第一章,第二章建筑材料,设计原则

建筑结构贵州财经学院佘令建筑材料•一、钢筋•1、钢筋品种•热轧钢筋、中高强钢丝和钢绞线、热处理钢筋和冷加工钢筋D—公称直径A—3股钢绞线量测尺寸钢绞线图2-1常用钢筋形式刻痕钢丝螺旋肋钢丝热轧钢筋HPB235级、HRB335级、HRB400级、RRB400级•屈服强度fyk（标准值=钢材废品限值，保证率97.73%）HPB235级：fyk=235N/mm2•HRB335级：fyk=335N/mm2•HRB400级、RRB400级：fyk=400N/mm2规范条文•钢筋的选用•第4.2.1条钢筋混凝土结构及预应力混凝土结构的钢筋，应按下列规定选用：1普通钢筋宜采用HRB400级和HRB335级钢筋，也可采用HPB235级和RRB400级钢筋；2预应力钢筋宜采用预应力钢绞线、钢丝，也可采用热处理钢筋。注：1普通钢筋系指用于钢筋混凝土结构中的钢筋和预应力混凝土结构中的非预应力钢筋；2HRB400级和HRB335级钢筋系指现行国家标准《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》GB1499中的HRB400和HRB335钢筋；HPB235级钢筋系指现行国家标准《钢筋混凝土用热轧光圆钢筋》GB13013中的Q235钢筋；RRB400级钢筋系指现行国家标准《钢筋混凝土用余热处理钢筋》GB13014中的KL400钢筋；•3预应力钢丝系指现行国家标准《预应力混凝土用钢丝》GB/T5223中的光面、螺旋肋和三面刻痕的消除应力的钢丝；4当采用本条未列出但符合强度和伸长率要求的冷加工钢筋及其他钢筋时，应符合专门标准的规定。强度标准值•第4.2.2条钢筋的强度标准值应具有不小于95%的保证率。热轧钢筋的强度标准值系根据屈服强度确定，用fyk表示。预应力钢绞线、钢丝和热处理钢筋的强度标准值系根据极限抗拉强度确定，用fptk表示。普通钢筋的强度标准值应按表4.2.2-1采用；预应力钢筋的强度标准值应按表4.2.2-2采用。各种直径钢筋、钢绞线和钢丝的公称截面面积、计算截面面积及理论重量应按附录B采用。材料标准值考虑材料分项系数强度设计值•４．２．３普通钢筋的抗拉强度设计值及抗压强度设计值应按表４．２．３／１采用；预应力钢筋的抗拉强度设计值及抗压强度设计值应按表４．２．３／２采用。•当构件中配有不同种类的钢筋时，每种钢筋应采用各自的强度设计值。钢筋弹性模量二、钢筋应力-应变关系•二、钢筋的应力-应变关系•◆有明显屈服点的钢筋二、钢筋的应力-应变关系◆有明显屈服点的钢筋sea’adcbfe•a’为比例极限•s=Ese•a为弹性极限•b为屈服上限c为屈服下限，即屈服强度fycd为屈服台阶de为强化段e为极限抗拉强度fu几个指标：屈服强度：是钢筋强度的设计依据，因为钢筋屈服后将很大的塑性变形，且卸载时这部分变形不可恢复，这会使钢筋混凝土构件产生很大的变形和不可闭合的裂缝。屈服上限与加载速度有关，不太稳定，一般取屈服下限作为屈服强度。延伸率：钢筋拉断时的应变，是反映钢筋塑性性能的指标。延伸率大的钢筋，在拉断前有足够预兆，延性较好•均匀延伸率dgt对应最大应力时应变，包括了残余应变和弹性应变，反映了钢筋真实的变形能力(≥2.5%)屈强比反映钢筋的强度储备，fy/fu=0.6~0.7。0010or5lllse残余变形er弹性变形ee有明显屈服点钢筋的应力-应变关系一般可采用双线性的理想弹塑性关系钢筋的弹性模量(N/mm2)种类EsHPB235级钢筋2.1×105HRB335级钢筋、HRB400级钢筋、RRB400级钢筋、热处理钢筋2.0×105消除应力钢丝、螺旋肋钢丝、刻痕钢丝2.05×105钢绞线1.95×105fyey1EsyyysfEeeseees◆无明显屈服点的钢筋•残余应变为0.2%所对应的应力•《规范》取s0.2a点：比例极限，约为0.65fu•a点前：应力-应变关系为线弹性•a点后：应力-应变关系为非线性，有一定塑性变形，且没有明显的屈服点•强度设计指标——条件屈服点•=0.85fua0.2%s0.2fu二、混凝土•1、混凝土强度的确定•４．１．１混凝土强度等级应按立方体抗压强度标准值确定。立方体抗压强度标准值系指按照标准方法制作养护的边长为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。•注：标准条件下：20±3℃，≥90%湿度•标准试验方法：加载速度0.15~0.3N/mm2/sec，两端不涂润滑剂）《规范》根据强度范围，从C15~C80共划分为14个强度等级，级差为5N/mm2。与原《规范GBJ10-89》相比，混凝土强度等级范围由C60提高到C80，C50以上为高强混凝土，有关指标和计算公式在C50与原《规范GBJ10-89》衔接。混凝土强度标准值和设计值•４．１．３混凝土轴心抗压、轴心抗拉强度标准值应按表４．１．３采用。混凝土收缩与徐变•1、混凝土的收缩•混凝土在空气中硬化时体积会缩小，这种现象称为混凝土的收缩。•收缩是混凝土在不受外力情况下体积变化产生的变形。•当这种自发的变形受到外部（支座）或内部（钢筋）的约束时，将使混凝土中产生拉应力，甚至引起混凝土的开裂。混凝土收缩会使预应力混凝土构件产生预应力损失。•某些对跨度比较敏感的超静定结构（如拱结构），收缩也会引起不利的内力。墙板干燥收缩裂缝与边框架的变形•混凝土的收缩是随时间而增长的变形，早期收缩变形发展较快，两周可完成全部收缩的25%，一个月可完成50%，以后变形发展逐渐减慢，整个收缩过程可延续两年以上。•一般情况下，最终收缩应变值约为(2~5)×10-4•混凝土开裂应变为(0.5~2.7)×10-414d28dtesh(2~5)×10-425%50%•◆影响因素•混凝土的收缩受结构周围的温度、湿度、构件断面形状及尺寸、配合比、骨料性质、水泥性质、混凝土浇筑质量及养护条件等许多因素有关。•水泥用量多、水灰比越大，收缩越大。•骨料弹性模量高、级配好，收缩就小。•干燥失水及高温环境，收缩大。•小尺寸构件收缩大，大尺寸构件收缩小。•高强混凝土收缩大。•影响收缩的因素多且复杂，要精确计算尚有一定的困难。•在实际工程中，要采取一定措施减小收缩应力的不利影响——施工缝。•2、混凝土的徐变•混凝土在荷载的长期作用下，其变形随时间而不断增长的现象称为徐变。•徐变会使结构（构件）的（挠度）变形增大，引起预应力损失，在长期高应力作用下，甚至会导致破坏。•不过，徐变有利于结构构件产生内（应）力重分布，降低结构的受力（如支座不均匀沉降），减小大体积混凝土内的温度应力，受拉徐变可延缓收缩裂缝的出现。•与混凝土的收缩一样，徐变也与时间有关。因此，在测定混凝土的徐变时，应同批浇筑同样尺寸不受荷的试件，在同样环境下同时量测混凝土的收缩变形，从徐变试件的变形中扣除对比的收缩试件的变形，才可得到徐变变形。•作业：•3、钢筋与混凝土之间的粘结与锚固•钢筋与混凝土之间的粘结是这两种材料共同工作的保证，使之能共同承受外力、共同变形、抵抗相互之间的滑移•钢筋能否可靠地锚固在混凝土中则直接影响到这两种材料的共同工作，从而关系到结构和构件的安全和材料强度的充分利用•粘结力的定义及组成•粘结力的定义——若钢筋和混凝土有相对变形（滑移），就会在钢筋和混凝土交界面上产生沿钢筋轴线方向的相互作用力，这种力称为钢筋与混凝土的粘结力•粘结力的组成1化学胶结力：混凝土凝结时，由于水泥的水化作用在钢筋与混凝土接触面上产生的化学吸附作用力2摩擦力：混凝土收缩后将钢筋紧紧地握裹住而产生的力3机械咬合力：钢筋表面凹凸不平与混凝土产生的机械咬合作用而产生的力4钢筋端部的锚固力：采取锚固措施后所造成的机械锚固力•粘结强度钢筋与混凝土的粘结强度通常采用拔出试验来测定。设拔出力为F，则以粘结破坏（钢筋拔出或混凝土劈裂）时钢筋与混凝土截面上的最大平均粘结应力作为粘结强度dlFb•影响粘结强度的因素•混凝土强度•混凝土保护层厚度和钢筋净距•横向配筋钢筋表面和外形特征•受力情况•锚固长度•保证可靠粘结的构造措施•钢筋的间距和混凝土的保护层不能太小•优先采用小直径的变形钢筋，光面钢筋末端应设弯钩•钢筋伸入支座应有足够的锚固长度•钢筋不宜在混凝土的拉区截断•在大直径钢筋的搭接和锚固区域内宜设置横向钢筋建筑结构设计原则建筑结构设计原则•一、结构的功能•◆安全性•◎如（M≤Mu）•◎结构在预定的使用期间内（一般为50年），应能承受在正常施工、正常使用情况下可能出现的各种荷载、外加变形（如超静定结构的支座不均匀沉降）、约束变形（如温度和收缩变形受到约束时）等的作用。•◎在偶然事件（如地震、爆炸）发生时和发生后，结构应能保持整体稳定性，不应发生倒塌或连续破坏而造成生命财产的严重损失。◆适用性•◎如（f≤[f]）•◎结构在正常使用期间，具有良好的工作性能。如不发生影响正常使用的过大的变形（挠度、侧移）、振动（频率、振幅），或产生让使用者感到不安的过大的裂缝宽度。•◆耐久性•◎如（wmax≤[wmax]）•◎结构在正常使用和正常维护条件下，应具有足够的耐久性。即在各种因素的影响下（混凝土碳化、钢筋锈蚀），结构的承载力和刚度不应随时间有过大的降低，而导致结构在其预定使用期间内丧失安全性和适用性，降低使用寿命。◆结构的可靠性•■可靠性——安全性、适用性和耐久性的总称。•■就是指结构在规定的使用期限内（设计工作寿命=50年），在规定的条件下（正常设计、正常施工、正常使用和维护），完成预定结构功能的能力。•■结构可靠性越高，建设造价投资越大。•■如何在结构可靠与经济之间取得均衡，就是设计方法要解决的问题。•■显然这种可靠与经济的均衡受到多方面的影响，如国家经济实力、设计工作寿命、维护和修复等。•■规范规定的设计方法，是这种均衡的最低限度，也是国家法律。•■设计人员可以根据具体工程的重要程度、使用环境和情况，以及业主的要求，提高设计水准，增加结构的可靠度。•■经济的概念不仅包括第一次建设费用，还应考虑维修，损失及修复的费用二、极限状态•◆结构能够满足功能要求而良好地工作，则称结构是“可靠”的或“有效”的。反之，则结构为“不可靠”或“失效”。•◆区分结构“可靠”与“失效”的临界工作状态称为“极限状态”表7.1钢筋混凝土简支梁的可靠、失效和极限状态概念结构的功能可靠极限状态失效安全性受弯承载力MMuM=MuMMu适用性挠度变形f[f]f=[f]f[f]耐久性裂缝宽度wmax[wmax]wmax=[wmax]wmax[wmax]1、《建筑结构可靠度设计统一标准》•3.0.2极限状态可分为下列两类：•1承载能力极限状态：这种极限状态对应于结构或结构构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形。•当结构或结构构件出现下列状态之一时，应认为超过了承载能力极限状态：•1)整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡(如倾覆等)；•2)结构构件或连接因超过材料强度而破坏(包括疲劳破坏)，或因过度变形而不适于继续承载；•3)结构转变为机动体系；•4)结构或结构构件丧失稳定(如压屈等)；•5)地基丧失承载能力而破坏(如失稳等)。•2正常使用极限状态。这种极限状态对应于结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值。•当结构或结构构件出现下列状态之一时，应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；•2)影响正常使用或耐久性能的局部损坏(包括裂缝)；•3)影响正常使用的振动；•4)影响正常使用的其他特定状态；2、《混凝土结构设计规范》•３．１．１本规范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。•３．１．２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，此特定状态称为该功能的极限状态。极限状态分为以下两类：•１承载能力极限状态：结构或结构构件达到最大承载力、出现疲劳破坏或不适于继续承载的变形；•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能的某项规定限值。3、《建筑结构荷载规范》•3.2.1建筑结构设计应根据使用过程中在结构上可能同时出现的荷载，