建筑结构 第4章 混凝土结构第1~2节

1土木工程学院1第二篇各种建筑结构土木工程学院2第4章混凝土结构本章主要内容1、钢筋和混凝土材料的力学性能2、钢筋混凝土受弯构件3、钢筋混凝土受压构件4、预应力混凝土结构的基本知识5、钢筋混凝土平面楼盖土木工程学院3一、混凝土结构的基本概念是钢筋和砼按一定方式组成的能共同工作的建筑材料。1.钢筋混凝土：2.钢筋混凝土结构：是以钢筋混凝土为主要承重骨架的结构。‹砼：抗拉强度大约是抗压强度的1/10。‹钢筋：抗拉抗压强度都很强。§4.1钢筋和混凝土材料的力学性能土木工程学院4素（无筋）砼钢筋砼劲性钢筋砼按配筋情况分钢管砼纤维砼预应力砼土木工程学院5素混凝土基础素混凝土结构（PlainConcrete)土木工程学院6钢筋混凝土梁钢筋混凝土结构（ReinforcedConcrete)2土木工程学院7预应力混凝土空心楼板预应力混凝土结构（PrestressedConcrete)土木工程学院8钢骨混凝土柱钢骨混凝土结构（SteelReinforcedConcrete)（EncasedConcrete）土木工程学院9钢管混凝土柱钢管混凝土结构（ConcreteFilledTubeStructure)土木工程学院10纤维增强塑料混凝土（FiberReinforcedPlastic)土木工程学院11钢-混凝土混合结构(CompositeStructure)(HybridStructure)土木工程学院12a.素混凝土梁F=13.4KN截面开裂并破坏3、素混凝土梁和钢筋混凝土梁受力性能比较素混凝土梁承载力小，破坏突然F200300ft3土木工程学院13b.钢筋混凝土梁：受拉区配2Φ20钢筋Fcr=15KN截面开裂；Fu=87KN截面破坏。‹梁的承载力大大提高，梁的受力性能改善。钢筋混凝土梁承载力大，变形性能好，破坏有预告。F2003002Φ20土木工程学院144、混凝土和钢筋共同工作的原因*混凝土和钢筋之间有良好的工作性能，两者可靠地结合在一起，可共同受力，共同变形——粘结力*两者的温度线膨胀系数很接近，避免产生较大的温度应力破坏两者的粘结力，混凝土：1.0×10-5~1.5×10-5，钢筋：1.2×10-5*混凝土包裹在钢筋的外部，可使钢筋免于腐蚀或高温软化土木工程学院155、优、缺点优点：‹1)材料来源广泛；‹2)节约钢材；‹3)耐久性和耐火性好；‹4)可模性好；‹5)整体性能好。缺点：‹1)砼自重大:重力密度：25kN/m³‹2)砼容易开裂。(先天不足)‹3)建造较费工。土木工程学院16结构设计思路课程特点：1)综合性2)适用性3)发展性：TJ10-74,GBJ10-89，GB50010-2002研究方法：规范、强制性条文，表格规律适用条件建立模式试验计算公式1.初步设计阶段—方案设计阶段1）选择结构体系2）选择结构材料3）确定施工方法4）确定结构控制截面2.施工图设计阶段1）结构上荷载的计算2）内力计算3）截面设计4）画施工图土木工程学院17砼结构设计1).材料的力学性能.3).受弯构件设计♠偏心受压构件正截面承载力1).R.C.房屋结构的选型和设计原则2).结构设计准则♠正截面承载力计算4).受压构件设计8).预应力砼构件砼结构砼结构基本理论2).R.C.梁板结构4).R.C.多高层建筑结构♠轴心受压构件正截面承载力3).R.C.单层厂房结构♠斜截面承载力计算5)受拉构件承载力6)受扭构件承载力7)R.C构件变形和裂缝验算土木工程学院184土木工程学院19参考书1.滕智明编«钢筋混凝土基本构件»。清华大学出版社2.蓝宗建编«混凝土结构设计原理»。东南大学出版社3.〔美〕艾伦威廉斯著«钢筋混凝土结构设计»。中国水利水电出版社4.GB50010-2002«混凝土结构设计规范»5.杂志：«建筑结构学报»，«建筑结构»，«工业建筑»等。土木工程学院20二、钢筋1、钢筋的品种按化学成分碳素钢（铁、碳、硅、锰、硫、磷等元素）低碳钢（含碳量0.25%）中碳钢（含碳量0.25~0.6%）高碳钢（含碳量0.6~1.4%）普通低合金钢（另加硅、锰、钛、钒、铬等）硅系硅钒系硅钛系硅锰系硅铬系土木工程学院21按加工强度高，塑性低强度高，粘结性好强度高预应力钢筋钢筋热轧钢筋钢丝钢绞线热处理钢筋HPB235HRB335HRB400RRB400光圆钢筋变形钢筋变形钢筋变形钢筋非预应力钢筋强度塑性弱强高低土木工程学院22Fig.我国常见钢筋外形普通钢筋强度标准值（N/mm2）种类符号fykHPB235(Q235)235HRB335(20MnSi)335热轧钢筋HRB400(20MnSiV、20MnSiNb、20MnTi)RRB400(20MnSi)400R土木工程学院232、钢筋的力学性能1）有明显屈服点（软钢）0εdabceσoa—弹性阶段bc—屈服阶段cd—硬化阶段de—颈缩阶段d0σε¾条件屈服点σ0.2是残余应变为0.2%时的应力条件屈服强度σ0.2=0.85σb2）无明显屈服点（硬钢）cσ0.20.2%a—比例极限σpc—屈服强度σyd—极限强度σb土木工程学院24根据钢材的力学指标，确定钢材的工程评定基本指标为：屈服强度：是钢材出现屈服的力学指标，当达到该指标时，钢材将出现较大的不可恢复的塑性变形，该指标是钢材的设计强度采用指标；极限强度：是钢材承受的极限力学指标，达到该指标后，钢材将出现断裂等完全失去承载力的现象，该指标为钢材的储备强度，不作为设计采用。5土木工程学院25伸长率：钢材拉断后的塑性变形量较钢材原始尺度的变化率，是衡量钢材塑性变形能力的重要指标。冷弯指标：是检验钢材冷加工性能的指标，对于钢筋与钢板，其冷弯指标是指在常温下被检验材料对于某一相对的半径（相对板材厚度与钢筋直径）的弯曲角度。冲击韧性：是对于钢结构使用钢材的特殊要求，是检验钢材对于冲击荷载的承受能力。土木工程学院26土木工程学院27土木工程学院28钢筋的强度标准值钢筋的强度设计值具有95%保证率的基本代表值。其中，热轧钢筋根据屈服强度确定，用表示；预应力钢绞线、钢丝和热处理钢筋的强度根据极限抗拉强度确定，用表示。ykfptkf1.1,,=′=′ssykykyyffffγγ，2.1,,=′=′ssptkptkpypyffffγγ，a.热轧钢筋强度设计值：b.预应力钢筋强度设计值：常规直径:d=6,8,10,12,14,16,18,20,22,25,28,32mm12种。——等于标准值除以分项系数。钢筋的强度标准值、设计值见附表4-1至4-5（P391）土木工程学院293.钢筋的冷加工和热处理冷拉K点的选择：应力控制和应变控制温度的影响：温度达700ºC时恢复到冷拉前的状态，先焊后拉特性：只提高抗拉强度，不提高抗压强度，强度提高，塑性下降σεBKZZ’K’残余变形冷拉伸长率无时效经时效OO’土木工程学院30冷拔经过冷拔后钢筋没有明显的屈服点和流幅;冷拔既能提高抗拉强度又能提高抗压强度;热处理对特定钢号的钢筋进行淬火和回火处理强度提高，塑性降低不降低强度的前提下，消除由淬火产生的内力，改善塑性和韧性6土木工程学院31徐变应力不变，随时间的增长应变继续增加松弛长度不变，随时间的增长应力降低对结构，尤其是预应力结构，产生不利的影响，需采取必要的措施4.钢筋的徐变和松弛土木工程学院325、钢筋的疲劳重复荷载作用下，钢筋的强度静载作用下的强度规定的应力幅度内，经一定次数的重复荷载后，发生疲劳破坏的最大应力值称为疲劳强度。对钢筋用疲劳应力幅来表示其疲劳强度。试验方法单根钢筋的轴拉疲劳钢筋埋入混凝土中重复受拉或受弯土木工程学院33三、混凝土（一）混凝土的强度a.定义：水泥胶体(水泥结晶体和水泥胶块)弹性骨架（混凝土）水泥+水石子、沙子b.强度等级：立方体抗压强度是指按照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抗压强度。C15,C20,C25,C30,C35,C40,C45,C50~C80共14级C—混凝土concrete15—立方体抗压强度的标准值为15N/mm2砼强度等级kcuf,1.立方体抗压强度150mm150mm150mm土木工程学院34a.定义：b.折算：轴心抗压强度是指按照标准方法制作养护的截面为150mm×150mm高300mm的棱柱体，在28天龄期，用标准试验方法测得的抗压强度。2.轴心抗压强度ckf（棱柱体抗压强度）‹抗压强度随试件高度增大而降低3.轴心抗拉强度()255.0348.0ccutffα=cucccff2188.0αα=1cα—轴心抗压强度与立方体抗压强度比值2cα—高强混凝土脆性折减系数0.88—经验折减系数tkf土木工程学院35(二）混凝土的变形变形的分类：受力变形—荷载产生的；体积变形—收缩、膨胀、温差及湿差产生的。1.混凝土的受力变形（1）混凝土的应力-应变曲线εcuεcσc0ABCDfcε0残余变形弹性变形OA—弹性阶段AB—微裂缝开展BC—弹塑性，竖向裂缝形成CD—下降段混凝土是弹塑性材料土木工程学院36（2）混凝土的弹性模量原点切线模量（弹性模量）：拉压相同ecctgEεσα/0==变形模量（割线模量、弹塑性模量）ccctgEεσα/'1==切线模量cccddtgEεσα==''cccecEEEνεε=='弹性特征系数受压时，为0.4~1.0；受拉破坏时，为1.0εcσcσcεcεeεpα0αα17土木工程学院37（3）混凝土的徐变1）徐变：在长期不变的荷载作用下，结构或构件产生的应变或变形；a).水泥凝胶体的粘性流动2).产生徐变的原因b).内部微裂缝的开展3).对构件影响:a).使变形增大b).产生预应力损失c).引起轴压构件及结构的应力重分布Time(m)ε(×.001)εcr51015250.51.01.5εeε’acε’eε’cr土木工程学院384).影响徐变的因素:应力：σc0.5fc，徐变变形与应力成正比——线性徐变0.5fcσc0.8fc，非线性徐变σc0.8fc，造成混凝土破坏，不稳定加荷时混凝土的龄期，越早，徐变越大水泥用量越多，水灰比越大，徐变越大骨料越硬，徐变越小土木工程学院392、混凝土的非受力变形（1）混凝土的收缩与膨胀a.收缩原因：水分蒸发b.对构件影响：a)构件产生裂缝b)引起预应力损失收缩——砼在空气中硬化体积减小的现象土木工程学院40c.影响收缩的因素：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——施工缝土木工程学院41墙板干燥收缩裂缝与边框架的变形土木工程学院42膨胀——混凝土在水中或处于饱和湿度情况下硬结时体积增大的现象。（2）混凝土的温度变形大体积混凝土结构常需要计算温度应力。混凝土内的温度变化取决于混凝土的浇筑温度、水泥结硬过程中产生的水化热引起的温升以及外界介质的温度变化。为减少温度及干缩的有害影响，应对结构形式、施工工艺及施工程序等方面加以研究。8土木工程学院43四、钢筋与混凝土间粘结与锚固1、混凝土对于钢筋粘结力的形成粘结应力是指钢筋与砼接触面上为抵抗变形差所产生的剪应力。T土木工程学院44化学粘结力‹是混凝土内的水泥胶体所生成的对于钢筋表面的粘结力；‹粘结力的大小不仅与钢筋与混凝土接触的表面积有关，更与混凝土强度相关，强度等极高的混凝土所形成的粘结力也大；摩擦力‹是光圆钢筋表面与混凝土所形成的粘结力的主要来源；‹摩擦力的大小与钢筋和混凝土接触的表面积成正比；‹光圆钢筋表面的微微锈蚀有助于提高这种摩擦力，但较大的锈蚀会导致钢筋与混凝土的隔离，进而降低摩擦力。土木工程学院45机械咬合力‹是带肋钢筋的锚固力的主要来源；‹带肋钢筋的锚固力中，摩擦力与化学粘结力所占的比例较小；z对于光圆钢筋，可以采取端部弯钩的方式形成钢筋与混凝土的机械咬合，从而增加锚固力。T土木工程学院46保证粘结的构造措施1)保证最小搭接长度和锚固长度2)钢筋最小间距和砼保护层最小