。

令ξ＝χ/ho，ξb＝χb/ho，ξ称为相对受压区高度，ξb称为相对界限受压区高度。

则有ξ≤ξb时，为适筋破坏（包括界限破坏）；ξ＞ξb时，为超筋破坏。

由界限破坏时截面应变图形的几何关系可得

常用钢筋所对应的ξb值见下表。

根据截面等效矩形应力图形，由力的平衡条件有α1ƒcbx＝ƒyAs，即

单筋矩形截面受弯构件正截面承载力计算

基本公式

按下图所示的计算应力图形，根据力和力矩平衡条件，可得单筋矩形截面受弯构件正截面承载力计算基本公式为