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1、第第第第4 4章章章章 钢筋混凝土结构钢筋混凝土结构钢筋混凝土结构钢筋混凝土结构王吉忠王吉忠王吉忠王吉忠4.1 材料的力学性能材料的力学性能4.1.1 钢筋的类别及力学性能钢筋的类别及力学性能4.1.1.1 钢筋的种类和级别钢筋的种类和级别 1)热轧钢筋热轧钢筋 2)冷拉钢筋冷拉钢筋 3)冷轧带肋钢筋冷轧带肋钢筋 4)热处理钢筋热处理钢筋 5)碳素钢丝和钢绞线碳素钢丝和钢绞线4.1.1.2钢筋的力学性能钢筋的力学性能 软钢软钢s ses志向弹塑性本构模型志向弹塑性本构模型 硬钢应力硬钢应力应变曲线应变曲线 4.1.1.3 混凝土结构对钢筋性能的要求混凝土结构对钢筋性能的要求 1)钢筋的强度)钢
2、筋的强度 2)钢筋的塑性)钢筋的塑性 3)钢筋的可焊性)钢筋的可焊性 4)钢筋的耐火性)钢筋的耐火性 5)钢筋与混凝土的粘结力)钢筋与混凝土的粘结力4.1.2 混凝土的强度、变形及其影响因素混凝土的强度、变形及其影响因素4.1.2.1 混凝土的强度混凝土的强度1)混凝土立方体抗压强度及混凝土强度等)混凝土立方体抗压强度及混凝土强度等级级2)混凝土轴心抗压强度)混凝土轴心抗压强度 3)混凝土抗拉强度)混凝土抗拉强度 A.干脆拉伸法干脆拉伸法 B.劈裂法劈裂法4)复合应力状态下混凝土的强度)复合应力状态下混凝土的强度 4.1.2.2 混凝土的变形混凝土的变形1)一次短期荷载下的混凝土应力)一次短期
3、荷载下的混凝土应力应变曲线应变曲线 2)混凝土单轴受压应力)混凝土单轴受压应力应变曲线的简化模型应变曲线的简化模型3)混凝土的弹性模量)混凝土的弹性模量 4)混凝土重复荷载下的变形性能)混凝土重复荷载下的变形性能 5)荷载长期作用下混凝土的变形性能)荷载长期作用下混凝土的变形性能 6)混凝土的收缩)混凝土的收缩混凝土在空气中结硬时体混凝土在空气中结硬时体积减小的现象积减小的现象 混凝土的徐变混凝土的徐变 混凝土的徐变是指混凝土在长期荷载作混凝土的徐变是指混凝土在长期荷载作用下应变或变形随时间而增长的现象。用下应变或变形随时间而增长的现象。影响混凝土徐变的因素很多,可主要归影响混凝土徐变的因素很
4、多,可主要归结为三个方面:加载史;混凝土内在因结为三个方面:加载史;混凝土内在因素;环境因素。素;环境因素。(1)应力越大徐变越大,当混凝土应)应力越大徐变越大,当混凝土应力较大时(力较大时(sc0.5fc),产生非线性徐),产生非线性徐变,徐变变形比应力增长要快。荷载持变,徐变变形比应力增长要快。荷载持续的时间越长,徐变越大。续的时间越长,徐变越大。(2)混凝土龄期越小,徐变越大。)混凝土龄期越小,徐变越大。(3)混凝土强度高,密实度高徐变小。)混凝土强度高,密实度高徐变小。(4)水灰比越大徐变越大,当水灰比)水灰比越大徐变越大,当水灰比不变时,水泥用量越多徐变越大。不变时,水泥用量越多徐变
5、越大。(5)构件的厚度小,徐变大。)构件的厚度小,徐变大。(6)养护条件好(高温高湿)徐变小。)养护条件好(高温高湿)徐变小。4.1.2.3 钢筋与混凝土共同工作的基础钢筋与混凝土共同工作的基础 (1)钢筋与混凝土有大体相同的温度膨胀)钢筋与混凝土有大体相同的温度膨胀系数,钢材线膨胀系数为系数,钢材线膨胀系数为1.210-5,混凝土,混凝土为(为(1.01.5)10-5。这样,在温度变更时,。这样,在温度变更时,温度应力的影响一般可不予考虑。温度应力的影响一般可不予考虑。(2)混凝土对钢筋起到很好的疼惜作用,)混凝土对钢筋起到很好的疼惜作用,可避开钢筋过早锈蚀,提高耐久性。可避开钢筋过早锈蚀,
6、提高耐久性。(3)钢筋与混凝土之间有很好的粘结作用。)钢筋与混凝土之间有很好的粘结作用。4.2 钢筋混凝土结构基本计算原则钢筋混凝土结构基本计算原则 4.2.1 现行水工混凝土结构设计规范接受的现行水工混凝土结构设计规范接受的 计算方法计算方法 4.2.1.1 结构功能的极限状态及其分类结构功能的极限状态及其分类 1.极限状态的定义极限状态的定义 2.极限状态的分类极限状态的分类 承载力极限状态承载力极限状态 正常运用极限状态正常运用极限状态4.2.1.2 失效概率及牢靠指标失效概率及牢靠指标 假定假定R,S均符合正态分布均符合正态分布 Z=RS0时时 结构处于牢靠状态结构处于牢靠状态 Z=R
7、S0时时 结构处于失效状态结构处于失效状态 Z=RS=0时时 结构处于极限状态结构处于极限状态 Z=RS的概率分布曲线及的概率分布曲线及和和Pf的关系的关系 4.2.1.3 荷载分类及荷载代表值荷载分类及荷载代表值1)荷载分类)荷载分类 结构上的荷载,按其随时间的变异性不同可分为以下三类结构上的荷载,按其随时间的变异性不同可分为以下三类;(1)永久荷载(恒荷载);)永久荷载(恒荷载);(2)可变荷载(活荷载);)可变荷载(活荷载);(3)偶然荷载;)偶然荷载;2)荷载代表值)荷载代表值 (1)荷载标准值)荷载标准值 (2)可变荷载的组合值)可变荷载的组合值 (3)可变荷载的准永久值)可变荷载的
8、准永久值荷载的标准值的取值荷载的标准值的取值 4.2.1.3 材料强度的标准值与设计值材料强度的标准值与设计值 1)材料强度的标准值)材料强度的标准值 m mf材料强度平均值;材料强度平均值;s sf材料强度标准差;材料强度标准差;a af材料强度标准值的保证率系数;材料强度标准值的保证率系数;d df材料强度变异系数。材料强度变异系数。2)材料的强度设计值材料的强度设计值混凝土混凝土c=1.35 软钢取软钢取s=1.11.2,碳素钢丝、钢绞线、热处理钢筋等硬钢取,碳素钢丝、钢绞线、热处理钢筋等硬钢取s=1.5材料强度标准值、设计值材料强度标准值、设计值 4.2.2.1 承载力极限状态设计表达
9、式承载力极限状态设计表达式1 基本组合基本组合 4.2.2 概率极限状态设计的好用设计表达式概率极限状态设计的好用设计表达式 永久荷载对结构不利永久荷载对结构不利永久荷载对结构不利永久荷载对结构不利 永久荷载对结构利永久荷载对结构利永久荷载对结构利永久荷载对结构利2 偶然组合偶然组合 4.2.2.2 4.2.2.2 正常运用极限状态设计表达式正常运用极限状态设计表达式正常运用极限状态设计表达式正常运用极限状态设计表达式4.3 承载实力极限状态计算承载实力极限状态计算4.3.1 钢筋混凝土受弯构件正截面承载力计算钢筋混凝土受弯构件正截面承载力计算 4.3.1.1受弯构件截面形式受弯构件截面形式
10、4.3.1.2受弯构件正截面试验探讨受弯构件正截面试验探讨 梁的工作阶段梁的工作阶段 A.试验结果分析试验结果分析 B.梁的工作阶段梁的工作阶段 .第第阶段阶段拉区混凝土未裂阶段拉区混凝土未裂阶段 .第第 阶段阶段裂缝阶段裂缝阶段 .第第 阶段阶段破坏阶段破坏阶段 C.梁正截面破坏形态梁正截面破坏形态 .适筋破坏适筋破坏 .超筋破坏超筋破坏 .少筋破坏少筋破坏4.3.1.3 正截面受弯承载力计算正截面受弯承载力计算1)基本假定)基本假定 (1)平截面假定。平截面假定。(2)不考虑受拉区混凝土参与工作,拉力完全由不考虑受拉区混凝土参与工作,拉力完全由 钢筋担当。钢筋担当。(3)接受志向化的混凝土
11、的应力接受志向化的混凝土的应力应变(应变(sc ec)关系曲线作为计算的依据。关系曲线作为计算的依据。(4)钢筋钢筋ss es关系曲线接受志向弹塑性模型。关系曲线接受志向弹塑性模型。2)界限破坏及界限受压区高度)界限破坏及界限受压区高度超筋界限破坏适筋ecu=0.0033es=ey=fy/Es图图4.3.10 适筋、超筋、界限破坏时的截面平均应变图适筋、超筋、界限破坏时的截面平均应变图Asx0bh0hbes=eyMus0fyAsMufcx0bh0 xbx0bfyAsecu图图4.3.11 界限破坏时的截面受压区高度及混凝土等效应力图形界限破坏时的截面受压区高度及混凝土等效应力图形界限破坏时截面
12、实际相对界限受压区高度界限破坏时截面实际相对界限受压区高度x x0b:在实际设计计算中,用矩形等效应力图代替实际应力图,并近在实际设计计算中,用矩形等效应力图代替实际应力图,并近似取似取xb=b bx0b,故:,故:水工规范去水工规范去b b=0.8,e ecu=0.0033,则:则:(4.3.5)(4.3.5)式中式中x xb相对界限受压区计算高度;相对界限受压区计算高度;xb界限受压区计算高度;界限受压区计算高度;h0截面有效高度;截面有效高度;fy钢筋抗拉强度设计值;钢筋抗拉强度设计值;Es钢筋弹性模量;钢筋弹性模量;在进行构件配筋计算或承载力复核时,若计算出的相对受压区在进行构件配筋计
13、算或承载力复核时,若计算出的相对受压区计算高度计算高度x x=x/h0 x xb,则为适筋破坏;若则为适筋破坏;若x x=x/h0 x xb,则为超筋破坏。,则为超筋破坏。从式从式(4.3.5)可以看出,相对界限受压区计算高度可以看出,相对界限受压区计算高度xb和钢筋等和钢筋等级有关。级有关。对于没有明显屈服点的钢筋,对于没有明显屈服点的钢筋,因因e ey y=fy/Es+0.002,带入式带入式(4.3.5),可得,可得:4.3.1.4 单筋矩形截面构件正截面承载力计算单筋矩形截面构件正截面承载力计算1)截面配筋设计)截面配筋设计 (1)由式()由式(4.3.13)计算)计算 (2)由)由
14、,求,求x。(3)若)若x xb,则求,则求r=xfc/fy,As=rbh0。若。若Asxb,则梁会发生超筋破坏,应增大梁截面,则梁会发生超筋破坏,应增大梁截面尺寸或提高混凝土强度或采尺寸或提高混凝土强度或采用后面介绍的双筋截面。用后面介绍的双筋截面。2)承载力复核)承载力复核 (1)由式()由式(4.3.11)计算)计算x。(2)假如)假如x 0.85 xb,则由式(,则由式(4.3.12)计)计算算Mu;假如;假如x 0.85xb,则取则取x=0.85xb,仍由式(仍由式(4.3.12)近似计算)近似计算Mu。(3)假如)假如MMu/K,则梁正截面承载力符合,则梁正截面承载力符合要求,否则
15、梁正截面承载力不符合要求。要求,否则梁正截面承载力不符合要求。4.3.2 钢筋混凝土受弯构件斜截面承载力计算钢筋混凝土受弯构件斜截面承载力计算4.3.2.1 概述概述4.3.2.2 无腹筋梁的斜截面受剪破坏形态无腹筋梁的斜截面受剪破坏形态 1)斜拉破坏)斜拉破坏 2)剪压破坏)剪压破坏 3)斜压破坏)斜压破坏4.3.2.3 影响梁斜截面承载力的主要因素影响梁斜截面承载力的主要因素1)剪跨比)剪跨比2)混凝土强度)混凝土强度fc3)配箍率)配箍率4.3.2.4 有腹筋梁斜截面受剪承载力计算有腹筋梁斜截面受剪承载力计算1)腹筋作用)腹筋作用2)有腹筋梁的破坏形态)有腹筋梁的破坏形态3)有腹筋梁斜截
16、面受剪承载力计算公式)有腹筋梁斜截面受剪承载力计算公式 A.仅配箍筋仅配箍筋B.同时配有箍筋和弯起钢筋同时配有箍筋和弯起钢筋4 4)公式的适用范围)公式的适用范围)公式的适用范围)公式的适用范围A.A.上限上限上限上限 当当当当h hww/b/b4 4时时时时 当当当当h hww/b/b6 6时时时时 当当当当4 4 h hww/b6/b3%3%时,时,时,时,AA应改为净截面面积应改为净截面面积应改为净截面面积应改为净截面面积 A Ann,AAnn=A-A=A-Ass;AAss全部纵向钢筋的截面面积;全部纵向钢筋的截面面积;全部纵向钢筋的截面面积;全部纵向钢筋的截面面积;ffcc混凝土的轴心
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