混凝土结构的设计方法精选文档.ppt

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1、混凝土结构的设计方法本讲稿第一页，共三十一页1.结构设计的要求结构设计的要求2.结构的作用、作用效应及结构抗力结构的作用、作用效应及结构抗力3.结构按概率极限状态设计结构按概率极限状态设计4.按承载能力极限状态计算按承载能力极限状态计算5.按正常使用极限状态计算按正常使用极限状态计算6.混凝土结构的耐久性混凝土结构的耐久性2本讲稿第二页，共三十一页适用性耐久性安全性结构的可靠性结构的可靠性结构的可靠性 reliability3可靠性可靠性就是指结构在规定的使用期限内（设计工作寿命就是指结构在规定的使用期限内（设计工作寿命=50年），在规定的条件下（年），在规定的条件下（正常设计、正常施工、正常

2、使正常设计、正常施工、正常使用和维护用和维护），完成预定结构功能的能力。），完成预定结构功能的能力。本讲稿第三页，共三十一页1.2结构的极限状态（结构的极限状态（Limit State）结构能够满足功能要求而良好地工作，则称结构是结构能够满足功能要求而良好地工作，则称结构是“可靠可靠”的或的或“有有效效”的。反之，则结构为的。反之，则结构为“不可靠不可靠”或或“失效失效”。区分。区分“可靠可靠”与与“失效失效”的临界工作状态为的临界工作状态为“极限状态极限状态”。承载力极限状态承载力极限状态Ultimate Limit State 正常使用极限状态正常使用极限状态Serviceability

3、Limit Staten 结构整体或部分作为刚体失去平衡结构整体或部分作为刚体失去平衡n 结构或构件达到最大承载力结构或构件达到最大承载力n 受动力荷载作用而产生疲劳破坏受动力荷载作用而产生疲劳破坏n 结构塑性变形过大而破坏结构塑性变形过大而破坏n 结构形成几何可变体系结构形成几何可变体系n 构件由于压屈而丧失稳定构件由于压屈而丧失稳定n 过大的变形和侧移过大的变形和侧移n 过大的裂缝过大的裂缝n 过大的振动过大的振动n 侵蚀性介质腐蚀等侵蚀性介质腐蚀等4本讲稿第四页，共三十一页一切引起结构内力和变形的一切引起结构内力和变形的原因原因，总称为作用。，总称为作用。直接作用：直接作用：直接以力的形

4、式作用于结构，也称直接以力的形式作用于结构，也称荷载荷载；间接作用：间接作用：不是直接以力的形式出现，但是对结构产生不是直接以力的形式出现，但是对结构产生变形和内力；变形和内力；混凝土的收缩、温度变化、混凝土的收缩、温度变化、基础不均匀沉降、地震等。基础不均匀沉降、地震等。51 1）作用）作用本讲稿第五页，共三十一页结构功能的表达结构功能的表达 S 作用效应作用效应 Action Effect 结结构构上上的的作作用用是是使使结结构构产产生生内内力力、变变形形和和裂裂缝缝的的原原因因的的总总称称，分分为为直直接接作作用用和和间间接作用，作用效应即为作用接作用，作用效应即为作用引起的构件内力与变

5、形。引起的构件内力与变形。R 结构抗力结构抗力 Resistant 结构抵抗作用效应的能力，如抗弯承载力结构抵抗作用效应的能力，如抗弯承载力Mu、抗剪承载力、抗剪承载力Vu、容许挠度、容许挠度f、容许裂缝宽度容许裂缝宽度w。S R 失效失效 6本讲稿第六页，共三十一页 两种或两种以上的可变荷载组合时，同时以标准值出现的概率两种或两种以上的可变荷载组合时，同时以标准值出现的概率很小，乘以很小，乘以荷载组合系数荷载组合系数y yc进行折减。进行折减。荷载组合系数荷载组合系数y yc应用于应用于承载力极限状态的承载力极限状态的基本组合基本组合和正常使用极限状态的和正常使用极限状态的标准组合标准组合。

6、除此之外，有频遇值系数除此之外，有频遇值系数y yf和准永久值系数和准永久值系数y yq 7考虑荷载超过标准值的可能性考虑荷载超过标准值的可能性荷载分项系数荷载分项系数考虑材料强度低于标准值的可能性考虑材料强度低于标准值的可能性材料分项系数材料分项系数：是一个是一个大于大于1.01.0的系数。的系数。本讲稿第七页，共三十一页荷载分项系数分为荷载分项系数分为恒载恒载分项系数和分项系数和活载活载分项系数分项系数材料分项系数分为材料分项系数分为砼砼分项系数和分项系数和钢筋钢筋分项系数分项系数8本讲稿第八页，共三十一页1.结构设计的要求结构设计的要求2.结构的作用、作用效应及结构抗力结构的作用、作用效

7、应及结构抗力3.结构按概率极限状态设计结构按概率极限状态设计4.按承载能力极限状态计算按承载能力极限状态计算5.按正常使用极限状态计算按正常使用极限状态计算6.混凝土结构的耐久性混凝土结构的耐久性9本讲稿第九页，共三十一页建筑结构的安全等级建筑结构的安全等级g g0 结构重要性系数结构重要性系数 根据建筑结构的重要性将结构分为根据建筑结构的重要性将结构分为三个安全等级三个安全等级，采用结构重要，采用结构重要性系数来体现。性系数来体现。一级一级 g g01.1二级二级 g g01.0三级三级 g g00.9规范设计表达式规范设计表达式 10本讲稿第十页，共三十一页Sk荷载效应标准值荷载效应标准值

8、11荷载效应设计值荷载效应设计值承载力极限状态设计表达式g gs荷载分项系数荷载分项系数抗力设计值抗力设计值g gR抗力分项系数抗力分项系数g g0 结构重要性系数结构重要性系数计算表达式计算表达式本讲稿第十一页，共三十一页承载力极限状态设计表达式12可变荷载效应控制组合可变荷载效应控制组合永久荷载效应控制组合永久荷载效应控制组合各荷载分项系数各荷载分项系数按荷载标准值计算的荷载效应值按荷载标准值计算的荷载效应值组合值系数组合值系数荷载效应组合荷载效应组合本讲稿第十二页，共三十一页抗力设计值抗力设计值R承载力极限状态设计表达式13混凝土和钢筋的材料分项系数混凝土和钢筋的材料分项系数混凝土和钢筋

9、的强度标准值混凝土和钢筋的强度标准值本讲稿第十三页，共三十一页14 例例题题 某某钢钢筋承受筋承受轴轴拉力拉力设计值设计值N 50KN，钢钢筋筋级别为级别为HRB335，直径，直径d=16mm，结结构的重要性系数构的重要性系数为为1.1，问问其其强强度是否度是否满满足要求？足要求？荷载效应设计值：荷载效应设计值：S=N=50 KN承载能力设计值：承载能力设计值：查附表查附表3，得到钢筋抗拉强度的设计值为，得到钢筋抗拉强度的设计值为300N/mm2查附表查附表10，得到钢筋面积为，得到钢筋面积为201.1mm2R=fy As=300201.110360.33KN0S 1.150KN R 60.3

10、3KN故强度满足要求故强度满足要求【解】【解】0S R本讲稿第十四页，共三十一页1.结构设计的要求结构设计的要求2.结构的作用、作用效应及结构抗力结构的作用、作用效应及结构抗力3.结构按概率极限状态设计结构按概率极限状态设计4.按承载能力极限状态计算按承载能力极限状态计算5.按正常使用极限状态计算按正常使用极限状态计算6.混凝土结构的耐久性混凝土结构的耐久性15本讲稿第十五页，共三十一页极限状态表达式极限状态表达式 C 结构构件达到正常使用要求所规定的限值。结构构件达到正常使用要求所规定的限值。S 正常使用极限状态的荷载效应组合值。正常使用极限状态的荷载效应组合值。正常使用极限状态设计表达式正

11、常使用极限状态设计表达式 正常使用极限状态设计时，应验算构件的变形、抗裂度和裂缝宽正常使用极限状态设计时，应验算构件的变形、抗裂度和裂缝宽度。可靠度要求可适当降低。不需要乘荷载分项系数，也不考虑结构度。可靠度要求可适当降低。不需要乘荷载分项系数，也不考虑结构重要性系数。重要性系数。正常使用极限状态设计表达式16本讲稿第十六页，共三十一页17正常使用极限状态设计表达式正常使用极限状态设计表达式标准组合标准组合产生严重的永久性损害产生严重的永久性损害频遇组合频遇组合产生局部损害、较大变形或短暂振动产生局部损害、较大变形或短暂振动准永久组合准永久组合考虑长期效应考虑长期效应可变荷载代表值本讲稿第十七

12、页，共三十一页 裂缝控制验算裂缝控制验算 一级：严格要求不出现裂缝的构件，同时不得产生拉应力。一级：严格要求不出现裂缝的构件，同时不得产生拉应力。正常使用极限状态结构抗力标准值第2章 钢筋混凝土结构设计的基本计算原则18 二级：一般要求不出现裂缝的构件，标准组合下可以产生拉应二级：一般要求不出现裂缝的构件，标准组合下可以产生拉应力，但不得超过混凝土轴心抗拉强度标准值。力，但不得超过混凝土轴心抗拉强度标准值。三级：允许出现裂缝的构件，限制裂缝宽度。三级：允许出现裂缝的构件，限制裂缝宽度。预压应力预压应力本讲稿第十八页，共三十一页1.结构设计的要求结构设计的要求2.结构的作用、作用效应及结构抗力结

13、构的作用、作用效应及结构抗力3.结构按概率极限状态设计结构按概率极限状态设计4.按承载能力极限状态计算按承载能力极限状态计算5.按正常使用极限状态计算按正常使用极限状态计算6.混凝土结构的耐久性混凝土结构的耐久性19本讲稿第十九页，共三十一页抗抗渗渗性性：混混凝凝土土抵抵抗抗压压力力水水渗渗透透性性能能称称为为混混凝凝土土的的“抗抗渗渗性性”或或“不不透透水性水性”；抗抗冻冻性性：混混凝凝土土在在饱饱和和状状态态下下，抵抵抗抗多多次次冻冻结结和和融融化化循循环环作作用用而而不不破破坏坏也不严重降低混凝土强度的性能；也不严重降低混凝土强度的性能；抗腐蚀性：酸和碱的化学腐蚀，小孔内的结晶腐蚀。抗腐

14、蚀性：酸和碱的化学腐蚀，小孔内的结晶腐蚀。混凝土的耐久性混凝土的耐久性 本讲稿第二十页，共三十一页钢筋混凝土结构劣化模型钢筋混凝土结构劣化模型本讲稿第二十一页，共三十一页海洋环境下海洋环境下钢筋混凝土钢筋混凝土结构退化随结构退化随时间的发展时间的发展本讲稿第二十二页，共三十一页2323n侵蚀性离子如侵蚀性离子如Cl、SO42、Mg2、Na等，对钢筋混凝土结构具等，对钢筋混凝土结构具很强的化学侵蚀作用很强的化学侵蚀作用混凝土和钢筋混凝土和钢筋n 硫酸根离子与水泥中的水化铝酸钙反应，形成膨胀性物质，导致硫酸根离子与水泥中的水化铝酸钙反应，形成膨胀性物质，导致混凝土开裂破坏；混凝土开裂破坏；n钠离子

15、与活性集料易发生碱集料破坏；钠离子与活性集料易发生碱集料破坏；nCl由于其半径小，具有很强的穿透能力，很容易渗透进入混凝土内部由于其半径小，具有很强的穿透能力，很容易渗透进入混凝土内部并到达钢筋表面，导致钢筋锈蚀速度加快，破坏混凝土保护层，进一步并到达钢筋表面，导致钢筋锈蚀速度加快，破坏混凝土保护层，进一步加速钢筋混凝土结构的破坏；加速钢筋混凝土结构的破坏；n因此，钢筋混凝土结构不仅要求具有一定强度，还要具有优良的抗因此，钢筋混凝土结构不仅要求具有一定强度，还要具有优良的抗腐蚀性能。腐蚀性能。钢筋锈蚀引起的顺筋裂缝钢筋锈蚀引起的顺筋裂缝主梁钢筋锈蚀、保护层剥落主梁钢筋锈蚀、保护层剥落本讲稿第二

16、十三页，共三十一页 加州伯克利分校的加州伯克利分校的Mehta教授在总结教授在总结59年来混凝土耐久性年来混凝土耐久性的研究进展时指出：钢筋混凝土材料耐久性的主要影响因素的研究进展时指出：钢筋混凝土材料耐久性的主要影响因素有钢筋锈蚀有钢筋锈蚀(氯离子侵蚀和混凝土碳化氯离子侵蚀和混凝土碳化)、冻融循环、硫酸盐侵蚀、冻融循环、硫酸盐侵蚀、碱骨料反应、荷载、干湿循环等。而引起钢筋混凝土结构劣化的破碱骨料反应、荷载、干湿循环等。而引起钢筋混凝土结构劣化的破坏因素按照重要程度依次为坏因素按照重要程度依次为钢筋锈蚀、冻融破坏钢筋锈蚀、冻融破坏和和海水侵蚀海水侵蚀作用。作用。钢筋锈蚀引起混钢筋锈蚀引起混凝土

17、剥落凝土剥落2424本讲稿第二十四页，共三十一页25钢筋在混凝土中发生锈蚀的诱发因素钢筋在混凝土中发生锈蚀的诱发因素1）混凝土中或外界环境中的氯离子含量过大）混凝土中或外界环境中的氯离子含量过大2）混凝土碳化作用）混凝土碳化作用本讲稿第二十五页，共三十一页1）氯离子侵蚀）氯离子侵蚀 氯离子侵蚀引起的钢筋锈蚀己经成为钢筋混凝土结构劣化的主要氯离子侵蚀引起的钢筋锈蚀己经成为钢筋混凝土结构劣化的主要原因之一。氯离子侵入混凝土腐蚀钢筋的机理为：原因之一。氯离子侵入混凝土腐蚀钢筋的机理为：26 (1)破坏钝化膜破坏钝化膜。氯离子进入混凝土到达钢筋表面，吸附于局部钝化膜处时，可。氯离子进入混凝土到达钢筋表

18、面，吸附于局部钝化膜处时，可使该处的使该处的pH值迅速降低到值迅速降低到4以下，破坏了钢筋表面的钝化膜。以下，破坏了钢筋表面的钝化膜。(2)形成腐蚀电池形成腐蚀电池。混凝土中常见的腐蚀对钢筋表面钝化膜的破坏发生在局部，。混凝土中常见的腐蚀对钢筋表面钝化膜的破坏发生在局部，使这些部位露出了铁基体，铁基体作为阳极而受腐蚀，大面积钝化膜区域使这些部位露出了铁基体，铁基体作为阳极而受腐蚀，大面积钝化膜区域作为阴极。使得钢筋表面产生蚀坑。作为阴极。使得钢筋表面产生蚀坑。(3)去极化作用去极化作用。氯离子将阳极产物及时地搬运走，使阳极过程顺利进行甚至加。氯离子将阳极产物及时地搬运走，使阳极过程顺利进行甚至

19、加速进行。氯离子起到了搬运的作用，却并不被消耗，凡是进入混凝土中的氯离子，速进行。氯离子起到了搬运的作用，却并不被消耗，凡是进入混凝土中的氯离子，会周而复始的起到破坏作用。会周而复始的起到破坏作用。(4)导电作用导电作用。腐蚀电池的要素之一是要有离子通路，混凝土中氯离子的存在，强。腐蚀电池的要素之一是要有离子通路，混凝土中氯离子的存在，强化了离子通路，降低了阴阳极之间的欧姆电阻，提高了腐蚀电池的效率，从而加速了电化了离子通路，降低了阴阳极之间的欧姆电阻，提高了腐蚀电池的效率，从而加速了电化学腐蚀过程。化学腐蚀过程。本讲稿第二十六页，共三十一页27 通常，氯离子的侵入是以几种侵入方式的组合而作用

20、的，另外通常，氯离子的侵入是以几种侵入方式的组合而作用的，另外还受到氯离子与混凝土材料之间的化学结合、物理粘结、吸附等作用还受到氯离子与混凝土材料之间的化学结合、物理粘结、吸附等作用的影响。在许多情况下，扩散被认为是一个主要的传输方式之一。对的影响。在许多情况下，扩散被认为是一个主要的传输方式之一。对于现有的没有开裂且水灰比不太低的结构，大量的检测结果表明氯离于现有的没有开裂且水灰比不太低的结构，大量的检测结果表明氯离子扩散过程一般满足子扩散过程一般满足 Fick第二定律。但在不同环境影响下，氯离子在第二定律。但在不同环境影响下，氯离子在混凝土中的扩散速度、深度及质量能显著提高，在盐溶液中冻融

21、循环，混凝土中的扩散速度、深度及质量能显著提高，在盐溶液中冻融循环，混凝土的性能下降明显。混凝土的性能下降明显。NT buiId 443试验装置示意图试验装置示意图非稳态扩散试验数据回归分析示意图非稳态扩散试验数据回归分析示意图本讲稿第二十七页，共三十一页2）混凝土碳化）混凝土碳化 碳化是大气中的碳化是大气中的CO2，与混凝土中的碱性物质发，与混凝土中的碱性物质发生化学作用，使混凝土的碱度逐渐降低的过程。由于混生化学作用，使混凝土的碱度逐渐降低的过程。由于混凝土是一个多孔体，在其内部存在着大小不同的毛细管、凝土是一个多孔体，在其内部存在着大小不同的毛细管、孔隙、气泡甚至缺陷，空气中的孔隙、气泡

22、甚至缺陷，空气中的CO2侵蚀到混凝土内侵蚀到混凝土内部，主要与水泥水化产生的氢氧化钙发生反应，形部，主要与水泥水化产生的氢氧化钙发生反应，形成碳酸钙，使混凝土的碱度逐渐降低。成碳酸钙，使混凝土的碱度逐渐降低。28n 碳化过程中释放出水化产物中的结晶水，使混碳化过程中释放出水化产物中的结晶水，使混凝土产生了不可逆的收缩，碳化收缩若在约束条凝土产生了不可逆的收缩，碳化收缩若在约束条件下进行，往往引起混凝土表面微裂纹，因而又件下进行，往往引起混凝土表面微裂纹，因而又加剧碳化过程。加剧碳化过程。n碳化使混凝土变脆，构件延性变差。所以说，混碳化使混凝土变脆，构件延性变差。所以说，混凝土碳化与混凝土结构的

23、耐久性密切相关。凝土碳化与混凝土结构的耐久性密切相关。本讲稿第二十八页，共三十一页硫酸根离子侵蚀硫酸根离子侵蚀 混凝土在硫酸盐作用下，其损伤过程既有物理作用，又涉及化学作用。其中，混混凝土在硫酸盐作用下，其损伤过程既有物理作用，又涉及化学作用。其中，混凝土在硫酸盐作用下的化学腐蚀是学术界研究的重点。试验研究以及自然环境中的硫凝土在硫酸盐作用下的化学腐蚀是学术界研究的重点。试验研究以及自然环境中的硫酸盐腐蚀介质主要是硫酸钠和硫酸镁。混凝土在硫酸盐作用下，其破坏的形式主要有酸盐腐蚀介质主要是硫酸钠和硫酸镁。混凝土在硫酸盐作用下，其破坏的形式主要有三种：三种：29(1)形成石膏并导致混凝土截面积、重

24、量以及强度损失，混凝七结构的水化产物逐渐形成石膏并导致混凝土截面积、重量以及强度损失，混凝七结构的水化产物逐渐减少，形成无粘聚性的颗粒状；减少，形成无粘聚性的颗粒状；(2)在混凝十中富含铝相，在混凝十中富含铝相，PH值较高，硫酸盐腐蚀形成钙矾石晶体从而导致值较高，硫酸盐腐蚀形成钙矾石晶体从而导致混凝十的膨胀和开裂；混凝十的膨胀和开裂；(3)粉煤灰混凝土暴露在复合硫酸盐中，混凝土连续剥落和表层脱落。粉煤灰混凝土暴露在复合硫酸盐中，混凝土连续剥落和表层脱落。本讲稿第二十九页，共三十一页30碱碱-集料反应集料反应n钠离子与活性集料易发生碱集料破坏，引起混凝土膨胀钠离子与活性集料易发生碱集料破坏，引起混凝土膨胀开裂，表面渗出白色浆液。开裂，表面渗出白色浆液。本讲稿第三十页，共三十一页作业作业（HomeWork）1.1.什么是什么是“失效概率失效概率”？什么是？什么是“可靠指标可靠指标”？“失效概失效概率率”与与“可靠指标可靠指标”有何联系？有何联系？2.2.什么是结构的可靠性？什么是结构的可靠度？我国什么是结构的可靠性？什么是结构的可靠度？我国规规范范都有那些规定来保证结构的可靠性？都有那些规定来保证结构的可靠性？3.3.什么是混凝土的什么是混凝土的“收缩收缩”和和“徐变徐变”，都有哪些影响因，都有哪些影响因素？素？31本讲稿第三十一页，共三十一页