混凝土结构设计重点.doc

钢筋和混凝土能结合在一起的原因：1.混凝土硬化后，钢筋与混凝土之间存在黏结力，使钢筋和混凝土在荷载作用下能够协调变形，共同受力。2.钢筋与混凝土两种材料的温度线膨胀系数相近。3.钢筋至构件边缘的混凝土保护层对钢筋起到保护作用。混凝土结构的特点：1.优点：取材容易，合理用材，整体性好，耐久性好，耐火性好，可塑性好。2.缺点：自重大，抗裂性差立方体抗压强度标准值是混凝土各种力学指标的基本代表值，采用fcu,k表示，单位N/mm2，按标准方法制作、养护的边长为150mm的立方体试件，在相对湿度伟95%以上，28d或设计规定的龄期以标准试验方法测得具有95%保证率的抗压强度值。混凝土强度等级由符号C和混凝土立方体抗压强度标准值表示。混凝土强度等级有14个C15到C80，C50以下为普通混凝土，以上为高强度等级混凝土，C80以上为高强度混凝土。混凝土在符合应力作用下的强度：1.混凝土的双向受力程度 2.混凝土在法向应力和切应力作用下的复合程度 3.混凝土的三轴受压强度徐变：混凝土结构或材料承受的荷载或应力不变，而变形或应变随时间增长的现象。（影响因素：内在，坏境，应力因素）徐变对混凝土结构和构建的受力性能有重要影响：使结构变形增大；使受弯构件挠度加大；使长细比较大柱的附加偏心距增大；使预应力混凝土构件产生预应力损失混凝土的收缩：混凝土在空气中硬化时体积缩小的现象。钢筋的分类：混凝土结构所采用的钢筋按化学成分的不同分为碳素结构钢和普通低合金钢，钢筋按外形的不同，分为光圆钢筋和带肋钢筋根据含碳量的不同，碳素结构钢又可分为低碳钢、中碳钢、高碳钢。随着含碳量的增加，钢材的强度随之提高，但钢材的塑性和可焊性降低。硬钢软钢的判别：有物理屈服点的钢筋称为软钢（热轧钢筋），无物理屈服点的钢筋成为硬钢（钢绞线，钢丝）。设计时有物理屈服点的钢筋去钢筋的屈服强度作为钢筋强度的设计依据。衡量钢筋塑性性能的基本指标是伸张率和冷弯性能。混凝土结构对钢筋性能的要求：强度高，塑性好，可焊性强，与混凝土的黏结锚固性能良好。混凝土保护层厚度的作用：1.保护纵向钢筋不被锈蚀。2.发生火灾时延缓钢筋温度上升。3.保证纵向钢筋与混凝土的黏结性能。冷弯性能：冷弯性能通过冷弯试验来反映。冷弯是在常温下将直径为d的钢筋绕弯心直径为D的车昆轴弯曲到规定的冷弯角度a后，检查试件表面，如果不出现裂纹、断裂或起层现象，则认为钢筋冷弯试验合格。伸张率一般不能反映钢材的脆化倾向，冷弯性能可反映钢筋的塑形性能和内在质量。钢筋变形阶段：弹塑性阶段，屈服阶段，强化阶段，颈缩阶段。钢筋与混凝土的黏结力由胶结力（钢筋与混凝土接触处的化学吸附作用力），摩阻力（混凝土收缩将钢筋紧紧包裹而产生的作用力），咬合力三组成（钢筋表面与混凝土之间产生的机械咬合力）。光面钢筋的粘结力主要来自于胶结力和摩阻力，钢筋表面的轻微锈蚀可以增加钢筋与混凝土的黏结力。位于同一连接区段内的收拉钢筋搭接接头面积百分率；对梁类、板类及墙类构件，不宜大于25%；对于柱类构件，不宜大于50%。适筋梁从加荷到破坏（适筋梁正截面受弯）的三个阶段：未裂阶段（全截面参与受力，梁的受力特征与匀质弹性体梁相似，M/Mu-f曲线接近直线变化），带裂缝工作阶段（1.在裂缝截面处，受拉区大部分混凝土退出工作，拉力主要由纵筋承担，但钢筋没有屈服;2.M/Mu-f不再保持直线，梁扰度的增加要比弯矩增长快。），破坏阶段（1.纵向受拉钢筋屈服后，钢筋应力保持fy，裂缝截面处，受拉区大部分混凝土已退出工作。2.由于受压区混凝土合力作用点外移使内力臂增大，故玩具略有增加。3.受压边缘混凝土压应变达到cu时，混凝土被压碎，截面破坏。4.M/Mu-f曲线接近水平线。）。受弯构件正截面受弯破坏形态：（1）少筋破坏：一裂就坏。（脆性破坏），当配筋率（2）适筋破坏：钢筋先屈服，混凝土后压碎。（延性破坏）在适筋范围内，梁的承载力随配筋率的增大而增大。（3）超筋截面破坏形态：混凝土先压碎，钢筋不屈服。（脆性破坏）r，超筋梁的承载能力最大。受弯构件的纵向受拉钢筋配筋率p对其正截面的受力性能特别是破坏形态影响很大。等效矩形应力图形等效原则：1.受压区混凝土的合力C大小相等2.受压区混凝土的合力C的作用点不变界限破坏：当纵向受拉钢筋应力达到其屈服强度的同时，受压区边缘混凝土应变恰好达到其极限压应变Ecu,受弯构建发生正截面破坏，这种破坏通常成为“界限破坏”相对界限受压区高度是指适筋梁发生界限破坏时，等效矩形应力图的受压区高度与截面有效高度的比值。双筋截面：截面的受压区配置的纵向钢筋数量较多，不仅起架立钢筋的作用，而且对正截面抗弯承载力的提高较多，则计算中应考虑受压区纵向钢筋，这样的截面就称为双筋截面。双筋截面主要应用：1.截面弯矩很大，按单筋矩形界面计算所得b，而梁截面尺寸受到限制，混凝土强度等级又不能提高时。2.在不同的荷载组合情况下，梁的同一截面承受变号弯矩时。3.由于构造，延性等原因，在截面受压区已配有截面面积较多的纵向钢筋时。T形截面：矩形截面受弯构件破坏时，大部分受拉区混凝土早已退出工作，正截面承载力计算时不考虑混凝土的抗拉强度将矩形截面的受拉区混凝土去掉一部分，并将纵向受拉钢筋集中放置在梁肋中，形成T截面。现浇肋梁楼盖中，楼板与梁浇筑在一起形成T形截面梁。纵向构造钢筋：1.架立钢筋（为了固定箍筋和梁纵向受拉钢筋并形成钢筋骨架，并能承受混凝土收缩和温度变化所产生的内应力。）2.梁侧纵向构造钢筋（又称腰筋）（当梁的腹板高度hw大于等于450mm时，在梁的两个侧面应沿截面高度配置纵向构造钢筋，以防止梁中部因混凝土收缩和温度变化而产生侧面裂缝，抑制侧面裂缝的开展，并增强梁的钢筋骨架和抗扭承载力。）剪跨比：1.狭义剪跨比：对于承受集中荷载的梁，第一个集中荷载作用点到支座边缘之距a与界面有效高度h0的比值。=a/h0 2.广义剪跨比：=M / Vh0梁的裂缝类型：当主拉应力超过混凝土的抗拉强度时，就会在垂直主拉应力方向产生斜裂缝。1.弯剪斜裂缝（由梁底的垂直弯曲裂缝向集中荷载作用点斜向延伸发展而成，特点是下宽上细，多见于一般的钢筋混凝土。）2.腹剪斜裂缝（出现在梁腹较薄的构件中。随着荷载的增加，沿主压应力轨迹产生腹部的斜裂缝，裂缝向上下延伸。特点是中部宽，立两头细，呈梭形。）箍筋和弯起钢筋统称腹筋，他们与纵筋和架立钢筋构成梁的钢筋骨架。受剪破坏的主要形式：斜拉破坏（主要是由于主拉应力差生的拉应变达到混凝土的极限拉应变而形成的，承载力较低，属于脆性破坏），剪压破坏（脆性破坏），斜压破坏（脆性破坏，承载力是三种类型最大的）。箍筋的作用：1.可以直接承担部分剪力，提高梁的受剪承载力。2.限制裂缝的延伸和开展，增大剪压区的面积，提高剪压区的抗剪能力3.提高斜裂缝交界面上的集料咬合作用和摩阻作用，从而有效地减少斜裂缝的开展宽度4.可以延缓纵筋劈裂缝的展开，防止混凝土保护层的突然撕裂，提高纵筋的销栓作用5.固定纵筋的位置，形成钢筋骨架6参与斜截面受弯，使斜裂缝出现后纵向钢筋应力的增量减小。 影响斜截面受剪承载力的主要因素：剪跨比，混凝土强度，配箍率与箍筋强度和纵筋配筋率。斜截面的基本假定：1剪压破坏时，斜裂缝相交的箍筋和弯起钢筋的拉应力都达到其屈服强度。2.剪压破坏时，不考虑斜裂缝处的集料咬合力和纵筋的销栓力。3.为计算公式应用简便，仅在计算梁受集中荷载作用为主的情况下，才考虑剪跨比。4.假定剪压破坏时，梁的斜截面受剪承载力由剪压区混凝土、箍筋和弯起钢筋三部分承载力组成，忽略纵筋的销栓作用和斜截面交界面上集料的咬合作用。斜截面受剪承载力的截面的选取：1.支座边缘处的截面，该截面所受剪力最大2.受拉区弯起钢筋弯起点处截面。3.箍筋截面面积或间距改变处截面。4.腹板宽度改变处的截面。计算截面处的剪力设计值选用方法：1.计算支座边缘处的截面时，取支座边缘截面的剪力设计值。2. .计算箍筋截面面积或间距改变处截面时，取箍筋数量或间距改变处截面的剪力设计值。3计算从支座算起第一排弯起钢筋时，取支座边缘处的剪力设计值；计算以后各排弯起钢筋时，取前排弯起钢筋弯起点处的剪力设计值。4. 计算腹板宽度改变处的截面时，取腹板宽度改变处截面的剪力设计值。纵筋的截断：1.在简支梁设计中，一般不宜在跨中截面将纵筋截断，而是在支座附件将纵筋弯起抵抗剪力。2.纵向受拉钢筋不宜在受拉区截断。因为在截断处钢筋由于面积突然减小，造成混凝土中拉应力骤增，容易出现弯剪斜裂缝，降低构件的承载能力。纵筋的弯起：确定弯起钢筋的弯起点时，必须选在离开它的充分利用点至少0.5h0距离以外，这样就保证不需要计算斜截面受弯承载力。 材料抵抗弯矩图：按梁实际配置的纵向受力钢筋所确定的各正截面所能抵抗的弯矩而绘制的图形，反映了沿梁正截面上材料的抗力。抵抗弯矩图作用：1.反映材料利用的程度 2.确定纵向钢筋弯起数量和位置 3.确定纵向钢筋的截断位置短柱的判断：短柱是指长细比L0/b8或者L0/d7或者L0/i28对于截面形状复杂的构件，不应采用内折角箍筋，以免造成折角处混凝土被箍筋外拉而崩裂，应采用分离式箍筋。稳定系数值主要与柱的长细比Lo/b 有关。螺旋箍筋柱由于用钢量大，施工复杂，造价较高，一般不宜采用。但柱承受的轴向荷载很大，而柱的截面尺寸又受到限制，即使提高混凝土强度等级和增加纵筋用量也不足以承受该轴向荷载时，可考虑采用螺旋箍筋柱，以提高构件的承载力。大偏心受压破坏特征：首先在受拉一侧出现横向裂缝，受拉钢筋形变较大，应力增长较快。在临近破坏时，受拉钢筋屈服。横向裂缝迅速开展延伸至混凝土受压区域，受压区迅速缩小，压应力增大。在受压区出现纵向裂缝，混凝土达到极限压应变压碎破坏。小偏心受压破坏：受拉区裂缝展开较小，临界破坏时，在压应力较大的混凝土受压边缘出现纵向裂缝，达到其应变极限值，压碎、破坏。矩形截面偏心受压构件破坏形态：1.大偏心受压破坏（受拉、延性破坏）2.小偏心受压破坏（受压、脆性破坏）3.界限破坏4.附加偏心距ea与初始偏心距ei 大、小偏心受压构件的判别条件：当b时，截面为大偏心受压构件；当b时，截面为小偏心受压构件失稳破坏：构件因纵向弯曲失去平衡而破坏，此时钢筋尚未屈服，混凝土尚未压碎，成为“失稳破坏”偏心受压长柱的二阶效应：在产生了层间位移和挠曲变形的结构构件中由轴向压力引起的附加应力。P-效应：在有侧移框架中，二阶效应主要是指竖向荷载产生了侧移的框架中引起的附加内力。P-效应：在侧移框架中，二阶效应指的是轴向压力在产生了挠曲变形的柱段中引起的曲率和弯矩增量。 对称配筋：实际工程中，绝大多数受压构件均采用对称配筋。对称配筋既可以指某个构件的截面中，配筋关于中轴线对称，也可以指在整个结构体系中，结构构件的配筋关于结构体系的中轴线配筋。扭转：可以分为平衡扭转和协调扭转两类。平衡扭转又称静定扭转，是由荷载作用直接引起的，其截面扭矩可由平衡条件求得，即构件所受到的扭矩的大小与构件扭转刚度的大小无关。 协调扭转又称超静定扭转，是由超晶鼎结构中相邻构件的变形受到该构件的约束而引起该构件的扭转，其截面扭矩需由静力平衡条件结合变形协调条件才能求的，即构件所收到扭矩的大小与构件扭转刚度的大小有关。根据箍筋和纵筋配置数量的多少，钢筋混凝土纯扭构件有少筋破坏、适筋破坏、部分超筋破坏和超筋破坏四种破坏形态。其中，只有适筋构件破坏时，钢筋和混凝土的强度都得到充分利用，而且是延性破坏，故工程设计中，应采用适筋构件。钢筋混凝土纯扭构件的破坏面是一个空间扭曲面，其受力性能已相当复杂。在弯矩，剪力和扭矩共同作用下的弯剪扭构件的受力性能则更为复杂，其破坏形态主要有弯型破坏，扭型破坏和剪扭型破坏三种。钢筋混凝土偏心受拉构件分为大偏心受拉和小偏心受拉两种情形，大偏心受拉构件破坏时，截面仅部分开裂，存在混凝土受压区。小偏心受拉构件破坏时，混凝土截面全部开裂，拉力完全由钢筋承担。建筑物和构筑物必须使其满足三方面功能需求：安全性、适用性和耐久性。最小刚度原则：钢筋混凝土受弯构件截面抗弯刚度随弯矩增大而减小。裂缝：是指荷载作用下正截面的裂缝。裂缝宽度：受拉钢筋截面重心水平处构件侧表面的裂缝宽度。混凝土结构的耐久性按正常使用极限状态控制，特点是随着时间发展因材料劣化而引起性能衰退。材料劣化进一步发展会可能引起构件承载力问题，甚至发生破坏。预应力混凝土及钢筋混凝土结构构件正截面受力裂缝分三级：一级 严格要求不出现裂缝的构件，按荷载标准组合计算时，构件边缘混凝土不应产生拉应力。二级 一般要求不出现裂缝的构件，按荷载标准组合计算时，构件边缘混凝土拉应力不应大于混凝土抗拉强度的标准值。三级-允许出现裂缝的构件，按荷载标准组合计算时，构件额度最大裂缝宽度不大于规定的最大裂缝宽度极限。预应力混凝土：在构件承受外荷载之前，对其受拉区预先施加压应力，即为预应力混凝土结构。预先事假的压应力可以抵消或减小使用条件下荷载所引起的拉应力，延缓裂缝的出现，改善构件的抗裂性能预应力混凝土特点：1.抗裂性好。2.刚度大，耐久性好。3.充分利用高强材料。4.提高构件的稳定性和抗疲劳性能。5.拓展了构件的应用范围。预应力施加方法：可分为先张法和后张法两种。（在浇筑混凝土之前张拉预应力钢筋的方法成为先张法）（浇筑混凝土并待到混凝土达到一定强度后张拉预应力钢筋的方法称为后张法）加筋混凝土按其预应力度的大小可分成全预应力混凝土（），部分预应力混凝土（）和钢筋混凝土三类。先张发：在浇筑混凝土之前张拉预应力钢筋的方法称为先张发。先张发基本工序：1.在台座或钢模上用张拉机具张拉预应力钢筋至控制应力，并用夹具临时固定。2.支模并浇筑混凝土。3养护混凝土至强度不低于设计强度的75%时，切断预应力钢筋挤压混凝土，使构件产生预压应力。后张法：浇筑混凝土并待混凝土达到一定强度后张拉预应力钢筋的方法。后张法基本工序：1.支模浇筑混凝土构件并预留孔道。2.养护混凝土至规定的强度值，在孔道中穿筋，并在构件上用张拉机具张拉预应力钢筋。3预应力钢筋张拉至控制应力后，在张拉端用锚具锚住预应力钢筋。4.最后在孔道内压力灌浆，目的是防止钢筋腐蚀并使预应力钢筋与混凝土形成整体共同工作。加筋混凝土按其预应力度的大小可分为全预应力混凝土、部分预应力混凝土、钢筋混凝土三类。张拉控制应力：是指预应力钢筋锚固前，张拉设备的测力仪表所显示的总张拉力除以预应力筋截面面积所得到的张拉应力值。预应力损失：将预应力钢筋张拉到控制应力con后，由于施工因素，材料性能和环境条件等的影响，预应力筋中得预拉应力值将会组件减小一定的幅度，降低值就是预应力损失预应力的损失包括：1.张拉端锚具变形和预应力筋内缩引起的预应力损失。2.预应力筋与孔道壁之间的摩擦力引起的预应力损失。3.混凝土加热养护时，预应力筋与承受拉力设备之间的温差引起的预应力损失。4.预应力筋的应力松弛引起的预应力损失。5.混凝土收缩和徐变引起的预应力损失。6.用螺旋式预应力筋作配筋的环形构件，由于混凝土的局部挤压引起的预应力损失。引起预应力损失的因素：1.由于施工设备引起的预应力损失2.由于混凝土材料引起的预应力的损失3.由于张拉控制应力引起的预应力损失4.由于钢筋松弛（变形）引起的预应力损失5.预应力钢筋与孔道间壁之间的摩擦引起的预应力损失混凝土的优缺点？优点：1)材料利用合理2)可模性好3)耐火性和耐候性较好4)现浇混凝土结构的整体性好5)刚度大、阻尼大6)取材容易 缺点：1)自重大2)抗裂性差3)承载力有限4)施工复杂、施工周期长5)修复、加固、补强较困难影响混凝土徐变的因素很多，总的来说可分为三类：(1)内在因素 内在因素主要是指混凝土的组成与配合比。水泥用量大，水泥胶体多，水胶比越高，徐变越大。要减小徐就应尽量减少水泥用量，减少水胶比，增加骨料所占体积及刚度。(2)环境影响 环境影响主要是指混凝土的养护条件以及使用条件温度和湿度影响。养护的温度越高，湿度越大，水泥水化作用越充分，徐变就越小，采用蒸汽养护可使徐变减少20%-35%；试件受荷后，环境温度越低、湿度越大，以及体表比(构件体积与表面积的比值)越大，徐变就越小。(3)应力条件 应力条件的影响包括加荷时施加的初应力水平和混凝土的龄期两个方面。在同样的应力水平下，加荷龄期越早，混凝土硬化越不充分，徐变就越大；在同样的加荷龄期条件下，施加的初应力水平越大徐变越大。各种因素对混凝土收缩影响如下：水泥用量越多，收缩越大；水灰比越大，收缩越大；水泥等级越高，收缩越大；集料的级配越好、弹性模量越大，收缩越小；养护时温度越低、湿度越高，收缩越小；混凝土越密实，收缩越小；构件的体积与表面积的比值越大，收缩越小。采用蒸汽养护时的收缩至小于常温养护下的收缩值。影响斜截面受剪承载力的主要因素：（1） 剪跨比.无腹筋梁的受剪破坏形态要受剪跨比的影响，其实质是因为剪跨比=M/Vho=a/ho反映了截面弯矩与剪的荷载组合情况，从而直接影响到梁中的应力状态。（2） 混凝土强度 受剪的三种破坏形态中，斜拉破坏取决于混凝土的抗拉强度，剪压破坏也基本取决于混凝土的抗拉强度，只有在剪跨比很小时的斜压破坏才取决于混凝的抗压强度， 而斜压破坏是受剪承载力的上限。可见，无腹筋梁的受剪破坏是由于混凝土达到复合应力状态下的强度而发生的，混凝土强度对受剪承载力有很大的 影响。（3） 纵筋配筋率p 增加纵筋配筋率风可限制斜裂缝的发展，提高斜缝间骨料咬合力作用，加大混凝土受压区截面高度，提高受剪面积，增加纵筋的销栓作用。因此，受剪承载力随纵筋配筋率的增大而有所提高。（4） 箍筋配筋率和箍筋强度 当配箍率在适当范围内时，梁的受剪承载力随着配箍率和箍筋强度的提高而增大预应力混凝土有哪些特点？(1) 对混凝土构件施加预应力可以提高构件的抗裂性。因为施加了预应力后，使得构件在使用荷载下，产生拉应力的混凝土首先要抵消该预应力，使得构件的拉应力减小，从而提高了构件的抗裂性和耐久性。(2) 改善和提高了结构构件的受力性能。由于预应力的存在，控制了构件裂缝的出现及裂缝开展宽度，提高了构件的刚度，从而减小了受力构件承受荷载后弯曲的程度。(3) 提高构件的抗剪能力，由于纵向预应力钢筋具有锚栓作用，阻碍着构件斜裂缝的出现与开展，又由于预应力混凝土梁的曲线钢筋合力的竖向分力将部分地抵消剪力，因而提高了构件的抗剪能力。(4) 提高构件的抗疲劳强度，有利于结构承受动荷载 (5) 可以充分利用高强材料节约钢材、减轻结构自重，克服了钢筋混凝土的重要缺点。 (6) 在使用荷载作用下，预应力混凝土构件基本上处于弹性工作阶段。 如何减少预应力损失？1） 选用强度高，刚度大，稳定性良好的台座，从而减少台座发生变形，滑移和倾覆。2） 使用自身和自锚能力均好的夹具，同时应使锥销的强硬度大于预应力的强硬度。3）在先张法中尽量少使用垫板，因为每增加一块垫板，锚具变形和钢筋内缩值就增加1mm。4）尽可能增加（在条件允许下）台座的长度。因为5)选用强度高的混凝土。因为强度高的混凝土对采用先张法的构件可以提高钢筋与混凝土之间的粘结力；对采用后张法的构件可提高锚固端的局部承压承载力。6）采用高标号水泥，减少水泥用量，降低水灰比；采用级配较好的骨料，加强混凝土的振捣，提高混凝土密实性，从而减少混凝土的收缩徐变。 7）在允许范围内，尽可能采用粒径较大，表面粗超的粗骨料，从而增加混凝土与钢筋之间的粘结力。