钢筋混凝土结构各章重点04章.doc

钢筋混凝土结构各章重点绪 论1、混凝土结构概念：以混凝土为主要材料制作的结构称为混凝士结构。2、混凝土结构分类：包括素混凝土结构、钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构等三类。3、钢筋和混凝土共同工作的主要原因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：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；钢筋的线膨胀系数为1.210-5-1，混凝土的为1.010-5-11.510-5-1，二者数值相近。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。钢筋包裹在混凝土中，混凝土保护层可以保护钢筋，避免或延缓钢筋锈蚀。 4、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：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。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。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。可模性好。钢筋混凝土结构可以根据需要浇捣成任何形状。现浇式或装配整体式钢筋混凝土结构的整体性好，刚度大。 5、钢筋混凝土结构的缺点：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。尽管比钢材的重度小，但结构的截面尺寸比钢结构的大，因而其自重远远超过相同跨度或高度的钢结构。 抗裂性差。如前所述，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。 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。 补强维修较难。6、混凝土结构用材料的发展高强轻质7、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：钢骨混凝土、钢管混凝土（2）钢筋混凝土结构在桥梁，特种结构、水利工程、海洋工程、港口码头工程等各个领域内的发展 8、在计算理论与设计方法方面的发展允许应力设计法按材料力学的允许应力进行设计计算。按破损阶段设计极限状态设计法 目前钢筋混凝土结构设计是采用以概率理论为基础的可靠度理论，采用极限状态设计方法进行设计。第1章 钢筋和混凝土材料的力学性能1、钢筋分类按加工方法分：热轧钢筋、热处理钢筋、中高强钢丝、钢绞线、冷加工钢筋按使用用途分：普通钢筋、预应力钢筋按化学成分分：低碳钢钢筋、普通低合金钢钢筋按力学性能分：有明显屈服点钢筋（“软钢”）、无明显屈服点钢筋（“硬钢”）按钢筋表明形状分：光面钢筋、变形钢筋2、热轧钢筋 热轧钢筋是钢筋混凝土结构中最常用的钢材，是钢厂用普通低碳钢(含碳量不大于0.25)和普通低合金钢(合金元素不大于5)制成。3、热轧钢筋的力学性能应力应变曲线热轧钢筋具有明显的屈服点和屈服台阶，其受拉应力应变曲线见图1-2，分为4个阶段。在建立钢筋混凝土构件截面承载力计算理论时作了简化，简化后的曲线见图1-3，分为2个阶段，图中fy为钢筋抗拉强度设计值。塑性性能A.延伸率-试件断裂前的永久变形与原标定长度的百分比。 延伸率是衡量钢筋塑性性能的一个指标，延伸率越大，塑性越好。延伸率用表示，我国以往用钢筋试样拉断后断口两侧的残留应变(用百分率表示)作延伸率。延伸率一般不能反映钢材脆化的倾向。B.冷弯试验。为了使钢筋在弯折加工时不致断裂和在使用过程中不致脆断，应进行冷弯试验，并保证满足规定的指标。冷弯试验是检验钢筋塑性的另-种方法。强度热轧钢筋的强度以屈服点应力为依据。 为什么不采用极限抗拉强度为依据？这是因为钢筋应力超过屈眼点后将产生过大的应变，导致混凝土的裂缝将过宽。但是作为一种安全储备，钢筋的极限抗拉强度仍有重要意义。即通常希望构件的某个(或某些)截面已经破坏时，钢筋仍不致被拉断而造成整个结构倒塌。要求钢筋的屈服应力不低于规定值。而且“极限抗拉强度屈服应力”值(通常称为“强屈比”)不宜过小，抗震结构不宜小于1.25。钢筋强度用标准值和设计值表示。 规范取具有95以上的保证率的屈服强度作为钢筋的强度标准值fyk。 钢筋强度的设计值fy等于钢筋强度标准值除以材料分项系数s，建筑工程规范对各种热轧钢筋统一取s=1.10。公路桥涵工程的可靠度要求比建筑工程高一些，取s=1.20。钢筋强度标准值用于正常使用极限状态的验算，设计值用于承载能力极限状态的计算。钢材的弹性模量Es：应力应变曲线弹性阶段（即直线段）的斜率。取概率分布的0.5分位值（即平均值）确定。4、混凝土结构对钢筋性能的要求 强度要求：即屈服强度和强屈比要求；强度高采用屈服强度较高的钢筋可以节省钢材，获得较好的经济效益。而规范规定抗震结构极限强度与屈服强度的比值（强屈比）应不小于1.25。塑性要求：即延伸率和冷弯性能要求；塑性好要求钢筋在断裂前有足够的变形，能给人以破坏的预兆。因此，应保证钢筋的延伸率和冷弯性能合格。 焊接性能要求：可焊性好在很多情况下，钢筋的接长和钢筋之间的连接需通过焊接。钢筋焊接后不产生裂纹及过大的变形，保证焊接后的接头性能良好。粘结性能：与混凝土的粘结锚固性能好为了使钢筋的强度能够充分被利用和保证钢筋与混凝土共同工作，二者之间应有足够的粘结力。在寒冷地区，对钢筋的低温性能也有一定的要求。 1.2 混凝土1、混凝土材料及强度简介混凝土是水泥和粗细骨料加水搅拌经养护而形成的人造石。 混凝土构造复杂、具有各向异性、抗拉强度低（易开裂），是一种弹塑性材料。混凝土强度包含单向应力状态下的强度和复合应力状态下的强度两大类。混凝土的强度与水泥强度、水灰比、骨料品种、混凝土配合比、硬化条件和龄期等有很大关系。此外，试件的尺寸及形状、试验方法和加载时间的不同，所测得的强度也不同。2、混凝土的抗压强度：单向应力状态下的强度立方体抗压强度fcu混凝土强度等级划分依据立方体抗压强度为边长为150mm的立方体在 203的温度和相对湿度在 90以上的潮湿空气中养护28d，照依标准试验方法测得的具有95保证率的抗压强度(以Nmm2计)。规范规定以混凝土立方体抗压强度标准值fcu,k来划分混凝土的强度等级。混凝土强度等级一般可划分为：C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C50，C55，C60，C65，C70，C75，C80，C代表混凝土，后面数字即为混凝土立方体抗压强度的标准值，（C15C50为普通混凝土，C50以上为高强混凝土）。轴心抗压强度fc混凝土强度设计依据是棱柱体试件在与立方体试件相同的条件下试验所测得的抗压强度。fcu和fc的关系规范规定轴心抗压强度(棱柱体强度)标准值fcu,k与立方体抗压强度标准值fcu,k之间存在以下折算关系： 混凝土的破坏机理混凝土受压破坏是由于混凝土内裂缝的扩展所致。混凝土裂缝发展存在三个阶段：第一阶段，弹性变形阶段，裂缝可恢复。第二阶段，裂缝稳定发展。第三阶段，裂缝非稳定发展。约束混凝土混凝土受压破坏是由于混凝土内裂缝的扩展所致，如果对混凝土的横向变形加以约束 限制裂缝的开展，可以提高混凝土的纵向抗压强度。3、混凝土的抗拉强度ft混凝土的抗拉强度ft比抗压强度低得多。一般只有抗压强度的510。4、混凝土强度标准值和设计值混凝土抗压强度设计值fc和抗拉强度设计值ft与其对应的标准值的关系为 (1-8) 式中c混凝土的材料分项系数，建筑工程取c=1.40，公路桥涵工程取c=1.45。 6、混凝土的受力变形 混凝土的弹性模量、变形模量A、初始弹模：通过原点受压混凝土-曲线切线的斜率为混凝土的初始弹性模量E0。 B、割线弹模：在-曲线的弹性阶段取某点，做其与原点0的割线，其斜率为割线弹模。C、实用弹模Ec ：目前我国规范弹性模量Ec 值确定方法，采用棱柱体试件，取应力上限为0.5fc重复加载510次，此时混凝土变形基本稳定，-曲线接近直线，该直线斜率为混凝土弹性模量。受拉混凝土的变形受拉-曲线的原点切线的斜率外与受压时基本一致， 因此混凝土受拉和受压均可采用相同的弹性模EC。 7、混凝土的时随变形 时随变形随着时间的增长而增加的变形，是混凝土的非受力变形。混凝土的时随变形包括混凝土收缩和徐变。 混凝土的徐变：荷载保持不变，随时间而增长的变形称为徐变。混凝土的收缩与膨胀： 收缩混凝土在空气中结硬时，体积减小的现象，易造成混凝土表面开裂。 膨胀混凝土在水中或处于饱和湿度情况下结硬时体积增大的现象。 一般情况下混凝土的收缩值比膨胀值大很多，所以分析研究收缩和膨胀的现象以收缩为主。1.3 钢筋与混凝土的粘结钢筋和混凝土之间的粘结，是保证钢筋和混凝土这两种力学性能截然不同的材料在结构中共同工作的基本前提。1、粘结力的定义及组成定义：当钢筋于混凝土之间产生相对变形（滑移），在钢筋和混凝土的交界面上产生沿钢筋轴线方向的相互作用力，此作用力称为粘结力。组成：化学胶结力、摩擦力、机械咬合力、钢筋端部的锚固作用1.4 轴心受力构件的应力分析1、轴心受拉构件的应力分析开裂前应力分析：钢筋和混凝土变形协调，应变相等：s=c；开裂后应力分析：混凝土开裂，退出工作，在开裂处所有荷载由钢筋独立承担。极限轴力：2、轴心受压短柱的应力分析钢筋和混凝土变形协调，应变相等：s=c；当钢筋屈服应变，极限轴力：当钢筋屈服应变，极限轴力：第2章 梁的受弯性能实验研究、分析1 梁的受弯性能试验研究、分析1、基本概念混凝土梁的裂缝类型：弯曲裂缝、剪切裂缝和弯剪裂缝受弯构件的破坏形式：两种主要的破坏A、 正截面破坏（一种沿弯矩最大的截面破坏，图2-1a)；B、 斜截面破坏（一种沿剪力最大或弯矩和剪力都较大的截面破坏，图2-1b)图2-1 受弯构件破坏形式进行受弯构件设计时，既要保证构件不得沿正截面发生破坏只要保证构件不得沿斜截面发生破坏 ，因此要进行正截面承载能力和斜截面承载能力计算。正截面用于抗弯计算的混凝土梁横截面。斜截面用于抗剪计算的混凝土梁横截面。混凝土梁截面的有效高度h0：从受压边缘至纵向受力钢筋截面重心的距离为截面的有效高度（见图2-2）。图2-2 梁截面的有效高度h0混凝土梁的配筋率 构件的截面配筋率是指纵向受力钢筋截面面积与截面有效面积之比。即 (2-1)单筋截面和双筋截面的概念单筋截面只在混凝土梁受拉区布置纵向受力钢筋的抗弯截面。双筋截面在混凝土梁受拉区和受压区均布置有纵向受力钢筋的抗弯截面。注意与单排筋、双排筋布置的区别。2、梁的受力破坏过程及应力应变分析： 试验证明，对于配筋量适中的受弯构件，从开始加载到正截面完全破坏，截面的受力状态可以分为下面三个大的阶段第阶段弹性工作阶段（未裂阶段）第阶段带裂缝工作阶段第阶段屈服阶段（破坏阶段）2配筋率对梁的破坏特征的影响1、 梁的几种类型 适筋梁（min max）界限破坏：适筋破坏的特例， 当max时，当受拉钢筋达到屈服强度的同时，受压区混凝土压碎。 少筋梁（min） 超筋梁（max）少筋破坏和超筋破坏都具有脆性性质破坏前无明显预兆。2、 最大配筋率和最小配筋率：相对适筋梁 最大配筋率：适筋梁和超筋梁的界限配筋率。 钢筋屈服的瞬间，混凝土受压破坏，以此状态确定出最大配筋率。 最小配筋率：适筋梁和少筋梁的界限配筋率。梁的极限弯矩等于开裂弯矩，以此状态确定出最小配筋率。3规范采用的极限弯距计算法分析截面应力1、等效矩形应力图用矩形应力分布等效替代钢筋混凝土梁受压区混凝土的应力分布替代原则：合力方向相同；合力大小相等；合力作用点相同替代后混凝土梁受压区高度发生变化，等效矩形高度为混凝土梁的等效受压区高度x，而非混凝土实际受压区高度xn。替代后，等效矩形应力为当混凝土强度一定时，和的值也一定。3、相对界限受压区高度相对受压区高度：相对界限受压区高度：最大配筋率时，梁的极限受压区高度。 是适筋梁和超筋梁的界限。时，为适筋梁；时，为超筋梁。；第3章 结构设计原理、设计方法1 结构设计要求1、结构的功能要求：安全性、适用性和耐久性的要求。2、结构的极限状态：结构的极限状态分类：分为承载能力极限状态和正常使用极限状态两类。承载能力极限状态：结构或构件达到最大承载力或达到不适于继续承载的变形的极限状态。正常使用极限状态：结构或构件达到正常使用或耐久性的某项规定限值的极限状态。3、作用、效应及抗力的概念作用：施加在结构或构件上的力，以及引起构件强迫变形或约束变形的原因。作用效应S：作用引起的结构或构件的内力和变形。结构抗力R：结构或构件承受作用效应的能力。4、结构功能函数和极限状态方程结构功能函数Z： Z=R-S极限状态方程： Z=R-S=0Z0，结构可靠；Z=0，结构处于极限状态；Z0，结构失效。结构设计要求，Z0。4 概率极限状态设计法的实用表达式1、基本变量的标准值荷载标准值：指在结构的使用期间，在正常情况下出现的最大荷载值。材料强度标准值：按标准方法测试的材料强度不小于95%的保证率取值。2、分项系数和设计值： 荷载分项系数：永久荷载分项系数；可变荷载分项系数一般情况下，取，当楼面均布可变荷载大于4kN/m2时，取当永久荷载起有利作用时，取。材料分项系数：钢筋的材料分项系数；混凝土的材料分项系数取，基本变量的设计值：设计取值荷载设计值=荷载分项系数荷载标准值材料强度设计值=材料强度标准值/材料分项系数3、结构重要性系数：按结构的安全等级取值安全等级为一级，取；安全等级为二级，取；安全等级为三级，取。4、结构设计表达式：第4章 受弯构件正截面承载力计算1 概述1、受弯构件：指截面上通常有弯矩和剪力共同作用而轴力可以忽略不计的构件。 梁和板是典型的受弯构件。2、建筑工程中受弯构件正截面承载力计算的基本假定建筑工程中在进行受弯构件正截面承载力计算时，引人了如下几个基本假定；截面应变保持平面；不考虑混凝土的抗拉强度；2 单筋矩形截面受弯构件正截面承载力计算1、梁截面的等效应力图（a）单筋矩形截面应力 （d）截面等效应力图4-3 单筋矩形截面的计算简图极限状态时，受拉钢筋屈服，混凝土受压区边缘达到压应变极限。其截面应变和应力及其等效应力图见图4-3。2、基本公式 （4-1） （4-2）3、基本公式（4-2）的变换式，则，则4、基本公式适用条件保证不超筋：；或；或；或保证不少筋：取值按和两者中较大值取。6、公式应用承载能力计算已知：梁截面尺寸（bh），混凝土强度等级（，或），钢筋强度等级（），钢筋截面积（），钢筋布置情况（）。求：该梁截面的抗弯承载力。解：据混凝土强度等级和钢筋强度等级查出，或， 等值。据，求出x，要求。，求出。取值按和两者中较大值取，要求。据，求出Mu，该值为梁截面抗弯承载力。承载能力复核已知：梁截面尺寸（bh），混凝土强度等级（，或），钢筋强度等级（），钢筋截面积（），钢筋布置情况（），该梁承担的弯矩M。较核：该梁截面的抗弯承载力是否满足使用要求。解：据混凝土强度等级和钢筋强度等级查出，或， 等值。据，求出x，要求。，求出。取值按和两者中较大值取，要求。据，求出Mu，该值为梁截面抗弯承载力。如，梁截面抗弯承载力满足使用要求；否者不满足使用要求。截面配筋设计已知：梁截面尺寸（bh），混凝土强度等级（，或），钢筋强度等级（），该梁承担的弯矩M。进行该梁截面的配筋设计（求出钢筋截面积，同时进行钢筋布置）。解：假定钢筋布置情况（布置排数），确定（单排35mm，双排5560mm），则。据混凝土强度等级和钢筋强度等级查出，或， 等值。令，据求出。要求，如不满足，应加大截面尺寸。据求出。据求出。取值按和两者中较大值取。求出，要求，如不满足，应取进行配筋。如满足和，则按计算出的查钢筋表配筋。3 双筋矩形截面受弯构件正截面承载力计算2、计算公式及适用条件受压钢筋的应力：图4-5 双筋矩形截面计算简图极限状态，适筋梁的拉压钢筋均处于屈服阶段，混凝土受压区达到压应变极限。双筋截面的应变及等效应力图见图4-5。基本公式： （4-3） （4-4）式中As 受压区纵向受力钢筋的截面面积；fy受压钢筋的抗压强度设计值 as 从受压区边缘到受压区纵向受力钢筋合力作用点之间的距离。对于梁，当受压钢筋按一排布置时，可取as =35mm；当受压钢筋按两排布置时，可取 as =60mm。对于板可取as 20mm.。基本公式的变换式， ，适用条件保证受拉钢筋充分应用xb h0 。保证受压钢筋充分应用x 2as 。3、公式应用（截面较核和配筋设计）截面校核（承载力较核）已知：截面的弯矩设计值M，截面尺寸bh，钢筋种类、混凝土的强度等级、受拉钢筋截面面积A和受压钢筋截面面积As。要求：确定截面能否抵抗给定的弯矩设计值。解：据混凝土强度等级查出，或等值。据钢筋强度等级查出和等值。按计算受压区高度x ，要求2a s x bh。如果x能满足，则 。如果 2a s ，取 = 2a s (3-41)如果xbh。，只能取x=bh0。计算，则 (3-42)如果MM，则截面承载力足够，截面工作可靠；反之，如果MMu，则截面承载力不够，可采用加大截面尺寸或选用强度等级更高的混凝土和钢筋等措施来解决。配筋设计（情况1） 已知：截面的弯矩设计值M，截面尺寸对bh，钢筋种类和混凝土的强度等级。求：受拉截面面积A 和受压截面面积。解：为了节约钢材，充分发挥混凝土的承载力，可以假定受压区高度等于其界限高度，即 x=bh0 令，据求出。 据求出A。配筋设计（情况）已知：截面的弯矩设计值M，截面尺寸bh，钢筋种类、混凝土的强度等级以及受压钢筋截面面积。求：确定受拉钢筋截面面积A 。解：据混凝土强度等级查出，或等值。据钢筋强度等级查出和等值。求出。令，据求出。据，求出。要求，如不满足，表明配置不足，应按情况重新设计A 和。据求出。据求出。据求出x。要求x2as ，如不满足，表明不能屈服，取x2as ，按求出。把求出的受拉钢筋截面积与单筋截面计算值比较取大值。如满足x2as ，据求出。4 T形截面受弯构件正截面承载力计算1、 T形截面的基本概念图4-6 T型截面梁在图4-6中形截面的伸出部分称为翼缘，其宽度为bf高度为hf ；中间部分称为梁肋或腹板，肋宽为b，高为h。 T形截面有正T形和倒T形，本节介绍正T形截面（既翼缘在受压区T形截面）的抗弯承载力计算。对于正T形截面，按混凝土等效受压区高度，可划分为两类计算方案。第一类形截面，中和轴在翼缘内 即hf(图4-7a)；第二类形截面，中和轴在梁肋内，即xhf (图4-7b) 。 图4-7 各类T型截面中和轴位置2、T形截面的类别判断据x判断：hf， 第一类形截面；xhf ，第二类形截面。据As判断： ，第一类形截面；，第二类形截面。据M判断：，第一类形截面；，第二类形截面。3、基本计算公式第一类形截面承载力的计算公式图4-8 第一类T行截面的计算简图 第二类形截面承载力的计算公式 4、基本公式适用条件 ： 或 5、基本计算公式的应用截面承载力计算已知：截面尺寸、钢筋级别、受拉钢筋截面面积As、混凝土的强度等级。求：抗弯承载力Mu。截面较核已知：截面尺寸、弯矩设计值M及钢筋级别、受拉钢筋截面面积As、混凝土的强度等级。要求：进行截面抗弯承载力较核。配筋设计已知：截面尺寸、弯矩设计值M及钢筋级别、混凝土的强度等级。求：受拉钢筋截面面积As。