第八章、建筑结构设计原理简介

8.1、钢筋混凝土结构的材料8.2、建筑结构功能要求和极限状态8.3、结构上的荷载和荷载效应8.4、结构极限状态设计表达式8.5、耐久性规定*21混凝土：由水泥，砂石，水按一定配合比组成的人工石材。虽然实际工程中的混凝土构件和结构一般处于复合应力状态，但是单向受力状态下混凝土的强度是复合应力状态下强度的基础和重要参数。8.1钢筋混凝土结构的材料混凝土的强度3混凝土的强度与水泥强度等级、水灰比有很大关系，骨料的性质、混凝土的级配、混凝土成型方法、硬化时的环境条件及混凝土的龄期等也不同程度地影响混凝土的强度。试件的大小和形状、试验方法和加载速度也影响混凝土强度试验结果，各国对各种单向受力下的混凝土强度都规定了统一的标准试验方法。4砼立方体强度的定义：立方体试件的强度比较稳定，我国把立方体强度值作为混凝土强度的基本指标，并把立方体抗压强度作为评定混凝土强度等级的标准。我国《规范》规定：，用ƒcu,k表示，单位N/mm2。1混凝土立方体抗压强度的定义和强度等级换句话：混凝土强度等级应按立方体强度标准值确定。5*立方体抗压强度标准值（ƒcu,k）两重含义：1、采用边长为150㎜的立方体试块，在标准条件（温度为17～23℃，湿度在90％以上）下养护28d，按照标准的试验方法加压到破坏测得的立方体抗压强度。2、作为标准值，所测得的混凝土的立方体抗压强度不小于该值的保证率为95％，也即强度低于该值的概率不大于5％。6《规范》规定混凝土强度等级应按立方体抗压强度标准值确定。《规范》规定的混凝土强度等级有C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80共14个等级。例如，C30表示立方体抗压强度标准值为30N/mm2。其中C50～C80属于高强度混凝土范畴。砼强度等级规定：7《规范》规定，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；当采用400MPa及以上钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C25。3钢筋混凝土结构对混凝土强度等级的要求预应力混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C40，且不应低于C30。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C30.8混凝土轴心抗压强度混凝土抗压强度与试件形状有关，采用棱柱体比立方体能更好的反映混凝土结构的实际抗压能力。用混凝土棱柱体试件测得的抗压强度称为轴心抗压强度。9混凝土轴心抗压强度我国《普通混凝土力学性能试验方法》规定以150mm×150mm×300mm的棱柱体作为混凝土轴心抗压强度试验的标准试件。试件制作同立方体试件，试件上下表面不涂润滑剂。10由于棱柱体试件的高度越大，试验机压板与试件之间摩擦力对试件高度中部的横向变形的约束影响越小。但是，当高宽比达到一定值后，这种影响就不明显了。棱柱体试件的抗压强度都比立方体强度值小，并且棱柱体试件高宽比越大，强度越小。11在确定棱柱体试件尺寸时，一方面要考虑到试件具有足够的高度以不受试验机压板与试件承压面间摩擦力的影响，在试件的中间区段形成纯拉状态，同时也要考虑到避免试件过高，在破坏前产生的附加偏心而降低抗压极限强度。根据资料，一般认为试件的高宽比为2～3时，可以基本消除上述两种因素的影响。《规范》规定以上述棱柱体试件测得具有95％保证率的抗压强度为混凝土轴心抗压强度标准值，用ƒck表示。12混凝土的强度标准值由立方体抗压强度标准值fcu,k经计算确定。13知识点：混凝土轴心抗压强度与立方体抗压强度的关系kcuccckff,2188.0c1为棱柱体强度与立方体强度之比，对混凝土强度等级为C50及以下的取c1＝0.76，对C80取c1＝0.82，在此之间按直线规律变化取值。c2为高强度混凝土的脆性折减系数，对C40及以下取c2＝1.00，对C80取0.87，中间按直线规律取值。0.88为考虑实际构件与试件混凝土强度之间的差异而取用的修正系数。14混凝土轴心抗拉强度砼的抗拉强度对砼构件多方面的工作性能有重要影响，而且在构件的抗裂、抗扭、抗冲切等计算中还常直接利用砼的抗拉强度，新规范在抗剪计算中亦考虑的抗拉强度。砼抗拉强度远低于抗压强度，仅抗压强度的1/18～1/9。在钢筋砼构件的破坏阶段，处于受拉工作状态的砼一般早已开裂，故在构件的承载力计算多数情况下是不考虑受拉砼工作的。因此，砼的抗拉强度也是一项必须确定的重要指标。15混凝土由于硬化过程中的收缩以及温度和湿度变化也会产生变形。2混凝土的变形变形是混凝土的一个重要力学性能。受力变形直接在载荷作用下所产生的变形；体积变形161.3.1短期加载时混凝土的变形1混凝土受压时的应力－应变关系（受拉基本相同）混凝土的应力应变曲线是砼力学性能的一个重要方面，是钢筋砼构件应力分析、建立强度和变形计算理论不可少的依据。4.08.00.1cf/ABCDEFO比例极限弹性阶段裂缝稳定扩展阶段裂缝不稳定扩展阶段下降段0峰值应力后裂缝继续扩展阶段收敛段典型的混凝土应力——应变全曲线17砼在加荷前就已存在微裂缝，是因为在其凝结初期由于水泥石收缩、骨料下沉等原因，在水泥石和骨料间的交界面上形成的。在外力作用下，微裂缝将有一个发展过程，砼的破坏过程是裂缝不断产生、扩展和失稳的过程。18短期加载时混凝土的变形三个阶段第Ⅰ阶段：应力－应变关系接近于直线。砼内部已存在微裂缝但没有发展。砼的变形主要是骨料和水泥结晶体的弹性变形上升段4.08.00.1cf/ABCDEFO比例极限弹性阶段裂缝稳定扩展阶段裂缝不稳定扩展阶段下降段0峰值应力后裂缝继续扩展阶段收敛段194.08.00.1cf/ABCDEFO比例极限弹性阶段裂缝稳定扩展阶段裂缝不稳定扩展阶段下降段0峰值应力后裂缝继续扩展阶段收敛段第Ⅱ阶段：随着荷载的增大，砼内部裂缝不断产生、发展。这些裂缝仍然处于稳定状态。应力不增加，裂缝不发展。我们把临界点B相对应的应力作为长期受压强度的依据。？由于不可恢复的变形明显增加，应力应变曲线弯向应变轴，横向变形系数增大。表现出明显的非弹性特征。204.08.00.1cf/ABCDEFO比例极限弹性阶段裂缝稳定扩展阶段裂缝不稳定扩展阶段下降段0峰值应力后裂缝继续扩展阶段收敛段第Ⅲ阶段：随着荷载的增大，裂缝宽度和数量急剧增加。曲线斜率急剧减小。即使应力不增加，裂缝也会持续开展。在高应力状态下，砼内部微裂缝转变为明显的纵向裂缝，试件开始破坏。峰值应力点对应的应变为峰值应变。214.08.00.1cf/ABCDEFO比例极限弹性阶段裂缝稳定扩展阶段裂缝不稳定扩展阶段下降段0峰值应力后裂缝继续扩展阶段收敛段从以上砼破坏过程分析可以得出结论：砼受压破坏是由于砼内部微裂缝的扩展所致。所以如果对砼横向变形加以约束，限制裂缝开展，可以提高其纵向受压强度。具体措施？问题：有什么有效措施能提高其纵向受压强度？224.08.00.1cf/BCDEFO下降段0峰值应力后裂缝继续扩展阶段收敛段峰值应力后，裂缝迅速发展，应力逐渐减小，呈现明显下降段。一般情况，开始下降较快，曲线坡度较陡，然后曲线坡度开始变缓，经拐点D后更为平缓，在之后曲线中曲率最大点为E点。E之后主裂缝已很宽，结构内聚力已耗尽，对于无侧向约束的混凝土已失去结构的意义。下降段下降段表达了混凝土耐受变形的能力，即E点所对应应变为其极限压应变。注：一般的压力试验机是无法得到砼的应力应变曲线的下降段的。P12233混凝土模量和弹性系数P15计算超静定结构内力、温度变化和支座沉降产生的内力以及预应力砼构件的预压应力时，通常近似地把砼看作弹性材料分析，此时，就需要用到砼的弹性模量。但对砼来说，应力应变关系为一曲线，在不同的受力阶段，应力和应变之间的变形模量是一个变数，因此怎样恰当规定砼的弹性指标成为我们要解决的首要问题。问题的提出：24弹性模量cecctgddE00:)(原点切线模量弹性模量砼的模量表达cc01ccep254混凝土弹性模量测定我国《规范》弹性模量测定方法：采用棱柱体或圆柱体试件，取应力上限为0.3fc，重复加载5～10次。由于混凝土的非弹性性质，每次卸载到零时，存在残余变形。但是随着荷载重复次数的增加，残余变形逐渐减小，最后趋于稳定，应力应变趋于直线。该直线的斜率就是混凝土的弹性模量。)/(7.342.21025mmNfEcukc混凝土受压弹性模量与受拉弹性模量大致相等。261钢筋的性能钢筋作用受力钢筋架立钢筋分布钢筋纵向构造钢筋(腰筋)构造箍筋8.1.2钢筋主要承担拉力，也可加强砼的抗压能力.保证受力钢筋的设计位置不因捣制砼而有所移动将构件所受到的外力分布在较广的范围，以改善在板中受力情况，同时固定受力钢筋。改善梁、柱中受力情况，同时固定受力钢筋。梁截面高度较大时梁中构造钢筋注意：受力、架立和分布钢筋并不一定能绝对区别开来，即同一钢筋往往可同时起上述两种以上的作用。272钢筋品种、级别和分类1纵向受力普通钢筋宜采用HRB400、HRB500、HRBF400、HRBF500钢筋，也可采用HPB300、HRB335、HRBF335、RRB400钢筋；混凝土结构的钢筋应按下列规定选用：2梁、柱纵向受力普通钢筋应采用HRB400、HRB500、HRBF400、HRBF500钢筋；3箍筋宜采用HRB400、HRBF400、HPB300、HRB500、HRBF500钢筋，也可采用HRB335、HRBF335钢筋；4预应力筋宜采用预应力钢丝、钢绞线和预应力螺纹钢筋。282钢筋品种、级别和分类根据钢筋产品标准的修改，不再限制钢筋材料的化学成分和制作工艺，而按性能确定钢筋的牌号和强度级别，并以相应的符号表达。增加强度为500MPa级的热轧带肋钢筋；推广400MPa、500MPa级高强热轧带肋钢筋作为纵向受力的主导钢筋；限制并准备逐步淘汰335MPa级热轧带肋钢筋的应用；用300MPa级光面钢筋取代235MPa级光面钢筋。在规范的过渡期及对既有结构进行设计时，235MPa级光面钢筋的设计值按原规范取值。292钢筋品种、级别和分类增加预应力钢筋的品种：增补高强、大直径的钢绞线；列入大直径预应力螺纹钢筋（精轧螺纹钢筋）；列入中强度预应力钢丝以补充中等强度预应力钢筋的空缺，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。箍筋用于抗剪、抗扭及抗冲切设计时，其抗拉强度设计值不受限制，不宜采用强度高于400MPa级的钢筋。当用于约束混凝土的间接钢筋时，其高强度可以得到充分发挥，采用500MPa级钢筋具有一定经济效益。近年来，我国强度高，性能好的预应力钢筋已可充分供应，冷加工钢筋不再列入规范。30钢筋与混凝土的粘结力粘结与粘结力定义粘结是指钢筋与周围砼界面间的一种相互作用，粘结力是指钢筋砼受力后沿其接触面上产生的一种剪应力。31钢筋与混凝土的粘结力锚固粘结应力：两种粘结应力锚固长度和延伸长度(a,b)锚固长度：钢筋伸进支座或连续梁中承担负弯矩的上部钢筋在跨中截断时，需延伸的一段长度。通过此延伸长度上粘结应力的积累使钢筋中建立起能发挥钢筋强度的应力。两相邻开裂截面之间产生。保证开裂截面钢筋与砼之间的应力传递(c)P191局部粘结应力：开裂截面处钢筋伸入支座支座负弯矩钢筋跨间截断322、粘结力组成胶着力混凝土收缩裹压钢筋产生。由于砼凝固时收缩，对钢筋产生垂直于摩擦面的压应力。这种压应力越大，接触面的粗糙程度越大，摩阻力越大。钢筋表面凹凸不平引起。对于光面钢筋这种咬合力来自表面的粗糙不平。光面钢筋的粘结：钢筋和砼接触面上的化学吸附作用力。浇注时水泥浆体对钢筋表面氧化层的渗透及水化时水泥晶体的生长和硬化。一般很小，仅在受力阶段的局部无滑移区域起作用。接触面发生相对滑移时即消失。摩阻力机械咬合力8.2建筑结构的功能要求和极限状态8.2.1建筑结构的功能要求（1）组成结构是由板、梁、柱、墙、基础等基本构件按某一规则组成的房屋骨架。（2）功能◆安全性正常使用和施工时能承受各种可能出现的作用。在设计规定的偶然时间发生时及发生后，结构仍能保持必须