钢筋混凝土结构

1、总则一、结构极限状态设计原理一、结构极限状态设计原理1、结构功能要求：、结构功能要求： 安全性、适用性、耐久性 三个功能要求同时满足，称结构是“可靠”的或“有效”的。反之，则结构为“不可靠”或“失效”。区分结构“可靠”与“失效”的临界工作状态称为“极限状态”。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指定的要求，该状态称为该功能的极限状态。 钢筋混凝土简支梁的可靠、失效和极限状态概念 结构的功能 可靠 极限状态 失效 安全性 受弯承载力 M Mu 适用性 挠度变形 f f 耐久性 裂缝宽度 wmax wmax 2、承载力极限状态计算、承载力极限状态计算0 S R式中 S 内力组合设计

2、值0 结构构件的重要性系数， 对一、二、三级分别取1.1, 1.0, 0.9 R 结构构件的承载力设计值R = R( ) = R(fc , fs , k , ) 内力组合设计值基本组合：niiciQiQiQcQcGcS2kk1Q11QkGG式中 G 永久荷载分项系数。有利时取1.0， 不利时取1.2Gk 永久荷载标准值。由数理统计分析按一定保证率确定的值，可根据荷载规范取值。一般情况取Q =1.4，当楼面活荷载标准值大于4kN/m2，取 Q =1.3Qik 活荷载标准值。 cG, cQ1, cQi, 永久荷载及活荷载的作用效应系数ci 第i个可变荷载的组合系数无风 1.0有风 0.6Qi 活荷

3、载分项系数。由数理统计分析按一定保证率确定的值。(95%保证率) 结构或构件超过正常使用极限状态时所造成的财产和生命损失要小于超过承载力极限状态的后果，故其可靠度指标要低一些。在荷载效应及结构抗力计算中均 。采用标准值采用标准值 结构或构件在持荷作用下，其裂缝和变形会随时间的推移而发展，因此讨论其荷载组合时应考虑 和 的组合。短期效应短期效应长期效应长期效应3 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 变形及裂缝宽度的验算 变形验算式中 f 受弯构件按荷载短期效应组合并考虑长期效应组合影响计算的最大挠度。flim 规范允许挠度 f flim 裂缝验算规范按使用阶段对结构构件裂缝的不

4、同要求，将裂缝控制等级分为三级：一级：严格要求不裂，使用阶段不允许出现拉应力。二级：一般要求不裂，使用阶段允许出现拉应力，但应作限制。三级：允许开裂，应验算裂缝宽度wmax wlim 荷载的标准组合 Sk：niiciSSSS2kQQ1kGkk 荷载的准永久组合 Sq：niiqiqSSS1kQGk式中，qi 第i个可变荷载的准永久值系数可变荷载标准值可变荷载的准永久值qi二、几种主要的结构材料1、钢材ABBCDE0.2%0.2有明显流幅的钢筋(热轧钢筋、冷拉钢筋)无明显流幅的钢筋(钢丝、热处理钢筋)强度指标* 明显流幅的钢筋：下屈服点对应的强度作为明显流幅的钢筋：下屈服点对应的强度作为设计强度的

5、依据，因为，钢筋屈服后会产生大设计强度的依据，因为，钢筋屈服后会产生大的塑性变形，钢筋混凝土构件会产生不可恢复的塑性变形，钢筋混凝土构件会产生不可恢复的变形和不可闭合的裂缝，以至不能使用的变形和不可闭合的裂缝，以至不能使用 * 无明显流幅的钢筋：残余应无明显流幅的钢筋：残余应变为变为0.2%时所对应的应力作为时所对应的应力作为条件屈服强度条件屈服强度 变形指标* 伸长率：钢筋拉断后的伸长与原长的比值伸长率：钢筋拉断后的伸长与原长的比值* 冷弯要求：将直径为冷弯要求：将直径为d的钢筋绕直径为的钢筋绕直径为D的钢辊的钢辊弯成一定的角度而不发生断裂弯成一定的角度而不发生断裂 2、混凝土OA 弹性阶段

6、A : 0.3fcAB 弹塑性阶段 : 0.3fc 0.8fc 裂缝稳定阶段BC 裂缝不稳定阶段 : 0.8 fc 1.0 fcCBDEfc00Acu强度指标立方体抗压强度fcu： 可用作混凝土强度等级的划分轴心抗压强度 fc：能较真实反映以受压为主的混凝土结构构件的抗压强度轴心抗拉强度ft ：混凝土的抗拉强度比抗压强度小得多复合应力状态下混凝土强度 双向正应力作用1, 2 (压压) 强度增加1, 2 (拉压) 强度降低1, 2 (拉拉) 强度基本不变 三轴受压：2cc1 . 4 :ffc抗压强度提高工程应用：约束混凝土钢管砼密配螺旋箍筋混凝土的徐变和收缩钢筋混凝土结构一、常用建筑结构 竖向荷

7、载竖向荷载：构件自重、人员及家具活载等：构件自重、人员及家具活载等水平荷载水平荷载：风荷载、地震作用等：风荷载、地震作用等随高度的增加，水平荷载随高度的增加，水平荷载产生的效应快速增加。产生的效应快速增加。常用的结构体系有：常用的结构体系有：1 1、框架结构、框架结构2 2、框架、框架- -剪力墙结构剪力墙结构3 3、剪力墙结构、剪力墙结构4 4、筒体结构、筒体结构1 1、 框架结构框架结构组成组成：横梁和立柱组成：横梁和立柱组成特点特点：平面布局灵活，易：平面布局灵活，易于设置大房间的需要，承于设置大房间的需要，承受竖向荷载很合理。受竖向荷载很合理。但框架的抗侧刚度小，但框架的抗侧刚度小，抵

8、抗水平荷载能力较差。抵抗水平荷载能力较差。应用应用：非地震区，建非地震区，建15152020层，层，地震区，建地震区，建1010层以下。层以下。2 2 剪力墙结构（抗震墙）剪力墙结构（抗震墙）组成组成：由钢筋混凝土的墙体，：由钢筋混凝土的墙体，组成房屋的结构体系。组成房屋的结构体系。特点特点：钢筋混凝土墙体承受：钢筋混凝土墙体承受竖向荷载和水平荷载，有很竖向荷载和水平荷载，有很大的抗侧刚度。大的抗侧刚度。但房屋被剪力墙分割成较小但房屋被剪力墙分割成较小空间，不适用于需大空间的空间，不适用于需大空间的建筑物。建筑物。应用应用：15-5015-50层，用于高层住宅、旅馆、写字楼等。层，用于高层住宅

9、、旅馆、写字楼等。如广州的白云宾馆如广州的白云宾馆(32层，层，106.6m)为剪力墙结构为剪力墙结构3 3、框架框架- -剪力墙结构（框剪结构）剪力墙结构（框剪结构）组成组成：由若干框架和局部：由若干框架和局部剪力墙组成。剪力墙组成。特点特点：竖向荷载主要由框：竖向荷载主要由框架承担，水平荷载主要由架承担，水平荷载主要由剪力墙承担。兼有框架体剪力墙承担。兼有框架体系和剪力墙体系的优点。系和剪力墙体系的优点。应用应用：15153030层的办公楼、层的办公楼、公寓、旅馆等。公寓、旅馆等。北京东华金座项目，位于北京市宣武区牛街，由华尔森集团开发建设，总建筑面积约10万平方米，建筑高度73.84米，

10、地上20层、地下3层。东华金座集商业、娱乐、居住功能为一体，地下室为人防工程及车库，裙房12层为商场、餐厅，裙房3层为会所。4层以上主体建筑分为三部分：18层的北楼为住宅，20层的东西塔楼为酒店式公寓。结构形式为框架剪力墙结构。 4 4 筒体结构筒体结构组成组成：由钢筋混凝土墙或：由钢筋混凝土墙或框架柱（框筒）组成。框架柱（框筒）组成。特点特点：将剪力墙集中到房：将剪力墙集中到房屋内部或外围，形成空间屋内部或外围，形成空间封闭筒体，使结构既有极封闭筒体，使结构既有极大的抗侧刚度，同时又能大的抗侧刚度，同时又能获得较大的空间。获得较大的空间。应用应用：一般用于：一般用于4545层左右层左右甚至更

11、高的建筑。甚至更高的建筑。美国西尔斯大厦。位于芝加哥市。由9个22.9米见方的正方形组成。大厦平面随层数增加而分段收缩，在51层以上切去两个对角正方形，67层以上切去另外两个对角正方形，91层以上又切去三个正方形，只剩下两个正方形到顶。希尔斯大厦在1974年落成时曾一度是世界上最高的大楼，它保持了世界上最高建筑物的纪录25年。整幢大厦被当作一个悬挑的束筒空间结构，离地面越远剪力越小，大厦顶部由风压引起的振动也明显减轻。顶部设计风压为305千克力米2，设计允许位移（振动时允许产生的振幅）为建筑总高度的1/500，即900毫米，建成后最大风速时实测位移为460毫米。 二、钢筋混凝土受拉构件正截面承

12、载力bhAsAAs/A3%时，A=bhllNtNtNttAs ssyuAfN fy300N/m21、轴心受拉构件（1）小偏拉）小偏拉2、偏心受拉构件sssyuaahAfeN（2）计算公式）计算公式sssyuaahAfeN（2）大偏拉）大偏拉计算公式计算公式bxfAfAfNNc1sysyus0sy0c1u)2(ahAfxhbxfeNNe0c1sysyubhfAfAfNNs0sy20sc1uahAfbhfeNNe适用条件适用条件0bhxs2ax三、钢筋混凝土受弯构件正截面承载力三、钢筋混凝土受弯构件正截面承载力1、基本假定、基本假定截面应变保持平面不考虑混凝土的抗拉强度钢筋和混凝土的应力-应变关系

13、sss=Essysufyu0ocfccncccf01122),50(6012nnfncu时，取当002. 0002. 010505 . 0002. 00050时，取cuf0033. 00033. 010500033. 05uucuuf时，取cccccEf时，可取当应力较小时，如3 . 02、单筋矩形截面、单筋矩形截面（1）计算简图1100()()22cysucysf bxf AxxMMf bx hf Ah1022101000(10.5 ) (10.5 )cysucscysyssf bhf AMMf bhf bhf A hf Ah(2)基本公式(3)适用条件bhAsminb3、双筋矩形截面、双筋

14、矩形截面(1)计算简图1100()()2cysysucyssf bxf Af AxMMf bx hf Aha（2）基本公式（3）适用条件0 bbxh或2sxa 双筋截面一般不会出现少筋破坏情况，故可不必验算最小配筋率。（1） 两类T形截面梁的判别fhxfhxfhx第一类T形截面第二类 T 形截面界限情况10()2fcffhMf b hh 第二类第二类T形截面形截面第一类第一类T形截面形截面截面设计截面设计截面校核截面校核1yscfff Af b h 1yscfff Af b h 10()2fcffhMf b hh 第二类第二类T形截面形截面第一类第一类T形截面形截面4、T形截面形截面(2) 第

15、一类第一类T形截面梁的基本公式及适用条件形截面梁的基本公式及适用条件1100()()22cfysucfysf b xf AxxMMf b x hf A h1022101000(10.5 ) (10.5 )cfysucfscfysyssf bhf AMMf b hf b hf A hf Ah 为防止发生超筋破坏，相对受压区高度应满足为防止发生超筋破坏，相对受压区高度应满足 。对第一类。对第一类T 形截面，该适用条件一般能满足，可不验算。形截面，该适用条件一般能满足，可不验算。 为防止发生少筋破坏，受拉钢筋面积应满足为防止发生少筋破坏，受拉钢筋面积应满足 。bmin0sAbh（3） 第二类第二类T

16、形截面梁的基本公式及适用条件形截面梁的基本公式及适用条件111010()()()()22ccffysfuccfff bxf bb hf AhxMMf bx hf bb hh10121010()()()2ccffysucscfff bhf bb hf AhMMf bhf bb hh 为防止超筋脆性破坏，相对受压区高度应满足为防止超筋脆性破坏，相对受压区高度应满足 。 为为防止少筋脆性破坏，截面配筋面积应满足：防止少筋脆性破坏，截面配筋面积应满足： 。对于对于 第二类第二类T T形截面，该条件一般能满足，形截面，该条件一般能满足，可不验算可不验算。bmin0sAbh斜拉破坏斜拉破坏剪压破坏剪压破坏

17、斜压破坏斜压破坏当剪跨比较大当剪跨比较大(3)时，或箍筋配时，或箍筋配置不足时出现。特点是斜裂缝一置不足时出现。特点是斜裂缝一出现梁即破坏。出现梁即破坏。当剪跨比较小当剪跨比较小(1)时，或箍筋配时，或箍筋配置过多时易出现。此破坏系由梁置过多时易出现。此破坏系由梁中主压应力所致。中主压应力所致。当剪跨比一般当剪跨比一般(13)时，箍筋配时，箍筋配置适中时出现。此破坏系由梁中剪置适中时出现。此破坏系由梁中剪压区压应力和剪应力联合作用所致压区压应力和剪应力联合作用所致1、梁斜截面剪切破坏形态、梁斜截面剪切破坏形态四、钢筋混凝土受弯构件斜截面承载力四、钢筋混凝土受弯构件斜截面承载力2、影响斜截面受剪

18、承载力的主要因素 剪跨比 混凝土强度 纵向钢筋配筋率 配箍率和箍筋强度3、基本计算公式sin8 . 000sbysvyvtuAfhsAfbhfV矩形、T形、I形截面的一般受弯构件sin8 . 00 . 175. 100sbysvyvtuAfhsAfbhfV集中荷载下或集中荷载引起的支座边缘的剪力占总剪力75%以上的独立梁sin8 . 025. 17 . 000sbysvyvtuAfhsAfbhfV上限值上限值最小截面尺寸最小截面尺寸 当 4.0时，属于一般的梁，应满足 bhw0cc25.0bhfV当 6.0时，属于薄腹梁，应满足 bhw0cc2.0bhfV当4.0 6.0时，属于薄腹梁，应满足

19、 bhw0cc)14(025. 0bhfbhVw4、 公式的适用范围下限值下限值箍筋最小含量箍筋最小含量 yvt1svminv,s24.0ffbsnA 为了避免发生斜拉破坏，规范规定，配箍率应大于最小配箍率，箍筋最小配筋率为 1、轴心受压柱轴心受压柱 （1）普通箍筋柱与螺旋箍筋柱）普通箍筋柱与螺旋箍筋柱实际工程结构中，一般把承受轴向压力的钢筋混凝土柱按照实际工程结构中，一般把承受轴向压力的钢筋混凝土柱按照箍筋的作用及配置方式分为两种：箍筋的作用及配置方式分为两种：l 普通箍筋柱（普通箍筋柱（Tied Columns） 配有纵向钢筋和普通箍筋的柱配有纵向钢筋和普通箍筋的柱l 螺旋箍筋柱（螺旋箍筋

20、柱（Spiral Columns） 配有纵向钢筋和螺旋箍筋的柱配有纵向钢筋和螺旋箍筋的柱 纵筋的作用：纵筋的作用：l 提高承载力，减小截面尺寸提高承载力，减小截面尺寸l 提高混凝土的变形能力提高混凝土的变形能力l 抵抗构件的偶然偏心抵抗构件的偶然偏心l 减小混凝土的收缩与徐减小混凝土的收缩与徐 五、钢筋混凝土受压构件承载力五、钢筋混凝土受压构件承载力（2）普通箍筋柱受压承载力的计算）普通箍筋柱受压承载力的计算 计算简图计算简图)(9 . 0sycuAfAfNNfcfyAsNfyAsAs 计算公式计算公式 核心区混凝土三轴受压状态的产生核心区混凝土三轴受压状态的产生(3) 轴心受压螺旋式箍筋柱正

21、截面承载力计算轴心受压螺旋式箍筋柱正截面承载力计算fyAss1 Sdcor fyAss1Succoryss0ys0.9(2)NNf Af Af A 螺旋式或焊接环式间接钢筋柱的承载力计算公式螺旋式或焊接环式间接钢筋柱的承载力计算公式混凝土结构设计规范混凝土结构设计规范有关螺旋箍的规定：有关螺旋箍的规定：螺旋箍筋计算的承载力不应大于按普通箍筋柱受压承载力的螺旋箍筋计算的承载力不应大于按普通箍筋柱受压承载力的 50%。对长细比对长细比l0/d大于大于12的柱不考虑螺旋箍筋的约束作用。的柱不考虑螺旋箍筋的约束作用。螺旋箍筋的换算面积螺旋箍筋的换算面积Ass0不得小于全部纵筋不得小于全部纵筋As 面积

22、的面积的25%螺旋箍筋的间距螺旋箍筋的间距s不应大于不应大于80mm 及及dcor/5，也不应小于，也不应小于40mm。（1 1）破坏形态）破坏形态 拉压破坏（大偏心受压破坏拉压破坏（大偏心受压破坏）发生条件：相对偏心距较大，发生条件：相对偏心距较大，受拉纵筋不过多时。受拉纵筋不过多时。 2、偏心受压构件 受压破坏（小偏心受压破坏）受压破坏（小偏心受压破坏） 发生条件：相对偏心距较大，发生条件：相对偏心距较大， 但受拉纵筋但受拉纵筋 数量过多；数量过多； 或相对偏心距或相对偏心距 较小时。较小时。（2 2）两类偏心受压破坏的界限）两类偏心受压破坏的界限根本区别：根本区别：破坏时受拉纵筋是否屈服

23、。破坏时受拉纵筋是否屈服。sAcu界限状态：界限状态：受拉纵筋受拉纵筋 屈服，同时受压区边缘混凝土达到极限压应变屈服，同时受压区边缘混凝土达到极限压应变界限破坏特征与适筋梁、与超筋梁的界限破坏特征完全相同，因此，界限破坏特征与适筋梁、与超筋梁的界限破坏特征完全相同，因此， 的表达式与受弯构件的完全一样。的表达式与受弯构件的完全一样。b大、小偏心受压构件大、小偏心受压构件判别条件判别条件： 界限状态时截面应变bb当时，为当时，为 大大 偏心受压；偏心受压；当时，为当时，为 小小 偏心受压。偏心受压。sA （3)3)附加偏心距、初始偏心距附加偏心距、初始偏心距aeie可能产生附加偏心距可能产生附加

24、偏心距 的原因：的原因：ae 荷载作用位置的不定性；荷载作用位置的不定性；混凝土质量的不均匀性；混凝土质量的不均匀性；施工的偏差等因素施工的偏差等因素 。规范规范规定：两类偏心受压构件的正截面承载力计算中，规定：两类偏心受压构件的正截面承载力计算中，均应计入轴向压力在偏心方向存在的附加偏心距。均应计入轴向压力在偏心方向存在的附加偏心距。初始偏心距：初始偏心距：a0eeei取大值30mm20h(4)(4)构件截面承载力计算中二阶效应的考虑构件截面承载力计算中二阶效应的考虑 考虑二阶效应的法考虑二阶效应的法0lie 用增大偏心距的方法考虑由于纵向弯曲所产生的附加弯矩，增大后用增大偏心距的方法考虑由

25、于纵向弯曲所产生的附加弯矩，增大后的偏心距为称为；称为偏心距增大系数，对矩形、的偏心距为称为；称为偏心距增大系数，对矩形、T形、形、I形、环形、环形和圆形截面偏心受压构件，按下式计算：形和圆形截面偏心受压构件，按下式计算：(5) (5) 基本计算公式及适用条件基本计算公式及适用条件 大偏心受压构件大偏心受压构件1）应力图形）应力图形（2）基本公式）基本公式sysy0c1uAfAfbhfNNs0sy20sc1uahAfbhfeNNe（3）适用条件）适用条件0bhxb或s2ax0s2ha或 矩形截面非对称配筋大偏心受压构件截面应力计算图形矩形截面非对称配筋大偏心受压构件截面应力计算图形 截面应变分

26、布截面应变分布 小偏心受压构件：小偏心受压构件：1 1）应力图形）应力图形ieahes2ieahes2 矩形截面非对称配筋小偏心受压构件截面应力计算图形矩形截面非对称配筋小偏心受压构件截面应力计算图形2）基本公式）基本公式s0sy0c1u)2(ahAfxhbxfeNNe)()2(s0sssc1uahAaxbxfeNeNsA0hxsssy0c1uAAfbhfNN)()21 (s0sy20c1uahAfbhfeNNe)()2(s0ss0s20c1uahAhabhfeNeNs可近似按下式计算：可近似按下式计算：yyy1b1s fff为正为正：表示受拉；表示受拉；ssA为负：为负：表示受压。表示受压。

27、3）适用条件：）适用条件：b将将代入：代入：s六、预应力混凝土结构六、预应力混凝土结构1 一般概念 预应力混凝土（prestressed concrete）是在混凝土构件承受外荷载之前，对其受拉区预先施加压应力。这种预压应力可以部分或全部抵消外荷载产生的拉应力，因而可减少甚至避免裂缝的出现。kpN(a)p或pN(b)(c)或(d)施加预应力的方法 通常通过机械张拉钢筋给混凝土施加预应力。按照施工工艺的不同，可分为先张法先张法和后张法后张法两种。2预应力混凝土的材料 钢筋 预应力混凝土结构中的钢筋包括预应力钢筋（prestressing tendon）和非预应力钢筋（ordinary steel

28、 bar）。 非预应力钢筋采用HRB400级和HRB335级钢筋，也可采用RRB400级钢筋。由于通过张拉预应力钢筋给混凝土施加预压应力，因此预应力钢筋首先必须具有很高的强度，才能有效提高构件的抗裂能力。规范规定，预应力钢筋采用预应力钢绞线、消除应力钢丝及热处理钢筋。 混凝土 规范规定，预应力混凝土结构（prestressed concrete structure）的混凝土强度等级低于C30；当采用钢绞线、钢丝、热处理钢筋作预应力钢筋时，混凝土强度等级低于C40。 3 张拉控制应力 张拉控制应力，是指张拉预应力钢筋时，张拉设备的测力仪表所指示的总张拉力除以预应力钢筋截面面积得出的拉应力值。钢筋

29、种类张拉方法先张法后张法消除应力钢丝、钢绞线0.75 0.75热处理钢筋0.70.65 混凝土规范规定预应力钢筋的张拉控制应力值超过下表规定的张拉控制应力限值，且小于0.4 fptk 。张拉控制应力限值4 预应力损失（5）混凝土收缩和徐变引起的预应力损失）混凝土收缩和徐变引起的预应力损失 （1）张拉端锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失）张拉端锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失 预应力损失共有以下六种：预应力损失共有以下六种：（2）预应力钢筋与孔道的摩擦引起的预应力损失）预应力钢筋与孔道的摩擦引起的预应力损失 （3）混凝土加热养护时，预应力钢筋与台座间温差引起的预应力损失）混凝土加热养护时，预应力钢筋与台座间温差引起的预应力损失 （4）预应力钢筋应力松驰引起的预应力损失）预应力钢筋应力松驰引起的预应力损失 （6）环形构件采用螺旋预应力筋时局部挤压引起的预应力损失）环形构件采用螺旋预应力筋时局部挤压引起的预应力损失 5 预应力混凝土轴心受拉构件upypysNfAf A 6 预应力混凝土受弯构件u1c0ys0sp0pyp0p1cysyspypp0pyp()()()()2()xMMf bx hf A hafA haf bxf Af AfAfA b0 2xhxa 正截面：斜截面：cspysbspypbpPP0 p0p0pp0p5s5s0.8sin0.8sin 0.0