4钢筋砼结构构件设计

下一张主 页退 出上一张第四章 钢筋砼结构构件设计钢筋砼结构构件设计下一张主 页退 出上一张第一节第一节 概述概述v一、结构定义：用一定数量的建筑材料一、结构定义：用一定数量的建筑材料建造成具有足够抵抗能力的空间骨架。建造成具有足够抵抗能力的空间骨架。v四个方面问题：四个方面问题：v 要抵抗各种作用力要抵抗各种作用力v 由一定的建筑材料组成由一定的建筑材料组成v 具备足够的抵抗能力具备足够的抵抗能力v 形成为使用服务的空间形成为使用服务的空间下一张主 页退 出上一张下一张主 页退 出上一张下一张主 页退 出上一张下一张主 页退 出上一张下一张主 页退 出上一张下一张主 页退 出上一张二、钢筋混凝土结构的概念及特点v（一）、概念v1、定义：由钢筋和砼两种性质不同的材料所组成的一种组合体。v钢筋：抗拉、压强度都很高，单独压易失稳，易腐蚀，造价高v砼：抗压强度高，抗拉强度低，不易受拉、弯，造价低下一张主 页退 出上一张2、例v素混凝土：承载力低，P=13.4kN，断裂破坏，突然无预兆。v配两根20钢筋：承载力高，P=87kN，砼先裂，不开展，p加大，塑性破坏，有预兆，两种强度得到充分应用。v结论：加筋后，（1）承载力得到很大提高，（2）受力性能显著改善下一张主 页退 出上一张实验下一张主 页退 出上一张下一张主 页退 出上一张3、共同工作基础v（1）粘结力相互作用协调变形共同受力v（2）温 度 线 膨 胀 系 数 接 近，钢：1.210-5，砼：(1.01.5)10-5。v（3）保护层作用：耐火、耐久性好下一张主 页退 出上一张（二）、特点1、优点：v（1）合理利用材料强度高，刚度大v（2）耐火性、耐久性好维护费用低v（3）可模性好造型灵活v（4）整体性好抗震、防振、防辐射性好v（5）就地取材，节约钢材造价低下一张主 页退 出上一张2、缺点v（1）自重大高强轻质 v（2）抗裂性差预应力砼v（3）施工比较复杂预制装配式构件，标准化v（4）补强修复困难结构胶，新材料下一张主 页退 出上一张第二节 钢筋砼材料的力学性能v一、混凝土（混凝土（砼）v1、砼组成材料v石子：粗骨料，起骨架作用；v砂：细骨料，起骨架作用；v水泥：胶结材料，起胶结作用；v水：和水泥一起组成水泥浆；v外加剂：如减水剂，早强剂等。下一张主 页退 出上一张2、砼构成原理构成原理v在凝结硬化前，砂填充石子之间的空缝，组成骨架。水和水泥组成水泥浆，填补砂的空缝，并且包裹在石子和砂的周围。v硬化后，由于水泥的物理化学作用，将砂石紧紧地粘结在一起，形成坚硬的建筑材料，故名人工石。下一张主 页退 出上一张3、砼的强度的强度等级v混凝土结构中，主要是利用它的抗压强度。v因此抗压强度是混凝土力学性能中最主要和最基本的指标。下一张主 页退 出上一张3、砼的强度的强度等级v砼立方体抗压强度fcu,k：边长150mm立方体标准试件，在标准条件下(203，90%湿度)养护28天，用标准试验方法(加载速度0.150.3N/mm2/sec，两端不涂润滑剂)测得的具有95%保证率的立方体抗压强度fcu,k。v用符号C表示，C30表示fcu,k=30N/mm2 下一张主 页退 出上一张3、砼的强度的强度等级v规范根据强度范围，从C15C80共划分为14个强度等级，级差为5N/mm2。vC15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80共分为十四个等级，是以立方体强度来标定。下一张主 页退 出上一张4、砼轴心抗压强度轴心抗压强度v采用棱柱体试件测定，用符号fc表示，它比较接近实际构件中混凝土的受压情况。棱柱体试件高宽比一般为h/b=34，我国通常取150mm150mm450mm的棱柱体试件，也常用100100300试件。v对于同一混凝土，棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度。下一张主 页退 出上一张4、砼轴心抗压强度轴心抗压强度v轴心抗压强度轴心抗压强度和立方体抗压强度的换算关系为v规范对小于C50级的混凝土取k=0.76，对C80取k=0.82，其间按线性插值cucfkf下一张主 页退 出上一张5、砼轴心抗拉强度轴心抗拉强度v也是其基本力学性能，用符号 ft 表示。v混凝土构件开裂、裂缝、变形，以及受剪、受扭、受冲切等的承载力均与抗拉强度有关。下一张主 页退 出上一张5、砼轴心抗拉强度轴心抗拉强度 500 150 15010016轴心受拉试验0102030405060708090100123456 ft fcuGBJ10-89 规范轴心受拉强度与立方体强度间的换算关系55.0395.0cutff 3/226.0cutff 下一张主 页退 出上一张6、砼破坏机理、砼破坏机理02468102030s(MPa)e 10-3BCEDA点以前，微裂缝没有明点以前，微裂缝没有明显发展，混凝土的变形显发展，混凝土的变形主要弹性变形，应力主要弹性变形，应力-应应变关系近似直线。变关系近似直线。A点应点应力随混凝土强度的提高力随混凝土强度的提高而增加，对普通强度混而增加，对普通强度混凝土凝土s sA约为约为 (0.30.4)fc，对高强混凝土对高强混凝土s sA可达可达(0.50.7)fc。A下一张主 页退 出上一张7、砼的变形、砼的变形v应力-应变关系00.0010.0020.0030.00410203040506070C80C60C40C20se下一张主 页退 出上一张二、钢二、钢 筋筋 v1、钢筋的品种：v（1）热轧钢筋：HPB235级、HRB335级、HRB400级、RRB400级。v屈服强度标准值fyk（保证率97.73%）。下一张主 页退 出上一张（1）热轧钢筋vHPB235级：fyk=235 N/mm2vHRB335级：fyk=335 N/mm2vHRB400级、RRB400级：fyk=400 N/mm2vHPB235级(级)钢筋多为光面钢筋，多作为现浇楼板的受力钢筋和箍筋下一张主 页退 出上一张（1）热轧钢筋vHRB335级(级)和 HRB400级(级)钢筋强度较高，多作为钢筋混凝土构件的受力钢筋。v尺寸较大的构件，也有用级钢筋作箍筋的为增强与混凝土的粘结，外形制作成月牙肋或等高肋的变形钢筋。下一张主 页退 出上一张（2）钢丝v中强钢丝的强度为8001200MPa，高强钢丝、钢绞线的为 1470 1860MPa。v钢丝的直径39mm。v外形有光面、刻痕和螺旋肋三种。v中高强钢丝和钢绞线均用于预应力混凝土结构。下一张主 页退 出上一张（3）冷加工钢筋v是由热轧钢筋和盘条经冷拉、冷拔、冷轧、冷扭加工后而成。v冷加工的目的是为了提高钢筋的强度，节约钢材。v但经冷加工后，钢筋的延伸率降低。下一张主 页退 出上一张（4）热处理钢筋v是将级钢筋通过加热、淬火和回火等调质工艺处理，使强度得到较大幅度的提高，而延伸率降低不多。v用于预应力混凝土结构。下一张主 页退 出上一张2、钢筋的应力-应变关系 v(1)有明显屈服点的钢筋s se eaacdefufyfba为比例极限s Esea为弹性极限de为强化段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 fu 下一张主 页退 出上一张(1)有明显屈服点的钢筋v屈服强度：是钢筋强度的设计依据。v因为钢筋屈服后将产生很大的塑性变形，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。下一张主 页退 出上一张se残余变形er弹性变形ee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。下一张主 页退 出上一张(1)有明显屈服点的钢筋v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。v屈强比：反映钢筋的强度储备，fy/fu=0.60.7。0010or 5lll 下一张主 页退 出上一张(1)有明显屈服点的钢筋钢筋的弹性模量(N/mm2)种 类EsHPB235 级钢筋2.1105HRB335 级钢筋、HRB400 级钢筋、RRB400 级钢筋、热处理钢筋2.0105消除应力钢丝、螺旋肋钢丝、刻痕钢丝2.05105钢绞线1.95105下一张主 页退 出上一张(2)无明显屈服点的钢筋va点：比例极限，约为点：比例极限，约为0.65fu。va点前：应力点前：应力-应变关系为线弹性应变关系为线弹性va点后：应力点后：应力-应变关系为非线性，应变关系为非线性，有一定塑性变形，且没有明显的有一定塑性变形，且没有明显的屈服点屈服点v强度设计指标强度设计指标条件屈服点条件屈服点残余应变为残余应变为0.2%所对应的应力所对应的应力规范规范取取s s0.2=0.85 fua0.2%s0.2 fu下一张主 页退 出上一张3、钢筋的强度标准值v钢筋的强度标准值是取其出厂时的废品钢筋的强度标准值是取其出厂时的废品限值，具有限值，具有97.73%的保证率，满足的保证率，满足建建筑结构设计统一标准筑结构设计统一标准材料强度标准值材料强度标准值保证率保证率95%的要求。的要求。普通钢筋强度标准值（N/mm2）种 类 符号 fyk HPB235(Q235)235 HRB335(20MnSi)335 热轧钢筋 HRB400(20MnSiV、20MnSiNb、20MnTi)RRB400(20MnSi)400 下一张主 页退 出上一张第三节 受弯构件正截面受弯承载力v一、概述一、概述v结构中常用的梁、板是典型的受弯构件结构中常用的梁、板是典型的受弯构件v 梁的截面形式常见的有矩形、梁的截面形式常见的有矩形、T形、工形、工形、箱形、形、箱形、形形v 现浇单向板为矩形截面，高度现浇单向板为矩形截面，高度h取板厚，取板厚，宽度宽度b取单位宽度（取单位宽度（b=1000mm）；预制）；预制板常见的有空心板、槽型板等。板常见的有空心板、槽型板等。下一张主 页退 出上一张1、梁的构造要求：d=1032mm(常用常用)h0=h-as单排单排 a=35mm双排双排 a=5560mmh0a30mm1.5dccmin dcmin1.5dcmin1.5dccmin dccmin dv钢筋的混凝土保护层厚度一般不小于25mm；v梁底部钢筋的净距不小于25mm及钢筋直径d，梁上部钢筋的净距不小于30mm及1.5d；v梁底部纵向受力钢筋一般不少于2根，直径常用1032。钢筋数量较多时，可多排配置，也可以采用并筋配置方式；下一张主 页退 出上一张1、梁的构造要求：d=1032mm(常用常用)h0=h-as单排单排 a=35mm双排双排 a=5560mmh0a30mm1.5dccmin dcmin1.5dcmin1.5dccmin dccmin dv梁上部无受压钢筋时，需配置2根架立筋，以便与箍筋和梁底部纵筋形成钢筋骨架，直径一般不小于10mm；v梁高度h450mm时，要求在梁两侧沿高度每隔300400设置一根纵向构造钢筋，以减小梁腹部的裂缝宽度，直径10mm；下一张主 页退 出上一张1、梁的构造要求：d=1032mm(常用常用)h0=h-as单排单排 a=35mm双排双排 a=5560mmh0a30mm1.5dccmin dcmin1.5dcmin1.5dccmin dccmin dv矩形截面梁高宽比h/b=2.03.0 T形截面梁高宽比h/b=2.54.0。v为统一模板尺寸、便于施工，通常采用：v梁宽度b=120、150、180、200、250、300、350、(mm)，v梁高度h=250、300、750、800、900、(mm)。下一张主 页退 出上一张2、板的构造要求v混凝土保护层厚度一般15mm和钢筋直径d；v钢筋直径通常为612mm，级钢筋；v板厚度较大时，钢筋直径可用1418mm，级钢筋；20070C15,d分布筋h0h0=h-20下一张主 页退 出上一张2、板的构造要求v受力钢筋间距一般在70200mm之间；v垂直于受力钢筋的方向应布置分布钢筋，以便将荷载均匀地传递给受力钢筋，并便于在施工中固定受力钢筋的位置，同时也可抵抗温度和收缩等产生的应力。20070C15,d分布筋h0h0=h-20下一张主 页退 出上一张二、梁的受弯性能habAsh0 xnecesf下一张主 页退 出上一张v1、弹性受力阶段(阶段)下一张主 页退 出上一张2、带裂缝工作阶段下一张主 页退 出上一张2、带裂缝工作阶段0.40.60.81.0McrMyMu0 fM/Mu fcr fy fu下一张主 页退 出上一张3、屈服阶段（阶段）下一张主 页退 出上一张3、屈服阶段（阶段）va状态v表明梁达到极限承载力。因此该应变值的计算极限弯矩Mu的标志。下一张主 页退 出上一张0.40.60.81.0aaaMcrMyMu0 fM/Mua状态：计算状态：计算Mcr的依据的依据下一张主 页退 出上一张0.40.60.81.0aaaMcrMyMu0 fM/Mua状态：计算状态：计算Mcr的依据的依据阶段：计算裂缝、刚度的依据阶段：计算裂缝、刚度的依据下一张主 页退 出上一张0.40.60.81.0aaaMcrMyMu0 fM/Mua状态：计算状态：计算Mcr的依据的依据阶段：计算裂缝、刚度的依据阶段：计算裂缝、刚度的依据a状态：计算状态：计算My的依据的依据下一张主 页退 出上一张a状态：计算状态：计算Mcr的依据的依据阶段：计算裂缝、刚度的依据阶段：计算裂缝、刚度的依据a状态：计算状态：计算My的依据的依据a状态：计算状态：计算Mu的依据的依据0.40.60.81.0aaaMcrMyMu0 fM/Mu下一张主 页退 出上一张适筋梁的破坏特征：v受拉钢筋先屈服，然后受压区混凝土压坏，中间有一个较长的破坏过程，有明显预兆，“塑性破坏”，破坏前可吸收较大的应变能。v界限配筋率r rb 下一张主 页退 出上一张超筋梁v钢筋受拉强度未得到充分发挥，破坏又没有明显的预兆，v因此，在工程中应避免采用。MyMu0 fMMuMyMy=Mu下一张主 页退 出上一张最小配筋率最小配筋率r rminv当配筋率小于一定值时，钢筋就会在梁开裂瞬间达到屈服强度，此时的配筋率v这种破坏取决于混凝土的抗拉强度，混凝土的受压强度未得到充分发挥，极限弯矩很小。下一张主 页退 出上一张三、正截面受弯承载力计算v1、基本假定 v(1)截面应变保持平面；v(2)不考虑混凝土的抗拉强度；v(3)混凝土的受压应力-应变关系；ssee双直线模型下一张主 页退 出上一张1、基本假定v(4)钢筋的应力-应变关系，受拉钢筋的极限拉应变取0.01。sseeye下一张主 页退 出上一张2、等效矩形应力图CTszMM=Cz fcxn ycCTszMM=Cz fc ycx=xn下一张主 页退 出上一张3、基本方程C=fcbxTs=ssAsM fcx=xn ,0sscAbxfNs)2(,00 xhbxfMMcu对于适筋梁，对于适筋梁，受拉钢筋应力受拉钢筋应力 =f fy yss下一张主 页退 出上一张 ,0sscAbxfNs)2(,00 xhbxfMMcu砼及钢筋的强度设计值（表8-1）下一张主 页退 出上一张 ,0sscAbxfNs)2(,00 xhbxfMMcu砼受压区等效矩形应力图系数，当C50时，=1.0下一张主 页退 出上一张4、最小配筋率的规定(防止少筋脆性破坏)v同时不应小于0.2%v对于现浇板和基础底板沿每个方向受拉钢筋的最小配筋率不应小于0.15%。ytsffbhA45.0minrr下一张主 页退 出上一张5、防止超筋脆性破坏v相对受压区高度不仅反映了钢筋与混凝土的面积比（配筋率），也反映了钢筋与混凝土的材料强度比，是反映构件中两种材料配比本质的参数。max0rrbhAsbcyscyffbhAffhxr00表8-2下一张主 页退 出上一张四、单筋矩形截面受弯构件正截面承载力计算v1、截面设计v已知：弯矩设计值Mv求：截面尺寸b，h(h0)、截面配筋As以及材料强度fy、fcv未知数：受压区高度x、b，h(h0)、As、fy、fc下一张主 页退 出上一张1、截面设计v（1）材料选用：v现浇梁板：常用C15C25级混凝土v预制梁板：常用C20C30级混凝土v梁常用级钢筋，板常用级钢筋。下一张主 页退 出上一张（2）截面尺寸确定v 截面应具有一定刚度，满足正常使用阶段的验算能满足挠度变形的要求。v根据工程经验，一般常按高跨比h/L来估计截面高度v 简支梁可取h=(1/10 1/16)L，b=(1/21/3)h 估计v 简支板可取h=(1/30 1/35)L 下一张主 页退 出上一张(3)计算公式v令v （适筋）v将x值代入得0minbhfxbfAycsrmnAS选配?02002hbfMhhxbc)2(0 xhbxfMMcu下一张主 页退 出上一张2、截面复核v已知：截面尺寸b，h(h0)、截面配筋As，以及材料强度fy、fcv求：v 受压区高度x和受弯承载力Muv 截面的受弯承载力 MuM下一张主 页退 出上一张2、截面复核20 xhbxafMcu000hxhxhbafAfxAfxbfbbbcsysycv基本公式：(防超筋)v若 令安全。M验算。时不安全，重新设计后当MMu下一张主 页退 出上一张下一张主 页退 出上一张例8-1v已知矩形梁截面尺寸bh250500mm；环境类别为一级，弯矩设计值为M150kNm，混凝土强度等级为C30，钢筋采用HRB335级钢筋，即级钢筋。v求：所需的受拉钢筋截面面积。v解：环境类别为一级，C30时梁的混凝土保护层最小厚度为 25mm下一张主 页退 出上一张v由混凝土和钢筋等级，查(表8-1)得v fc=14.3N/mm2；ft=1.43N/mm2v fy=300N/mm2v由(表8-2)知：b0.55。v =1.0下一张主 页退 出上一张v可以75.25546555.03.1012503.140.11015024654652062200hmmbfMhhxbc下一张主 页退 出上一张2120730025025.1013.140.1mmfxbfAycs(表8-4)下一张主 页退 出上一张下一张主 页退 出上一张例8-2v已知：一单跨简支板，计算跨度L=2.34m，承受均布荷载qk=3kN/rn2(不包括板的自重)，(图8-5)混凝土等级C30；钢筋等级采用HPB235钢筋，即1级钢筋。可变荷载分项系数q=1.4，永久荷载分项系数G=1.2，环境类别为一级，钢筋混凝土重度为25kN/m3。v求：板厚及受拉钢筋截面面积As下一张主 页退 出上一张下一张主 页退 出上一张（表8-1）（表8-2）下一张主 页退 出上一张v可以mmhmmbfMhhxbc08.3760618.052.510003.140.11052.4260602062200下一张主 页退 出上一张2376210100052.53.140.1mmfxbfAycs下一张主 页退 出上一张v（表8-3）(图8-6）下一张主 页退 出上一张例4-3v已知：粱的截面尺寸为bh250450mm；受拉钢筋为4根直径为16mm的HRB335钢筋，即级钢筋；混凝土强度等级为C40；承受的弯矩M89kNm。环境类别为一类。v求：验算此梁截面是否安全。下一张主 页退 出上一张解：vC40混凝土，HRB335钢筋，查(表8-1)得：fc19.1N/mm2，ft1.71N/mm2，fy300N/mm2。v查(表8-2)得b=0.55v4根16mm钢筋，查(表8-4)得As=804mm2；v环境类别为一类的混凝土保护层最小厚度为25mm，故设a35mm，H0450-35415mm下一张主 页退 出上一张25.22841555.051.502501.190.18043000hbafAfxbcsy下一张主 页退 出上一张安全mKNMmKNmmNxhbxafMcu899494000745251.5041551.502501.190.120下一张主 页退 出上一张第四节 受弯构件斜截面承载力斜裂缝的形成及配筋斜裂缝的形成及配筋下一张主 页退 出上一张斜裂缝的形成及配筋箍筋弯起钢筋腹筋下一张主 页退 出上一张梁中箍筋最大间距s smaxmax(mm)梁高h(mm)V0.7ftbh0 V0.7ftbh0 150h300 150 200 300h500 200 300 500800 300 400 梁中箍筋最小直径(mm)梁高 h(mm)箍筋直径 h250 250800 4 6 8 下一张主 页退 出上一张v梁板配筋实例详图（8-8）v楼梯配筋实例详图（8-9）下一张主 页退 出上一张第五节 受压构件v一、概述v1、受压构件的分类(1)轴心受压构件：轴向力作用于截面形心；(2)偏心受压构件。(a)轴心受压 (b)单向偏心受压 (c)双向偏心受压下一张主 页退 出上一张2箍筋普通钢箍柱螺旋钢箍柱螺旋钢箍柱螺旋钢箍柱：箍筋：箍筋的形状为圆形，且的形状为圆形，且间距较密。间距较密。下一张主 页退 出上一张3、柱子最小截面尺寸v地震区为300300MM或D350mm；常用轴压比来确定柱截面尺寸N/(Afc)。v如：七度设防时，N/(Afc)0.9v则A N/(0.9fc)(三、四级框架)v简化计算：N=受压范围每平方米1013KN进行计算。下一张主 页退 出上一张v1、计算公式vN轴向力设计值；v钢筋混凝土受压构件的稳定系数 (表8-7)；vfc混凝土轴心抗压强度设计值(表8-1)；AfAfNcsy9.0下一张主 页退 出上一张1、计算公式vfy 钢筋抗压强度设计值(表8-1)；vA构件截面面积；vAs全部受压纵筋截面面积；v0.9保持与偏心受压构件正截面承载力计算具有相近的可靠度而加的系数。AfAfNcsy9.0下一张主 页退 出上一张2、构造要求、构造要求v(1)材料强度要求材料强度要求v(2)截面尺寸及形式截面尺寸及形式下一张主 页退 出上一张(3)纵筋的要求纵筋的要求下一张主 页退 出上一张(4)箍筋的要求箍筋的要求v宜做成封闭式，绑扎间距不大于15d(d为纵筋最小直径)，焊接骨架时不大于20d，且不宜大于400mm，也不得大于构件 的短边尺寸；v当采用热扎钢筋时，其直径不小于d/4(d为纵筋最小直径)且不小于6mm；当采用冷拔低碳钢丝时，不应小于d/5，且不小于5mm。下一张主 页退 出上一张(例8-4)v已知：某四层四跨现浇框架结构的底层内柱，轴向力设计值N1400kN，H3.9m，混凝土强度等级为C20，钢筋用HRB400级。v求：柱截面积尺寸及纵筋面积。下一张主 页退 出上一张解：v根据构造要求，先假定柱截面尺寸为350mm350mmv按混凝土设计规范规定l0H3.9mvl0/b390035011.14，查(表8-7)得0.967v由C20砼，HRB400级钢筋，查(表8-1)得fy=360N/mm2；fc=9.6N/mm2v求As下一张主 页退 出上一张AfAfNcsy9.0下一张主 页退 出上一张下一张主 页退 出上一张三、配有螺旋箍筋柱的三、配有螺旋箍筋柱的承载力计算承载力计算cordrssslyAfsslyAf下一张主 页退 出上一张下一张主 页退 出上一张s2 fyAss1 fyAss1s2sdcors(a)(b)(c)01sssscorAsAdsAdAsscorss1002ssysycorcuAfAfAfN)(9.00ssysycorcuAfAfAfNN