混凝土结构设计原理-同济大学

混凝土结构上册混凝土土结构设计原原理第一章绪论论以混凝土材料料为主的结构构均可称为混凝土结构。包括钢筋混凝凝土结构、预预应力混凝土土结构和素混混凝土结构等等。1.1混凝土结构的的一般概念1.1.1混凝土结构的的定义与分类类第一章绪绪论1.1混凝土结构一一般概念和特特点1.1.2钢筋与混凝土土共同工作的的条件：钢筋和混凝土土两种材料的的物理力学性性能很不相同同，他们可以以结合在一起起共同工作，，是因为：⑴钢筋和混凝凝土之间存在在有良好的粘粘结力，在荷荷载作用下，，可以保证两两种材料协调调变形，共同同受力；⑵钢筋与混凝凝土具有基本本相同的温度度线膨胀系数数（钢材为1.2×10-5，混凝土为(1.0~1.5)×10-5），因此当温度变变化时，两种种材料不会产产生过大的变变形差而导致致两者间的粘粘结力破坏。。第一章绪绪论1.1混凝土结构一一般概念和特特点1.1.3混凝土结构的的优缺点：优点⑴材料利用用合理：钢筋筋和混凝土的的材料强度可可以得到充分分发挥，结构构承载力与刚刚度比例合适适，基本无局局部稳定问题题，单位应力力价格低，对对于一般工程程结构，经济济指标优于钢钢结构。⑵可模性好好：混凝土可可根据需要浇浇筑成各种性性质和尺寸，，适用于各种种形状复杂的的结构，如空空间薄壳、箱箱形结构等。。⑶耐久性和和耐火性较好好，维护费用用低：钢筋有有混凝土的保保护层，不易易产生锈蚀，，而混凝土的的强度随时间间而增长；混混凝土是不良良热导体，30mm厚混凝土保护护层可耐火2小时，使钢筋不致致因升温过快快而丧失强度度。第一章绪绪论1.1混凝土结构一一般概念和特特点⑷现浇混凝凝土结构的整整体性好，且且通过合适的配筋，可获得较好好的延性，适适用于抗震、、抗爆结构；；同时防振性性和防辐射性性能较好，适适用于防护结结构。⑸刚度大、、阻尼大，有有利于结构的的变形控制。。⑹易于就地地取材：混凝凝土所用的大大量砂、石，，易于就地取取材，近年来来，已有利用用工业废料来来制造人工骨骨料，或作为为水泥的外加加成分，改善善混凝土的性性能。第一章绪绪论1.1混凝土结构一一般概念和特特点缺点：⑴自重大：：不适用于大大跨、高层结结构。第一章绪绪论1.1混凝土结构一一般概念和特特点⑵抗裂性差差：普通RC结构，在正常常使用阶段往往往带裂缝工工作，环境较较差(露天、沿海、、化学侵蚀)时会影响耐久久性；也限制制了普通RC用于大跨结构构，高强钢筋筋无法应用。。⑶承载力有有限：在重载载结构和高层层建筑底部结结构，构件尺尺寸太大，减减小使用空间间。⑷施施工复复杂，，工序序多（（支模模、绑绑钢筋筋、浇浇筑、、养护护），，工期期长，，施工工受季季节、、天气气的影影响较较大。。⑸混混凝土土结构构一旦旦破坏坏，其其修复复、加加固、、补强强比较较困难难。1.2混凝土土结构构的发发展与与应用用概况况1824年英国国人阿阿斯普普丁(J.Aspdin)发明硅硅酸盐盐水泥泥。1849年法国国人朗朗波(L.Lambot)制造了了第一一只钢钢筋混混凝土土小船船。1872年在纽纽约建建造第第一所所钢筋筋混凝凝土房房屋。。混凝土土结构构的开开始应应用于于土木木工程程距今今仅150多年。。与砖石石结构构、钢钢木结结构相相比，，混凝凝土结结构的的历史史并不不长，，但发发展非非常迅迅速，，是目目前土土木工工程结结构中中应用用最为为广泛泛结构构，而而且高性能能混凝凝土和新型混混凝土土结构构形式还还在不不断发发展。。第一章章绪绪论论1.2混凝土土结构构的发发展简简况及及其应应用第一阶阶段：：从钢筋筋混凝凝土的的发明明至上上世纪纪初。。钢筋和和混凝凝土的的强度度都比比较低低。主要用用于建建造中中小型型楼板板、梁梁、柱柱、拱拱和基基础等等构件件。计算理理论：：结构内内力和和构件件截面面计算算均套套用弹弹性理理论，，采用用容许许应力力设计计方法法。第一章章绪绪论论1.2混凝土土结构构的发发展简简况及及其应应用混凝土土结构构的发发展第一章章绪绪论论1.2混凝土土结构构的发发展简简况及及其应应用第二阶阶段：：从上世世纪20年代到到第二二次世世界大大战前前后。。混凝土土和钢钢筋强强度的的不断断提高高。1928年法国国杰出出的土土木工工程师师E.Freyssnet发明了了预应应力混混凝土土，使使得混混凝土土结构构可以以用来来建造造大跨跨度计算理理论：：前苏联联著名名的混混凝土土结构构专家家格沃沃兹捷捷夫（（Α.ΑΑ.ГГвоозддевв）开始考考虑混混凝土土塑性性性能能的破破损阶阶段设设计法法，50年代又又提出出更为为合理理的极极限状状态设设计法法，奠奠定了了现代代钢筋筋混凝凝土结结构的的基本本计算算理论论。第一章章绪绪论论1.2混凝土土结构构的发发展简简况及及其应应用第三阶阶段：：二战以以后到到现在在随着建建设速速度加加快，，对材材料性性能和和施工工技术术提出出更高高要求求，出出现装装配式式钢筋筋混凝凝土结结构、、泵送送商品品混凝凝土等等工业业化生生产技技术。。高强混混凝土土和高高强钢钢筋的的发展展、计计算机机的采采用和和先进进施工工机械械设备备的发发明，，建造造了一一大批批超高高层建建筑、、大跨跨度桥桥梁、、特长长跨海海隧道道、高高耸结结构等等大型型工程程，成成为现现代土土木工工程的的标志志。设计计计算理理论：：发展了了以概概率理理论为为基础础的极极限状状态设设计法法，基基础理理论问问题大大都得得到解解决，，而新新型混混凝土土材料料及其其复合合结构构形式式的出出现又又不断断提出出新的的课题题，并并不断断促进进混凝凝土结结构的的发展展。1、加强强实验验、实实践性性教学学环节节并注注意扩扩大知知识面面。混凝土土结构构的基基本理理论相相当于于钢筋筋混凝凝土及及预应应力混混凝土土的材材料力力学，，它是是以实实验为为基础础的，，因此此除了了课堂堂学习习以外外，还还要加加强实实验的的教学学环节节，以以进一一步理理解学学习内内容和和训练练实验验的基基本技技能。。第一章章绪绪论论1.3混凝土土结构构课程程学习习中应应注意意的问问题1.3混凝土土结构构课程程学习习中应应注意意的问问题第一章章绪绪论论1.3混凝土土结构构课程程学习习中应应注意意的问问题2、突出出重点点并注注意难难点的的学习习。本本课程程的内内容多多、符符号多多、计计算公公式多多、构构造规规定也也多，，学习习时要要遵循循教学学大纲纲的要要求，，贯彻彻“少少而精精”的的原则则，突突出重重点内内容的的学习习。3、深刻刻理解解重要要的概概念，，熟练练掌握握设计计计算算的基基本功功，切切记死死记硬硬背。。要求求熟练练掌握握、深深刻理理解一一些重重要的的概念念并在在今后后的学学习中中不断断的深深入理理解。。第二章章混混凝土土结构构材料料的物物理力学性性能第二章章钢钢筋筋和混混凝土土的材材料性性能2.1混凝土土的物物理力力学性性能2.1混凝土土的物物理力力学性性能2.1.1混凝土土的组组成结结构通常把把混凝凝土的的结构构分为为三种种类型型：Ａ.微观结结构：：也即水水泥石石结构构，包包括水水泥凝凝胶、、晶体体骨架架、未未水化化完的的水泥泥颗粒粒和凝凝胶孔孔组成成。Ｂ.亚微观观结构构：即混凝凝土中中的水水泥砂砂浆结结构。。Ｃ.宏观结结构：：即砂浆浆和粗粗骨料料两组组分体体系。。注意：：1.骨料的的分布布及骨骨料与与基相相之间间在界界面的的结合合强度度是影影响混混凝土土强度度的重重要因因素；；2.在荷载载的作作用下下，微微裂缝缝的扩扩展对对混凝凝土的的力学学性能能有着着极为为重要要的影影响。。第二章章钢钢筋筋和混混凝土土的材材料性性能2.1混凝土土2.1.2单轴应应力状状态下下的混混凝土土强度度混凝土土结构构中，，主要是是利用用它的的抗压强强度。因此此抗压压强度度是混混凝土土力学学性能能中最最主要要和最最基本本的指指标。。混凝土土的强强度等等级是是用抗抗压强强度来来划分分的2.1混凝土土的物物理力力学性性能（1）单向受力状态下混凝土的强度

1）立方体抗压强度：边长为150mm的混凝土立方体试件，在标准条件下（温度为20±3℃，湿度≥90%）养护28天，用标准试验方法（加载速度0.15~0.3N/mm2/s，两端不涂润滑剂）测得的具有95%保证率的抗压强度，用符号C表示。

《规范》根据强度范围，从C15~C80共划分为14个强度等级，级差为5N/mm2。2）轴心心抗压压强度度按标准准方法法制作作的150mm×l50mm×300mm的棱柱柱体试试件，，在温温度为为20土3℃和相对对湿度度为90％以上上的条条件下下养护护28d，用标准准试验验方法法测得得的具具有95％保证证率的的抗压压强度度。。对于于同一一混凝凝土，，棱柱体体抗压压强度度小于于立方方体抗抗压强强度。考虑到到实际际结构构构件件制作作、养养护和和受力力情况况，实实际构构件强强度与与试件件强度度之间间存在在差异异，《规范》基于安安全取取偏低低值，，规定定轴心心抗压压强度度标准准值和和立方方体抗抗压强强度标标准值值的换换算关关系为为：2.1混凝土土的物物理力力学性性能式中：：k１为棱柱柱体强强度与与立方方体强强度之之比，，对不不大于于C50级的混混凝土土取0.76，对C80取0.82，其间按按线性性插值值。k2为高强强混凝凝土的的脆性性折减减系数数，对对C40取1.0，对C80取0.87，中间间按直直线规规律变变化取取值。。0.88为考虑虑实际际构件件与试试件混混凝土土强度度之间间的差差异而而取用用的折折减系系数。。fcu,k立方体体强度度标准准值即即为混混凝土土强度度等级级fcu。2.1混凝土的物理力学性能3）轴心心抗拉拉强度度混凝土土的轴轴心抗抗拉强强度可可以采采用直直接轴轴心受受拉的的试验验方法法来测测定，，但由由于试试验比比较困困难，，目前前国内内外主主要采采用圆圆柱体体或立立方体体的劈劈裂试试验来来间接接测试试混凝凝土的的轴心心抗拉拉强度度。2.1混凝土的物理力学性能劈拉试验FaF拉压压第二章钢钢筋筋和混凝凝土的材材料性能能2.1混凝土的的物理力力学性能能《混凝土结结构设计计规范》规定轴心心抗拉强强度标准准值与立立方体抗抗压强度度标准值值的换算算关系为为：混凝土轴轴心抗拉拉强度与与立方体体抗压强强度的关关系在平面应应力状态态下，当当两方向向应力均均为压应应力时，，抗压强强度相互互提高，，最大可可增加27％，而当当一方向向为压应应力，另另一方向向为拉应应力时，，强度相相互降低低。当压应力力不太高高时，其其存在可可提高混混凝土的的抗剪强强度，拉拉应力的的存在会会降低混混凝土的的抗剪强强度。剪剪应力的的存在降降低混凝凝土的抗抗压和抗抗拉强度度。侧向压应力的存在可提高混凝土的抗压强度，关系为:

式中——被约束混凝土的轴心抗压强度；——非约束混凝土的轴心抗压强度；——侧向约束压应力。

侧向压应力的存在还可提高混凝土的延性。

（3）复合受受力状态态下混凝凝土的强强度第二章钢钢筋筋和混凝凝土的材材料性能能2.1.3复杂应力力下混凝凝土的受受力性能能◆双轴应力力状态实际结构构中，混混凝土很很少处于于单向受受力状态态。更多多的是处处于双向或三向受力状态态。双向受压压强度大大于单向向受压强强度，最最大受压压强度发发生在两两个压应应力之比比为0.3~0.6之间，约约(1.25~1.60)fc。双轴受压压状态下下混凝土土的应力力-应变关系系与单轴轴受压曲曲线相似似，但峰峰值应变变均超过过单轴受受压时的的峰值应应变。2.1混凝土的的物理力力学性能能第二章钢钢筋筋和混凝凝土的材材料性能能在一轴受受压一轴轴受拉状状态下，，任意应应力比情情况下均均不超过过其相应应单轴强强度。并并且抗压压强度或或抗拉强强度均随随另一方方向拉应应力或压压应力的的增加而而减小。。◆双轴应力力状态2.1混凝土的的物理力力学性能能实际结构构中，混混凝土很很少处于于单向受受力状态态。更多多的是处处于双向或三向受力状态态。2.1.3复杂应力力下混凝凝土的受受力性能能第二章钢钢筋筋和混凝凝土的材材料性能能构件受剪剪或受扭扭时常遇遇到剪应应力t和正应力力s共同作用用下的复复合受力力情况。。混凝土的的抗剪强强度：随随拉应力增大大而减小小随压应力增大大而增大大当压应力力在0.6fc左右时，，抗剪强强度达到到最大，，压应力继继续增大大，则由由于内裂裂缝发展展明显，，抗剪强强度将随随压应力力的增大大而减小小。2.1混凝土的的物理力力学性能能第二章钢钢筋筋和混凝凝土的材材料性能能◆三轴应力力状态三轴应力力状态有有多种组组合，实实际工程程遇到较较多的螺螺旋箍筋筋柱和钢钢管混凝凝土柱中中的混凝凝土为三三向受压压状态。。三向受受压试验验一般采采用圆柱柱体在等等侧压条条件进行行。2.1混凝土的的物理力力学性能能

由试验得到的经验公式为:

式中——被约束混凝土的轴心抗压强度；——非约束混凝土的轴心抗压强度；——侧向约束压应力。

侧向压应力的存在还可提高混凝土的延性。

第二章钢钢筋筋和混凝凝土的材材料性能能2.1混凝土2.1.4混凝土的的变形1、单轴受受压应力力-应变关系系混凝土单单轴受力力时的应应力-应变关系系反映了了混凝土土受力全全过程的的重要力力学特征征,是分析混混凝土构构件应力力、建立立承载力力和变形形计算理理论的必必要依据据，也是是利用计计算机进进行非线线性分析析的基础础。混凝土单单轴受压压应力-应变关系系曲线，，常采用用棱柱体体试件来来测定。。在普普通试验验机上采采用等应力速速度加载，达达到轴心心抗压强强度fc时，试验验机中集集聚的弹弹性应变变能大于于试件所所能吸收收的应变变能，会会导致试试件产生生突然脆脆性破坏坏，只能能测得应应力-应变曲线线的上升段。采用等应变速速度加载，或或在试件件旁附设设高弹性性元件与与试件一一同受压压，以吸吸收试验验机内集集聚的应应变能，，可以测测得应力力-应变曲线线的下降段。2.1混凝土的的物理力力学性能能第二章钢钢筋筋和混凝凝土的材材料性能能2.1混凝土2.1混凝土的的物理力力学性能能02468102030s(MPa)e×10-3第二章钢钢筋筋和混凝凝土的材材料性能能2.2混凝土BACEDA点以前，微裂缝缝没有明明显发展展，混凝凝土的变变形主要要弹性变变形，应应力-应变关系系近似直直线。A点应力随随混凝土土强度的的提高而而增加，，对普通通强度混混凝土sA约为(0.3~0.4)fc，对高强混混凝土sA可达(0.5~0.7)fc。A点以后，由于微微裂缝处处的应力力集中，，裂缝开开始有所所延伸发发展，产产生部分分塑性变变形，应应变增长长开始加加快，应应力-应变曲线线逐渐偏偏离直线线。微裂裂缝的发发展导致致混凝土土的横向向变形增增加。但但该阶段段微裂缝缝的发展展是稳定定的。混凝土在在结硬过过程中，，由于水水泥石的的收缩、、骨料下下沉以及及温度变变化等原原因，在在骨料和和水泥石石的界面面上形成成很多微微裂缝，，成为混混凝土中中的薄弱弱部位。。混凝土土的最终终破坏就就是由于于这些微微裂缝的的发展造造成的。。达到B点，内部部一些微微裂缝相相互连通通，裂缝缝发展已已不稳定定，横向向变形突突然增大大，体积积应变开开始由压压缩转为为增加。。在此应应力的长长期作用用下，裂裂缝会持持续发展展最终导导致破坏坏。取B点的应力力作为混混凝土的的长期抗抗压强度度。普通通强度混混凝土sB约为0.8fc，高强强度度混凝土土sB可达0.95fc以上。达到C点fc，内部微裂裂缝连通通形成破破坏面，，应变增增长速度度明显加加快，C点的纵向向应变值值称为峰峰值应变变e0，约为0.002。纵向应变变发展达达到D点，内部部裂缝在在试件表表面出现现第一条条可见平平行于受受力方向向的纵向向裂缝。。随应变增增长，试试件上相相继出现现多条不不连续的的纵向裂裂缝，横横向变形形急剧发发展，承承载力明明显下降降，混凝凝土骨料料与砂浆浆的粘结结不断遭遭到破，，裂缝连连通形成成斜向破破坏面。。E点的应变变e=(2~3)e0，应力s=(0.4~0.6)fc。2.1混凝土的的物理力力学性能能第二章钢钢筋筋和混凝凝土的材材料性能能2.1混凝土不同强度度混凝土土的应力力-应变关系系曲线强度等级级越高，，线弹性性段越长长，峰值值应变也也有所增增大。但但高强混混凝土中中，砂浆浆与骨料料的粘结结很强，，密实性性好，微微裂缝很很少，最最后的破破坏往往往是骨料料破坏，，破坏时时脆性越越显著，，下降段段越陡。。2.1混凝土的的物理力力学性能能2.1混凝土第二章钢钢筋筋和混凝凝土的材材料性能能◆Hognestad建议的应应力-应变曲线线2.1混凝土的的物理力力学性能能第二章钢钢筋筋和混凝凝土的材材料性能能◆《规范》应力-应变关系系上升段：下降段：2.1混凝土2.1混凝土的的物理力力学性能能第二章钢钢筋筋和混凝凝土的材材料性能能2、混凝土土的变形形模量弹性模量量变形模量量切线模量量2.1混凝土2.1混凝土的的物理力力学性能能第二章钢钢筋筋和混凝凝土的材材料性能能◆弹性模量量测定方方法2.1混凝土2.1混凝土的的物理力力学性能能第二章钢钢筋筋和混凝凝土的材材料性能能2.1混凝土2.1.5混凝土的的收缩和和徐变1、混凝土的的收缩混凝土在在空气中中硬化时时体积会会缩小，，这种现现象称为为混凝土土的收缩缩。收缩是混混凝土在在不受外外力情况况下体积积变化产产生的变变形。当这种自自发的变变形受到到外部（（支座））或内部部（钢筋筋）的约约束时，将使混凝凝土中产产生拉应应力，甚甚至引起起混凝土土的开裂裂。混凝凝土收缩缩会使预预应力混混凝土构构件产生生预应力力损失。。2.1混凝土的的物理力力学性能能第二章钢钢筋筋和混凝凝土的材材料性能能2.1混凝土◆影响因素素混凝土的的收缩受受结构周周围的温温度、湿湿度、构构件断面面形状及及尺寸、、配合比比、骨料料性质、、水泥性性质、混混凝土浇浇筑质量量及养护护条件等等许多因因素有关关。（1）水泥的的品种：：水泥强强度等级级越高，，制成的的混凝土土收缩越越大。（2）水泥的的用量：：水泥用量量多、水水灰比越越大，收收缩越大大。（3）骨料的的性质：：骨料弹性性模量高高、级配配好，收收缩就小小。（4）养护条条件：干燥失水水及高温温环境，，收缩大大。（5）混凝土土制作方方法：混凝土越越密实，，收缩越越小。（6）使用环环境：使用环境境温度、、湿度越越大，收收缩越小小。（7）构件的的体积与与表面积积比值：：比值大时时，收缩缩小。2.1混凝土的的物理力力学性能能第二章钢钢筋筋和混凝凝土的材材料性能能2.1混凝土2、混凝土土的徐变变混凝土在在荷载的的长期作作用下，，其变形形随时间间而不断断增长的的现象称称为徐变变。徐变对混混凝土结结构和构构件的工工作性能能有很大大影响。。由于混混凝土的的徐变，，会使构构件的变变形增加加，在钢钢筋混凝凝土截面面中引起起应力重重分布，，在预应应力混凝凝土结构构中会造造成预应应力的损损失。混凝土的的徐变特特性主要要与时间间参数有有关。2.1混凝土的的物理力力学性能能第二章钢钢筋筋和混凝凝土的材材料性能能2.1混凝土在应力（（≤0.5fc）作用瞬间间，首先先产生瞬瞬时弹性应变变eel（=si/Ec(t0)，t0加荷时的的龄期））。随荷载作作用时间间的延续续，变形形不断增增长，前前4个月徐变变增长较较快，6个月可达达最终徐徐变的（（70~80）%，以后增增长逐渐渐缓慢，，2~3年后趋于于稳定。。2.1混凝土的的物理力力学性能能第二章钢钢筋筋和混凝凝土的材材料性能能2.1混凝土记(t-t0)时间后的的总应变变为ec(t,t0)，此时混凝凝土的收收缩应变变为esh(t，t0)，则徐变为为，ecr(t,t0)=ec(t,t0)-ec(t0)-esh(t,t0)=ec(t,t0)-eel-esh(t,t0)2.1混凝土的的物理力力学性能能第二章钢钢筋筋和混凝凝土的材材料性能能2.1混凝土如在时间间t卸载，则则会产生生瞬时弹性性恢复应应变eel'。由于混凝凝土弹性性模量随随时间增增大，故故弹性恢恢复应变变eel'小于加载载时的瞬瞬时弹性性应变eel。再经过一一段时间间后，还还有一部部分应变变eel''可以恢复复，称为为弹性后效效或徐变恢恢复，但但仍有不不可恢复复的残留留永久应应变ecr'2.1混凝土的的物理力力学性能能第二章钢钢筋和混凝土土的材料性能能2.1混凝土◆影响因素内在因素是混凝土的组组成和配比。。骨料(aggregate)的刚度（弹性性模量）越大大，体积比越越大，徐变就就越小。水灰灰比越小，徐徐变也越小。。环境影响包括养护和使使用条件。受受荷前养护(curing)的温湿度越高高，水泥水化化作用月充分分，徐变就越越小。采用蒸蒸汽养护可使使徐变减少（（20~35）%。受荷后构件件所处的环境境温度越高，，相对湿度越越小，徐变就就越大。2.1混凝土的物理理力学性能第二章钢钢筋和混凝土土的材料性能能2.1混凝土3、混凝土在荷荷载重复作用用下的变形（（疲劳变形））◆疲劳强度混凝土的疲劳劳强度由疲劳劳试验测定。。采用100mm××100mm×300mm或着150mm××150mm×450mm的棱柱体，把把棱柱体试件件承受200万次或其以上上循环荷载而而发生破坏的的压应力值称称为混凝土的疲劳劳抗压强度。◆影响因素施加荷载时的的应力大小是是影响应力-应变曲线不同同的发展和变变化的关键因因素，即混凝凝土的疲劳强强度与重复作作用时应力变变化的幅度有有关。在相同的重复复次数下，疲疲劳强度随着着疲劳应力比比值的增大而而增大。2.1混凝土的物理理力学性能第二章钢钢筋和混凝土土的材料性能能2.1混凝土混凝土在荷载载重复作用下下的

应力-应变关系2.1混凝土的物理理力学性能第二章钢钢筋和混凝土土的材料性能能2.2钢筋的物理力力学性能2.2钢筋的物理力力学性能2.2.1钢筋的品种和和级别热轧钢筋、中中高强钢丝和和钢绞线、热热处理钢筋和和冷加工钢筋筋第二章钢钢筋和混凝土土的材料性能能2.2钢筋的物理力力学性能热轧钢筋的分分类HPB235级、HRB335级、HRB400级、RRB400级屈服强度fyk（标准值=钢材废品限值值，保证率97.73%）HPB235级：fyk=235N/mm2HRB335级：fyk=335N/mm2HRB400级、RRB400级：fyk=400N/mm2第二章钢钢筋和混凝土土的材料性能能HPB235级(Ⅰ级)钢筋多为光面钢筋筋，多作为现浇楼楼板的受力钢钢筋和箍筋。。HRB335级(Ⅱ级)和HRB400级(Ⅲ级)钢筋强度较高，多多作为钢筋混凝凝土构件的受受力钢筋，尺尺寸较大的构构件，也有用用Ⅱ级钢筋作箍筋筋以增强与混凝土土的粘结，外形制作成月月牙肋或等高高肋的变形钢钢筋。RRB400级(Ⅳ级)钢筋强度太高，不适宜作为钢钢筋混凝土构构件中的配筋筋，一般冷拉后作作预应力筋。。延伸率d5=25、16、14、10%，直径8~40。2.2钢筋的物理力力学性能第二章钢钢筋和混凝土土的材料性能能钢丝，中强钢丝的强强度为800~1200MPa，高强钢丝、钢钢绞线的为1470~1860MPa；延伸率d10=6%，d100=3.5~4%；钢丝的直径3~9mm；外形有光面、、刻痕和螺旋旋肋三种，另另有二股、三三股和七股钢钢绞线，外接接圆直径9.5~15.2mm。中高强钢丝和和钢绞线均用用于预应力混混凝土结构。。冷加工钢筋是由热轧钢筋筋和盘条经冷冷拉、冷拔、、冷轧、冷扭扭加工后而成成。冷加工的的目的是为了了提高钢筋的的强度，节约约钢材。但经冷加工后后，钢筋的延延伸率降低。。近年来，冷加加工钢筋的品品种很多，应应根据专门规规程使用。热处理钢筋是将Ⅳ级钢筋通过加加热、淬火和和回火等调质质工艺处理，，使强度得到到较大幅度的的提高，而延延伸率降低不不多。用于预预应力混凝土土结构。2.2钢筋的物理力力学性能se第二章钢钢筋和混凝土土的材料性能能2.2.2钢筋的强度与与变形◆有明显屈服点点的钢筋a’abcdefua´为比例极限oa为弹性阶段de为强化阶段b为屈服上限c为屈服下限，即屈服强度fycd为屈服台阶e为极限抗拉强度fu

fyfef为颈缩阶段2.2钢筋的物理力力学性能第二章钢钢筋和混凝土土的材料性能能几个指标：屈服强度：是钢筋强度的的设计依据，因为钢筋屈屈服后将发生生很大的塑性性变形，且卸卸载时这部分分变形不可恢复，这会使钢筋筋混凝土构件件产生很大的的变形和不可可闭合的裂缝缝。屈服上限限与加载速度度有关，不太太稳定，一般般取屈服下限限作为屈服强强度。延伸率：钢筋拉断后的的伸长值与原原长的比率，是反映钢筋塑塑性性能的指指标。延伸率率大的钢筋，，在拉断前有有足够预兆，，延性较好。。屈强比：：反映钢筋的强强度储备，fy/fu=0.6~0.7。2.2钢筋的物理力力学性能第二章钢钢筋和混凝土土的材料性能能有明显屈服点点钢筋的应力力-应变关系一般可采用双双线性的理想想弹塑性关系系1Es2.2钢筋的物理力力学性能第二章钢钢筋和混凝土土的材料性能能◆无明显屈服点点的钢筋a点：比例极限限，约为0.65fua点前：应力-应变关系为线线弹性a点后：应力-应变关系为非非线性，有一一定塑性变形形，且没有明明显的屈服点点强度设计指标标——条件屈服点残余应变为0.2%所对应的应力力《规范》取s0.2=0.85fu2.2钢筋的物理力力学性能第二章钢钢筋和混凝土土的材料性能能1）强度：要求钢筋有有足够的强度度和适宜的强强屈比(极限强度与屈屈服强度的比比值)。例如，对抗抗震等级为一一、二级的框框架结构，其其纵向受力钢钢筋的实际强强屈比不应小小于1.25。2）塑性：要求钢筋应应有足够的变变形能力。3）可焊性：要求钢筋焊焊接后不产生生裂缝和过大大的变形，焊焊接接头性能能良好。4）与混凝土的粘粘结力：要求钢筋与与混凝土之间间有足够的粘粘结力，以保保证两者共同同工作。2.2.3混凝土结构对对钢筋性能的的要求2.2钢筋的物理力力学性能第二章钢钢筋和混凝土土的材料性能能2.3混凝土与钢筋筋的粘结2.3混凝土与钢筋筋的粘结2.3.1粘结的意义粘结和锚固是是钢筋和混凝凝土形成整体体、共同工作作的基础钢筋与混凝土土之间粘结应应力示意图（a）锚固粘结应力力（（b）裂缝间的局部部粘结应力第二章钢钢筋和混凝土土的材料性能能2.3混凝土与钢筋筋的粘结2.3混凝土与钢筋筋的粘结2.3.2粘结力的形成成◆光圆钢筋与变变形钢筋具有有不同的粘结结机理，其粘粘结作用主要要由三部分组组成：（１）钢筋与与混凝土接触触面上的化学学吸附作用力力（胶结力））。一般很小小，仅在受力力阶段的局部部无滑移区域域起作用，当当接触面发生生相对滑移时时，该力即消消失。（２）混凝土土收缩握裹钢钢筋而产生的的摩阻力。（３）钢筋表表面凹凸不平平与混凝土之之间产生的机机械咬合作用用力（咬合力力）。对于光光圆钢筋，这这种咬合力来来自于表面的的粗糙不平。。第二章钢钢筋和混凝土土的材料性能能2.3混凝土与钢筋筋的粘结2.3混凝土与钢筋筋的粘结◆变形钢筋与混混凝土之间的的机械咬合作作用主要是由由于变形钢筋筋肋间嵌入混混凝土而产生生的。变形钢筋和混混凝土的机械械咬合作用第二章钢钢筋和混凝土土的材料性能能2.3混凝土与钢筋筋的粘结2.3混凝土与钢筋筋的粘结2.3.3粘结强度◆测试第二章钢钢筋和混凝土土的材料性能能2.3混凝土与钢筋筋的粘结2.3混凝土与钢筋筋的粘结◆计算公式式中N—钢筋的拉力；；ｄ—钢筋的直径；；ｌ—粘结的长度。。第二章钢钢筋和混凝土土的材料性能能2.3混凝土与钢筋筋的粘结2.3混凝土与钢筋筋的粘结◆不同强度混凝凝土的粘结应应力和相对滑滑移的关系第二章钢钢筋和混凝土土的材料性能能2.3混凝土与钢筋筋的粘结2.3混凝土与钢筋筋的粘结2.3.4影响粘结的因因素影响钢筋与混混凝土粘结强强度的因素很很多，主要有有混凝土强度、保护层厚度及钢筋净间距、横向配筋及侧向压应力，以及浇筑混凝土时时钢筋的位置置等。Ａ.光圆钢筋及变变形钢筋的粘粘结强度都随随混凝土强度度等级的提高高而提高，但但不与立方体体强度成正比比。Ｂ.变形钢筋能够够提高粘结强强度。Ｃ.钢筋间的净距距对粘结强度度也有重要影影响。第二章钢钢筋和混凝土土的材料性能能2.3混凝土与钢筋筋的粘结2.3混凝土与钢筋筋的粘结2.3.4影响粘结的因因素Ｄ.横向钢筋可以以限制混凝土土内部裂缝的的发展，提高高粘结强度。。Ｅ.在直接支撑的的支座处，横横向压应力约约束了混凝土土的横向变形形，可以提高高粘结强度。。Ｆ.浇筑混凝土时时钢筋所处的的位置也会影影响粘结强度度。第二章钢钢筋和混凝土土的材料性能能2.3混凝土与钢筋筋的粘结2.3混凝土与钢筋筋的粘结2.3.5钢筋的锚固与与搭接◆保证粘结的的构造措施(1)对不不同同等等级级的的混混凝凝土土和和钢钢筋筋，，要要保保证证最最小小搭搭接接长长度度和和锚锚固固长长度度；；(2)为了了保保证证混混凝凝土土与与钢钢筋筋之之间间有有足足够够的的粘粘结结，，必必须须满满足足钢钢筋筋最最小小间间距距和和混混凝凝土土保保护护层层最最小小厚厚度度的的要要求求；；(3)在钢钢筋筋的的搭搭接接接接头头内内应应加加密密箍箍筋筋；；(4)为了了保保证证足足够够的的粘粘结结在在钢钢筋筋端端部部应应设设置置弯弯钩钩；；(5)对大大深深度度混混凝凝土土构构件件应应分分层层浇浇筑筑或或二二次次浇浇捣捣；；(6)一般般除除重重锈锈钢钢筋筋外外，，可可不不必必除除锈锈。。第二二章章钢钢筋筋和和混混凝凝土土的的材材料料性性能能2.3混凝凝土土与与钢钢筋筋的的粘粘结结2.3混凝凝土土与与钢钢筋筋的的粘粘结结◆钢钢筋筋的的搭搭接接钢筋筋搭搭接接的的原原则则是是：：接接头头应应设设置置在在受受力力较较小小处处，，同同一一根根钢钢筋筋上上应应尽尽量量少少设设接接头头，，机机械械连连接接接接头头能能产产生生较较牢牢固固的的连连接接力力，，应应优优先先采采用用机机械械连连接接。。受拉拉钢钢筋筋绑绑扎扎搭搭接接接接头头的的搭搭接接长长度度计计算算公公式式：：式中中，，ζ为受受拉拉钢钢筋筋搭搭接接长长度度修修正正系系数数，，它它与与同同一一连连接接区区内内搭搭接接钢钢筋筋的的截截面面面面积积有有关关，，详详见见《规范范》。第二二章章钢钢筋筋和和混混凝凝土土的的材材料料性性能能2.3混凝凝土土与与钢钢筋筋的的粘粘结结2.3混凝凝土土与与钢钢筋筋的的粘粘结结◆基本本锚锚固固长长度度钢筋筋的的基基本本锚锚固固长长度度取取决决于于钢钢筋筋的的强强度度及及混混凝凝土土抗抗拉拉强强度度，，并并与与钢钢筋筋的的外外形形有有关关。。《规范范》规定定纵纵向向受受拉拉钢钢筋筋的的锚锚固固长长度度作作为为钢钢筋筋的的基基本本锚锚固固长长度度，，其其计计算算公公式式为为：：第三三章章按按近近似似概概率率理理论论极限限状状态态设设计计法法第三三章章按按近近似似概概率率理理论论的的极极限限状状态态设设计计法法3.1极限限状状态态§3.1极限限状状态态3.1.1结构构上上的的作作用用◎直接接作作用用：荷荷载载◎间接接作作用用：混混凝凝土土的的收收缩缩、、温温度度变变化化、、基基础础的的差差异异沉沉降降、、地地震震等等作用用在在结结构构上上并并使使结结构构产产生生内内力力（（如如弯弯矩矩、、剪剪力力、、轴轴向向力力、、扭扭矩矩等等））、、变变形形、、裂裂缝缝等等作作用用称称为为作作用用效效应应或或荷荷载载效效应应。。第三三章章按按近近似似概概率率理理论论的的极极限限状状态态设设计计法法3.1极限限状状态态§3.1极限限状状态态◎荷载载的的分分类类按作作用用时时间间的的长长短短和和性性质质，，荷荷载载分分为为三三类类：：1.永久久荷荷载载在结结构构设设计计使使用用年年限限内内，，其其值值不不随随时时间间而而变变化化，，或或其其变变化化与与平平均均值值相相比比可可以以忽忽略略不不计计，，或或其其变变化化是是单单调调的的并并能能趋趋于于限限值值的的荷荷载载。。2.可变变荷荷载载在结结构构设设计计基基准准期期内内其其值值随随时时间间而而变变化化，，其其变变化化与与平平均均值值不不可可忽忽略略的的荷荷载载。。3.偶然然荷荷载载在结结构构设设计计基基准准期期内内不不一一定定出出现现，，但但一一旦旦出出现现其其值值很很大大且且作作用用时时间间很很短短的的荷荷载载。。第三三章章按按近近似似概概率率理理论论的的极极限限状状态态设设计计法法3.1极限限状状态态§3.1极限限状状态态◎荷载载的的标标准准值值1.定义义将荷荷载载视视为为随随机机变变量量，，采采用用数数理理统统计计的的方方法法加加以以处处理理而而得得到到的的具具有有一一定定概概率率的的最最大大荷荷载载值值2.确定定a.结构构的的自自重重可可根根据据结结构构的的设设计计尺尺寸寸和和材材料料的的重重力力密密度度确确定定；；b.可变变荷荷载载常常与与时时间间有有关关，，在在缺缺少少大大量量统统计计材材料料的的条条件件下下，，可可近近似似按按随随机机变变量量来来考考虑虑；；第三三章章按按近近似似概概率率理理论论的的极极限限状状态态设设计计法法3.1极限限状状态态§3.1极限限状状态态3.1.2结构构的的功功能能要要求求1.结构构的的安安全全等等级级安全等级破坏后的影响程度建筑物的类型一级很严重重要的建筑物二级严重一般的建筑物三级不严重次要的建筑物第三三章章按按近近似似概概率率理理论论的的极极限限状状态态设设计计法法3.1极限限状状态态§3.1极限限状状态态2.结构构的的设设计计使使用用年年限限结构构的的设设计计使使用用年年限限是是指指设设计计规规定定的的结结构构或或结结构构构构件件不不需需要要进进行行大大修修即即可可按按达达到到其其预预定定功功能能的的使使用用时时期期。。设计计年年限限可可按按《建筑筑结结构构可可靠靠度度设设计计统统一一标标准准》确定定，，也也可可经经过过主主管管部部门门的的批批准准按按业业主主的的要要求求确确定定。。一一般般建建筑筑结结构构的的设设计计使使用用年年限限为为50年。。注意意：：区别别建建筑筑物物的的设设计计使使用用年年限限与与建建筑筑物物的的使使用用寿寿命命。。第三三章章按按近近似似概概率率理理论论的的极极限限状状态态设设计计法法3.1极限限状状态态3.结构构的的功功能能◆安全全性性◎如（（M≤≤Mu）◎结构构在在预预定定的的使使用用期期间间内内（（一般般为为50年），，应应能能承承受受在在正正常常施施工工、、正正常常使使用用情情况况下下可可能能出出现现的的各各种种荷荷载载、、外外加加变变形形（（如如超超静静定定结结构构的的支支座座不不均均匀匀沉沉降降））、、约约束束变变形形（（如如温温度度和和收收缩缩变变形形受受到到约约束束时时））等等的的作作用用。。◎在偶偶然然事事件件（（如如地地震震、、爆爆炸炸））发发生生时时和和发发生生后后，，结结构构应应能能保保持持整整体体稳稳定定性性，，不不应应发发生生倒倒塌塌或或连连续续破破坏坏而而造造成成生生命命财财产产的的严严重重损损失失。。第三三章章按按近近似似概概率率理理论论的的极极限限状状态态设设计计法法3.1极限状态态◆适用性◎如（f≤[f]）◎结构在正正常使用用期间，，具有良良好的工工作性能能。如不不发生影影响正常常使用的的过大的的变形（（挠度、、侧移））、振动动（频率率、振幅幅），或或产生让让使用者者感到不不安的过过大的裂裂缝宽度度。◆耐久性◎如（wmax≤[wmax]）◎结构在正常使使用和正常维维护条件下，，应具有足够够的耐久性。。即在各种因因素的影响下下（混凝土碳化、、钢筋锈蚀），结构的承载力力和刚度不应随时间有有过大的降低低，而导致结结构在其预定定使用期间内内丧失安全性性和适用性，，降低使用寿寿命。第三章按按近似概率理理论的极限状状态设计法3.1极限状态◆结构的可靠性性■可靠性——安全性、适用用性和耐久性性的总称■就是指结构在在规定的使用用期限内（设设计工作寿命命=50年），在规定定的条件下（（正常设计、正正常施工、正正常使用和维维护），完成预定定结构功能的的能力。■结构可靠性越越高，建设造造价投资越大大。■如何在结构可可靠与经济之之间取得均衡衡，就是设计方方法要解决的的问题。第三章按按近似概率理理论的极限状状态设计法3.1极限状态■显然这种可靠靠与经济的均均衡受到多方方面的影响，，如国家经济济实力、设计计工作寿命、、维护和修复复等。■规范规定的设设计方法，是是这种均衡的的最低限度，，也是国家法法律。■设计人员可以以根据具体工工程的重要程程度、使用环环境和情况，，以及业主的的要求，提高高设计水准，，增加结构的的可靠度。■经济的概念不不仅包括第一一次建设费用用，还应考虑虑维修，损失失及修复的费费用第三章按按近似概率理理论的极限状状态设计法3.1极限状态3.1.3结构功能的极极限状态◆结构能够满足足功能要求而而良好地工作作，则称结构构是“可靠””的或“有效效”的。反之之，则结构为为“不可靠””或“失效””。◆区分结构“可靠”与“失效”的临界工作作状态称为“极限状态”第三章按按近似概率理理论的极限状状态设计法承载力能力极极限状态超过该极限状状态，结构就就不能满足预预定的安全性性功能要求◆结构或构件达达到最大承载载力（包括疲疲劳）◆结构整体或其其中一部分作作为刚体失去去平衡（如倾倾覆、滑移））◆结构塑性变形形过大而不适适于继续使用用◆结构形成几何何可变体系（（超静定结构构中出现足够够多塑性铰））◆结构或构件丧丧失稳定（如如细长受压构构件的压曲失失稳）3.1极限状态第三章按按近似概率理理论的极限状状态设计法3.1极限状态正常使用极限限状态超过该极限状状态，结构就就不能满足预预定的适用性性和耐久性的的功能要求。。◆过大的变形、、侧移（影响响非结构构件件、不安全感感、不能正常常使用（吊车车）等）；◆过大的裂缝（（钢筋锈蚀、、不安全感、、漏水等）；；◆过大的振动（（不舒适）；；◆其他正常使用用要求。第三章按按近似概率理理论的极限状状态设计法3.1极限状态3.1.4极限状态方方程S<R可靠S——荷载效应结构上的各种种作用（如荷荷载、不均匀匀沉降、温度度变形、收缩缩变形、地震震等）产生的的效应总和（（如弯矩M、轴力N、剪力V、扭矩T、挠度f、裂缝宽度w等）S=S(Q)R——结构抗力结构抵抗作用用效应的能力力，如受弯承承载力Mu、受剪承载力Vu、容许挠度[f]、容许裂缝宽度度[w]R=R(fc,fy,A,h0,As,…)S=R极限状态S>R失效结构力学的主主要内容本课程的主要要内容第三章按按近似概率理理论的极限状状态设计法3.1极限状态结构的极限状状态可用下面面的极限状态态函数表示：：Z=R-S对应的：Z=R-S>0时，结构处于可靠靠状态；Z=R-S=0时，结构达到极限限状态；Z=R-S<0时，结构处于失效效（破坏）状状态。在结构设计中中，不仅仅只只考虑结构的的承载能力，，有时还要考考虑结构的适适用性和耐久久性，则极限限状态方程可可推广为：第三章按按近似概率理理论的极限状状态设计法3.2按近似概率的的极限状态设设计法3.2按近似概率的的极限状态设设计法★由于结构抗力力和荷载效应应的随机性，，安全可靠应应该属于概率率的范畴，应应当用结构完完成其预定功功能的可能性性（概率）的的大小来衡量量，而不是一一个定值来衡衡量。★材料强度fy和fc的离散★截面尺寸h0和b的施工误差★应力-应变关系参数数k1和k2不一定安全（（可靠）第三章按按近似概率理理论的极限状状态设计法3.3结构设计方法法3.3结构设计方法法由于结构工程程中的不确定定性，为取得得安全可靠与与经济合理的的均衡，在设设计中需要考考虑这些不确确定性的影响响。结构设计计方法就是处处理这种安全全可靠与经济济合理的矛盾盾。◆容许应力设计计法◎钢筋混凝土结结构的受力性性能不是弹性性的；◎结构中一点达达到容许应力力，结构即认认为失效；◎没有考虑结构构功能的多样样性要求；◎安全系数是凭凭经验确定的的，缺乏科学学依据。第三章按按近似概率理理论的极限状状态设计法3.3结构设计方法法◆破损阶段设计计法整个截面达到到极限承载力力才认为失效效，考虑了材材料塑性和强强度的充分发发挥，极限荷荷载可以直接接由试验验证证，构件的总总安全度较为为明确。◎但安全系数K仍然凭经验确定，，◎没有考虑结构构功能的多样样性要求的问问题。第三章按按近似概率理理论的极限状状态设计法3.3结构设计方法法◆极限状态设计计法除要求对承载载力极限状态态进行设计外外，还包括的的挠度和裂缝缝宽度（适用用性）的极限限状态的设计计。对于承载力极极限状态，针针对荷载、材材料的不同变变异性，不再再采用单一的的安全系数，，而采用的多多系数表达，，◎材料强度fck和fsk是根据统计后后按一定保证证率取其下限限分位值，反反映的材料强强度的变异性性。◎荷载值qik也尽可能根据据各种荷载的的统计资料，，按一定保证证率取其上限限分位值。◎荷载系数kqi，材料强度系数数kc和ks仍按经验确定定，但对于不不同荷载的变变异大小，可可取不同的荷荷载系数。第三章按按近似概率理理论的极限状状态设计法3.3结构设计方法法◆以概率理论为为基础的极限限状态设计法法由于实际结构构中的不确定定性，因此无无论如何设计计结构，都会会有失效的可可能性存在，，只是可能性性大小不同而而已。为了科学定量量的表示结构构可靠性的大大小，采用概概率方法是比比较合理的。。失效概率越小小，表示结构构可靠性越大大。因此，可可以用失效概概率来定量表表示结构可靠靠性的大小。。结构可靠性的的概率度量称称为结构可靠度。当失效概率Pf小于某个值时时，人们因结结构失效的可可能性很小而而不再担心，，即可认为结结构设计是可可靠的。该失失效概率限值值称为容许失效概率率[Pf]。失效概率Pf=P(S>R)第三章按按近似概率理理论的极限状状态设计法3.3结构设计方法法结构功能函数数Z=R-SPf=P(S>R)=P(Z<0)b

—可靠指标第三章按按近似概率理理论的极限状状态设计法3.3结构设计方法法作用效应标准准值Sk◆作用效应S的不确定性就就主要取决于于结构上作用用Q的不确定性★永久荷载G★可变荷载Q★偶然荷载（作作用）◆不同的荷载，，其变异情况况不同。根据据统计分析可可以确定一个个具有一定保保证率（如95%）的上限荷载载分位值，该该特征值称为为荷载标准值值（符号Gk，Qik）。◆按荷载标准值值确定的荷载载效应，称为为荷载效应标标准值Sk◆有多个可变荷荷载同时作用用的情况，考考虑到它们同同时达到标准准值的可能性性较小，考虑虑荷载组合系系数y，第三章按按近似概率理理论的极限状状态设计法3.3结构设计方法法结构抗力标准准值Rkfck、fsk分别为混凝土土和钢筋的强强度标准值，，截面尺寸b、h0和配筋As取设计值。Rk的具体表达形式式是本课程的的主要内容。。

f(S)SSk

f(R)RRk第三章按按近似概率理理论的极限状状态设计法3.3结构设计方法法Skf(S)，f(R)S，RRk实用设计表达达式第三章按按近似概率理理论的极限状状态设计法3.3结构设计方法法实用设计表达达式Skf(S)，f(R)S，RRk第三章按按近似概率理理论的极限状状态设计法3.3结构设计方法法实用设计表达达式Skf(S)，f(R)S，RRk第三章按按近似概率理理论的极限状状态设计法3.3结构设计方法法设计验算点S*=R*实用设计表达达式Pf=[Pf]Skf(S)，f(R)S，RRk3.3结构设计方法法第三章按按近似概率理理论的极限状状态设计法作用效应设计计值，gS作用效应分项项系数结构抗力设计计值，gR结构抗力分项项系数第三章按按近似概率理理论的极限状状态设计法3.3结构设计方法法规范设计表达达式g0—