建筑结构与材料

学习情境十一

建筑结构与建筑材料ArchitecturalConstruction&ConstructionalMaterial子情境一

建筑结构的概述

建筑结构的概念：建筑中由若干构件连接而成的能承受作用的平面或空间体系。作用:能使结构或构件产生效应（内力、变形、裂缝等）的各种原因的总称。作用分为：

a直接作用即荷载：如结构自重、人群荷载、风荷载等；b间接作用：如地震、基础沉降、温度变化等。建筑结构由竖向承重结构体系、水平承重结构和下部结构组成。建筑结构竖向承重结构体系水平承重结构下部结构水平构件：柱、梁、板等，用以承受竖向荷载。竖向构件：柱、墙等，其作用是支承水平构件或承受水平荷载。基础：其作用是将建筑物承受的荷载传至地基。建筑物本身的重量，雨，雪，家具，人及活动所带来的附加荷载等。风和地震等。

按所用材料的不同分为：1.混凝土结构（以混凝土为主要材料的结构）2.钢结构:以钢材(钢板、型钢）为主制作的结构3.砌体结构:由块材通过砂浆砌筑而成的结构4.木结构:指全部或大部分用木材制作的结构5.混合结构:由两种及两种以上材料作为主要承重结构的房屋6.钢-混凝土组合组构

按建筑结构的层数来分：1.单层结构2.多层结构3.中高层结构4.高层结构5.超高层结构素混凝土梁—承载力低，一开裂即告破坏，破坏前无预兆（为脆性）；钢筋混凝土梁—承载力高，混凝土开裂后，其承担的拉应力转移到钢筋。*素混凝土和钢筋混凝土的比较子情境二

常用结构的类型与特点

一、钢筋混凝土结构钢筋与混凝土共同工作的条件：

钢筋（材）和混凝土两种材料的物理力学性能很不相同，他们可以结合在一起共同工作，是因为：⑴钢筋和混凝土之间存在有良好的粘结力，在荷载作用下，可以保证两种材料协调变形，共同受力；⑵钢筋与混凝土具有基本相同的温度线膨胀系数，因此当温度变化时，两种材料不会产生过大的变形差而导致两者间的粘结力破坏。预应力混凝土结构是在混凝土构件受拉区预先施加一对压力，当荷载作用于结构上时，出现的拉应力全部或部分抵消预压力的一种混凝土结构体系，这种结构体系中构件的抗弯能力和混凝土的抗裂度大大增强。钢筋混凝土结构的特点主要优点：1）就地取材混凝土所用的大量砂、石，易于就地取材，近年来，已有利用工业废料来制造人工骨料，或作为水泥的外加成分，改善混凝土的性能。2）耐久性好钢筋有混凝土的保护层，不易产生锈蚀，而混凝土的强度随时间而增长；3）整体性好通过合适的配筋，可获得较好的延性，适用于抗震、抗爆结构；同时防振性和防辐射性能较好，适用于防护结构。4）可模性好混凝土可根据需要浇筑成各种性质和尺寸，适用于各种形状复杂的结构，如空间薄壳、箱形结构等。5）耐火性好混凝土是不良热导体，30mm厚混凝土保护层可耐火2小时，使钢筋不致因升温过快而丧失强度。主要缺点：1）自重大不适用于大跨、高层结构。2）抗裂性能差普通RC结构，在正常使用阶段往往带裂缝工作，环境较差(露天、沿海、化学侵蚀)时会影响耐久性；也限制了普通RC用于大跨结构，高强钢筋无法应用。3）工序多（支模、绑钢筋、浇筑、养护），工期长，施工受季节、天气的影响较大。二、钢结构以钢材为主制作的结构。杆件之间采用焊接、螺栓或铆钉连接。常用于工业厂房、体育馆等大跨结构、高层建筑。特点

主要优点：1）材料强度高，自重轻，塑性和韧性好，材质均匀；2）便于工厂生产和机械化施工，便于拆卸，施工工期短；3）具有优越的抗震性能；4）无污染、可再生、节能、安全，符合建筑可持续发展的原则，可以说钢结构的发展是21世纪建筑文明的体现。主要缺点：易腐蚀，需经常油漆维护，故维护费用较高；钢结构的耐火性差，当温度达到250℃时，钢结构的材质将会发生较大变化；当温度达到500℃时，结构会瞬间崩溃，完全丧失承载能力。南京地铁大厦地上部分26层,地下3层,楼高99.9米,总建筑面积达4万平方米,是江苏省第一栋高层全钢结构建筑。由块体（砖、石材、砌块）和砂浆砌筑而成的墙、柱作为建筑物主要受力构件的结构称为砌体结构。又称砖石结构三、砌体结构特点

主要优点：1）取材方便，造价低廉；2）具有良好的耐火性及耐久性；3）具有良好的保温、隔热、隔音性能，节能效果好；4）施工简单，技术容易掌握和普及，也不需要特殊的设备。主要缺点：自重大，强度低，整体性差，砌筑劳动强度大。概念

指全部或大部分用木材制作的结构。特点

主要优点：

易于就地取材，制作简单。

主要缺点：

易燃、易腐蚀、变形大，并且木材使用受到国家严格限制。四、木结构1、钢筋的品种和级别

（一）钢筋的品种（分类）按化学成分分类：低碳钢碳素钢中碳钢随含碳量增加，钢筋强度提高，

高碳钢塑性性能降低。

普通低合金钢：除碳素钢已有的成分外，再加入少量的硅、锰、钛、钒等合金元素。

强度显著提高，塑性性能也好。

子情境三

主要材料的力学性能按外形分类

光面钢筋——表面光滑，与混凝土粘结力差。变形钢筋——表面带肋，螺旋纹、人字纹、月牙纹，与混凝土粘结力高。热轧钢筋（用于钢筋混凝土结构）按生产工艺分类预应力钢丝和钢绞线、热处理钢筋

（用于预应力混凝土结构）冷加工钢筋（用于预应力混凝土结构）

承重结构采用的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构应具有碳含量的合格保证。

焊接承重结构及重要的非焊接承重结构采用的钢材还应具有冷弯实验的合格保证。2、建筑钢材的力学性能1）钢材的力学性能建筑钢材的力学性能包括强度、塑性、冷弯性能、冲击韧性。（1）强度①有明显屈服点的钢材低碳刚和低合金钢的一次性拉伸时的应力-应变曲线a为比例极限b为上屈服点c’为下屈服点，即屈服强度fe为极限抗拉强度fy

ef为颈缩阶段e0.2%0.2(N/mm2)o0.2－条件屈服强度2）无明显屈服点的钢材没有明显的屈服点和屈服台阶钢材的应力-应变曲线见图对于没有明显屈服点的钢材，以残余变形为0.2%时的应力作为名义屈服点，其值约等于极限强度85%。

注意：钢材在一次压缩或剪切所表现出来的应力-应变变化规律基本上与一次拉伸试验时相似，压缩时的各强度指标也取用拉伸时的数据，只是剪切时的强度指标数值比拉伸时的小。（2）钢筋的塑性：指钢材破坏前产生变形的能力。伸长率：钢筋力学性能指标：屈服点、抗拉强度和伸长率冷弯性能合格是鉴定钢材在弯曲状态下的塑性应变能力和钢材质量的综合指标。冷弯试验不仅能直接检验钢材的弯曲变形能力或塑性性能，还能暴露钢材内部的冶金缺陷，如硫、磷偏析和硫化物与氧化物的掺杂情况，这些都将降低钢材的冷弯性能。（3）冷弯性能（4）冲击韧性韧性是钢材抵抗冲击荷载的能力，是钢材强度和塑性的综合指标。二、混凝土1、混凝土的强度

混凝土的强度与水泥、骨料、级配、配合比、硬化条件和龄期等有关，主要包括立方体的抗压强度、轴心抗压强度、轴心抗拉强度等。1）混凝土立方体的抗压强度fcu我国现行《混凝土结构设计规范》规定以立方体抗压强度标准值作为衡量混凝土强度等级的指标，用fcuk表示。

立方体抗压强度的标准值指：按照标准方法制作养护的边长为150mm的立方体试块（温度为20℃左右，相对湿度为90%以上），在28d龄期用标准实验方法测得的具有95%保证率的抗压强度。混凝土强度等级分C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80共14级。各个等级中的数字单位都是N/m㎡表示，称为立方体抗压强度标准值。钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C15

采用HRB335、HRB400、RRB400级钢筋时，混凝土强度等级不得低于C20

预应力混凝土结构的混凝土强度等级不低于C30

采用钢绞线、钢丝、热处理钢筋做预应力钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C402）混凝土轴心抗压强度fc混凝土轴心抗压强度又称为棱柱体抗压强度。该强度的大小与试块的高度和截面宽度之比有关。h/b越大，其承载力降低越多。

真实反映以受压为主的混凝土结构构件的抗压强度。我国采用150×150×300mm、150×150×450mm棱柱体试件测得的强度作为混凝土的轴心抗压强度。3）混凝土轴心抗拉强度ft混凝土的抗拉强度比抗压强度小得多，一般为抗压强度1/8~1/18。在钢筋混凝土构件的破坏阶段，处于受拉状态的混凝土一般早已开裂，因此，在构件承载力计算中，大多数情况下不考虑受拉混凝土的工作。2、混凝土的变形1）混凝土在一次短期加荷时的变形（1）混凝土在一次短期加荷时的应力-应变关系。混凝土在一次短期加荷时的应力-应变关系可通过对混凝土棱柱体的受压或者受拉实验测定。混凝土受压时的应力-应变曲线如图所示。对混凝土单轴短期加载下关系曲线的几点认识：1、混凝土的关系是一条曲线，说明混凝土是一种弹塑性材料。2、

曲线的上升段的高低反映了混凝土强度的大小，下降段的陡缓反映了混凝土变形能力的大小。

混凝土的变形能力是指混凝土到达极限强度后，在应力下降幅度相同的情况下变形的大小，变形大的，说明混凝土耐受变形的能力强，亦即延性好。即下降段越缓的混凝土，其变形能力越好。3、不同强度混凝土的曲线有相似的形状，但也有实质性区别。混凝土强度越高，其下降段越陡，其延性越差，而上升段和峰值应变的变化不大。见图。（2）混凝土的横向变形系数。混凝土纵向压缩时，横向会伸长。横向伸长值与纵向压缩值之比称为横向变形系数，用符号VC表示。（3）混凝土的弹性模量、变形模量和剪变模量。弹性模量：混凝土的应力与其弹性应变之比（查表）。变形模量：混凝土的应力与其弹塑性总应变之比。剪变模量：剪力与剪应力的比值。3、混凝土在长期荷载作用下的变形

混凝土在受到荷载作用后，在长期荷载(应力)不变的情况下，变形(应变)随时间而不断增长的现象称为混凝土的徐变现象。(ε×10–3)00.51.01.52.051015202530(t/月)εeεcrεe'εe"εcr'混凝土徐变的原因有两个：1、在荷载长期作用下，由于混凝土中尚未转化为晶体的水泥混凝土胶体发生了黏性流动。2、混凝土硬化过程中，因水泥凝胶体收缩等因素在水泥凝胶体与骨料接触面形成一些微裂缝，这些裂缝在长期荷载作用下会持续发展。注：当作用应力较小时，第一种因素占主导地位；反之，第二种因素占主导地位。影响混凝土徐变的主要因素及其影响情况：参考课本P1964）混凝土的收缩、膨胀和温度变形混凝土在空气中结硬时会产生体积收缩，在水中结硬时会产生体积膨胀。前者数值较大，会对结构产生明显不利，后者数值很小，且对结构有利凝缩：水泥水化热反应引起的体积缩小，不可恢复。干缩：混凝土中的水分蒸发引起的体积缩小，再次吸水时，部分干缩变形可以恢复。

温度变形：混凝土的热胀冷缩变形。三、钢筋与混凝土的黏结作用1、混凝土与钢筋的结构原理钢筋与混凝土之间共同作用的前提是两者有足够的黏结作用，该黏结作用可承受黏结表面的剪应力，抵抗钢筋与混凝土之间的相对滑移。2