给排水工程结构

绪论以混凝土为主要材料制作的结构称为混凝士结构。它主要指素混凝土结构、钢筋混凝土结构、和预应力混凝土结构。还有型钢混凝土结构、钢管混凝土结构等。素混凝土结构是指不配置任何钢材的混凝土结构。钢筋混凝土结构是指用圆钢筋作为配筋的普通混凝土结构。§0-1混凝土结构的基本概念型钢筋混凝土结构又称为钢骨混凝土结构。它是指用型钢或用钢板焊成的钢骨架作为配筋的混凝土结构。钢管混凝土结构是指在钢管内浇捣混凝土做成的结构。本课程重点讲述钢筋混凝土结构的设计原理，包括材料性能、设计原则、各种受力构件的计算方法和结构设计构造措施.素混凝土结构（PlainConcrete)素混凝土基础素混凝土钢筋混凝土梁钢筋混凝土结构（ReinforcedConcrete)预应力混凝土结构（PrestressedConcrete)预应力混凝土结构是指在结构构件制作时，在其受拉部位人为地预先对混凝土施加压应力的混凝土结构。一、钢筋混凝土结构的受力特点根据素混凝土简支梁和钢筋混凝土简支梁的破坏试验（1）素混凝土简支梁的破坏试验：图0-4a为一根未配置钢筋的素混凝土简支梁，跨度4m，截面尺b×h=200mm×300mm、混凝土强度等级为C20。梁的跨中作用一个集中荷载F，对其进行破坏性试验。素混凝土梁的试验结果表明：（1）当荷载较小时，截面上的应变则同弹性材料的梁一样，沿截面高度呈直线分布；（2）当荷载增大使截面受拉区边缘纤维拉应变达到混凝土抗拉极限应变时该处的混凝土被拉裂，裂缝沿截面高度方向迅速开展，试件随即发生断裂破坏。（3）破坏的性质：破坏是突然的，没有明显的预兆，属于脆性破坏。钢筋混凝土梁的破坏试验：在梁的受拉区布置三根直径为16mm的HPB235级钢筋(记作3Φ16)并在受压区在布置两根为10mm的架力钢筋和适量的箍筋。再进行同样的荷载试验(图0-4b)①当加载到一定阶段使截面受拉区边缘纤维拉应力达到混凝土抗拉极限强度时，混凝土虽被拉裂，但裂缝不会沿截面的高度迅速开展，试件也不会随即发生断裂破坏。②混凝土开裂后，裂缝截面的混凝土拉应力由纵向受拉钢筋来承受，故荷载还可进一步增加。此时变形将相应发展，裂缝的数量和宽度也将增大。③受拉钢筋抗拉强度和受压区混凝土抗压强度都被充分利用时，试件才发生破坏。④破坏性质：试件破坏前，变形和裂缝都发展得很充分，呈现出明显的破坏预兆，属于塑性破坏。虽然试件中纵向受力钢筋的截面面积只占整个截面面积的1％左右，但破坏荷载却可以大大提高。归纳总结一下：在混凝土结构中配置一定型式和数量的钢筋，可以收到下列的效果：①结构的承载能力有很大的提高；②结构的受力性能得到显著的改善钢筋混凝土破坏前带有明显的预兆即：变形和裂缝都较明显。钢筋和混凝土是两种物理、力学性能很不相同的材料，它们可以相互结合共同工作的主要原因是：①混凝土结硬后，能与钢筋牢固地粘结在一起，相互传递内力。粘结力是这两种性质不同的材料能够共同工作的基础；②钢筋的线膨胀系数为1.2×10-5℃-1，混凝土的为1.0×10-5℃-1～1.5×10-5℃-1，二者数值相近。因此.当温度变化时，钢筋与混凝土之间不会存在较大的相对变形和温度应力而发生粘结破坏。钢筋混凝土结构的优点：钢筋混凝土结构除了比素混凝土结构具有较高的承载力和较好的受力性能以外。与其他结构相比还具有下列优点：①就地取材。钢筋混凝土结构中，砂和石料所占比例很大，水泥和钢筋所占比例较小。砂和石料一般可以由建筑工地附近供应。②节约钢材。钢筋混凝土结构的承载力较高。大多数情况下可用来代替钢结构，因而节约钢材。③耐久、耐火。钢筋埋放在混凝土中，受混凝土保护不易发生锈蚀，因而提高了结构的耐久性。当火灾发生时。钢筋混凝土结构不会象木结构那样被燃烧，也不会象钢结构那样很快软化而破坏。④可模性好。钢筋混凝土结构可以根据需要浇捣成任何形状。⑤现浇式或装配整体式钢筋混凝土结构的整体性好，刚度大。钢筋混凝土结构的缺点：①自重大。钢筋混凝土的重度约为25kN/m3，比砌体和木材的重度都大。②抗裂性差。混凝土的抗拉强度非常低，因此，普通钢筋混凝土结构经常带裂缝工作。尽管裂缝的存在并不一定意味着结构发生破坏，但是它影响结构的耐久性和美观。当裂缝数量较多和开展较宽时，还将给人造成不安全感。③施工的周期较长。受天气的影响较大，需要较多的脚手架、模板。④补强维修较难。钢筋混凝土结构的优点远远多于其缺点。因此，它已经在房屋建筑、水池等构筑物、地下结构（钢筋混凝土桩基）、桥梁（城市立交桥）、铁路（钢筋混凝土枕木）、隧道（钢筋混凝土砌衬）、水利（三峡大坝）、港口（码头平台）等工程中得到广泛应用。针对其缺点人们研究出许多的有效措施：①为了克服自重大的缺点，已经研究出许多高强轻质的混凝土和强度很高的钢筋；②为了克服普通钢筋混凝土容易开裂的缺点，可以对它施加预应力等等。③但还有许多工程实际问题等待我们的同学们去探索和研究。二、钢筋混凝土材料的发展——高强轻质（1)混凝土材料强度大幅提高到20世纪80年代初，在发达国家C60级混凝土已经普遍采用。近年来国内外采用附加减水剂的方法已制成强度为200MPa以上的混凝土。高强混凝土的出现更加扩大了混凝土结构的应用范围，为高层建筑、地下工程、压力容器、海洋工程等领域的应用创造了条件。（2）轻质混凝土的研究与应用从20世纪60年代以来，轻骨料（陶粒、浮石等）混凝土和多孔（主要是加气）混凝土得到迅速发展，其重度为14－18KN/m3。。三、在结构形式方面的发展1.钢筋混凝土在高层建筑中的应用1976年建成的美国芝加哥水塔广场大厦达74层，高262米。朝鲜平壤的柳京大厦，105层，高305米，也是混凝土结构。美国、俄罗斯等国在建筑工程中采用的混凝土，强度已达C80—C100。美国西雅图市的TwoUnionSquare大厦（58层）60%的竖向荷载由中央四根直径为10英尺（3.05m）的钢管混凝土柱承受，钢管内填充的混凝土强度等级达C135。2.钢筋混凝土结构广泛用在桥梁，特种结构、水利工程、海洋工程、港口码头工程等。从1925年德国第一次采用折板结构大型煤仓开始，钢筋混凝土薄壁空间结构逐渐在屋盖及贮仓水塔、水池等构建物中得到广泛应用。四、混凝土结构的施工方式现浇混凝土结构(cast-in-Situconcretestructure)在现场支模并整体浇筑而成的混凝土结构。也叫现浇整体式混凝土结构。装配式混凝土结构(prefabricatedconcretestructure)由预制混凝土构件或部件通过焊接、螺栓连接等方式装配而成的混凝土结构。装配整体式混凝土结构(assembledmonolithicconcretestructure)由预制混凝上构件或部件通过钢筋、连接件或施加预应力加以连接并现场浇筑混凝土而形成整体的结构。§0-2本课程特点及学习应注意的事项1、混凝土结构通常是由钢筋和混凝土结合而成的一种结构钢筋混凝土材料与理论力学中的刚性材料以及材料力学中理想弹性材料有很大的区别。为了对混凝土结构的受力性能与破坏特征有较好的了解，首先要求对钢筋混凝土的力学性能要很好地掌握。2、混凝土结构计算公式具有经验性①混凝土结构在裂缝出现以前的抗力行为，与理想弹性结构相近。但是在裂缝出现以后，与理想弹性材料有显著不同。②混凝土结构的受力性能还与结构的受力状态、配筋方式和配筋数量等多种因素有关，难以用一中简单的数学、力学模型来描述。因此，目前主要以混凝土结构构件的试验与工程实践经验为基础进行分析，许多计算公式都带有经验性质。3、要了解和掌握国家标准关于混凝土结构设计的技术原则和经济政策工程实际情况是非常复杂的，建筑结构上的实际荷载和实际材料指标与规范规定的大小会有一定的出入。不同结构的重要性也不一样，它们对结构的安全、适用和耐久的要求不相同。《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002)、《给水排水构筑物结构设计规范》（GB50069-2002）的掌握、应用与不断探索创新的重要性。4、构造要求非常重要进行混凝土结构设计时离不开计算。但是，现行的计算方法一般只考虑荷载效应。其他影响因素，如：混凝土收缩、温度影响以及地基不均匀沉陷等，难于用计算公式来表达。因此，在学习本课程时，除了要对各种计算公式了解和掌握以外，对于各种构造措施也必须给予足够的重视。在设计混凝土结构时，除了进行各种计算之外，还必须检查各项构造要求是否得到满足。上海金茂大厦，88层，382m竣工通车于1991年12月1日的南浦大桥，总长8346米，通航净高46米，5.5万吨巨轮可以从桥下从容而过。它是目前世界上第四大双塔双索面斜拉桥，呈“H”形的主桥塔高150米，上有邓小平同志亲笔书写的“南浦大桥”四个大字。杨浦大桥是黄浦江上的第二座大桥，是世界最大跨径双塔双索面斜拉桥，大桥以其线条流畅、动感强烈的设计造型横跨浦江，成为上海的一个门户特征。杨浦大桥于1993年10月竣工通车，她与南浦大桥遥相呼应，是内环线高架连接浦东与浦西的过江枢纽，总长为7654米，跨径为602米，主桥长1172米，犹如一道横跨浦江的彩虹，在世界同类型斜拉桥中雄居第一。第一章钢筋混凝土结构的材料性能本章主要论述钢筋的力学性能和混凝土的力学性能（混凝土的立方体抗压强度、轴心抗压强度、轴心抗拉强度；混凝土的变形和混凝土的选用）。重点讨论材料的强度、混凝土的变形、钢筋与混凝土之间的相互作用——粘结力等。它们是学习钢筋混凝土结构设计原理的基础。§1.1钢筋有屈服点的钢筋试件在试验机上进行拉伸试验得出的典型应力－应变曲线如图1.1所示。其中颈缩现象如图1.2。对于有明显屈服点的钢筋取其屈服强度作为钢筋强度的限值——强度指标。1.1.1钢筋的力学性能一、有屈服点的钢筋121100%lll反映钢筋塑性性能的基本指标是伸长率和冷弯性能。伸长率是钢筋试件拉断后的伸长值与原长的钢筋的强度与变形◆有明显屈服点的钢筋a’abcdefua´为比例极限oa为弹性阶段de为强化阶段b为屈服上限c为屈服下限，即屈服强度fycd为屈服台阶e为极限抗拉强度fufyfef为颈缩阶段图1.1钢筋的应力－应变曲线图1.2钢筋的颈缩无明显屈服点的钢筋试件在试验机上进行拉伸试验得出的典型应力－应变曲线如图1.3所示。实际设计中通常取相应于残余应变ε=0.2%时的应力σ0.2作为名义屈服点，即条件屈服强度。对于无明显屈服点的钢筋，由于其条件屈服点不容易测定，因此，这类钢筋的质量检验以其极限强度作为主要指标。《混凝土结构设计规范》规定，条件屈服强度σ0.2取极限强度σb的0.8倍，σ0.2=0.8σb二、无屈服点的钢筋图1.3无明显屈服点钢筋1.钢筋的强度标准值《混凝土结构设计规范》（GB50010—2002）规定，材料强度的标准值应具有不少于95%保证率。热轧钢筋的强度标准值根据屈服强度确定，用fyk表示。预应力钢绞线、钢丝和热处理钢筋的强度标准值根据极限抗拉强度确定，用fptk表示。普通钢筋、预应力钢筋的强度标准值见教科书。三、钢筋的强度指标2.在进行钢筋混凝土结构构件承载力设计计钢筋强度设计值等于钢筋强度标准值除以钢筋材料分项系数γs，按不同钢筋种类，分别取γs=1.10~1.20钢筋强度的标准值和设计值见教材。一、现行规范规定的普通钢筋普通钢筋强度标准值（N/mm2)§1.2混凝土混凝土是由水泥、水、粗骨料（碎石、卵石）、细骨料砂等材料按一定配合比，经混合搅拌，入模浇捣并养护硬化后形成的人工石材。影响混凝土的强度和变形的主要因素有：原材料的性能；各组成成分的比例，尤其是水灰比的大小；施工方法（搅拌程度、浇捣的密实性、对混凝土的养护方法）等。混凝土的基本强度指标有立方体抗压强度、轴心抗压强度和轴心抗拉强度三种。1.2.1混凝土的强度强度是指结构材料所能承受的某种极限应力。混凝土的强度是靠水泥的水化、硬化获得的。水泥的水化硬化早期快、后期慢，故混凝土强度的增长也是早期快、后期慢，但到28d龄期时强度的增长就不明显而趋于稳定。因此，规范以28d龄期时混凝土的强度为基准。1.混凝土强度等级—立方体抗压强度fcu混凝土强度等级应按立方体抗