砼结构设计原理

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砼结构设计原理

• 钢筋和混凝土材料的基本性能
  • 钢筋的强度和变形
    • 钢筋的应力-应变曲线
      • 钢筋受压和受拉时的应力-应变曲线几乎相同
      • 强度指标
        • * 明显流幅的钢筋：下屈服点对应的强度作为设计强度的依据，因为，钢筋屈服后会产生大的塑性变形，钢筋混凝土构件会产生不可恢复的变形和不可闭合的裂缝，以至不能使用
          • 如热轧钢筋
        • * 无明显流幅的钢筋：残余应变为0.2%时所对应的应力作为条件屈服强度,在相应的产品标准中明确规 定屈服强度σ0.2不得小于极限抗拉强度σb的85% （0.85σb）。因此，实际应用中可取极限抗拉强度σb的85%作为条件屈服点
      • 变形指标
        • 伸长率：钢筋拉断后的伸长与原长的比值
        • 冷弯性能：将直径为d的钢筋绕直径为D的钢辊 弯成一定的角度而不发生断裂
        • 弹性模量：物体的应力与相应的应变之比
    • 钢筋的成分、级别和品种
      • 按化学成分
        • 碳素钢（铁、碳、 硅、锰、硫、磷等 元素）
          • 低碳钢（含碳量<0.25%）
          • 中碳钢（含碳量0.25~0.6%）
          • 高碳钢（含碳量0.6~1.4%）
        • 普通低合金钢（另 加硅、锰、钛、钒、 铬等）
          • 锰系
          • 硅钒系 硅钛系 硅锰系 硅铬系
      • 按加工
        • 钢筋
          • 热轧钢筋：热轧光圆钢筋HPB300（Hot rolled Plain Bars），热轧带肋钢筋HRB335、HRB400，HRB500 (Hot rolled Ribbed Bars), 细晶粒热轧钢筋HRBF335、HRBF400，HRBF500 (Hot rolled Ribbed Bars of Fine grains),
            • 热处理
              • 淬火
                • 强度提高， 塑性降低
              • 回火
                • 不降低强度的前提下，消除 由淬火产生的内力，改善塑 性和韧性
          • 中高强度钢筋：残余应变为千分之二的应力点为钢筋条件屈服点
          • 冷加工钢筋RRB400：钢筋通过加热、淬火、预热处理而成
            • 冷拉
              • 只提高抗拉强度，不提高抗 压强度，强度提高，塑性下降
            • 冷拔
              • 经过冷拔后钢筋没有明显的屈服点 和流幅
              • 冷拔既能提高抗拉强度又能提高抗 压强度
          • 预应力螺纹钢筋
      • 按表面形状
        • 光圆钢筋
        • 带肋钢筋
      • 钢筋的应用范围
        • 非预应力钢筋：HPB300, HRB335， HRBF335，HRB400，HRB500, HRBF400, HRBF500
        • 预应力钢筋：碳素钢丝，钢绞线，预应力螺纹钢筋
      • 钢筋的常用直径
        • 光圆钢筋：6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22
        • 带肋钢筋：6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22,25, 28, 32, 36, 40, 50
    • 钢筋的徐变和松弛
      • 徐变
        • 应力不变，随时间的增长 应变继续增加
      • 松弛
        • 长度不变，随时间的增长 应力降低
      • 对结构，尤 其是预应力 结构，产生 不利的影响， 需采取必要 的措施
    • 钢筋的疲劳
      • 重复荷载作用下，钢筋的强度<静载作用下的强度
      • 规定的应力幅度内，经一定次数的重复荷载后， 发生疲劳破坏的最大应力值称为疲劳强度。对 钢筋用疲劳应力幅来表示其疲劳强度
    • 混凝土结构对钢筋的要求
      • 强度要求：
      • 塑性要求：伸长率和冷弯要求
      • 可焊性
      • 与混凝土的粘结性
  • 混凝土的强度
    • 混凝土的抗压强度远低于砂浆和粗骨料任一单体材料的强度
    • 单轴受力状态下混凝土的抗压强度
      • 立方体抗压强度fcu，k
        • 95％的统计特征值
        • 标准试块：150×150 ×150
        • 非标准试块：100×100 ×100
          • 换算系数 0.95
        • 200×200 ×200
          • 换算系数 1.05
      • 轴心抗压强度（棱柱体）fck
        • 标准试块：150×150 ×300
        • 非标准试块：100×100 ×300
          • 换算系数 0.95
        • 200×200 ×400
          • 换算系数 1.05
    • 单轴受力状态下混凝土的抗拉强度
      • 抗拉强度标准值ftk
        • 抗压强度fcu的5-10％
      • 劈裂抗拉强度fts
    • 复合应力作用下的强度
  • 混凝土的变形
    • 受力变形
      • 一次短期加荷的应力应变曲线
        • 应变千分之二点，峰值应变
      • 弹性模量
      • 变形模量
      • • 弹性模量为原点至0.5fc的点的连线的斜率
      • 受拉混凝土的变形
        • 弹性模量与受压相同
        • 变形模量为0.5弹性模量
      • 泊松比
        • 是指材料在单向受拉或受压时，横向正应变与轴向正应变的绝对值的比值，也叫横向变形系数，它是反映材料横向变形的弹性常数。
      • 剪切模量
        • 剪切应力与应变的比值。
      • 徐变
        • 长期荷载作用下混凝土的变形性能
          • 原因之一，胶凝体的粘性流动
          • 原因之二，混凝土 内部微裂缝的不断发 展
        • 影响因素
          • 混凝土的组成和配合比
          • 养护及使用条件下的温湿度
          • 混凝土的应力条件
    • 收缩、膨胀
      • 结硬过程中混凝土体积缩小/变大的性质
        • 收缩值比膨胀值要大很多
      • 影响因素
        • 干燥失水是引起收缩的主要因素
        • 温度变形
  • 混凝土的粘结与锚固
    • 黏结
      • 包含水泥胶体对钢筋的黏着力、钢筋与混凝土之间的摩擦力、钢筋表面凹凸不平与混凝土的机械咬合作用、钢筋端部在混凝土内的锚固作用
      • 黏结力的作用
    • 粘结力的组成
      • 黏结力组成
        • 化学胶结力
        • 摩擦力
        • 机械咬合力
        • 钢筋端部的锚固力
      • 光面钢筋的摩擦性能
        • 化学胶结力
          • 滑移时胶结力消失
        • 摩擦力
        • 主要力
        • 机械咬合力
        • 钢筋受力较大时黏结主要由此二部分组成
      • 变形钢筋
        • 化学胶结力
        • 摩擦力
        • 机械咬合力
          • 主要作用
      • 黏结强度影响因素
        • 保护层厚度和钢筋的净距
        • 浇注位置（水平浇注、竖向浇注）
        • 在钢筋锚固区和搭接长度范围内加强横向钢筋
        • 混凝土强度
        • 钢筋端部的弯钩、弯折及附加锚固措施
  • 构造措施
    • 保护层不能太小
• 砼结构设计方法
  • 结构可靠度
    • 结构上的作用、作用效应、结构抗力
      • 结构上的作用是指施加在结构上的集中力或者分布力，以及引起结构外加变形或约束变形的各种因素（如地震、基础差异沉降、温度变化、混凝土收缩等）前者以力的形式作用于结构上，称为直接作用，习惯上称为荷载；后者以变形的形式作用在结构上，称为间接作用
      • 结构上的作用和作用效应
        • 作用随时间变异
          • 永久作用
            • 恒载
          • 可变作用
            • 活载
          • 偶然作用
            • 偶然荷载
        • 作用随空间变化
          • 固定作用
          • 自由作用
        • 按结构反应特点
          • 静态作用
          • 动态作用
        • 按有无限值
          • 有界作用
          • 无界作用
            • 如地震、爆炸
      • 结构上的环境影响和效应
        • 指温湿度空气等环境因素对结构的影响
        • 针对材料性能的降低、
        • 力直接或间接作用在结构上，对结构产生内力和变形，称为作用效应
          • 当为直接作用时为荷载效应
          • 荷载与荷载效应之间一般近似地按线性关系考虑
      • 结构抗力
        • 指结构或结构的构件承受作用效应和环境影响的能力，构件的承载能力、刚度、抗裂度及材料的抗劣化能力。
    • 结构的功能要求及结构可靠度
      • 功能
        • 安全性
        • 适用性
        • 耐久性
      • 结构可靠度
        • 设计使用年限的适当可靠度满足功能要求
    • 结构的安全等级
      • 三级
  • 荷载和材料强度
    • 荷载标准值的确定
      • 荷载的统计特性
        • 永久荷载
        • 可变荷载
          • 活荷载、风荷载、雪荷载
      • 荷载标准值
        • 按照极限状态设计法求出
        • 永久荷载标准值Gk
        • 可变荷载标准值Qk
    • 材料强度标准值
      • 钢筋
        • 大于95％的强度特征值
          • 如热轧带肋钢筋强度特征值的保证率为97.73％
      • 混凝土
        • 具有95％保证率的强度值
  • 极限状态设计法
    • 结构的极限状态
      • 承载能力极限状态
        • 达到最大承载能力或达到不适于继续承载的变形
          • 结构破坏或过度变形
          • 结构刚体失去平衡
          • 结构转变为机动体系
          • 结构或结构构件失去稳定，如屈压
          • 结构倒塌
          • 地基丧失承载能力而破坏，如失稳
          • 疲劳破坏
          • 情况之一认为超过承载力极限
      • 正常使用极限状态
        • 结构达到正常使用的某项规定限值
          • 变形过大
          • 影响正常使用的局部破坏如水池裂缝
          • 震动超限
          • 相对沉降量大等
      • 耐久性极限状态
        • 材料出现劣化，达到耐久性限值
          • 材料性能劣化，如钢筋混凝土构件强度降低
          • 影响耐久性的裂缝、变形、缺口、外观、材料削弱
          • 金属构件的锈蚀等
    • 结构的设计状态
      • 持久设计状态
      • 短暂设计状态
      • 偶然设计状态
      • 地震设计状态
    • 功能函数Z=R-S
  • 结构可靠度的计算、
    • 失效概率pf
    • 可靠指标β
    • 设计可靠指标【β】
  • 极限状态设计表达式
    • 承载能力极限状态设计表达式
      • 基本表达式
      • 荷载效应设计值Sd
      • 荷载分项系数、可变荷载的组合值系数
        • 荷载分项系数γg、γq
          • 永久荷载分项系数γg
            • 永久荷载对结构不利时，应取1.3
            • 永久结构对结构有利时，应取1.0
          • 可变荷载分项系数γq
            • 一般取1.5
            • 工业建筑楼面结构时，活载标准值大于4kn/m²时，取1.3
        • 荷载设计值
        • 荷载组合值系数
• 砼结构混凝土轴心受力构件正截面承载力计算
  • 轴拉正面承载力计算
    • 受力过程及破坏特征
      • 线弹性阶段
      • 弹塑性阶段
      • 屈服破坏阶段
    • 建筑工程中轴拉正面承载力计算
      • Nt≤Ntu
        • Nt  Ntu f y As
      • 为了保证设计截面的极限承载力大于截面的开裂荷 载，避免脆性破坏
    • 构造要求
  • 轴压正面承载力计算
    • 受力分析和破坏特征
      • 短柱
        • 一般界面l/i≤28 矩形截面l/b≤8，b为截面宽度
        • 第一阶段：加载至钢筋屈服
        • 第二阶段：钢筋屈服至混凝土压碎
      • 长柱
        • 构件丧失稳定引起破坏
      • 长柱的承载力<短柱 的承载力（相同材料、 截面和配筋）
        • 原因：长柱受轴力和 弯矩（二次弯矩）的 共同作用
        • 稳定系数
    • 计算
    • 构造要求
  • 小结
• 受弯构件正截面承载力计算
  • 弯矩和剪力共同作用而轴力可以忽略不计的构件，梁的截面高度一般大于其宽度宽度，而板的截面高度远小于其宽度
  • 受力特性
    • 配筋率对受弯构件破坏特征的影响
      • 破坏特征
        • 少筋破坏
          • 受拉破坏
        • 适筋破坏
        • 超筋破坏
        • 受压破坏
        • 实验结论
          • •适筋梁具有较好的变形能力(受力过程 表现出明显的三阶段)，超筋梁和少筋 梁的破坏具有突然性，设计时应予避免
          • 在适筋和超筋破坏之间存在一种平衡破坏。其破坏特征是钢 筋屈服的同时，混凝土压碎，是区分适筋破坏和超筋破坏的 定量指标
          • 在适筋和少筋破坏之间也存在一种“界限”破坏。其破坏特 征是屈服弯矩和开裂弯矩相等，是区分适筋破坏和少筋破坏 的定量指标
            • 最小配筋率
              • 配置最小配筋率的梁的变形能力 最好！
  • 单筋矩形截面正假面承载力计算
    • 计算简图
      • 图
      • 系数关系
      • 基本计算公式
        • 构造要求
      • 基本计算公式的适用条件
        • 有明显屈服点钢筋配筋的受弯构件
          • 子主题
        • 无明显屈服点钢筋的受弯构件
      • 公式的应用
  • 双筋矩形截面正截面承载力计算
    • 不会发生少筋破坏
    • 适用情况
      • 承受交变作用（如地震）
      • Mmax大于单筋截面承受的最大弯矩设计值
    • 计算公式应用条件
      • 已知As钢筋截面
      • 已知弯矩设计值M
  • T形截面
    • 概述
    • 基本计算公式
    • 公式的应用
  • 深受弯构件
    • 概述
      • 构造要求
  • 小结