混凝土结构材料及设计方法

工程管理专业《混凝土结构及砌体结构》模块式教学课件一：混凝土结构材料及设计方法二：钢筋混凝土受弯构件的设计计算及构造规范三：钢筋混凝土受压构件的设计计算及构造规范四：钢筋混凝土弯、剪、扭构件设计计算及构造规范五：钢筋混凝土结构正常使用极限状态的验算六：预应力混凝土构件工作原理及设计计算简介七：钢筋混凝土结构设计方法实际应用八：砌体结构简介任务一、关于混凝土结构课程的几个话题１、什么是混凝土结构２、为什么把钢筋与混凝土浇筑在一起协同工作？３、混凝土结构发展状况简介４、本课程学习方法及要求任务二、关于混凝土结构用材料的基本知识１、土木工程用钢筋的品种、级别、性能及其选用原则２、混凝土在各种受力状态下的强度与变形性能及其选用原则３、钢筋与混凝土的共同工作原理任务三、钢筋混凝土设计方法１、结构上的作用、作用效应和结构抗力的概念及其随机特性２、混凝土结构设计方法的理论基础——可靠度理论３、我国规范的设计方法——概率极限状态设计一钢筋混凝土结构材料及设计方法任务一、关于混凝土结构课程的几个话题

１、什么是混凝土结构２、为什么把钢筋与混凝土浇筑在一起协同工作？３、混凝土结构发展状况简介４、本课程学习方法及要求1、什么是混凝土结构结构：广义上指房屋建筑和土木工程的建筑物、构筑物及其相关组成部分的实体。狭义上指各种工程实体的承重骨架。混凝土结构：以混凝土为主要材料制作的结构。如：素混凝土结构（plainconcretestructure）钢筋混凝土结构（reinforcedconcretestructure）劲性混凝土结构（steel-reinforcedconcretestructure）预应力混凝土结构（pre-stressedconcretestructure）钢管混凝土结构（concrete-filledtubestructure）素砼结构钢筋砼结构劲性砼结构预应力砼结构钢管砼结构2、为什么把钢筋与混凝土浇筑在一起协同工作？素混凝土梁破坏特征：一裂即断，脆性，破坏无预兆；Fmax≈8kN破坏特征：裂不等于坏，破坏有预兆；Fmax≈36kN钢筋混凝土梁钢筋与混凝土协同工作的必要性：素混凝土结构中加入少量钢筋以后：承载力有很大提高；受力性能和破坏特征有明显改善。钢筋的主要作用是抗拉和抗剪，也可以抗压，但一般尽量充分利用混凝土抗压优势。钢筋与混凝土协同工作的可行性：混凝土结硬后与钢筋牢固地粘结在一起，能相互传递应力；钢筋与混凝土有相近的线膨胀系数。（钢筋：c=1.2×10-5℃-1混凝土：c=1.0×10-5~1.5×10-5℃-1）；混凝土可以保护钢筋不发生锈蚀。钢筋与混凝土结构的优缺点：

优点承载力大就地取材耐久耐火可模性好整体性好、刚度大自重大混凝土：24~25kN/m3粘土砖:18~19kN/m3杉木：4

kN/m3易开裂性质脆缺点3、混凝土结构发展状况如何？1824年，英国人J.Aspdin发明水泥；1850年，法国人L.Lambot制成铁丝网水泥船；1859年，转炉炼钢成功；1861年，法国人J.Monier取得钢筋混凝土板、管道、拱桥的专利。与钢、木、砌体结构相比，历史最短，但发展最快，已经成为当今世界各国的主导结构。材料：朝轻质、高强方向发展。强度发展如：混凝土：C10→C25→C60→C80→C100→C200结构：高层大跨。马来西亚吉隆坡石油大厦，88层，452m，钢-混凝土结构；上海金茂大厦，88层，421m，钢-混凝土结构；香港国际金融中心，88层，415m，混合结构；美国亚特兰大奥运会主体育馆240m×193m，张拉整体结构；桥梁跨度也越来越大。如四川万县拱桥，跨度为420m。金茂大厦88层,421m台北101101层,508m国际金融中心88层,415m重庆市万县长江大桥设计方法:

经验法半经验、半理论法概率极限状态法4、本课程学习方法及要求

学习方法及要求：

认真听课，注意记录，课后有充分时间研读教材。掌握本课程基本概念、基本原理，理清各种构件设计计算步骤。善于归纳类比各类构件设计计算特点。多查规范，重视各类构件构造要求。多看图画图，及时独立完成小作业及大作业。

考核方法：

过程考核：50%；期末：40%（期末考试成绩要求达到60分方可及格）；笔记及小作业：10%

沈蒲生主编，梁兴文副主编.混凝土结构设计原理(第4版).北京：高等教育出版社，2012.2

任务二、关于混凝土结构用材料的基本知识

１、土木工程用钢筋的品种、级别、性能及其选用原则２、混凝土在各种受力状态下的强度与变形性能及其选用原则３、钢筋与混凝土的共同工作原理１、土木工程用钢筋的品种、级别、性能及其选用原则

§1.1建筑用钢筋的种类

热轧钢筋

4006~50RRB4004006~50HRB4003356~50HRB3353006~22HPB300fyk/(N/mm2)d/(mm)符号种类HPB

—热轧光面钢筋，桥梁规范用R表示；HRB

—热轧带肋钢筋；RRB—余热处理钢，桥梁规范用KL表示。Mn—锰，Si—硅，V—钒，

Nb

—铌，Ti—钛，C—碳低碳：C<0.25%中碳：C=0.25~0.6%

高碳：C>0.6%20MnSiV含碳万分数含锰、硅、钒的百分数，取整。中、高强钢丝、钢绞线做预应力筋用。中强：800~1370MPa高强：1470~1860MPa热处理钢筋

经淬火处理得，fptk=1470MPa，无明显屈服点。冷加工钢筋

冷加工工艺：冷拉、冷拔、冷轧、冷轧扭。

目的：提高强度，节约钢材。但塑性减小。冷拉钢筋仍有屈服台阶。§1.2

混凝土结构对钢筋性能的要求

强度高热轧钢筋钢丝、钢绞线、各种冷加工钢筋塑性好（用伸长率和冷弯性能衡量。）伸长率:::同一根钢筋上述伸长率只反映断口附近残留变形大小，不反映钢筋总伸长率情况。均匀伸长率钢筋弹性模量实测钢筋拉断强度残余伸长已回复弹性应变+=钢筋均匀伸长率的测定：=90°,180°,反复弯曲要求：冷弯过程中无裂缝、鳞落或断裂。D愈小，要求愈高。反复次数愈高，要求愈高。冷弯冷弯是检验钢筋局部变形能力的指标。钢筋塑性愈好，构件破坏前预兆愈明显。

可加工性好与混凝土粘结锚固性好变形钢筋比光面钢筋好

钢筋的直径常用：6mm，6.5mm，8mm，8.2mm，10mm，12mm，14mm，16mm，18mm，20mm，22mm，25mm，28mm，32mm，36mm，40mm，50mm。其中，8.2mm仅适用有纵肋的热处理钢筋。

钢筋的选用普通钢筋：宜用HRB400和HRB335钢筋

可用HPB300、RRB400和冷加工钢筋预应力筋：宜用钢铰线、钢丝

可用热处理钢筋和强度较高的冷加工钢筋d=6~50mm

§2.1组成及特点主要材料：水泥、水、砂、石特点:1）以固相为主，包含固体、液体、气体的三相体2）水化过程长，性能要很长时间才稳定3）水泥石收缩可形成微裂缝；4）受制作、养护、使用条件影响大

§2.2混凝土强度

立方体抗压强度（强度等级）1）标准尺寸：150mm×150mm×150mm2）养护条件：20℃±3℃，湿度≥90%，28d3）加荷方法：加荷速度0.15～0.25MPa/s，垫板不涂油或垫橡胶板。4）强度保证率：95%，f=-1.645２、混凝土在各种受力状态下的强度与变形性能及其选用原则混凝土强度与试块混凝土强度的修正系数脆性影响系数

棱柱体强度与立方体强度之比值非标准试块强度换算系数：200mm×200mm×200mm:1.05；100mm×100mm×100mm:0.95。分级：C15,C20,C25,C30,C35,C40,C45,C50,C55,C60,C65,C70,C75,C80(高强混凝土），共14个等级。C—Concrete,单位：N/mm2或MPa。轴心抗压强度c1和c2值混凝土强度等级≤C40C45C50C55C60C65C70C75C80c10.760.760.760.770.780.790.800.810.82c24.000.9840.9680.9510.9350.9190.9030.8870.87

轴心抗拉强度轴心抗拉强度与立方体抗压强度的折算系数

试验离散性的影响系数

试验离散性系数

复杂应力下的强度图中：ft*，fc*—混凝土单轴抗拉、抗压强度；f1，f2，f3—混凝土的多轴强度,f1≥f2≥f3说明：压-压：强度提高；拉-拉：强度不变；拉-压：抗拉和抗压强度都低。双向受力存在剪力作用拉-剪：抗拉、抗剪强度都降低；压-剪：当时，抗剪强度随压应力提高而增大；当时，内部裂缝增加，抗剪抗压强度均降低。三向受力三向受压时，强度增加，最大增加5倍。

影响混凝土强度的主要因素1.原材料的品质2.水灰比及水泥用量3.龄期§2.3混凝土的变形一次加载时0→A:近似弹性A→B:非线性B→C:体积增大

C→F:破坏高强混凝土：↗，↘多次加载：弹性模量割线模量。棱柱体试件。受压：受拉：Ec′=0.5Ec剪切模量：Gc=0.4Ec

泊松比=横向应变/纵向应变=0.2徐变定义：在荷载保持不变的情况下，变形随时间推移继续增大的现象。特点：早期发展快，但可以延续数年。影响因素：加载时的混凝土龄期；持续压力大小；混凝土的组成材料及配合比；混凝土的制作养护条件。徐变对结构的影响：使构件变形增大；在轴压构件中，使钢筋应力增加，混凝土应力减小；在预应力构件中，使预应力发生损失；在超静定结构中，使内力发生重分布。

收缩定义：混凝土在空气中结硬时体积减小的现象。收缩率：3×10-4。收缩=凝缩+干缩特点：早期快，可延续1～2年。影响因素：混凝土的组成及配合比，尤其是水灰比；养护条件；使用时的温度与湿度。收缩对结构的影响：当收缩受到约束时，引起构件开裂。减少收缩的措施：限制水泥用量；减小水灰比；加强振捣和养护；构造钢筋数量加强；设置变形缝；掺膨胀剂。§2.4混凝土的选用原则钢筋混凝土结构中：混凝土强度等级不应低于C15。用HRB335级钢筋时，不宜低于C20；用HRB400和RRB400级钢筋时，不得低于C20。预应力混凝土结构中

混凝土强度等级不应低于C30。当采用钢丝、钢绞线、热处理钢筋时，不宜低于C40。

粘结锚固长度平均粘结应力光面钢筋带肋钢筋

由和钢筋强度可推算出锚固长度３、钢筋与混凝土的共同工作原理普通钢筋锚固长度按下列公式计算：钢筋抗拉强度设计值

钢筋外形系数

钢筋直径

混凝土轴心抗拉强度设计值

0.140.16带肋钢筋光面钢筋钢筋类型增加粘结锚固的措施

光面钢筋端部做弯钩：手工弯钩：机械弯钩：钢筋表面带肋；

纵向钢筋端部焊横向钢筋；纵向钢筋端部加箍筋；采用高强混凝土；弯起钢筋端部加水平锚固段；在纵向钢筋端部焊锚板；将钢筋焊在预埋件上。任务三、钢筋混凝土结构设计方法1、结构上的作用、作用效应和结构抗力的概念２、混凝土结构设计方法的理论基础——可靠度理论３、我国规范的设计方法——概率极限状态设计1、结构上的作用、作用效应和结构抗力的概念§1.1结构上的作用、作用效应与结构抗力结构上的作用定义：凡能使结构产生内力、应力、位移、应变、裂缝的因素，都称为结构上的作用。直接作用：荷载分类间接作用：温度、收缩、徐变、地基不均匀沉降、地震等。作用效应作用在结构上产生的反应，如内力、应力、位移、应变、裂缝等，称为作用效应结构抗力结构抵抗作用效应的能力，称为结构抗力。§1.2荷载荷载分类永久荷载(恒荷载)：大小、方向、作用点不随时间改变的荷载为永久荷载，如自重、土压力、预应力等可变荷载(活荷载)

：大小、方向或作用点随时间改变而变化的荷载为可变荷载，如楼面和屋面活载、风荷载、雪荷载、吊车荷载、车辆荷载等；偶然荷载：结构使用期间可能不出现，一旦出现，其作用时间短、效应大的荷载为偶然荷载，如爆炸力，撞击、地震等。荷载代表值标准值——

由设计基准期内最大荷载概率分布的某一分位值确定的荷载值，是永久荷载的唯一代表值。频遇值——结构上时而出现的较大值,但小于标准值。计算裂缝变形时用。频遇值=ψf×标准值

t/T<0.1准永久值——可变荷载中较稳定的那一部分值。计算裂缝变形时用。准永久值=ψq×标准值

t/T=0.5（t为设计基准期内荷载达到和超过该值的总持续时间，T为设计基准期。）

组合值——

当有两个或两个以上可变荷载同时作用时的代表值组合值=ψc×标准值

§1.3材料强度材料强度标准值混凝土：钢筋：保证率：95％

材料强度设计值混凝土：,钢筋：,建筑工程中混凝土：

钢筋：桥梁工程中式中：–––混凝土的材料分项系数；–––钢筋的材料分项系数；§1.4结构的设计使用年限与安全等级结构的设计使用年限类别结构类型结构的设计使用年限（年）１临时性结构5２易于替换的结构构件25３普通房屋和构筑物50４纪念性建筑和特别重要建筑100结构的安全等级按结构的重要性划分一级：重要建筑二级：一般建筑三级：次要建筑结构的可靠性:指结构的安全性、适用性、耐久性。结构的可靠度:

指结构在规定时间内、规定条件下完成预定功能的概率，是结构可靠性的概率度量。正态分布

变异系数δz=μz/σzＺ=Ｒ-Ｓ

Ｚ＞0，结构可靠；Ｚ=0，极限状态。２、混凝土结构设计方法的理论基础——可靠度理论§2.1结构可靠度Ｚ＜0，失效状态。结构的可靠指标现行设计方法以概率理论为基础，用可靠指标度量，采用多个分项系数表达。设，则可靠指标为：式中：–––结构抗力的平均值和标准值；–––作用效应的平均值和标准值。§2.2结构的极限状态及其分类定义：整个结构或结构的一部分超