混凝土结构设计原理

混凝土结构设计原理第七版（四校合编）适用，混凝土抗压性能较强，抗拉性能很弱，钢筋抗拉性能很强，钢筋主要承受拉力，混凝土主要承受压力，欢迎参考。

混凝土结构设计原理

• 绪论
  • 混凝土结构
    • 配置受力钢筋的混凝土制成的结构
    • 特点
      • 混凝土抗压性能较强，抗拉性能很弱
      • 钢筋抗拉性能很强
      • 钢筋主要承受拉力，混凝土主要承受压力
    • 目的
      • 充分利用材料，提高截面承载力和变形能力
    • 优缺点
    • 钢筋与混凝土能够共同工作的原因
  • 结构功能性要求
  • 结构极限状态
• 混凝土结构材料的物理力学性能
  • 混凝土
    • 单轴应力下的混凝土强度
      • 抗压强度
        • 立方体抗压强度
          • 标准养护条件
            • 边长150mm，温度20±3℃，相对湿度为90%，养护28天，95%保证率
          • 定义混凝土强度等级，如C30
            • 立方体抗压强度标准值为30N/mm²
          • 强度：不涂润滑剂（我国）＞涂润滑剂
        • 轴心抗压强度
          • 标准养护条件
            • 150×150×300mm，温度20±3℃，相对湿度为90%，养护28天，95%保证率
          • 强度：立方体抗压强度＞轴心抗压强度
            • 原因：1、立方体套箍作用更明显；2、立方体裂缝更少；3、立方体偏心的可能性更高。
      • 轴心抗拉强度
        • 劈裂实验
        • 直接轴心受拉实验
    • 混凝土的变形
      • 轴心受压
        • 混凝土轴心受压时应力-应变曲线及其特点
        • 原点模量（弹性模量）：应力-应变曲线原点切线的斜率
        • 变形模量（割线模量）：连接曲线原点至曲线上任一点应力处割线的斜率
        • 切线模量：曲线上任一点切线斜率
      • 徐变：应力不变，应变随时间增大
        • 影响（多数不利）
          • 有利
            • 应力重分布
          • 不利
            • 预应力损失
        • 影响因素
          • 时间、加载应力、龄期、水泥用量、水灰比、骨料性质、养护条件、构件形状尺寸及有无钢筋存在等
        • 如何减小
          • 减小水灰比、增加骨料用量、减小水泥用量、采用高强度混凝土、加强养护、提高养护时的温度和湿度等
      • 疲劳破坏
        • 混凝土在重复荷载作用下的破坏
          • 应力-应变曲线特点——开始时凸向应力轴，在重复荷载过程中逐渐变成直线，再经过多次加卸载以后，曲线逐渐凸向应变轴，加卸载不能形成封闭环
  • 钢筋
    • 分类
      • 柔性钢筋
        • 光圆钢筋（主要用作箍筋）
        • 带肋钢筋
      • 劲性钢筋
        • 型钢、钢板
    • 强度与变形
      • 拉伸实验
        • 应力-应变曲线
          • 有明显流幅和屈服点（软刚）
            • 屈服强度：屈服下限/屈服点
          • 无明显流幅和屈服点（硬刚）
            • 屈服强度：残余应变0.2%所对应的应力
      • HRB400含义
        • 钢筋强度等级为400MPa的普通热轧带肋钢筋，抗拉、抗压强度的设计值均为360MPa
      • 高应力状态下
        • 蠕变：应力不变，应变增大
        • 松弛：应变不变，应力变小
      • 疲劳破坏
        • 钢筋在重复荷载作用下的破坏
    • 钢筋与混凝土的粘结
      • 钢筋与混凝土接触面的胶结力
      • 混凝土收缩握裹钢筋而产生的摩阻力
      • 光圆钢筋
      • 钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的机械咬合力
        • 变形钢筋
    • 冷加工：钢筋经过冷加工后材料的抗拉强度得以提升
      • 分类
        • 冷拉
        • 冷拔
      • 作用
        • 提高钢筋屈服点和抗拉强度
        • 降低钢筋塑性和韧性
• 受弯构件的正截面承载力
  • 配筋率
    • 纵向受拉钢筋配筋率：ρ=As/bh。
    • 分类
      • 少筋：ρ＜ρmin
        • 受拉区混凝土一裂就坏，脆性破坏
      • 适筋
        • 适筋梁正截面受弯的三个受力阶段
          • 未裂阶段
          • 带裂缝工作阶段
            • 正常工作阶段
          • 破坏阶段
        • 适筋破坏：纵向受拉钢筋先屈服，然后受压区边缘混凝土压碎，延性破坏
      • 多筋：ρ＞ρmax
        • 受压区边缘混凝土压碎，受拉钢筋不屈服，脆性破坏
  • 计算原理
    • 基本假定
      • 平截面假定
      • 不考虑混凝土抗拉强度
      • 混凝土应力-应变曲线按规定取用
      • 纵向受拉钢筋的极限拉应变取为0.01，纵向受拉钢筋的应力取钢筋应变与其弹性模量的乘积
    • 界限配筋率
      • 少筋
      • 适筋
      • 超筋
    • 界限破坏：钢筋应力达到屈服强度时，混凝土受压区边缘也恰好达到极限压应变
    • 单筋矩形截面受弯构件正截面受弯承载力计算
      • 基本计算公式
      • 截面设计
      • 截面复核
    • 双筋矩形截面受弯构件正截面受弯承载力计算
      • 基本计算公式
      • 截面设计
      • 截面复核
    • T形截面受弯构件正截面受弯承载力计算
      • 基本计算公式
      • 截面设计
      • 截面复核
• 受弯构件的斜截面承载力
  • 斜截面承载力
    • 受弯承载力
      • 纵向钢筋
        • 纵向钢筋弯起、锚固、截断要求
      • 箍筋
        • 箍筋间距要求
    • 受剪承载力
      • 计算和构造
      • 受剪承载力影响因素
        • 剪跨比
          • 定义：梁上集中荷载作用点到支座边缘的最小距离a与截面有效高度的比值
          • 三种破坏形式
            • λ＜1：斜压破坏
              • 斜裂缝很陡
              • 混凝土被分割成若干个斜向短柱而压坏
              • 受剪承载力取决于混凝土抗压强度
            • 1＜λ＜3：剪压破坏
              • 斜裂缝既不很平又不很陡
              • 受拉区边缘先出现一些竖向裂缝，裂缝延伸后出现一条又宽又长的主裂缝（临界斜裂缝），直到斜裂缝顶端压区的混凝土被压碎而破坏
              • 破坏前延性好于斜压和斜拉破坏
            • λ＞3：斜拉破坏
              • 斜裂缝很平
              • 竖向裂缝一出现，就迅速向受压区斜向延伸，斜截面承载力随之消失
              • 具有很明显的脆性
            • 都属于脆性破坏
            • 承载力大小：斜压＞剪压＞斜拉
        • 混凝土强度、箍筋配筋率、截面尺寸及形状、斜截面上骨料咬合力
  • 斜裂缝
    • 剪力和弯矩共同作用
    • 弯剪斜裂缝
    • 腹剪斜裂缝
  • 受剪承载力计算
    • 计算截面
      • 支座边缘处的截面
      • 受拉区弯起钢筋弯起点处的斜截面
      • 箍筋截面面积或间距改变处的截面
      • 腹板宽度改变处的斜截面
    • 计算公式
• 受压构件的截面承载力
  • 轴心受压
    • 短柱
    • 长柱
      • 长细比：杆件的计算长度l。与杆件截面的回转半径之比（矩形截面为l。比截面短边尺寸）
    • 计算公式
      • Nu=0.9φ(fcA+fy'As')
  • 偏心受压
    • 大偏心
      • 延性破坏
    • 小偏心
      • 脆性破坏
    • 界限破坏——大偏心受压破坏
• 受拉构件的截面承载力
  • 轴心受拉
    • 破坏阶段
      • 加载至混凝土即将开裂
      • 开裂后至钢筋即将屈服
      • 钢筋屈服到截面破坏
  • 偏心受拉
    • 大偏心
    • 小偏心
• 受扭构件扭曲截面承载力
  • 钢筋混凝土构件
    • 混凝土
    • 抗扭纵筋
      • 沿梁截面四周均匀对称布置
    • 抗扭箍筋
      • 封闭式，沿截面周边布置
    • 共同作用抵抗外弯矩
  • 混凝土纯扭构件破坏
    • 分类
      • 少筋
      • 适筋
      • 超筋
      • 部分超筋
    • 裂缝
      • 初始裂缝一般发生在截面长边中点附近，与构件轴线成45°角
  • 承载力计算
    • 变角空间桁架模型
      • 核心区混凝土不参与工作
      • ζ
        • 配筋强度比
          • 受扭纵筋和箍筋抗扭强度的比值
        • 0.6＜ζ＜1.7
          • 确保纵筋和箍筋都达到屈服强度
    • 纯扭
    • 弯扭
    • 剪扭
      • 同时受剪扭作用，受剪承载力会降低
    • 弯剪扭
• 钢筋混凝土构件的变形、裂缝及混凝土结构的耐久性
  • 裂缝宽度控制
    • 满足正常使用状态的要求
    • 裂缝宽度计算理论
      • 粘结滑移理论
    • 裂缝等级
      • 一级
      • 二级
      • 三级
    • 减小措施
      • 采用变形钢筋
      • 增大配筋率，合理布置钢筋
      • 合适的保护层厚度
      • 提高混凝土强度等级
      • 采用直径较细的钢筋
  • 变形（挠度）控制
    • 目的
      • 过大的挠度会影响结构的正常使用
      • 防止对结构构件产生不良影响
      • 防止对非结构构件产生不良影响
      • 挠度过大会引起心理的不安全感
    • 截面弯曲刚度
      • 最小刚度原则
        • 取弯矩绝对值最大的截面的弯曲刚度作为该区段所有截面的弯曲刚度计算挠度
      • 随着弯矩的增大而减小
      • 抗弯刚度
        • 截面抵抗弯矩变形的能力
        • 梁的刚度不是一个常数，随着荷载的不断增大而降低，由于一般梁每个截面的受荷程度不一样，故而梁每个截面的刚度都不一样
        • 分类
          • 短期荷载作用下的刚度
          • 长期荷载作用下的刚度
            • 荷载长期作用下，由于混凝土徐变的影响，挠度会随着时间逐渐增大，其主要影响因素是徐变，可通过挠度增大系数考虑长期挠度
      • 提高方法
        • 加大截面高度（最有效）
        • 提高混凝土强度等级
        • 施加预应力
        • 采用钢管混凝土或钢骨混凝土
  • 混凝土结构耐久性
    • 耐久性定义
      • 在正常维护条件下，能保持正常使用的功能，不用大修，达到设计使用年限
    • 主要表现
      • 混凝土的碳化
        • 大气中的CO2不断向混凝土孔隙渗透，降低其碱性
      • 钢筋锈蚀
        • 电化学腐蚀
      • 钢筋与混凝土之间的粘结锚固作用
• 预应力混凝土构件
  • 预应力定义
    • 在混凝土结构承受规定荷载以前，预先给结构施加一定的压应力
  • 预应力混凝土
    • 延缓构件开裂，提高构件的抗裂度和刚度
    • 分类
      • 全预应力
        • 不允许混凝土出现拉应力
        • 不出现裂缝
      • 部分预应力
        • 部分预应力混凝土
          • 允许出现裂缝，但最大裂缝宽度不超过允许值
        • 限值预应力混凝土
          • 不同程度地保证混凝土不开裂的构件
  • 张拉预应力筋方法
    • 先张法
      • 浇灌混凝土之前先张拉预应力筋
    • 后张法
      • 在结硬后的混凝土构件上张拉预应力筋
  • 预应力混凝土
    • 要求
      • 强度高
      • 收缩、徐变小
      • 快硬、早强
  • 预应力损失