钢筋砼结构构件设计.ppt

第四章 钢筋砼结构构件设计,第一节 概述,一、结构定义：用一定数量的建筑材料建造成具有足够抵抗能力的空间骨架。 四个方面问题： 要抵抗各种作用力 由一定的建筑材料组成 具备足够的抵抗能力 形成为使用服务的空间,二、钢筋混凝土结构的概念及特点,（一）、概念 1、定义：由钢筋和砼两种性质不同的材料所组成的一种组合体。 钢筋：抗拉、压强度都很高，单独压易失稳，易腐蚀，造价高 砼：抗压强度高，抗拉强度低，不易受拉、弯，造价低,2、例,素混凝土：承载力低，P=13.4kN，断裂破坏，突然无预兆。 配两根20钢筋：承载力高，P=87kN，砼先裂，不开展，p加大，塑性破坏，有预兆，两种强度得到充分应用。 结论：加筋后，（1）承载力得到很大提高，（2）受力性能显著改善,实验,3、共同工作基础,（1）粘结力相互作用协调变形共同受力 （2）温度线膨胀系数接近，钢：1.210-5，砼：(1.01.5) 10-5。 （3） 保护层作用：耐火、耐久性好,（二）、特点,1、优点： （1）合理利用材料强度高，刚度大 （2）耐火性、耐久性好维护费用低 （3）可模性好造型灵活 （4）整体性好抗震、防振、防辐射性好 （5）就地取材，节约钢材造价低,2、缺点,（1）自重大高强轻质 （2）抗裂性差预应力砼 （3）施工比较复杂预制装配式构件，标准化 （4）补强修复困难结构胶，新材料,第二节 钢筋砼材料的力学性能,一、混凝土（砼） 1、砼组成材料 石子：粗骨料，起骨架作用； 砂：细骨料，起骨架作用； 水泥：胶结材料，起胶结作用； 水：和水泥一起组成水泥浆； 外加剂：如减水剂，早强剂等。,2、砼构成原理,在凝结硬化前，砂填充石子之间的空缝，组成骨架。水和水泥组成水泥浆，填补砂的空缝，并且包裹在石子和砂的周围。 硬化后，由于水泥的物理化学作用，将砂石紧紧地粘结在一起，形成坚硬的建筑材料，故名人工石。,3、砼的强度等级,混凝土结构中，主要是利用它的抗压强度。 因此抗压强度是混凝土力学性能中最主要和最基本的指标。,3、砼的强度等级,砼立方体抗压强度fcu,k ：边长150mm立方体标准试件，在标准条件下(203，90%湿度)养护28天，用标准试验方法(加载速度0.150.3N/mm2/sec，两端不涂润滑剂)测得的具有95%保证率的立方体抗压强度fcu,k 。 用符号C表示，C30表示fcu,k=30N/mm2,3、砼的强度等级,规范根据强度范围，从C15C80共划分为14个强度等级，级差为5N/mm2。 C15、C20、C25、C30、C35、C40、 C45、 C50、 C55、 C60、C65、C70、C75、C80共分为十四个等级，是以立方体强度来标定。,4、砼轴心抗压强度,采用棱柱体试件测定，用符号fc表示，它比较接近实际构件中混凝土的受压情况。棱柱体试件高宽比一般为h/b=34，我国通常取150mm150mm450mm的棱柱体试件，也常用100100300试件。 对于同一混凝土，棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度。,4、砼轴心抗压强度,轴心抗压强度和立方体抗压强度的换算关系为 规范对小于C50级的混凝土取k=0.76，对C80取k=0.82，其间按线性插值,5、砼轴心抗拉强度,也是其基本力学性能，用符号 ft 表示。 混凝土构件开裂、裂缝、变形，以及受剪、受扭、受冲切等的承载力均与抗拉强度有关。,5、砼轴心抗拉强度,6、砼破坏机理,A点以前，微裂缝没有明显发展，混凝土的变形主要弹性变形，应力-应变关系近似直线。A点应力随混凝土强度的提高而增加，对普通强度混凝土sA约为 (0.30.4)fc ，对高强混凝土sA可达(0.50.7)fc。,7、砼的变形,应力-应变关系,二、钢 筋,1、钢筋的品种： （1）热轧钢筋 ：HPB235级、HRB335级、HRB400级、RRB400级。 屈服强度标准值fyk（保证率97.73%）。,（1）热轧钢筋,HPB235级： fyk = 235 N/mm2 HRB335级： fyk = 335 N/mm2 HRB400级、RRB400级： fyk = 400 N/mm2 HPB235级(级)钢筋多为光面钢筋，多作为现浇楼板的受力钢筋和箍筋,（1）热轧钢筋,HRB335级(级)和 HRB400级(级)钢筋强度较高，多作为钢筋混凝土构件的受力钢筋。 尺寸较大的构件，也有用级钢筋作箍筋的为增强与混凝土的粘结，外形制作成月牙肋或等高肋的变形钢筋。,（2）钢丝,中强钢丝的强度为8001200MPa，高强钢丝、钢绞线的为 1470 1860MPa。 钢丝的直径39mm。 外形有光面、刻痕和螺旋肋三种。 中高强钢丝和钢绞线均用于预应力混凝土结构。,（3）冷加工钢筋,是由热轧钢筋和盘条经冷拉、冷拔、冷轧、冷扭加工后而成。 冷加工的目的是为了提高钢筋的强度，节约钢材。 但经冷加工后，钢筋的延伸率降低。,（4）热处理钢筋,是将级钢筋通过加热、淬火和回火等调质工艺处理，使强度得到较大幅度的提高，而延伸率降低不多。 用于预应力混凝土结构。,2、钢筋的应力-应变关系,(1)有明显屈服点的钢筋,a为比例极限s =Ese,a为弹性极限,de为强化段,b为屈服上限,c为屈服下限 即屈服强度 fy,cd为屈服台阶,e为极限抗拉强度 fu,(1)有明显屈服点的钢筋,屈服强度：是钢筋强度的设计依据。 因为钢筋屈服后将产生很大的塑性变形，且卸载时这部分变形不可恢复，这会使钢筋混凝土构件产生很大的变形和不可闭合的裂缝。,屈服上限与加载速度有关，不太稳定，一般取屈服下限作为屈服强度。,(1)有明显屈服点的钢筋,延伸率：钢筋拉断时的应变，是反映钢筋塑性性能的指标。延伸率大的钢筋，在拉断前有足够预兆，延性较好。 屈强比：反映钢筋的强度储备，fy/fu=0.60.7。,(1)有明显屈服点的钢筋,(2)无明显屈服点的钢筋,a点：比例极限，约为0.65fu。 a点前：应力-应变关系为线弹性 a点后：应力-应变关系为非线性，有一定塑性变形，且没有明显的屈服点 强度设计指标条件屈服点 残余应变为0.2%所对应的应力规范取s0.2 =0.85 fu,3、钢筋的强度标准值,钢筋的强度标准值是取其出厂时的废品限值，具有97.73%的保证率，满足建筑结构设计统一标准材料强度标准值保证率95%的要求。,第三节 受弯构件正截面受弯承载力,一、概述 结构中常用的梁、板是典型的受弯构件 梁的截面形式常见的有矩形、T形、工形、箱形、形 现浇单向板为矩形截面，高度h取板厚，宽度b取单位宽度（b=1000mm）；预制板常见的有空心板、槽型板等。,1、梁的构造要求：,d=1032mm(常用),h0=h-as,单排,a= 35mm,双排,a= 5560mm,钢筋的混凝土保护层厚度一般不小于25mm； 梁底部钢筋的净距不小于25mm及钢筋直径d，梁上部钢筋的净距不小于30mm及1.5d； 梁底部纵向受力钢筋一般不少于2根，直径常用1032。钢筋数量较多时，可多排配置，也可以采用并筋配置方式；,1、梁的构造要求：,d=1032mm(常用),h0=h-as,单排,a= 35mm,双排,a= 5560mm,梁上部无受压钢筋时，需配置2根架立筋，以便与箍筋和梁底部纵筋形成钢筋骨架，直径一般不小于10mm； 梁高度h450mm时，要求在梁两侧沿高度每隔300400设置一根纵向构造钢筋，以减小梁腹部的裂缝宽度，直径10mm；,1、梁的构造要求：,d=1032mm(常用),h0=h-as,单排,a= 35mm,双排,a= 5560mm,矩形截面梁高宽比h/b=2.03.0 T形截面梁高宽比h/b=2.54.0。 为统一模板尺寸、便于施工，通常采用： 梁宽度b=120、150、180、200、250、300、350、(mm)， 梁高度h=250、300、750、800、900、(mm)。,2、板的构造要求,混凝土保护层厚度一般15mm和钢筋直径d； 钢筋直径通常为612mm，级钢筋； 板厚度较大时，钢筋直径可用1418mm，级钢筋；,2、板的构造要求,受力钢筋间距一般在70200mm之间； 垂直于受力钢筋的方向应布置分布钢筋，以便将荷载均匀地传递给受力钢筋，并便于在施工中固定受力钢筋的位置，同时也可抵抗温度和收缩等产生的应力。,二、梁的受弯性能,a,As,f,1、弹性 受力 阶段 (阶段),2、带裂缝工作阶段,2、带裂缝工作阶段,3、屈服阶段 （阶段）,3、屈服阶段 （阶段）,a状态 表明梁达到极限承载力。因此该应变值的计算极限弯矩Mu的标志。,a状态：计算Mcr的依据,a状态：计算Mcr的依据 阶段：计算裂缝、刚度的依据,a状态：计算Mcr的依据 阶段：计算裂缝、刚度的依据 a状态：计算My的依据,a状态：计算Mcr的依据 阶段：计算裂缝、刚度的依据 a状态：计算My的依据 a状态：计算Mu的依据,适筋梁的破坏特征：,受拉钢筋先屈服，然后受压区混凝土压坏，中间有一个较长的破坏过程，有明显预兆，“塑性破坏”，破坏前可吸收较大的应变能。 界限配筋率rb,超筋梁,钢筋受拉强度未得到充分发挥，破坏又没有明显的预兆， 因此，在工程中应避免采用。,最小配筋率rmin,当配筋率小于一定值时，钢筋就会在梁开裂瞬间达到屈服强度，此时的配筋率 这种破坏取决于混凝土的抗拉强度，混凝土的受压强度未得到充分发挥，极限弯矩很小。,三、正截面受弯承载力计算,1、基本假定 (1) 截面应变保持平面； (2) 不考虑混凝土的抗拉强度； (3) 混凝土的受压应力-应变关系；,1、基本假定,(4) 钢筋的应力-应变关系，受拉钢筋的极限拉应变取0.01。,2、等效矩形应力图,3、基本方程,对于适筋梁， 受拉钢筋应力 =fy,砼及钢筋的强度设计值（表8-1）,砼受压区等效矩形应力图系数，当C50时， =1.0,4、最小配筋率的规定 (防止少筋脆性破坏),同时不应小于0.2% 对于现浇板和基础底板沿每个方向受拉钢筋的最小配筋率不应小于0.15%。,5、防止超筋脆性破坏,相对受压区高度不仅反映了钢筋与混凝土的面积比（配筋率），也反映了钢筋与混凝土的材料强度比，是反映构件中两种材料配比本质的参数。,表8-2,四、单筋矩形截面受弯构件正截面承载力计算,1、截面设计 已知：弯矩设计值M 求：截面尺寸b，h(h0)、截面配筋As以及材料强度fy、fc 未知数：受压区高度x、 b，h(h0)、As、fy、fc,1、截面设计,（1）材料选用： 现浇梁板：常用C15C25级混凝土 预制梁板：常用C20C30级混凝土 梁常用级钢筋，板常用级钢筋。,（2）截面尺寸确定,截面应具有一定刚度，满足正常使用阶段的验算能满足挠度变形的要求。 根据工程经验，一般常按高跨比h/L来估计截面高度 简支梁可取h=(1/10 1/16)L，b=(1/21/3)h 估计 简支板可取h = (1/30 1/35)L,(3)计算公式,令 （适筋） 将x值代入得,2、截面复核,已知：截面尺寸b，h(h0)、截面配筋As，以及材料强度fy、fc 求： 受压区高度x和受弯承载力Mu 截面的受弯承载力 MuM,2、截面复核,基本公式： (防超筋) 若 令,例8-1,已知矩形梁截面尺寸bh250500mm；环境类别为一级，弯矩设计值为M150kNm，混凝土强度等级为C30，钢筋采用HRB335级钢筋，即级钢筋。 求：所需的受拉钢筋截面面积。 解：环境类别为一级，C30时梁的混凝土保护层最小厚度为 25mm,由混凝土和钢筋等级，查(表8-1)得 fc=14.3N/mm2；ft=1.43N/mm2 fy=300N/mm2 由(表8-2)知：b0.55。 =1.0,可以,(表8-4),例8-2,已知：一单跨简支板，计算跨度L=2.34m，承受均布荷载qk=3kN/rn2(不包括板的自重)，(图8-5)混凝土等级C30；钢筋等级采用HPB235钢筋，即1级钢筋。可变荷载分项系数q=1.4，永久荷载分项系数G=1.2，环境类别为一级，钢筋混凝土重度为25kN/m3。 求：板厚及受拉钢筋截面面积As,（表8-1）（表8-2）,可以,（表8-3） (图8-6）,例4-3,已知：粱的截面尺寸为bh250450mm； 受拉钢筋为4根直径为16mm的HRB335钢筋，即级钢筋；混凝土强度等级为C40；承受的弯矩M89kNm。环境类别为一类。 求：验算此梁截面是否安全。,解：,C40混凝土，HRB335钢筋，查(表8-1)得：fc19.1N/mm2，ft1.71N/mm2，fy300N/mm2。 查(表8-2)得b=0.55 4根16mm钢筋，查(表8-4)得As=804mm2； 环境类别为一类的混凝土保护层最小厚度为25mm，故设a35mm，H0450-35415mm,第四节 受弯构件斜截面承载力,斜裂缝的形成及配筋,斜裂缝的形成及配筋,箍筋,弯起钢筋,腹筋,梁板配筋实例详图（8-8） 楼梯配筋实例详图（8-9）,第五节 受压构件,一、概述 1、受压构件的分类(1)轴心受压构件：轴向力作用于截面形心；(2)偏心受压构件。,2箍筋,螺旋钢箍柱：箍筋的形状为圆形，且间距较密。,3、柱子最小截面尺寸,地震区为300300MM或D350mm；常用轴压比来确定柱截面尺寸N/ (Afc)。 如：七度设防时， N/ (Afc)0.9 则A N/(0.9fc) (三、四级框架) 简化计算：N=受压范围每平方米1013KN进行计算。,二 、普通箍轴心受压构件的承载力计算,1、计算公式 N轴向力设计值； 钢筋混凝土受压构件的稳定系数 (表8-7)； fc混凝土轴心抗压强度设计值(表8-1)；,1、计算公式,fy 钢筋抗压强度设计值(表8-1)； A构件截面面积； As全部受压纵筋截面面积； 0.9保持与偏心受压构件正截面承载力