讲义总结注册结构专业基础钢筋混凝土结构材料性能与设计原则

1、.第一节 材料性能与基本设计原则一、考试大纲的规定材料性能:钢筋、混凝土、粘结基本设计原则:结构功能、极限状态及其设计表达式、可靠度 二、重点内容1.钢筋混凝土结构用的钢材有钢筋和钢丝两类,主要包括热轧钢筋、热处理钢、消除应力钢丝(光面钢丝、螺旋胁钢丝、刻痕钢丝)和钢绞线。根据钢筋的力学性能可分为有明显屈服点和明显流幅的软钢、无明显屈服点和无明显流幅的硬钢。其中,热轧钢筋属于软钢。热处理钢筋及消除应力钢丝则为硬钢。钢筋性能指针主要是屈服强度、极限强度、伸长率、冷弯试验、钢筋疲劳强度等。屈服强度,该指标对于软钢是作为标准强度取值的依据;对于硬钢因无明显屈服点,一般常取残余应变为0.2%时所对应的

2、应力值作为假定的屈服强度,称为条件屈服强度,用0.2表示。对于热处理钢筋、消除应力钢丝和钢绞线,混凝土结构设计规范(以下简称规范)统一取0.85倍极限抗拉强度作为0.2。极限强度或抗拉强度,该指标对于硬钢是作为强度标准值取值的依据;对于软钢,对其有一个最低限值的要求。伸长率,该指针衡量钢筋塑性性能,是钢筋标准试体拉断时的残余应变,用表示。国内取应变量测标距L为5d或10d(d为钢筋直径) ,其相应的伸长率用5和10表示,标距不同其伸长率也不同,标距越短,平均残余变形越大。对不同的钢筋等级,规范规定了不同的最小伸长率限值。冷弯试验,它是检验钢筋塑性性能的一种方法,也可以检查钢筋的脆性。冷弯试验的

3、两个主要参数是弯心直径D和冷弯角度。对不同强度等级的钢筋,其对应的弯心直径D 和冷弯角度的规定值是不同的。如HPB235级和HPB335级钢筋,=180°,D=(14)的对HRB400级钢筋,=90°, D= (36)d。钢筋疲劳强度,影响钢筋疲劳强度的主要因素为钢筋疲劳应力幅,即fmaxfmin规范中根据钢筋的疲劳强度设计值,给出了考虑应力比的钢筋疲劳应力幅限值。钢筋混凝土结构对钢筋性能的要求有:具有足够的强度和适当的屈强比;足够的塑性;可焊性;低温性能;与混凝土要有良好的粘结力。2.混凝土(1)混凝土的强度混凝土的强度包括立方体抗压强度、轴心抗压强度、抗拉强度。立方体抗

4、压强度,规范规定混凝土强度等级应按立方体抗压强度标准值(fcu,k)确定,它指按标准方法制作和养护的边长为150mm的立方体试件在28d龄期,用标准方法测得的具有95%保证率的抗压强度。试件的养护环境定为温度在20士3°C、相对湿度90% ,试验时标准的加荷速度为0.150.25N/mm2/s。当用边长为200mm和100mm的试块时,所得数值要分别乘以强度换算系数1.05和0.95加以校正。规范规定,钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C15;当采用HRB335级钢筋时不宜低于C20;当采用HRB400和RRB400级钢筋以及承受重复荷载的构件不得低于C20;预应力混凝土结构的混

5、凝土强度等级不应低于C30,当采用钢绞线、钢丝、热处理钢筋时不宜低于C40。轴心抗压强度(fcu),能更好地反映混凝土的实际抗压能力,其试件往往取150mm×150mm×450mm、150mm×150mm×600mm等尺寸。fck与fcu,k的关系表达式;fck=0.88clc2fcu,k式中cl当混凝土强度等级<C50时, cl=0.76;当为C80时,cl=0.82,中间按线性插入; c2高强度混凝土脆性折减系数,当混凝土强度等级<C40时,c2=1.0;当为C80时, c2=0.87,中间按线性插入。抗拉强度(ftk),其大小约为1/1

6、71/8的立方抗压强度。ftk与fcu,k的关系表达式为:ftk= 0.88×0.395f0.55cu,k(11.645)0.45 ×c2其中为变异系数。(2)复合受力状态的混凝土强度双向受力混凝土试件的试验结果,可知:当双向受压时,两个方向的抗压强度比单轴受压时有所提高,最大的抗压强度发生在两个方向的压应力比约为0.52.0之间时;当一个方向受压,另一个方向受拉时,其抗压或抗拉强度都比单轴抗压或抗拉时的强度低, 当双向受拉时,其抗拉强度与单轴受拉时无明显差别。受平面法向应力和剪应力的试验结果,可知:混凝土的抗压、抗拉强度都将有所降低。当压应力0.6fck时,其抗剪强度将随

7、的增大而提高;但>0.6fck时,其抗剪强度将随的加大而下降;趋近于fck时,将降至小于纯剪强度。三向受压强度,当试件三向受压,变形受到制约,形成约束混凝土,则强度有较大的增长。f'cc=f'c十(4.57.0)其中f'cc为有侧向压力约束试件的轴心抗压强度;f'e为元侧向压力约束试件的轴心抗压强度;为侧向约束压力应力。在工程实际中,可用间距较小的螺旋钢筋柱,或用于构件的节点区来提高承载力、延性和抗震性能。(3)混凝土的变形混凝土的变形可分为在荷载下的受力变形和与受力无关的体积变形。1)混凝土在单调、短期加荷作用下的变形性能通过试验可得到混凝土的应力应变曲

8、线,该曲线是研究钢筋混凝土构件的强度、变形、延性和受力全过程分析的依据。在整个曲线中,最大应力值fck、与fck相应的应变值。、破坏时的极限应变值u是曲线的三个特征值。应变。的平均值一般取为0.002,对于 非均匀受压的情况,值约为0.0020.006,甚至更高。混凝土受压时的横向应变与纵向应变的关系,即混凝土的泊松比c ,可采用0.2。混凝土的弹性模量规范对弹性模量数值的规定:取棱柱试件,加荷至不超过适 当的应力=0.5/ck为止,重复510次,所得应力应变直线的斜率作为混凝土弹性模量 的试验值。混凝土的受拉变形,由于混凝土抗拉性能弱,对于C15C40强度等级的混凝土,其 极限拉应变可取为(

9、11. 5)×10-4根据试验资料,混凝土受拉时应力应变曲线上切线的 斜率与受压时基本一致(即两者的弹性模量相同) ,当拉应力为Itk时,弹性系数=0.5,所以相应于ftk时的变形模量为0.5Ec。2)混凝土在重复荷载下的变形性能混凝土在重复荷载下的变形性能,即混凝土的疲劳性能。一般将试件承受200万次 (或更多次数)重复荷载时发生破坏的压应力值,称为混凝土的疲劳强度()。疲劳强度 还与对试件所加重复作用应力的变化幅度有关,即按疲劳应力比值()对强度予以修正, 当f0.5时,可不修正;当f<0. 5时,比值愈小则修正得也愈多,即疲劳强度修正系 数愈小。疲劳应力比值为构件作疲劳验

10、算时,截面同一纤维上的混凝土最小应力与最大应力之比(fmin/fmin)。疲劳强度要比棱柱体抗压强度低很多,大体上取为0.5fc。 3)混凝土在荷载长期作用下的变形性能在荷载的长期作用下,即使荷载大小维持不变,混凝土的变形随时间而增长的现象称 为徐变。混凝土徐变的影响因素主要是混凝土中未晶体化的水泥胶凝体。混凝土的徐变对钢筋混凝土构件的内力分布及其受力性能有所影响。如钢筋混凝土柱的徐变,使混凝土的应力减小,使钢筋的应力增加,但最后影响柱的承载力,但徐变对结构也有有利方面,如能缓和应力集中现象、降低温度应力、减少支座不均匀沉降引起的结构内力等。 影响徐变的因素很多,如受力大小、外部环境、内在因素

11、等。试验表明,长期荷载作用应力大小是影响徐变的一个主要因素,当应力0.5fc时,徐变与应力成正比,此时可称之为线性徐变,线性徐变在加荷初期增长很快,至半年徐变大部分完成,一年后趋于稳定。当应力较大时,即当=0.50.8fc时,塑性变形剧增,徐变与应力不成正比,称为非线徐变。当应力>0.8fc时,非线性徐变变形骤然增加,变形是不收敛的,将导致混凝土破坏,应用上取=0.8fc作为混凝土的长期抗压强度。荷载持续作用的时间愈长, 徐变愈大。混凝土凝期愈短,徐变愈大;养护环境湿度愈大、温度愈高,徐变愈小,但在使用期 处于高温、干燥条件下,构件的徐变将增大;构件的尺寸愈大,则徐变愈小;水灰比愈大,徐

12、变愈大,在常用的水灰比(0.40.6)情况下,徐变与水灰比呈线性关系;水泥用量愈多,徐变愈大;此外,水泥品种、骨料的力学性质也影响徐变。 4)混凝土的收缩和膨胀收缩和膨胀是混凝土在结硬过程中本身体积的变形,与荷载无关。结硬初期收缩变形 发展得很快,半个月大约可完成全部收缩的25% ,一个月可完成约50% ,两个月可完成 约75% ,一年左右即渐稳定。在钢筋混凝土构件中,钢筋混凝土收缩受到阻碍,其收缩值较素混凝土小一半,收缩值取为1.5×10-4。通常认为产生收缩变形的主要原因是混凝土结硬过程中,特别是结硬初期,水泥水化 凝结作用引起体积的凝缩,以及混凝土内游离水分蒸发逸散引起的干缩。

13、减少收缩变形的 措施有:增大湿度、高温的养护环境;增大体表比;提高混凝土的密实度;减少水泥用 量、水灰比取小值;避免用强度高的水泥;采用弹性模量高、粒径大的骨料等。 3.粘结(1)粘结力的组成粘结力是指钢筋和混凝土接触接口上沿钢筋纵向的抗剪能力,即分布在界面上的纵向剪应力。钢筋与混凝土的粘结作用:混凝土凝结时,水泥胶的化学作用,使钢筋和混凝土在接触面上产生的胶结力;由于混凝土凝结时收缩,握裹住钢筋,在发生相互滑动时 产生的摩阻力;钢筋表面粗糙不平或变形钢筋凸起的肋纹与混凝土的咬合力。 (2)粘结力的破坏机理及影响粘结强度的因素光圆钢筋的粘结破坏,由于光圆钢筋与混凝土之间的粘结力主要由胶结力形成

14、,光圆 钢筋粘结强度低、滑移量大,其破坏形态可认为是钢筋与混凝土相对滑移产生的,或钢筋 从混凝土中被拔出的剪切破坏。变形钢筋的粘结破坏,由于变形钢筋与混凝土之间的粘结力主要是机械咬合力,其大 小往往占粘结力一半以上。根据试验,变形钢筋的粘结强度高出光圆钢筋的23倍。 影响粘结强度的因素:混凝土的质量,如水泥性能好、骨料强度高、配比得当、振 捣密实、养护良好的混凝土对粘结力非常有利;钢筋的形式;钢筋保护层厚度,一般 应取保护层厚度c钢筋的直径d,以防止发生劈裂裂缝;横向钢筋对粘结力起有利影 响,如设置箍筋可将纵向钢筋的抗滑移能力提高25% ;钢筋锚固区有横向压力对粘结力起有利影响;反复荷载对粘结

15、力起不利影响。4.建筑结构功能与可靠度建筑结构必须满足安全性、适用性、耐久性的功能要求。 可靠性,是指结构在规定的时间内,在规定的条件下,完成预定功能的能力。 可靠度,是指结构在规定的时间内,在规定的条件下,完成预定功能的概率。所以, 结构可靠度是结构可靠性的一种定量描述(概率度量)。所谓规定的时间,是指设计时所规定的设计使用年限,具体的设计使用年限应按现行 国家标准建筑结构可靠度设计统一标准确定。所谓规定的条件,是指结构正常的设 计、施工、使用和维护条件,不考虑人为的过失。预定的功能是指强度、刚度、稳定性、 抗裂性、耐久性能等。5.基本计算原则规范遵照国家标准建筑结构可靠度设计统一标准) (

16、以下简称标准) )所确定 的原则,对建筑物和构筑物进行结构设计时,采用以概率理论为基础的极限状态设计法, 以可靠指针度量结构构件的可靠度,并采用分项系数的设计表达式。(1)结构的极限状态若整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求, 则这个特定状态就称为该功能的极限状态,其可分为两类:承载能力极限状态和正常使用 极限状态。承载能力极限状态,其对应于结构或结构构件达到最大承载力,或不适于继续承载的靠指标,称为可靠指标月,该指标的确定还涉及使用经验、经济性问题。目前,我国对 结构构件承载能力极限状态设计时使用的目标可靠指针标值见表14-1-1。 结构构件承载能力极限状态

17、设计时使用的目标可靠指标值表14-1-1破坏类型安全等级一级二级三级延性破坏3. 73. 22. 7脆性破坏4. 23. 73. 2(5)建筑结构的安全等级根据建筑结构破坏可能产生的后果的严重性,我国将建筑结构划分为三个安全等级: 一级,破坏后果很严重,重要的工业与民用建筑物; 二级,破坏后果严重,一般的工业与民用建筑物; 三级,破坏后果不严重,次要的建筑物。对有特殊要求的建筑物,其安全等级应根据具体情况而确定。设计时应针对建筑物的 重要性选用安全等级。(6)承载能力极限状态设计表达式对于承载力极限状态,应考虑荷载效应的基本组合,必须时尚应考虑承荷载效应的偶 然组合,当按基本组合进行构件的强度

18、设计时,其表达式为:式中0结构重要性系数;当安全等级为一级或设计使用年限为100年及以上的结构 构件,不应小于1. 1;当安全等级为二级或设计使用年限为50年的结构构 件,不应小于1. 0;当安全等级为三级或设计使用年限为5年的结构构件, 不应小于0.9在抗震设计中,不考虑结构构件的重要性系数; G永久荷载分项系数:对由可变荷载效应控制的组合,一般取1. 2;对由永久 荷载效应控制的组合,一般取1. 35;当其效应对结构有利时取1. 0;Ql , Qi第1个和第i个可变荷载分项系数,一般取1. 4;当其效应对结构有利时取为0;SGk永久荷载标准值的效应; SQlk在基本组合中起控制作用的一个可变荷载标准值的效应; SQik第i个可变荷载标准值的效应;Ci第i个可变荷载的组合值系数,其值不应大于1 ;R(·) 结构构件的抗力函数r在抗震设计时,