结构设计原理第一章ppt课件

结构设计原理 Principle of Structural Design,引言：上一节课我们得出了我们本课程的研究重点是什么？ 答案： 钢筋混凝土和预应力混凝土受弯构件、受压构件的结构设计原理。 那么学习钢筋混凝土和预应力混凝土构件的设计原理应该从哪里开始？ 答案：对于混凝土和钢筋材料的物理力学性能（强度和变形的变化规律）的了解，则是掌握钢筋混凝土结构的构件性能、分析和设计的基础。,第一章、钢筋混凝土材料的力学性能,2,本章重点 了解影响混凝土强度的因素，掌握混凝土的立方体抗压强度、轴心抗压强度、轴心抗拉强度的测定方法。 掌握混凝土在一次短期加荷时的变形性能，了解混凝土收缩、徐变现象及其影响因素，理解收缩、徐变对钢筋混凝土结构的影响。 了解钢筋的种类、级别与形式，掌握有明显屈服点钢筋和无明显屈服点钢筋的应力应变曲线的特点和设计时强度的取值标准。 理解钢筋与混凝土之间粘结应力的作用，了解钢筋和混凝土粘结的作用机理及掌握提高粘结强度的构造措施。,3,组成及特点 主要材料:水泥、水、砂、石 特点: 1)以固相为主，包含固体、液体、气体的三相体; 2)水化过程长，性能要很长时间才稳定; 3)水泥石收缩可形成微裂缝; 4)受制作、养护、使用条件影响大。,第一节 混凝土,4,一、混凝土的强度,1、混凝土强度等级、立方体抗压强度,混凝土的强度等级是用立方体抗压强度来划分的。抗压强度是混凝土力学性能中最主要和最基本的指标。 混凝土立方体抗压强度：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，用符号C表示，如C30表示fcu,k=30N/mm2 。 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。混凝土强度等级范围达到C80，C50以上称为高强混凝土。,5,立方体抗压强度影响因素： 试验方法。标准试验方法不涂润滑剂。 试件尺寸。 加载速度：混凝土强度强度等级低于C30时，取每秒0.30.5MPa；混凝土强度强度等级高于或等于C30时，取每秒0.50.8MPa； 龄期。,美国、日本、欧洲混凝土协会（CEB)采用圆柱体（直径152mm，高305 mm）标准试件测定的抗压强度来划分强度等级，符号记为 fc。 圆柱体强度与我国标准立方体抗压强度的换算关系为：,6,非标准试块强度换算系数: 200mm X 200mm X 200mm : 1.05; 100mm X 100mm X 100mm : 0.95。 6x 12 圆柱体: 1.20(1=2.54cm) 6x 12 棱柱体: 1.32,7,通常情况下钢筋混凝土构件的长度比他的截面边长要大得多，因此棱柱体试件的受力状态更接近于实际构件中混凝土的受力状态。工程中通常用高宽比为3-4的棱柱体，按照与立方体试件相同条件下制作和试验方法测得的具有95%保证率的极限抗压强度值作为轴心抗压强度，记为c,k 试验表明，棱柱体的抗压强度比立方体的抗压强度低。轴心抗压强度试验是以50mmX150mmX450mm的试件为标准试件。,2、混凝土轴心抗压强度,8,9,10,混凝土的抗拉强 度比抗压强度低得多，一般只有抗压强度5%10% 混凝土抗拉强度试验方法 直接测试方法：拉伸试验 间接测试方法：劈裂试验,3、混凝土轴心抗拉强度,11,12,材料强度标准值是考虑到同一批材料实际强度有时大有时小的这种离散性，为了统一材料质量要求而规定的材料极限强度的值。在分析大量实验结果的基础上，通过数理统计，根据结构的安全和经济条件，选取某一个具有95%保证率的强度值，作为混凝土的标准值。 混凝土强度设计值主要用于承载能力极限状态设计的计算。概率极限状态设计方法规定强度设计值应用标准值除以材料分项系数。混凝土的材料分项系数=1.45。 桥规推荐的混凝土强度设计值与混凝土立方体抗压强度标准值存在着一定的折算关系。,混凝土轴心抗压（拉）强度标准值与设计值,13,14,4、复合应力状态下混凝土的强度,15,图中: ft, fc混凝土单轴抗拉、抗压强度; f1, f2，f3混凝土的多轴强度，f1f2f3 此图说明: 压-压:强度提高; 拉-拉:强度不变; 拉-压:抗拉和抗压强度都低。,16,剪力存在时： 拉-剪：抗拉、抗剪强度都降低； 压-剪：当 fc0.6时，抗剪强度随压应力提高而增大； 当 fc0.6时，内部裂缝增加，抗剪抗压强度均降低。,17,三向受力：,三向受压时，强度增加，最大增加5倍。 影响混凝土强度的主要因素 1.原材料的品质 2.水灰比及水泥用量 3.龄期,18,二、混凝土的变形,混凝土的变形分为两类： 1、混凝土在荷载作用下的受力变形： 一次短期加荷时的变形； 多次重复加载时的变形； 长期荷载作用下的变形。 2、混凝土的体积变形： 收缩、膨胀变形。,19,1、混凝土在一次短期加荷时的变形性能,受压混凝土棱柱体典型曲线,混凝土在一次短期加荷时的应力应变关系可通过对混凝土棱柱体的受压或受拉试验测定。,20,0A: 近似弹性 AB: 非线性 BC：体积增大 CF： 破坏,21,强度等级越高，线弹性段越长，峰值应变也有所增大。但高强混凝土中，砂浆与骨料的粘结很强，密实性好，微裂缝很少，最后的破坏往往是骨料破坏，破坏时脆性越显著，下降段越陡。,不同强度等级混凝土的应力应变曲线,22,2、混凝土的弹性模量,在工程实际上，近似地取用应力-应变曲线在原点O的切线斜率作为混凝土弹性模量。用符号Ec表示。,23,3、混凝土在多次重复荷载作用下的变形,混凝土在多次重复荷载作用下，会导致疲劳破坏。 对于混凝土组成的桥涵结构，通常要求能承受两百万次的反复荷载作用。经受两百万次反复变形而破坏的应力称为fp。称为混凝土的疲劳强度。 混凝土的疲劳强度约为其棱柱体强度的50%。,24,4、混凝土在长期荷载作用下的变形性能,25,影响因素: 加载时的混凝土龄期，龄期越短，徐变越大; 持续压力大小应力越大，徐变越大; 水灰比大，水泥量大徐变大； 使用高质量水泥以及强度和弹性模量高、级配好的骨料徐变小； 混凝土的制作养护条件； 徐变对结构的影响: 使构件变形增大; 在轴压构件中，使钢筋应力增加，混疑土应力减小; 在预应力构件中，使预应力发生损失; 在超静定结构中，使内力发生重分布。,26,5、混凝土的收缩与膨胀,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。 收缩率:310-4。收缩=凝缩+干缩 特点:早期快，可延续12年。 混凝土在水中硬化时体积会膨胀。,27,影响因索: 混凝土的组成及配合比，尤其是水灰比; 养护条件;使用时的温度与湿度。 收缩对结构的影响: 当收缩受到约束时，引起构件开裂。 减少收缩的措施: 限制水泥用量;减小水灰比;加强振捣和养护; 构造钢筋数量加强:设置变形缝:掺膨胀剂。,收缩和膨胀是混凝土在不受外力情况下体积变化产生的变形。当这种自发的变形受到外部（支座）或内部（钢筋）的约束时，将使混凝土中产生拉应力，甚至引起混凝土的开裂。,28,影响收缩的因素 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施工缝,29,混凝土结构的耐久性是指结构对气候作用、化学侵蚀、物理作用等外界环境影响或其他破坏过程的抵抗能力。环境因素引起的混凝土结构损伤或破坏主要有混凝土的碳化、氯离子侵蚀、碱-骨料反应、冻融循环和钢筋腐蚀。从短期效果而言，这些问题影响结构的外观和使用功能；从长远看，则会降低结构安全度，成为发生事故的隐患，影响结构的使用寿命。 提高混凝土自身的耐久性是解决混凝上结构耐久性的前提和基础。混凝土的耐久性主要取决于混凝土的材料组成，其中水灰比、水泥用量、强度等级等均对耐久性有较大影响。（P 11表）,三、混凝土的耐久性,30,混凝土的选用原则 钢筋混凝土结构中 混凝土强度等级不应低于C15。 用HRB335级钢筋时，不宜低于C20； 用HRB400和RRB400级钢筋时，不得低于C20。 预应力混凝土结构中 混凝土强度等级不应低于C30； 当采用钢丝、钢绞线、热处理钢筋时，不宜低于C40。,31,第二节 钢筋,一、钢筋的成分、级别、品种 (一)钢筋的品种(分类) 按化学成分分类: 普通低合金钢:除碳素钢己有的成分外，再加入少量的硅、锰、钛、钒等合金元索。 强度显著提高，塑性性能也好。,32,33,热轧钢筋 热轧钢筋按外形分类 光面钢筋表面光滑,与混凝土粘结力差。 表面带肋钢筋表面带肋，螺旋纹、人字纹、月牙纹；与混疑 土粘结力高。,34,35,36,热轧钢筋,37,HPB 热轧光面钢筋，桥梁规范用R表示: HRB 热轧带肋钢筋; RRB 余热处理钢，桥梁规范用KL表示。 Mn锰，Si硅，、V钒， Nb铌，Ti钛，C碳,38,39,中、高强钢丝、钢绞线 中强：8001370Mpa 高强: 14701860Mpa 钢丝按其外形分为： 光面纲丝钢丝束、纲绞钱、 预应力混凝土 刻痕钢丝 螺旋肋钢丝,40,强度和变形性能可以用拉伸试验得到的s -e曲线来说明: 有明显屈服点的钢筋 （对应还存在无明显屈服点的情况）,a 为比例极限 s =Ese,a 为弹性极限,d-e 强化段,b 为屈服上限,c 为屈服下限，即屈服强度 fy,c-d 为屈服台阶,e 为极限抗拉强度 fu,二、钢筋的力学性能,1.钢筋的应力-应变曲线,41,有明显流幅的钢筋与无明显流幅的钢筋的对比,42,钢筋的几个指标（有明显屈服点，无明显屈服点在下一页） （1）强度指标 屈服强度yield strength：是钢筋强度的设计依据，因为钢筋屈服后将很大的塑性变形，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。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fy。,屈 强 比反映钢筋的强度储备，fy/fu=0.60.7。,极限强度fu,43,无明显屈服点的钢筋 Rebar without yield point,a点：比例极限，约为0.65fu a点前：应力-应变关系为线弹性 a点后：应力-应变关系为非线性，有一定塑性变形，且没有明显的屈服点,强度设计指标条件屈服点 ：残余应变为0.2%所对应的应力 规范取s 0.2 =0.85 fu,44,有明显流幅的与无明显流幅的钢筋强度指标的对比,45,有明显的流幅:热轧钢筋(软钢) 无明显的流幅:高碳钢(硬钢) (预应力钢丝、钢绞线、热处理钢筋) 2.塑性性能 延伸率:指拉伸试件上标距为10d或5d(d为直径)范围内钢筋的极限伸长率，记为10 、5。 钢筋的延伸率越大，表明塑性越好。,46,47,冷弯性能 =90 ,180，反复弯曲要 求:冷弯过程中无裂缝、鳞 落或断裂。 D愈小，要求愈高。 反复次数愈高，要求愈高。 冷弯是检验钢筋局部变形能力的指标。 钢筋塑性愈好，构件破坏前预兆愈明显。,48,可加工性 与混凝土粘结锚固性 变形钢筋比光面钢筋好,49,3.钢筋的弹性模量 钢筋在弹性阶段应力和应变的比值，称为弹性模量。,50,钢筋的直径d=650mm 常用: 6mm,6.5mm,8mm,8.2mm,10mm,12mm,14mm,16mm,18mm,22mm,24mm,25mm,28mm,32mm,36mm,40mm,50mm。其中，8.2mm仅适用有纵肋的热处理钢筋。 钢筋的选用 普通钢筋:宜用HRB400和HRB335钢筋， 可用HPB235、RRB400和冷加工钢筋 预应力筋:宜用钢铰线、钢丝， 可用热处理钢筋和强度较高的冷加工钢筋,51,三、钢筋的冷加工(对钢筋进行冷加工，可以提高强度) 冷拉 对热轧钢筋进行张拉，张拉应力超过原屈服点，然后放松，再张拉，屈服强度提高了，但塑性降低。(伸长率降低) 冷拔 将68 光面钢筋通过强力拔过直径小的钨合金拔丝模孔，塑性变形后3、4mm钢绞。 冷拉:提高抗拉强度(不宜作受压钢筋) 冷拔:同时提高抗拉、抗压强度。,52,53,冷轧 热轧钢筋再经过冷轧，表面轧制成不同的形状，材料内部组织变得更加密实，强度和粘结性能提高，塑性性能下降。 冷轧带肋钢筋 冷轧扭钢筋,54,第三节 钢筋与混凝土的共同工作,钢筋与混凝土之间的粘结是这两种材料共同工作的保证，使之能共同承受外力、共同变形、抵抗相互之间的滑移，该作用称为钢筋与混凝土的粘结作用。,粘结力的组成： 化学胶结力：混凝土凝结时，由于水泥的水化作用在钢筋与混凝土接触面上产生的化学吸附作用力。 摩擦力：混凝土收缩后将钢筋紧紧地握裹住而产生的力。 机械咬合力：钢筋表面凹凸不平与混凝土产生的机械咬合作用而产生的力。,注意：当钢筋与混凝土产生相对滑动后，胶结作用即丧失。光面钢筋以摩擦力（握裹力）为主，带肋钢筋以咬合力为主。,55,粘结锚固长度,56,57,增加粘结锚固的措施 光面钢筋端部做弯钩:,58,机械弯钩：,59,钢筋表面带肋; 纵向钢筋端部焊横向钢筋; 纵向钢筋端部加箍筋; 采用高强混凝土; 弯起钢筋端部加水平锚固段； 在纵向钢筋端部焊锚板: 将钢筋焊在预埋件上。,60,