二建考试必备建筑结构与建筑设备 13钢筋混凝土结构.docx

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二建考试必备建筑结构与建筑设备13钢筋混凝土结构

第四章钢筋混凝土结构

第一节结构设计的基本规定

一、结构的功能要求

结构在规定的设计基准期内和规定的条件下必须具有安全性、适用性和耐久性等三方面的功能。

二、结构极限状态的定义和分类

1．定义

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，则此特定状态称为该功能的极限状态。

2．分类

结构的极限状态分为两类，即：

（l）承载能力极限状态：

结构或结构构件达到最大承载力、或出现疲劳破坏、或不能继续承载变形的状态。

（2）正常使用极限状态：

结构或结构构件达到正常使用或耐久性功能的某项规定的限值。

三、结构可靠度的基本概念

1．结构的功能函数：

Z=R-S

式中S——外部作用在结构上产生的效应（内力和变形）；

R——结构能承受内力和变形的能力。

2．极限状态方程：

Z=R-S=0，（表示结构处于极限状态）

当Z=R－S＞0时，则表示结构处于可靠状态；

当Z=R－S＜0时，则表示结构处于失效状态。

3．结构可靠度概念

S和R均不是定值，而是随机变量，所以对上述状态要科学的衡量，只能用概率的方法。

只要Z=R－S≥0的概率（即可靠概率或称可靠度）大到人们足以放心，就可认为设计的结构是安全可靠的。

4．几个重要的概念：

（1）作用效应S的不确定性主要是由下列因素引起的：

1）荷载（或作用）本身的变异性；

2）内力计算假定与结构实际受力情况间的差异。

（2）结构抗力R的不确定性主要是由下列因素引起的：

l）材料性能的不确定性；

2）结构构件几何参数的不确定性；

3）结构构件抗力R的计算模式的不确定性。

（3）结构的可靠性：

结构在规定时间内、规定条件下能完成预定功能的能力。

（4）结构的可靠度：

结构在规定时间内、规定条件下能完成预定功能的概率（或称可靠概率Pa：

）。

（5）失效概率Pf：

结构功能在规定时间内、规定条件下不能完成预定功能的概率（Pf）。

（6）可靠指标β：

结构功能函数Z的平均值与其标准差的比值（它与Pf，有一一对应的函数关系）。

（7）目标可靠指标［β］：

作为结构设计依据的可靠指标称为目标可靠指标［β］，亦称设计可靠指标。

现行《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）是采用以概率理论为基础的极限状态设计法，以可靠指标度量结构构件的可靠度，采用分项系数的设计表达式进行设计的。

第二节钢筋混凝土结构特点和材料的力学性能

一、钢筋混凝土结构特点

钢筋混凝土结构是由钢筋和混凝土两种性能不相同的材料组成的。

混凝土具有较高的抗压强度，但抗拉强度却很低（仅为其抗压强度的1/8~1/16）；而钢筋则具有较高的抗拉强度和抗压强度，我们把这两种材料组合在一起，将钢筋主要用于受拉，而混凝土主要用于受压，发挥材料各自的特长，成为目前应用最为广泛的钢筋混凝土结构。

1．钢筋与混凝土能很好地结合在一起共同工作的主要原因是：

（1）钢筋与混凝土之间存在着良好的粘结。

（2）钢筋与混凝土两者的温度线膨胀系数很接近。

（钢筋约为1.2×10-5，混凝土约在1.0×10-5~1.5×10-5之间）

（3）钢筋受到混凝土的保护而不易生锈，具有很好的耐久性。

2．钢筋混凝土结构的主要优点是：

（l）合理发挥了钢筋和混凝土两种材料的力学特性，成为承载能力较高的结构。

（2）钢筋混凝土结构具有很好的耐火性、整体性、可模性。

（3）钢筋混凝土结构中，混凝土对钢筋有很好的防护性，与钢结构相比可省去很大的经常性维修费用。

（4）便于就地取材，造价降低。

3．钢筋混凝土的主要缺点为：

（1）自重较大；

（2）抗裂性能较差；

（3）隔热和隔声的性能不够理想。

上述主要缺点，正随着材料和结构的不断发展，在不断地得到改进（如轻骨料混凝土，高强混凝土和预应力混凝土的发展）。

二、混凝土强度

强度分为标准值和设计值。

将强度标准值除以材料分项系数即为强度的设计值。

1．立方体抗压强度标准值（记为fcu,k）

按标准方法制作养护的边长为150mm的立方体试件，在28天龄期用标准试验方法测得的具有95％保证率的抗压强度。

混凝土强度等级按其fcu,k值确定，即fcu,k为××N/mm2的混凝土记为C××。

素混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C15；钢筋混凝土强度等级不应低于C20；当采用强度等级400MPa及以上钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C25；承受重复荷载的钢筋混凝土构件，混凝土强度等级不应低于C20。

预应力混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C30，不宜低于C40。

2．轴心抗压强度标准值（记为fcx）

按标准方法制作养护的截面为150mm×150mm，高度为h（h一般为150mm的3~4倍）的棱柱体，在28天龄期用标准试验方法测得的具有95％保证率的抗压强度。

其设计值记为fc。

3．轴心抗拉强度标准值（记为ftk）

它是采用棱柱体试件直接轴向拉伸试验或立方体试件的劈裂试验来测定的。

混凝土的抗拉强度很低，远小于其抗压强度（一般只有其抗压强度的1/8~1/16）。

其设计值记为ft。

4．复合应力下的混凝土强度

（1）三向受压

在轴向压力作用下，轴向压缩，侧向膨胀，在侧向压力约束下，减少了压缩变形，提高了混凝土轴心抗压强度，减少了轴心受压变形。

如果侧向力变成拉力，则会增加侧向膨胀，降低混凝土轴向抗压强度，增大轴向受压变形。

（2）双向受力

混凝土双向受力的分析过程如图11－2所示。

三、混凝土变形

混凝土变形有两类，一类是受力变形；另一类为体积变形，它与受力无关，如混凝土在结硬过程中的收缩（或膨胀）等。

（一）混凝土的应力应变关系

混凝土在一次短期单轴加压时的应力应变关系如图4一1所示。

是一曲线。

所以其应力应变的比值（即σ／ε）是一个变量而不是常数，因此称E=σ／ε混凝土的变形模量。

在计算设计时常用三种方式表示，即弹性模量Ec，变形模量

和切线模量

。

从图11一3中，混凝土应力－应变曲线上任一点A处应力和应变分别为σc和εc。

εc可分解为弹性应变εce和塑性应变εcp两部分，即εc＝εce＋εcp。

从应力一应变曲线的原点O作曲线的切线，该切线的正切称为混凝土的原点弹性模量，也称为混凝土的弹性模量，用Ec表示，它反映了混凝土的应力与其弹性应变的关系，即：

对于一定强度等级的混凝土，弹性模量Ec是一定值。

连接原点和曲线上任一点A的割线的正切称为混凝土的变形模量，以

表示，它也称为割线模量，即：

在应力应变曲线上任一点A处作切线，该切线与横坐标轴的夹角的正切（或其应力增量与应变增量的比值）称为相应于该点应力的切线模量

从图11一3中可看出，随着混凝土应力的增加，混凝土塑性变形发展，故混凝土的割线模量和切线模量均为变值。

根据试验结果分析，混凝土的弹性模量Ec与立方体抗压强度fcu之间的关系为：

式中fcu,k以混凝土强度等级值

代人，可求得与立方体抗压强度标准值相对应的弹性模量。

混凝土的剪变模量Gc为：

（二）混凝土的徐变

（1）定义：

在荷载的长期作用下，即使荷载维持不变，混凝土的变形仍会随时间而增长，这种现象称为徐变。

（2）影响徐变应变量（简称徐变）的因素有以下几方面：

（l）水灰比大，徐变大；水泥用量越多，徐变越大；

（2）养护条件好，混凝土工作环境湿度越大，徐变越小；

（3）水泥和骨料的质量好、级配越好，徐变越小；

（4）加荷时混凝土的龄期越早，徐变越大；

（5）加荷前混凝土的强度越高，徐变越小；

（6）构件的尺寸越大，体表比（即构件的体积与表面积之比）越大，徐变越小。

徐变在开始发展很快，以后逐渐减慢，最后趋于稳定。

通常在前6个月可完成最终徐变量的70％一80%，在第一年内可完成90％左右，其余部分在后续几年中完成。

（3）徐变对结构受力的影响：

1）徐变使结构的变形（包括挠度和裂缝）增大；

2）徐变使结构内部应力重分布；

3）徐变将引起预应力混凝土结构中的预应力损失；

4）受拉徐变，会延缓混凝土收缩裂缝的出现，及将减少由于支座不均匀沉降产生的应力等。

（三）混凝土的收缩（或膨胀）

（1）定义：

混凝土在空气中结硬时体积缩小称为收缩，在水中结硬时体积膨胀称为膨胀；但收缩值要比膨胀值大得多。

（2）影响收缩值的因素有以下几方面：

1）水灰比大，水泥用量多，收缩值就大；

2）养护条件好，使用环境的湿度较高，收缩值小；

3）骨料质量及级配好，收缩值就小；

4）构件体表比越大，收缩值越小；

5）混凝土振捣密实，收缩值就小。

收缩变形在开始阶段发展较快，2周可完成全部收缩量的25%,1个月约完成50%,3个月后增长缓慢。

（3）收缩对结构受力的影响：

1）会在钢筋混凝土结构中，使混凝土产生拉应力，加速裂缝的出现和发展，甚至在未受荷前，即出现初始的收缩裂缝；

2）收缩将引起预应力混凝土结构中的预应力损失；

3）对跨度变化比较敏感的静定结构（如拱结构等）将产生不利的内力。

（四）混凝土材料的选用

钢筋混凝土结构不宜采用强度过低的混凝土，因为当混凝土强度过低时，钢筋与混凝土之间的豁结强度太低，将影响钢筋强度的充分利用。

规范规定：

1．素混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C15；钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C20；采用强度等级400MPa及以上的钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C25。

2．预应力混凝土结构的混凝土强度等级不宜低于C40，且不应低于C30。

3．承受重复荷载的钢筋混凝土构件，混凝土强度等级不应低于C30。

四、钢筋

1．混凝土结构中所用的钢筋主要可分为具有明显屈服点及屈服台阶的钢筋（或称软钢）和无明显屈服点及屈服台阶的钢筋（或称硬钢）两类。

2.现行的《混凝土结构设计规范》（GB50010一2010）建议，纵向受力普通钢筋宜采用HRB400级、HRB500、HRBF400、HRBF500级钢筋，也可采用HPB300、HRB335、HRBF335、RRB400钢筋；梁、柱纵向受力钢筋应采用HRB400、HRB500、HRBF500钢筋，也可采用HRB335，HRBF335钢筋；预应力筋宜采用预应力钢丝、钢绞线和预应力螺纹钢筋。

规范中对除HRB500，HRBF500级钢筋外的普通钢筋的受拉与受压强度设计值取相同。

对预应力钢筋其受拉强度设计值远大于其受压强度设计值。

3．有时对软钢进行冷加工，提高钢筋的强度，以节约用钢。

钢筋的冷加工有两种方式：

即冷拉和冷拔。

冷拉后钢筋的抗拉强度提高，但其抗压强度未变（故其不宜用作受压钢筋），同时其屈服台阶缩短，伸长率减少，塑性降低，仍属软钢。

冷拔后钢筋的抗拉和抗压强度同时提高，但其已变为硬钢。

4．钢筋混凝土结构对钢筋性能的要求：

（1）钢筋应有较高的强度。

对钢筋强度的要求主要有两个指标，即屈服强度和极限强度。

屈服强度是设计计算时的主要依据。

极限强度与屈服强度之比称为强屈比，强屈比越大，结构的可靠性越大。

（2）钢筋应有较好的塑性（或称延性）性能。

它主要是用钢筋的伸长率和其冷弯性能来反映的。

（3）钢筋应与混凝土具有良好的粘结。

（4）钢筋还应具有可焊性。

2010年版《混凝土规范》对钢筋的牌号、强度级别和应用作了较大的补充和修改（详见第4.2.2、4.2.3条），新规范提倡应用高强度、高性能钢筋。

对热轧带肋钢筋，增加了强度为50oMPa级的热轧钢筋；推广400MPa、500MPa级高强度热轧带肋钢筋作为纵向受力的主导钢筋；限制并逐步淘汰335MPa级热轧带肋钢筋的应用；用300MPa级光圆钢筋取代235MPa级光圆钢筋；推广具有较好的延性、可焊牲、机械连接性能及施工适应性的HRB系列普通热轧带肋钢筋；列人采用控温轧制工艺生产的HRBF系列细晶粒带肋钢筋。

对预应力钢筋，增补高强度、大直径的钢绞线；列人大直径预应力螺纹钢筋（精制螺纹钢筋）；列人中强度预应力钢丝以补充中等强度预应力筋的空缺，用于中、小跨度的预应力构件；淘汰锚固性能很差的刻痕钢丝；冷加工钢筋不再列人规范。

在设计中应用新规范时，要照顾到新老规范过渡期的特点以及钢材产品市场的供需情祝；同时，要注意满足最小配筋率及抗震等要求。

为了解决钢筋密集施工不便的问题，可采用加大钢筋直径或并筋方案。

并筋可采用二并筋或三并筋方案：

二并筋

，钢筋面积取1.41倍单根钢筋直径面积；三并筋

，钢筋面积取1.73倍单根钢筋直径面积。

五、钢筋与混凝土的粘结

钢筋混凝土构件在外力作用下，在钢筋与混凝土接触面上将产生剪应力，这种剪应力称为黏结力。

钢筋与混凝土之间的黏结力由以下三部分组成：

1．由于混凝土收缩将钢筋握裹挤压而产生的摩擦力；

2．由于混凝土颗粒的化学作用产生的混凝土与钢筋之间的胶结力；

3．由于钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的机械咬合力。

上述三部分中，以机械咬合力作用最大，约占总黏结力的一半以上。

变形钢筋比光圆钢筋的机械咬合力作用大。

此外，钢筋表面的轻微锈蚀也可增加它与混凝土的载结力。

黏结力的测定通常采用拔出试验方法（图11--8）。

将钢筋的一端埋人混凝土内，在另一端施加拉力将钢筋拔出，则黏结强度为：

式中P―拔出力；

d―钢筋直径；

l―钢筋埋人长度。

根据拔出试验可知：

1．载结应力按曲线分布，最大黏结应力在离试件端头某一距离处，且随拔出力的大小而变化；

2．钢筋锚人长度越长，拔出力越大，但埋人过长时则尾部的黏结应力很小，甚至为零；

3．黏结强度随混凝土强度等级的提高而增大；

4．带肋钢筋的黏结强度比光圆钢筋的大；根据试验资料，光圆钢筋的黏结强度为1.5一3.5N/mm2，螺纹钢筋的黏结强度为2.5一6.0N/mm2，其中较大的值系由较高的混凝土强度等级所得；

5．在光圆钢筋末端做弯钩可以大大提高拔出力。

光面钢筋与混凝土之间的粘结力主要来自摩擦力，变形钢筋与混凝土之间的粘结力则主要来自机械咬合力，规范规定：

对光面钢筋，其作受拉筋时，末端应做180°弯钩，弯后平直段不应小于3d；但其作受压时可不做弯钩。

影响粘结力大小的因素有以下几方面：

（1）钢筋的表面形状；

（2）混凝土强度等级；

（3）浇筑混凝土时钢筋所处的位置；

（4）保护层厚度和钢筋间的净距；

（5）横向钢筋（即箍筋）情况；

（6）侧向压力的作用。