混凝土结构基本知识

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,混凝土结构基本知识一、绪论,1,（一）混凝土结构的定义与分类,1.定义：以混凝土为主要材料的结构（体积含量 60%）。,2.分类：钢筋混凝土结构 配置受力的普通钢筋，钢筋,网或钢骨架；,预应力混凝土结构配置预应力钢筋的混凝土结,构；,素混凝土结构 配置不受力的钢筋的混凝土,结构。,一、 绪论,2,（二）配筋的作用与要求,1.钢筋混凝土的组成：钢筋+混凝土（按一定方式）,2.两种材料的基本力学特性：,钢筋 抗拉与抗压强度较高（一般各向同性）；,混凝土抗拉强度远低于其抗压强度（之比,约为10%且各向异性）；,一、 绪论,3,素混凝土梁 承载力低，一开裂即告破坏，破坏前无预兆（为脆性）；,钢筋混凝土梁承载力高，混凝土开裂后，其承担的 拉应力转移到钢筋，钢筋屈服后梁才破坏，破坏前有预兆（为延性）。,3.配筋的作用：,（1）提高结构的承载力；,（2）调整结构的破坏形态。,一、 绪论,4,4.讨论：,配筋的基本原则：,使钢筋在结构中处于受拉；,使混凝土在结构中处于受压。,5.钢筋与混凝土共同工作的原因：,（1）两者之间存在良好的粘结力；,（2）它们的线膨胀系数接近，即使存在温差，这,种粘结力也不致破坏。,一、 绪论,5,6.配筋的基本要求,（1）钢筋的布置（即在结构中的位置）和数量由计,算确定；,（2）在钢筋的端部应有锚固长度或弯钩（常称为构 造要求）。,7.总结钢筋混凝土概念的实质：,（1）由两种材料组成，力学性能互补。,（2）钢筋位置合适，能充分发挥材性。,（3）保证共同共作。,一、 绪论,6,钢筋混凝土结构的优点,材料利用合理 钢筋与混凝土的材料强度可充分发挥；,可模性好 适用于各种复杂的结构形式；,耐久和耐火性好 维护费用低；,结构整体性好 有利于结构的抗震、抗爆；,刚度、阻尼大 有利于结构的变形控制；,材料易获得 混凝土材料可就地取材，还可利用工业废,料 作为其原材料，进而保护环境。,一、 绪论,7,材料的发展,1.混凝土：强度由低向高发展，自重由大向小发展；,2.钢 材：强度由低向高发展，延性大幅度改善；,3.外加剂：抗冻，缓凝，防渗，纤维。,力学的发展,材料力学 结构力学 弹性力学,弹塑性力学 有限元,一、 绪论,8,设计方法的发展,允许应力法 破坏阶段法 极限状态法,概率极限状态法,我国现行设计方法及规范,1.设计方法：近似概率极限状态法；,2.规范：混凝土结构设计规范GB50010-2002（以后简称为“规范”）。,混凝土结构的发展与应用情况,一、 绪论,9,混凝土结构基本知识,二、钢筋混凝土结构的材料的力学性能,10,（一）混凝土的组成结构,1.组成：混凝土=水泥+细骨料（砂）+粗骨料（碎石或鹅卵石）+水+外加剂,2.基本力学性质：,（1）弹塑性、各向异性,（2）水泥+细骨料+水凝胶体（塑性）,（3）粗骨料（弹性）,3.混凝土的物理力学性能主要反映在两个方面：,（1）破坏强度的问题,（2）变形的问题,一、混凝土的强度指标,11,（二）单轴向应力状态下的混凝土强度,混凝土构件一般处于多轴向应力状态下，为分析问题方便，先讨论单轴向应力状态下的混凝土的强度。由于混凝土的各向异性性质，其各项强度是不一样的，必须分别讨论。,1.混凝土的抗压强度,（1）混凝土的立方体抗压强度和强度等级,A. 立方体抗压强度的物理意义：混凝土强度 的基本指标和评定混凝土强度等级的标准,一、混凝土的强度指标,12,B.确定混凝土立方体抗压强度的标准方法,a.标准试件：150,mm 150mm150mm的立方体；,b.标准制作条件：在温度（203）,C和相对湿,度90%以上的环境下，养护28天；,c.标准试验方法：试件表面不涂润滑剂、均匀加载,和匀速加,“静”载；,d.单位：N/mm。,一、混凝土的强度指标,13,C.强度等级,a.确定方法：采用混凝土的立方体抗压强度；,b.数值确定：具有95%的保证率；,c.工程符号： （ N/mm ），简写形式为C, ；,d,.“规范”的等级范围：C15C80，共14级；,e.应用范围：C15C45为普通混凝土，适用于一般的 混凝土结构；,C50C80为高强混凝土，适用于预应力,混凝土构件。,一、混凝土的强度指标,14,D.试验方法对立方体抗压强度的影响,a.试件表面是否涂润滑剂：不涂时强度高；涂后强度低，其主要原因是由于“套箍”作用；且破坏形态不一样；,b.加载速度：速度快强度高，速度慢强度低,（2）混凝土的轴心抗压强度,A.确定混凝土轴心抗压强度的标准方法,a. 标准试件： 150,mm 150mm300mm的棱柱体；,b. 其余同混凝土立方体抗压强度的标准方法；,c. 工程符号： （ N/mm ），,一、混凝土的强度指标,15,B.关于 的讨论,a.高宽比：随着高宽比的增加， 会降低，但高宽比为3时，会稳定；,b.混凝土立方体抗压强度与轴心抗压强度的关系：,c.,国外用圆柱体试件确定混凝土轴心抗压强度。,一、混凝土的强度指标,16,2.混凝土的轴心抗拉强度,（1）确定方法：轴心受拉试验和劈裂试验；,（2）混凝土轴心抗拉强度约为立方体抗压强 度的1/171/8；,（3）在荷载较小时，混凝土即开裂，所以混,凝土结构一般带裂缝工作，混凝土轴心,抗拉强度不起决定作用。,一、混凝土的强度指标,17,复合受力状态下混凝土的强度,双轴应力下的强度,1.0,1.0,1.2,1.2,-0.2,-0.2,2,/,f,c,1,/,f,c,拉,压,/,f,c,/,f,c,0.2,0.1,-0.1,0.0,0.6,1.0,单轴抗拉强度,单轴抗压强度,双向正应力下的强度曲线,法向应力和剪应力下的强度曲线,一、混凝土的强度指标,18,（三）复合应力状态下混凝土的强度,1.关于双向应力状态下的强度变化规律,（1）双向受压时，混凝土抗压强度大于单向；,（2）双向受拉时，混凝土抗拉强度接近于单向；,（3）一向受压和一向受拉时，其抗拉（抗压）强度,均低于相应的单向强度；,（4）由于剪应力的存在，混凝土抗压强度低于单向；,（5）由于压应力的存在，混凝土抗剪强度有限增加。,一、混凝土的强度指标,19,2.关于三向受压状态下的强度变化规律,结论：三向受压状态下的混凝土抗压强度大,于双向和单向。,3.关于实际工程运用,（1）目前“规范”尚无定量计算公式；,（2）实际工程中均采用单向强度，但要考虑,复合应力情况，从构造上加以调整。,一、混凝土的强度指标,20,变形的分类：受力变形荷载产生的；,体积变形收缩、膨胀即温差产生的。,1.一次短期加载下混凝土的变形性能,（1）混凝土受压时的应力-应变关系,实际试验曲线其规律为：,a.应力-应变关系为曲线，上升段中仅有一小段直线；,b.应力峰值对应的应变约为0.002（基本与等级无关）,c.混凝土强度高时其延性越差。,二、混凝土的变形性能,21,一次短期加载下,混凝土受压的应力应变曲线,当0.3时， 关系接近于,直线,；,当=(0.30.8)时， 关系,偏离直线,；,当=(0.81.0)时，内部微裂缝进入,非稳定发展,阶段。,峰值应变,极限压应变,混凝土的应力应变曲线,二、混凝土的变形性能,22,（2）混凝土单轴向受压应力-应变曲线的数学模型,A.美国E.Hognestad模型（上升段为二次抛物线，下降,段为斜直线）用于美国ACI规范；,B.德国R,sch 模型,（上升段为二次抛物线，下降段采,用水平线）,被欧盟和中国国家规范参考。,（3）三向受压状态下混凝土的变形特点,A.变形特点：侧压力越大，变形能力越好（强度也高）；,B.工程意义：设置密排箍筋间接产生侧压力。,二、混凝土的变形性能,23,上升段：,下降段：,规范提出的混凝土应力-应变曲线表达式,二、混凝土的变形性能,24,规范中混凝土应力应变曲线参数的确定,二、混凝土的变形性能,25,混凝土的变形模量,初始弹性模量 ：过,原点,切线的斜率。,切线模量 ：过某一点,切线,的斜率。,割线模量 ：某一点与原点,连线,的斜率。,混凝土的变形模量,二、混凝土的变形性能,26,混凝土的收缩和徐变,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。,混凝土在长期不变荷载的作用下，其变形随时间而不断增长的现象称为徐变。,二、混凝土的变形性能,27,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。通常，最终收缩应变值约为(25)10,-4,，而混凝土开裂应变为(0.52.7)10,-4,，说明收缩会导致开裂。,混凝土收缩包括凝缩和干缩两部分，凝缩是由于水泥结晶体比原材料的体积小；干缩是混凝土内自由水分蒸发引起的。,二、混凝土的变形性能,14d,28d,t,e,sh,(,25,),10,-4,25,%,50%,28,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。,混凝土收缩的影响因素,二、混凝土的变形性能,29,随荷载作用时间的延续，变形不断增长，前4个月徐变增长较快，6个月可达最终徐变的（7080）%，以后增长逐渐缓慢，23年后趋于稳定。,混凝土的徐变,瞬时恢复,弹性后效,残余应变,收缩应变,徐变应变,瞬时应变,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。,30,徐变与混凝土持续应力大小有密切关系，应力越大徐变也越大；,混凝土加载龄期越长，徐变越小；,水泥含量越大，徐变越大；,骨料弹性模量高、级配好，徐变就小；,干燥失水及高温环境，徐变大；,高强混凝土徐变小。,混凝土徐变的影响因素,二、混凝土的变形性能,31,（一）钢筋的品种和级别,1.钢筋的分类,（1）根据化学成分：,A.碳素钢：低碳钢、中碳钢及高碳钢，其特点,是随着含碳量的增加，强度提高，脆性增加；,B.普通低合金钢：为改善碳素钢的力学特性，,加入少量合金元素。,三、钢筋,32,（2）根据生产工艺：,A.热轧钢筋：在高温下直接轧制成型（如碳 素钢和普通低合金）；,B.热处理钢：将热轧钢经过调质（加热、淬火和回火），主要是提高强度，而塑性降低不多；,C.冷加工钢筋：将普通热轧钢筋在常温下进行冷拉或冷拔。,三、钢筋,33,（3）根据钢筋外型：,A.柔性钢筋：普通钢筋;,a.光圆钢筋：表面是光滑的；,b.变形钢筋：表面有肋（如月牙肋等）；,c.习惯上，直径大于4mm称为钢筋；小于 或等于4mm称为钢丝。,B.劲性钢筋：型钢、钢轨及其组合。,（4）根据力学特性：,A.软钢：有明显屈服台阶；,B.硬钢：无屈服台阶；,三、钢筋,34,2.钢筋的级别(热轧钢筋）,（1）分级原则：力学指标；,（2）具体分级：,级钢,，,HPB235，强度标准,值为235,N/mm ；,级钢，HRB335，强度标准,值为335,N/mm ；,级钢，HRB400，强度标准,值为400,N/mm ；,三、钢筋,35,3.关于冷加工钢筋,（1）冷拉,A.加工方法：在常温下将钢筋拉伸至屈服， 然后卸载；,B.力学性质：经过一段时间后，再次拉伸时， 其屈服强度 将增大，但塑性降低；,C.时效硬化：被拉伸至屈服点，经过一段时 间后，屈服强 度增加的现象。,三、钢筋,36,（2）冷拔,A.加工方法：在常温下将钢筋拔过比其自身直径小的硬质合 金拔丝模拉伸至屈服；,B.力学性质：经过一段时间后，再次拉伸或 压缩时，其屈 服强度将增大，但塑 性降低。,三、钢筋,37,有明显屈服点钢筋的应力应变关系, 比例极限, 弹性极限, 屈服上限, 屈服下限, 极限强度,cd段为屈服台阶,df段为强化段,三、钢筋,38,钢筋的双线性理想弹塑性本构模型,三、钢筋,39,无明显屈服点钢筋的应力应变关系,条件屈服点为残余变形为0.2时对应的应力,三、钢筋,40,粘结的意义：确保混凝土与钢筋能共同工作。,粘结力的组成,1. 化学吸附作用力；2摩阻力；3机械咬合力。,光圆钢筋的粘结力主要由,前两者,组成；,变形钢筋的粘结力主要由,机械咬合力,组成。,粘结强度,影响粘结强度的因素,钢筋的锚固与搭接,钢筋与混凝土的粘结,41,混凝土结构基本知识,三、,钢筋混凝土结构的设计方法,42,（一）建筑结构的功能要求,（1）安全性：在使用年限期间能承受各种作用；,（2）适用性：在使用年限期间能良好工作；,（3）耐久性：在使用年限期间保持安全和适用。,（二）结构的极限状态,1.极限状态的一般定义：结构或构件不能满足某一功能要求的特定状态；,2.极限状态的物理意义：未达到极限状态则处于有效状态；超过极限状态则处于失效状态。,一、结构设计的基本要求,43,极限状态的分类,（1）承载力极限状态：结构或构件丧失承载,能力或不能继续承载的状态；其主要表,现为材料破坏、丧失稳定或结构机动。,（2）正常使用极限状态：结构或构件达到正,常使用时的规定限值的状态；其主要表,现为过大变形、裂缝过宽或较大振动；,（3）两种极限状态之间的关系：结构或构件,必须,进行承载力极限状态,计算,，必要时,进行正常使用极限状态,验算,。,一、结构设计的基本要求,44,（一）结构上的作用,1.作用的定义：使结构或构件产生效应（内力、应力、位移等）的因素。,2.作用的分类：（1）直接作用（如荷载）；,（2）间接作用（如温差、不均匀沉降）。,二、结构上的作用、作用效应和结构抗力,45,3.荷载的分类,（1）永久荷载：在设计基准期内大小、方向、作用点及形式不随时间变化，或者其变化可忽略不计，通常称为恒载；,（2）可变荷载：在设计基准期内大小、方向、作用点及形式等任意因素随时间变化，通常称为活载；,（3）偶然荷载：在设计基准期内一般不出现，一旦出现，其值很大且持续时间很短。,二、结构上的作用、作用效应和结构抗力,46,4.荷载的标准值,（1）荷载标准值的定义：具有一定概率的最大荷载值；,（2）确定方法：荷载标准值为其平均值加上 1.645倍标准差，此时所对应的出现概率为95%。,（二）结构的功能要求,1.结构的安全等级,（1）确定原则：根据破坏后果的严重性；,（2）等级标准：,二、结构上的作用、作用效应和结构抗力,47,2.结构的使用年限,（1）结构使用年限的概念：结构保持规定的可靠性的时间；,（2）结构使用年限的规定：,A.一般房屋结构为50年；,B.桥梁结构和水工结构超过50年，可根据业主要求确定；,C.结构使用时间超过规定的年限后，可靠性降低，但不一定不能用。,二、结构上的作用、作用效应和结构抗力,48,结构的可靠度,（1）传统方法存在的问题：缺乏科学性,（2）发展方向：应采用概率来描述结构的可,靠性。,三、 概率极限状态设计方法,49,（3）结构的可靠性：结构在规定的时间内和,规定的条件下完成预定功能的能力；,（4）结构的可靠度：结构在规定的时间内和,规定的条件下完成预定功能的概率；,（5）规定的时间：设计基准期；,（6）规定的条件：正常设计、正常施工和正,常使用。,三、 概率极限状态设计方法,50,3.极限状态方程,（1）极限状态函数：Z=R-S,上式中，R表示结构构件抗力，它与材料的力学指标及材料用量有关；S表示作用（荷载）效应及其组合，它与作用的性质有关；,（2）极限状态函数中各量的数学意义：,R和S均可视为随机变量，Z为复合随机变量，它们之间的运算规则应按概率理论进行。,三、 概率极限状态设计方法,51,（,3）极限状态函数的物理意义：,Z=R-S0，结构处于可靠状态；,Z=R-S=0，结构处于极限状态；,Z=R-S0，结构处于失效状态；,三、 概率极限状态设计方法,52,可靠指标和失效概率,（1）失效概率的求解,根据极限状态函数，由概率论可知如下关系成立：,(a) ，为失效概率；,(b) ，为可靠概率；,(c) ，失效和可靠一定发生。,三、 概率极限状态设计方法,53,关于目标可靠指标,a.目标可靠指标：结构设计必须达到的指标；,b.目标可靠指标与安全等级的关系：,c.延性破坏：破坏前有预兆；,d.脆性破坏：破坏前无预兆。,三、 概率极限状态设计方法,54,（一）承载能力极限状态设计表达式,上式的物理意义为：荷载效应设计值不超过抗力的设计值；,四、 极限状态实用设计表达式,55,（二）关于承载能力极限状态设计表达式的可靠性,1.可靠性的评价包含在三类分项系数之中，即,结构构件重要性系数 ；,荷载分项系数 ；,材料分项系数 ；,2.分项系数的确定原则：由实用设计表达式求得的可靠指标满足目标可靠指标的要求。,3.引入分项系数的原因：利用积分求解失效概率困难、计算可靠指标麻烦且不便工程师设计。,四、 极限状态实用设计表达式,56,（三）正常使用极限状态设计表达式,1.表达式：类似承载力极限状态表达式，但是将分项系数全取为1.0；,2.理由：正常使用极限状态仅用于验算，所以可降低可靠度；,（四）按极限状态设计时材料强度和荷载的取值,1.材料强度标准值等于其均值减去1.645倍标准差；,由概率论知，保证率为95%；(钢筋与砼不同）,2.荷载标准值等于其均值加上1.645倍标准差；,由概率论知，保证率为95%；,四、 极限状态实用设计表达式,57,3.材料和荷载分项系数根据目标可靠指标确定，,且均大于1.0；,4.标准值与设计值之间的关系,（1）材料强度：设计值=（标准值）/分项系数；,（2）荷载：设计值=（标准值）*分项系数。,5.运用范围,（1）设计值用于承载力极限状态计算；,（2）标准值用于正常使用极限状态验算,四、 极限状态实用设计表达式,58,