第一章 钢筋混凝土结构设计原则.docx

1、第一章 钢筋混凝土结构设计原则第一章 钢筋混凝土结构设计原则第一节 钢筋混凝土简述 钢筋混凝土是由钢筋和混凝土两种不同力学性能的材料组成的建筑材料。 混凝土为人造石料，其抗拉强度仅为抗压强度的18118，如将素混凝土用于构件（如图1），从材料力学知道，在荷载Pl作用下,梁的中和轴以上为受压区，以下为受拉区,随着荷载的增大,梁下边缘混凝土的拉应力将率先达到极限抗拉强度, 此时梁上边缘混凝土的压应力还远小于其极限抗压强度，下边缘混凝土一旦受拉开裂即导致梁的整体破坏，具有突然性，属于脆性破坏，故素混凝土梁的承载能力通常很小。混凝土由于其抗拉强度很小，一般不能用于可能承受较大拉应力的结构，只能用于不受

2、拉或受拉力很小的基础、垫层等非承重结构。 若在混凝土梁的受拉区适当位置加入适量钢筋，情况就与素混凝土梁有很大的不同。当梁的受拉区混凝土开裂后,由于钢筋表面和混凝土之间的粘结力,两种材料还可以共同受力，受拉区钢筋可以代替开裂退出工作后的混凝土承担拉力, 梁的受压区混凝土仍然承受压力,故受拉区混凝土开裂后的梁还可以继续承担更大的荷载, 直至受拉钢筋屈服，受压区混凝土达到抗压极限强度而破坏。这样钢筋和混凝土两种材料的强度优势都得到充分发挥,因此钢筋混凝土梁的承载能力可以为素混凝土梁的几倍乃至几十倍；此外,配筋适度的钢筋混凝土梁破坏前均具有明显预兆（即明显的裂缝和挠度）和延性,属于塑性破坏,不同于素混

3、凝土梁的一旦开裂即突然破坏，有预兆的破坏对于结构而言是一件好事。 图11 素混凝土梁和钢筋混凝土梁 钢筋和混凝土能够共同工作的三要素如下：1， 钢筋表面和混凝土之间具有良好的粘结力，使得钢筋和混凝土能够共同变形，梁在受拉区混凝土开裂后仍然具有梁的受力特性。 2， 钢筋和混凝土具有近似相等的温度线膨胀系数（钢筋为1.210-5,混凝土为1.010-51.510-5）,使钢筋混凝土结构不致因当温度变化产生明显的温度应力。3， 混凝土包裹钢筋，可以保护钢筋免遭锈蚀。钢筋混凝土结构有以下优点：1， 耐火性好。钢结构在高温下会变软，木结构在高温下会燃烧，在钢筋混凝土结构中，由于混凝土保护了钢筋，因此其耐

4、火性比钢结构要好，混凝土自身也不会燃烧。设若纽约世贸大厦不是钢结构而是钢筋混凝土结构，即使受到巨大冲击和大量汽油燃烧，大厦可能延迟其坍塌时间，“911”事件所造成的伤亡和损失就会小些。2， 耐久性好。钢筋的锈蚀因为混凝土的保护而大大减弱,有研究者对经历数十年的钢筋混凝土结构进行研究,发现凿掉混凝土后,钢筋几乎没有锈斑,当然,也有因混凝土质量较差或环境条件恶劣而导致钢筋锈蚀较为严重的实例,总体而言,钢筋混凝土的耐久性已经得到全世界工程界的公认。3， 可塑性好。与钢结构、木结构、砖石结构相比，钢筋混凝土可以通过现场浇注，形成人们所需的任何形状，也可以像钢结构、木结构那样先在工场中进行预制，在现场进

5、行拼接和安装。4， 易于就地取材。钢筋混凝土所需的大宗材料如砂石，一般都可以在近距离内获得，可以节约运费，降低成本。5， 刚度大。钢筋混凝土结构的刚度较之钢结构和木结构大，变形相对较小，适用于对变形要求较高的结构。当然，钢筋混凝土也有自身的缺点，在具有较大刚度的同时，其自重也较大，抗裂性也较差，一般的钢筋混凝土结构在工作中都是带裂缝工作（请注意，用增加钢筋或加大截面尺寸来提高抗裂度都是不经济的），如裂缝宽度超过规范要求就可能对结构的耐久性带来负面影响；另外，在现场浇注钢筋混凝土时，其质量易受外部条件的影响，混凝土强度的离散性较大，质量控制难度较大。钢筋混凝土之所以在20世纪成为建筑界不可或缺的

6、建筑材料，就在于它充分发挥了混凝土和钢筋的力学和物理性能的优势，正因为在混凝土中加了钢筋，才使混凝土从单纯的受压材料材料中解放出来，成为世界建筑结构材料中主流。第二节 钢筋与混凝土的粘结钢筋与混凝土之间的的粘结力是确保钢筋与混凝土能够共同工作的最重要的基本条件之一，倘若钢筋在混凝土中是可以任意滑移的，则钢筋不能与混凝土共同受力，结构的破坏无异于素混凝土，因此，在设计和施工中都应确保钢筋与混凝土之间有足够的粘结力。粘结力的实质是：结构受力后，钢筋和混凝土的变形并不完全一致，存在变形差，变形差将在钢筋与混凝土结合面产生剪应力，这种剪应力就是粘结应力（也称粘结强度），粘结应力之总和即称为粘结力。1.

7、2.1 粘结的作用通过按照规定要求把钢筋从混凝土中拔出的试验，可以了解粘结力沿钢筋表面的分布情况和粘结力的大小。图12 为钢筋埋在混凝土中的试件，采用专门试验装置，可以钳住钢筋伸出端，施加拉力把钢筋从混凝土内拔出。一般认为当钢筋被拔出混凝土端面1mm或混凝土被剪坏时即为粘结破坏。在试件端部以外，拔力F由钢筋承担，在钢筋埋入部分的末端，剪应力为零。若钢筋横断面为As，则钢筋应力为s0F/As,相应的应变为s0s0Es, Es为钢筋弹性模量。试件端面混凝土的应力h00，应变h00。由钢筋和混凝土的应变差产生的结合面剪应力为，拔力F和在钢筋被拔出前是一对平衡力。试验证明，剪应力是非均匀分布的，其分布

8、规律与钢筋的表面情况和拔力大小有关，钢筋起端和末端的剪应力均为零。而钢筋应力则在起端处较大，末端处为零。设钢筋埋入长度为l ,由钢筋微段的受力平衡可得： 图12 光圆钢筋的拔出试验 （11）式（11）表明了粘结应力和钢筋应力的关系：当粘结应力为零时，钢筋应力增量也为零，也就是说，只有存在粘结应力时混凝土中的钢筋才能受力。拔出试验证明，粘结应力沿钢筋长度方向呈曲线分布，在钢筋埋入混凝土的起点和末端处为零。光面钢筋和变形钢筋的粘结应力分布有明显的不同。 在设计和施工中，为了简便，常常用平均粘结应力替代实际粘结应力，如产生粘结破坏时的拔出力为F，则平均粘结应力为： (1-2)式中：F 拔出力； d

9、钢筋直径； 钢筋埋置长度。受压区的钢筋，由于其受压时长度变短，直径变粗，混凝土对钢筋的握裹力增大，故受压时粘结应力略高于受拉时的粘结应力。为了使钢筋在达到抗拉或抗压设计强度之前不出现粘结破坏，我们从式(12)可得： （13）当FfsAs时，钢筋所需的埋置深度m称为钢筋锚固长度，即： (1-4)式中：钢筋锚固长度； 钢筋设计强度； 在实际设计和施工中，没有必要对每根钢筋的锚固长度进行计算，为简便计，规范根据试验成果及分析规定了钢筋在不同情况下所需的锚固长度，设计和施工中可以查用规范关于锚固长度的表格，只要符合了规范的要求，在正常使用条件下一般都不会出现粘结破坏。1.2.2 粘结机理及设计中应注意

10、的问题光圆钢筋与变形钢筋的粘结机理是不同的.光圆钢筋与混凝土的粘结作用由三部分组成:(1)混凝土中水泥胶体与钢筋表面的化学胶着力;(2)钢筋与混凝土接触面上的摩擦力;(3)钢筋表面与水泥胶产生的机械咬合作用。以上三种力中，摩擦和咬合是粘结力的主要部分，化学粘结力的作用较小。 光面钢筋拔出试验的破坏形态较为简单，其破坏面就是钢筋与混凝土的结合面，结合面的粘结作用由于拔力加大而产生剪切破坏，钢筋相对混凝土产生滑动。变形钢筋表面在轧制过程中形成肋纹，除了胶着力和摩擦力外，肋纹与混凝土的机械咬合作用较之光圆钢筋强得多，是变形钢筋粘结力的关键部分（图14）。 图14 变形钢筋横肋处的挤压力和内部裂缝变形

11、钢筋受力时，其突出的肋纹对混凝土的斜向挤压形成了滑移阻力，斜向挤压力沿钢筋轴向的分力使变形钢筋表面横肋之间混凝土受到弯曲和剪力，引起斜裂缝，斜向挤压力的径向分力使周围混凝土受到环向拉力，引起径向裂缝。试验证明，如果混凝土保护层厚度不足或钢筋净间距过小，在没有环向箍筋的情况下，径向裂缝可能延伸到混凝土表面，形成与纵向钢筋同向的裂缝，进而导致粘结破坏（图1-5，图1-6）。粘结破坏是钢筋混凝土结构破坏的一种形式，设计中主要通过保证足够的钢筋锚固长度和足够的保护层厚度及足够的钢筋净距或配置适当的箍筋来防止这种破坏，规范对以上各项要求都通过构造要求来满足，因此要求工程师对规范要有足够的了解。变形钢筋的

12、试验粘结强度为2.56.0MPa,光面钢筋为1.53.5MPa。对于光圆钢筋，常常要在端部做成弯钩来确保不出现粘结破坏。影响粘结强度的主要因素可以概括为下述几点：1. 钢筋表面情况：钢筋表面愈粗糙，粘结强度愈高。2. 混凝土强度：混凝土粘结强度随混凝土强度提高而提高。3. 混凝土保护层厚度：足够的保护层厚度是粘结强度能够达到发挥的重要因素。4. 钢筋的净距：充足的钢筋净距也是确保粘结强度的重要因素。5. 箍筋：箍筋对混凝土形成横向约束，阻止纵向裂缝开展，改变粘结破坏形态，延缓粘结破坏的发生。6. 钢筋在构件中的位置：混凝土浇筑时的骨料下沉和泌水现象将对粘结强度产生影响，竖向钢筋的粘结强度大于水

13、平钢筋的粘结强度，同样水平布置的钢筋，上层钢筋的粘结强度高于下层钢筋的粘结强度。1.2.3 钢筋的连接在施工中，当钢筋长度不够时，允许采用一定方式进行连接。钢筋的连接主要有三种类型：焊接、绑扎和机械连接。焊接是被广泛采用的钢筋连接形式,焊接接头又分为对接接头和普通焊接接头。对接接头的优点是接头所占空间最小，打磨掉毛刺后几乎不影响钢筋净距，也是最节约材料的一种接头，其缺点是当采用人工操作时，对工人的技术熟练程度要求很高，稍有不慎，就可能在端头之间形成“夹沙”，导致接头的强度很低，远远达不到强度要求,因而要求焊接工人必须要有合格上岗证,并按规定要求随时对接头进行抽验。普通焊接是采用一定规格的电焊条

14、和一定长度、一定直径的连接钢筋，采用电弧焊将连接钢筋和两段受力钢筋连接在一起,这种方法的优点是连接质量相对可靠,但要耗费价格昂贵的焊条和连接钢筋,且影响钢筋的净距,施工中必须注意焊条和钢种的匹配,这种连接一般在无法采用闪光焊时采用。绑扎连接是将两段受力钢筋相互搭接一定长度,用细钢丝将搭接部分绑扎在一起,利用钢筋搭接长度段与混凝土的粘接力来传力,这种接头所需的钢材较多,一般只在无法采用焊接时才被采用。机械连接是采用特制的机械装置（如螺杆套筒）将受力钢筋连接在一起，一般是采用钢制的连接套筒，这种方法的特点是接头可靠，但成本较高。另外，为保证质量和安全，规范对结构构件中钢筋接头所占的百分比及位置均作

15、了严格的规定，类似的构造规定在规范中有许多条款, 04规范的第9部分详尽地阐述了相关的构造要求，在施工中应该予以特别注意。作为工程师，熟悉规范规定是一项基本要求，在实际工作中勤查规范，按规范规定设计与施工，是防止出现事故的关键。总之，钢筋是钢筋混凝土结构中确保结构和构件安全的关键材料，设计和施工都应该高度重视。但要耗费靠的验时必须要有上岗证_ 第三节 极限状态法设计方法 所谓结构设计，就是根据业主提出的作用标准和相关要求，选定结构形式，进行结构受力计算和分析，并通过文字和结构工程图来表达设计者意图的过程。结构的设计者要提供的重要成果是结构总图和构件图，构件图应包括构件的形状、尺寸和构件间的连接

16、；钢筋混凝土结构的构件图，还应包括钢筋数量、钢筋在构件中的布置、预埋件尺寸和位置以及文字说明等内容。设计分析计算过程的相关资料和图纸均需要长期妥善保存，以备今后需要时查用，工程质量事故的分析中，计算和图纸资料是最重要的资料。所谓结构施工，就是“按图施工”，确定和实施结构施工方案，通过施工过程将图纸变为现实。施工的质量是确保结构实现设计者意图的关键环节，施工质量与施工队伍的技术水平关系极大，同时也与设计者的设计水平密切相关，因此，设计者对结构的施工过程和水平应该具备一定的知识。目前我国使用的公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D622004）（以下简称04年规范）是与国际基本接轨的

17、“极限状态法”。这种方法首先根据结构的安全适用等要求规定结构的极限状态，要求设计者采取各种措施防止结构在使用年限内达到任何极限状态。与老规范（JTJ02385）（以下简称85年规范）不同的是，04年规范将85年规范的“经验极限状态法”发展为“概率极限状态法”，“经验极限状态法”的安全系数是凭经验人为确定的，而“概率极限状态法”是以公路桥梁可靠度研究为基础，把影响结构可靠性的各种主要因素视为随机性变量，从荷载和结构抗力（包括材料性能、几何参数和计算模式的不确定性）两个方面进行了大量的调查、实测、试验及分析，运用统计数学的方法确定我国可以承受的结构失效概率，从而求得设计所需要的各相关参数，基本上避

18、免了人为地、经验地确定相关系数的做法，这在设计理论和观念上是一个很大的进步。1.3.1 极限状态设计法的基本概念1， 结构的功能性要求1） 应能承受在正常施工和正常使用期间可能出现的各种作用；2） 在正常使用条件下具有良好的工作性能，不产生过大的变形或局部损坏。3） 在正常使用和正常维护的条件下具有足够的耐久性，在规定期间内混凝土不出现影响结构寿命的侵蚀和碳化，钢筋不因裂缝过宽而锈蚀。4） 在预计的偶然事件发生时或发生后，仍能保持必需的整体稳定性，不发生全局性垮塌。上述功能要求中，1），4）为安全性功能，是结构最重要和最基本的功能；2）为适用性功能；3）为耐久性功能。结构的安全性、适用性和耐久

19、性总称为结构的可靠性。结构设计的目的，是要使结构在规定的条件下、规定的期间内具有足够的可靠性，完成全部上述功能。这里，规定的条件主要是指荷载的种类和级别、结构工作的条件和环境条件，规定的期间，按照04规范的规定，钢筋混凝土结构的设计基准期为100年。1.3.2 结构的极限状态国际上通常将结构的极限状态分为三类：1.承载能力极限状态。这种极限状态是指对应于结构、结构构件达到最大承载能力或出现不适于继续承载的变形或变位的状态。当结构或构件出现下列状态之一时，即认为超过了承载能力极限状态：（1） 结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如滑动、倾覆等）；（2） 结构、结构构件或其连接处因超过材料强度而破

20、坏（含疲劳破坏），或因过度 的塑性变形而不能继续承载；（3） 结构转变成机动体系（如结构中的梁可沿一个方向任意滑动或转动）；（4） 结构或结构构件丧失稳定（如柱的压曲失稳）；2.正常使用极限状态。这种极限状态是指对应于结构或结构构件达到正常使用或者耐久性的某项限值的状态。当结构或结构构件出现下列状态之一时，即认为超过了正常使用极限状态：（1） 影响正常使用或外观的变形（如挠度过大）；（2） 影响正常使用或耐久性的局部损坏（如过宽的裂缝宽度）；（3） 影响正常使用的振动（如风载下结构振动过大）；（4） 影响正常使用的其它特定状态（如混凝土严重浸蚀、钢筋严重锈蚀等）。3 破坏安全极限状态。这种极限

21、状态是指偶然事件造成局部损坏后，其余部分不至于发生连续倒塌的状态。偶然事件是指超过正常设计所考虑的自然灾害程度，还有人为的爆炸、车辆撞击等。 上述前两种极限状态已在我国4规范中采用，第三种极限状态仍然处于研究之中。1.3.3 结构的失效概率与可靠指标所有结构或构件都存在两个对立面：作用效应和结构抗力。 结构承受的作用分为直接作用和间接作用。直接作用是指施加在结构上的永久荷载和可变荷载，如结构自重、汽车、人群等荷载。间接作用是指引起结构外加变形和约束变形的其他作用，如地基沉降、混凝土收缩徐变及温度变化等。作用效应是指直接作用或间接作用在结构内产生的内力和变形。结构抗力是指结构构件承受内力和变形的

22、能力。作用效应 和结构抗力 都是随机变量,若以g()表达结构的功能函数且令 Zg(R,S)=RS （16）当 Z0， 结构处于极限状态； Z0， 结构处于可靠状态； Z0， 结构处于失效状态。 因此，极限状态方程的表达式为 ZRS0 （17） 可以用图17 表示上述状态的关系。 图17 图17表明，极限状态为RStg45o1。 根据统计资料，可以假定R、S为正态分布，其平均值和标准差分别为、和、，根据统计知识和分布的性质，R和S的差Z也是服从正态分布的随机变量，其平均值,标准差。Z的概率密度函数是（Z）exp （18）其分布如图18所示。由统计学知识可知，结构的可靠指标是Z的平均值与标准差的比

23、值，即 （19） 结构的失效概率Pf exp （110） 图18令（标准正态分布特征）,t,则有dzdt，z-，t-和，代入式（19）可得exp （111）式中的（ ）为标准正态分布函数表达方式。式（111）说明，失效概率Pf和可靠指标具有对应关系，下表列出了部分对应关系。 可靠指标与失效概率Pf的对应关系 表11 1 2.0 3.0 4.0 5.0 Pf1.5910-1 2.2810-2 1.3510-3 3.1710-52.910-7由上表可知，可靠指标愈大，失效指标愈小。我国04规范是在已经采用了上述概率统计方法的基础上确定的，这比85规范靠经验来确定安全系数要科学和合理得多。1.3.4

24、 我国04年规范的计算原则我国04年规范采用的是与国际接轨的概率极限状态设计法，设计应满足持久承载能力和持久正常使用极限状态，对于预应力混凝土，除了满足以上两种极限状态之外，还应满足持久状况和短暂状况构件的应力计算。1持久状况承载能力极限状态计算原则公路桥涵的持久状况设计应按承载能力极限状态的要求，对构件进行承载力及稳定计算，必要时尚应进行结构的倾覆和滑移验算（如挡土墙，桥台桥塔等）。在进行承载能力极限状态计算时，作用或荷载的效应应采用其组合设计值（其中汽车荷载应计入冲击系数）；结构材料性能采用其强度设计值。按照公路工程结构可靠度设计统一标准（GBT 502831999）的规定，公路桥涵进行持

25、久状况承载能力极限状态设计时，应将其划分为三个设计安全等级： 公路桥涵安全等级 表12 安 全 等 级 桥 涵 类 型 一级 特大桥、重要大桥 二级 大桥、中桥、重要小桥 三级 小桥、涵洞 注：本表所列的特大、大、中桥等系按公路桥涵设计通用规范（JTG D602004）表1.0.11中的单孔跨径确定，对多跨不等跨桥梁，以其中最大跨度为准；本表冠以“重要”的大桥和小桥，系指高速公路和一级公路上、国防公路上以及城市附近交通繁忙公路上的桥梁。 公路桥梁结构的目标可靠指标 表13 结构安全等级构件破坏类型一级 二级三级 延性破坏 4.7 4.2 3.7 脆性破坏 5.2 4.7 4.2 注：1.延性破

26、坏指结构破坏前有明显变形或其它预兆；脆性破坏指结构破坏前没有明显变形或其他预兆；2.当有充分依据时，各种材料桥梁结构设计规范采用的目标可靠指标，可对本表的规定制作幅度不超过0.25的调整。 路面结构的目标可靠指标 表14 结构安全等级 一级 二级 三级 目标可靠指标 1.64 1.28 1.04注：于表中目标可靠指标一级、二级、三级相对应的目标可靠度，分别为95、90、85。 桥梁构件的承载能力极限状态计算的表达式为 （112） (113) 式中 桥梁结构的重要性系数，按公路桥涵的设计安全等级，分别取为1.1(一级),1.0（二级）,0.9（三级）；桥梁的抗震设计不考虑结构的重要性系数； S

27、作用或荷载效应的组合设计值（汽车荷载要考虑冲击系数），当进行预应力混凝土连续梁等超静定结构的承载能力极限状态计算时，公式（111）中的作用或荷载效应改为，其中Sp 为预应力（扣除全部预应力损失后）引起的次效应 ；为预应力分项系数，当预应力效应对结构有利时，取1.0;对结构不利时，取1.2; R 构件承载力设计值； R()构件承载力函数； 材料强度设计值； 几何参数设计值，当无可靠数据时，可采用几何参数标准值，及设计文件规定值。2. 持久状况正常使用极限状态计算公路桥涵的持久状况设计应按正常使用极限状态的要求,采用作用或荷载的相应组合,对构件的抗裂、裂缝宽度和挠度进行验算,并使各项计算值不超过0

28、4年规范规定的限值。(1)抗裂验算 抗裂计算是将结构或构件作为没有开裂的弹性或弹塑性连续体来考虑的，在此基础上计算结构或构件的应力，并与规定的限值进行比较。抗裂计算分为正截面抗裂验算和斜截面抗裂验算。 抗裂验算的基本表达式为 （114）式中， 按规定的作用效应计算得到的构件边缘混凝土法向拉应力（正截面抗裂）或主拉应力（斜截面抗裂）； 规范规定的拉应力限值。（2）裂缝宽度验算 基本表达式为 （115） 式中 按规定的作用效应计算得出的裂缝宽度； 规范规定的裂缝宽度限值。（3）挠度验算 挠度验算的关键是结构和构件刚度的计算，有了刚度之后即可按照机构力学或材料力学的变形计算公式验算挠度，并与规定的挠

29、度限值加以比较，其基本表达式为 （116）式中， 按照规定的作用效应计算得出的挠度； 规范规定的挠度限值，一般用跨度的百分比来表示。3.作用效应组合（1）作用的分类作用随时间的变异可分为永久作用、可变作用和偶然作用。永久作用：其数值不随时间变化或变化微小，如结构自重、土的重力和侧压力、预加应力、混凝土收缩及徐变影响力、水的浮力、基础变位作用等；可变作用：其数值随时间而变化,如汽车荷载、汽车制动力、人群荷载、风荷载、温度作用、流水压力等；偶然作用：其作用时间短暂，且发生的几率很小，但一旦出现其值很大,如地震、汽车或船舶的撞击等。见表15。 作用分类 表15作用编号作 用 分 类 作 用 名 称 1 永久作用 结构重力（包括结构附加重力） 2 预加力 3 土的重力 4 土侧压力 5 混凝土收缩徐变作用 6 水的浮力 7 基础变位作用 8 可 变 作 用 汽车荷载 9 汽车冲击力 10 汽车离心力 11 汽车引起的土侧压力 12 人群荷载13 汽车制动力14 风荷载15 流水压力16 冰压力17温度（均匀温度和梯度温度）作用 18 制作摩阻力 19 偶 然 作 用 地震作用 20 船舶或漂流物的撞击作用 21 汽车撞击作用 (2)作用效应的取值 作用效应的数值是随机变量,为了设计方便,规范需要在大量调研统计的基础上规定作用效应的