混凝土学习指导-2012.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流混凝土学习指导-2012.精品文档.混凝土结构设计原理学习指导第 1 章 绪 论（一）混凝土结构的定义和分类1定义：以混凝土为主要材料制成的结构称为混凝土结构。 2分类：钢筋混凝土结构、预应力混凝土结构、素混凝土结构。 钢筋混凝土结构由配置受力的普通钢筋、钢筋网或钢筋骨架的混凝土制成的结构称为钢筋混凝土结构；预应力混凝土结构由配置受力的预应力钢筋通过张拉或其他方法建立预加应力的混凝土制成的结构称为预应力混凝土结构；素混凝土结构由无筋或不配置受力钢筋的混凝土制成的结构称为素混凝土结构。（二）钢筋和混凝土协同工作的机理1钢筋与混凝土有良好的粘结力

2、。2钢筋和混凝土的温度线胀系数相近 钢筋： 1.2 10-5-1 混凝土：1.01.510-5-1 3钢筋被混凝土所包裹，且混凝土具有弱碱性，防止了钢筋锈蚀，耐久性好。（三）钢筋混凝土结构的优点钢筋混凝土除了如上所述能合理利用两种材料的性能外，还有就地取材、耐久性好、耐火性好、整体性强、可塑性好等优点。（四）钢筋混凝土结构的缺点自重大、抗裂性能差、隔热隔声性能也较差。此外，钢筋混凝土结构补强加固及改建比较困难。（五）结构的功能（三性） 安全性、适用性、耐久性安全性：结构承载能力的可靠性；适用性：在正常使用过程中不产生影响使用的过大变形及不发生过宽的裂缝和振动；耐久性：结构或构件在设计使用年限内

3、，在正常危害条件下，不需要进行大修就可满足正常使用和安全功能要求的能力。（六）极限状态概念：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的要求。可分为：正常使用极限状态和承载能力极限状态。（七）荷载标准值：是荷载的基本代表值，用下标k表示。（八）环境类别：共五类第 2 章 混凝土结构材料的物理力学性能（一）混凝土的强度 1单向受力下混凝土的强度影响抗压强度测试因素：套箍作用和加荷速度表1 单向应力状态下的混凝土强度 强度立方体抗压强度轴心抗压强度轴心抗拉强度表示符号fcu,kfckftk标准试件150150150mm3150150300mm3测定方法标准试验方法标准试验方法直

4、拉试验劈裂试验使用范围混凝土强度等级划分，（C15C80）共14个等级结构设计时混凝土强度取值的依据间接地衡量混凝土的冲切强度联系fcu,kfck0.88c1c2fcu,k几点说明 施工单位按图纸规定的强度等级制作混凝土, 现场用同样的混凝土制作一定量的试块, 以检验其立方体抗压强度是否满足要求； 立方体抗压强度是在实验室条件下取得抗压强度（标准养护试块），具有95%以上的强度保证率； 结构实体的环境条件与实验室标养试块不同，标养试块立方体强度不能真实反应结构实体混凝土的抗压强度，必须增加同条件养护试块立方体强度予以判定结构实体的强度； 不同尺寸试件的“尺寸效应” ：fcu(200)1.05

5、= fcu(150) =fcu(100)0.95（5）轴心抗压强度标准值与立方体抗压强度标准值的关系：（6）圆柱体轴心抗压强度标准值与立方体抗压强度标准值的关系：（7）抗拉强度：用直接轴拉试验或劈裂试验测定，对于劈裂试验：2复合应力状态下的混凝土强度 实际混凝土结构构件大多是处于复合应力状态，例如框架梁、柱既受到柱轴向力作用等表2 复合应力状态下的混凝土强度复合受力下强度双向应力状态下混凝土的强度法向应力与剪应力组合三向受压应力状态双向受拉双向受压拉-压状态与单向受拉比较接近提高降低/较大程度增长fcc fc+(4.57.0)fL图3 法向应力与剪应力组合下混凝土的强度常见工程范例：钢管混凝土

6、柱、螺旋箍筋柱、密排侧向箍筋柱，可提供侧向约束, 以提高混凝土的抗压强度和延性。（二）混凝土的变形变形是混凝土的一个重要力学性能。包括受力变形和体积变形。混凝土变形混凝土的受力变形多次重复荷载作用下的变形混凝土长期作用的变形混凝土一次短期加荷的变形混凝土的体积变形温度引起的变形收缩变形1混凝土在一次短期荷载作用下的变形性能（1）混凝土受压时应力-应变曲线、上升段弹性阶段OA(A点是比例极限) 稳定裂缝扩展阶段AB，（临界点B可作为长期抗压强度依据）（应变增长应力增加） 不稳定裂缝扩展阶段BC段，（C点对应的峰值应力作为混凝土棱柱体抗压强度试验值）（塑形变形显著增加） 、下降段CE 图4 混凝土

7、受压时应力-应变曲线裂缝迅速发展，内部结构的整体性破坏，传递荷载的传力路线减少。曲线向下弯曲，直到D点（曲率为零处，“拐点”），结构受力发生本质变化，由骨料间的咬合力及摩擦力和残余承压面受力共同承受荷载。补充：正截面处于非均匀受压时混凝土的极限压应变 u=0.0033 混凝土处于轴向受压时混凝土的极限压应变 0=0.002（3）混凝土处三向受压时的变形特点：如果混凝土试件横向处于约束状态，除可以提高它的抗压强度外，还可以大大提高它的延性。（4）混凝土的变形模量与弹性材料不同，混凝土的应变与应力关系是一条曲线，不同应力阶段的应力与应变之比是一个变量。混凝土受压变形模量，有三种方法表示： 混凝土的

8、原点弹性模量； 混凝土的变形模量； 混凝土的切线模量。混凝土受拉受拉弹模与受压弹模基本相同。 研究混凝土曲线，一方面看强度，另一方面看后期变形能力（混凝土达到极限强度后，应力下降相同幅度时变形的大小，变形大，表明承受变形的能力高，延性好）。混凝土强度越高，后期变形能力小，延性较差。2混凝土在长期荷载作用下的变形性能徐变徐变：混凝土在荷载长期作用下，即应力不变情况下，应变随时间继续增长的现象。徐变的时间：6个月完成大部分；一年趋于稳定，三年完成。（建筑物维修期一年）徐变的原因：a. 应力不大时，水泥凝胶体向水泥结晶体应力重分布的结果；b. 应力较大时，内部微裂缝长期积累的结果。徐变的后果：增大构

9、件变形、在截面中引起应力重分布、引起预应力损失。影响徐变的因素：水灰比愈大、徐变大；加载龄期小、徐变大； 养护温度高、徐变小；构件尺寸大、徐变小；3混凝土在多次重复荷载的变形（疲劳变形）4混凝土的收缩和膨胀变形（1）混凝土的收缩：在空气硬结过程中体积缩小的现象： 2年趋于稳定。 原因：硬结过程中产生硬结收缩和自由水蒸发的结果后果：a 构件未受荷之前产生裂缝；b 预应力构件中引起预应力损失（预应力筋与混凝土一同回缩引起预应力损失）；c 超静定结构产生内力。影响混凝土收缩的因素有：a 水泥的品种：水泥强度等级越高制成的混凝土收缩越大。b 水泥的用量：水泥越多，收缩越大；水灰比越大，收缩也越大。c

10、骨料的性质：骨料的弹性模量大，收缩小。d 养护条件：在结硬过程中周围温、湿度越大，收缩越小。e 混凝土制作方法：混凝土越密实，收缩越小。f 使用环境：使用环境温度、湿度大时，收缩小。g 构件的体积与表面积比值：比值大时，收缩小。（2）混凝土的膨胀：混凝土在水中硬结过程体积膨胀的现象 （二） 钢筋的物理力学性能1钢筋的品种和级别(1) 混凝土结构中常用的钢筋柔性钢筋：线形普通钢筋，其外形分光圆钢筋和带肋钢筋，带肋钢筋有螺旋纹、人字纹、月牙纹等统称为变形钢筋。我国常用人字纹钢筋。劲性钢筋：指用于混凝土中的各种型钢、或钢板焊成的钢骨和钢架。混凝土结构中使用的钢材按化学成分，可分为碳素钢及普通低合金钢

11、两大类。(2) 钢筋的品种和级别混凝土结构设计规范规定，用于钢筋混凝土结构的国产普通钢筋可使用热轧钢筋。用于预应力混凝土结构的国产预应力钢筋可使用消除应力钢丝、螺旋肋钢丝、刻痕钢丝、钢绞线，也可使用热处理钢筋。 热轧钢筋热轧钢筋是低碳钢、普通低合金钢在高温状态下轧制而成。热轧钢筋为软钢，其应力应变曲线有明显的屈服点和流幅，断裂时有“颈缩”现象，伸长率比较大。热轧钢筋根据其力学指标的高低，分为以下四个种类：HPB300级（级，符号）HRB335级 （级，符号）HRB400级 （级，符号）RRB400级 （余热处理级，符号） 级钢筋的强度最低，级钢筋的次之，级钢筋的最高。钢筋混凝土结构中的纵向受力

12、钢筋宜优先采用HRB400级钢筋。(3) 钢筋的形式钢筋的形式有光圆和带肋两类，级钢筋是光圆钢筋，级、级钢筋是带肋的，统称为变形钢筋。钢丝的外形通常为光圆，也有在表面刻痕的。2钢筋的强度和变形钢筋的强度和变形性能可以用拉伸试验得到的应力-应变曲线来说明。钢筋的应力-应变曲线分为两类：有明显的流幅（例如热轧低碳钢筋HPB300级和热轧低合金钢筋HRB335级、HRB400级、RRB400级）大致可分为弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和颈缩阶段。(1) 强度指标：屈服强度fy 极限强度ft (2) 塑性指标：伸长率 冷弯性能无明显的流幅（例如预应力钢丝、钢绞线和热处理钢筋）通常取加载后卸载时材料的残余

13、应变为0.2%时的应力作为条件屈服强度标准值。(1) 强度指标: (2) 塑性指标: 伸长率和冷弯性能。3常用的钢筋应力-变曲线模型(1) 描述完全弹塑性的双直线模型：适用于流幅较长的低强度钢材。(2) 描述完全弹塑性加硬化的三折线模型：适用于流幅较短的软钢。(3) 描述弹塑性的双斜线模型： 可以描述没有明显流幅的高强钢筋或钢丝的应力-应变曲线。4. 混凝土结构对钢筋性能的要求(1) 强度 指钢筋的屈服强度及极限强度。屈服强度是设计的主要依据（对无明显流幅的钢筋，取它的条件屈服点）。采用高强度钢筋可以节约钢材，取得较好的经济效果。 (2) 塑性 指钢筋的伸长率和冷弯性能。保证钢筋在断裂前有足够

14、的变形，能给出构件将要破坏的预告信号，同时要保证钢筋冷弯的要求。钢筋的伸长率和冷弯性能是施工单位验收钢筋是否合格的主要指标。(3) 可焊性 可焊性是评定钢筋焊接后的接头性能的指标。要求钢筋焊接后不产生裂纹及过大的变形。(4) 耐火性 热轧钢筋的耐火性能最好，冷轧钢筋其次，预应力钢筋最差。结构设计时应注意混凝土保护层厚度满足对构件耐火极限的要求。(5) 钢筋与混凝土的粘结力 为了保证钢筋与混凝土共同工作。钢筋表面的形状是影响粘结力的重要因素。（三） 混凝土与钢筋的粘结 1粘结的意义指混凝土与钢筋之间的相互作用，包括沿钢筋长度的粘结和钢筋端部的锚固。钢筋和混凝土能共同工作，除了二者具有相近的线膨胀

15、系数外，更主要的是由于混凝土硬化后，钢筋与混凝土之间产生了良好的粘结力。为了保证钢筋不被从混凝土中拔出或压出，还要求钢筋有良好的锚固。2粘结力的组成钢筋与混凝土的粘结作用主要由三部分所组成：(1) 钢筋与混凝土接触面上的化学吸附作用力（胶结力）。(2) 混凝土收缩握裹钢筋而产生摩阻力。(3) 钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的机械咬合作用力（咬合力）。2. 光圆钢筋和变形钢筋的粘结机理的主要差别光面钢筋粘结力主要来自胶结力和摩阻力；变形钢筋的粘结力主要来自机械咬合作用。二者的差别，可以用钉入木料中的普通钉和螺丝钉的差别来理解。3影响粘结强度的因素主要影响因素有混凝土强度、保护层厚度及钢筋净间距

16、、横向配筋及侧向压应力，以及浇筑混疑土时钢筋的位置等。4钢筋的锚固与搭接混凝土结构设计规范采用不进行粘结计算，用构造措施来保证混凝土与钢筋粘结。保证粘结的构造措施有如下几个方面：(1) 保证最小搭接长度和锚固长度；(2) 满足钢筋最小间距和混凝土保护层最小厚度的要求； (3) 钢筋的搭接接头范围内应加密箍筋； (4) 钢筋端部应设置弯钩。(5) 在浇注大深度混凝土构件时，应分层浇注或二次浇捣。 (6) 一般除重锈钢筋外，可不必除锈。 5基本锚固长度混凝土结构设计规范规定纵向受拉钢筋的锚固长度作为钢筋的基本锚固长度la ，它与钢筋强度、混凝土抗拉强度、钢筋直径及外形有关，可按下式计算:la =

17、(fy/ft)d式中 la 受拉钢筋的锚固长度；fy 钢筋抗拉强度设计值；ft 混凝土轴心抗拉强度设计值；当混凝土强度等级高于C40时，按C40取值； d 钢筋的公称直径； 锚固钢筋的外形系数，详见表2-1。钢筋的锚固可采用机械锚固的形式，主要有弯钩、贴焊钢筋及焊锚板等。采用机械锚固可以减少锚固长度。锚固长度修正系数（折减系数）为0.7。 6钢筋的搭接钢筋长度不够时，或需要采用施工缝或后浇带等构造措施时，钢筋就需要搭接。搭接是指将两根钢筋的端头在一定长度内并放，并采用适当的连接将一根钢筋的力传给另一根钢筋。(1) 钢筋搭接的原则：接头应设置在受力较小处；同一根钢筋上应尽量少设接头；机械连接接头

18、能产生较牢固的连接力，所以应优先采用机械连接。(2) 搭接长度受拉钢筋绑扎搭接接头的搭接长度按下式计算： l1la 式中，为受拉钢筋搭接长度修正系数，它与同一连接区段内搭接钢筋的截面面积有关，详见表5-3。 对于受压钢筋的搭接接头及焊接骨架的搭接，也应满足相应的构造要求，以保证力的传递。第 3 章 受弯构件的正截面受弯承载力（一）受弯构件正截面受弯的受力全过程和破坏特点1受力全过程 （1）第阶段：混凝土开裂前的未裂阶段 第阶段的特点是: 混凝土没有开裂；受压区混凝土的应力图形是直线，受拉区混凝土的应力图形在第阶段前期是直线，后期是曲线；弯矩与截面曲率基本上是直线关系。a 阶段可作为构件抗裂度的

19、计算依据。 （2） 第阶段：混凝土开裂后至钢筋屈服前的裂缝阶段 第阶段其受力特点是：在裂缝截面处，受拉区大部分混凝土退出工作，拉力主要由纵向受拉钢筋承担，但钢筋没有屈服；受压区混凝土已有塑性变形，但不充分，压应力图形为只有上升段的曲线；弯矩与截面曲率是曲线关系，截面曲率与挠度的增长加快了。 阶段作为使用阶段验算变形和裂缝开展宽度的依据。 （3）第阶段：钢筋开始屈服至截面破坏的破坏阶段第阶段受力特点是：纵向受拉钢筋屈服，拉力保持为常值；裂缝截面处，受拉区大部分混凝土已退出工作，受压区混凝土压应力曲线图形比较丰满，有上升段曲线，也有下降段曲线；由于受压区混凝土合压力作用点外移使内力臂增大，故弯矩还

20、略有增加；受压区边缘混凝土压应变达到其极限压应变实验值0cu时，混凝土被压碎，截面破坏；弯矩一曲率关系为接近水平的曲线。 第阶段末(a )可作为正截面受弯承载力计算的依据。2正截面受弯的三种破坏形态 正截面破坏形态与纵向受拉钢筋配筋百分率有关。 （1）适筋破坏形态（minb）其特点是纵向受拉钢筋先屈服，受压区混凝土随后压碎，属于延性破坏类型。（2）超筋破坏形态（ b ）其特点是混凝土受压区先压碎，纵向受拉钢筋不屈服，故属于脆性破坏类型。超筋梁虽配置过多的受拉钢筋，但由于梁破坏时其应力低于屈服强度，不能充分发挥作用，造成钢材的浪费。这不仅不经济，且破坏前没有预兆，故设计中不允许采用超筋梁。（3）

21、少筋破坏形态（min）其特点是受拉区混混凝土一裂就坏，裂缝往往只有一条，不仅开展宽度很大，且沿梁高延伸较高。同时它的承载力取决于混凝土的抗拉强度，属于脆性破坏类型，故在土木工程中不允许采用。 图4-1 适筋破坏、超筋破坏和少筋破坏3特征配筋率（1）最大配筋率 “界限破坏”（=b）受拉区钢筋的屈服与受压区混凝土受压破坏同时发生，这种破坏形态叫“界限破坏”。即适筋梁与超筋梁的界限，也属于延性破坏类型，所以界限配筋的梁也属于适筋梁的范围，在国外多称之为“平衡配筋梁”。 “界限破坏”的梁，在实际中是很难做到的。因为尽管严格的控制施工上的质量和应用材料，但实际强度也会和设计时所预期的有所不同。界限配筋率

22、 b （适筋梁的最大配筋率max） b = 1b fc / fy （2）最小配筋率裂缝一旦出现，钢筋同时达到屈服，此时配筋率称为min，它是区分适筋和少筋的界限。可见，梁的配筋应满足minh/h0b的要求。注意，这里用minh/h0而不用min，是min是按As / bh来定义的。混凝土设计规范对min的有关规定：(1) 受弯构件、偏心受拉、轴心受拉构件，其一侧纵向受拉钢筋的配筋百分率不应小于0.2% 和 0.45ft/fy 中的较大值；(2) 卧置于地基上的混凝土板，板的受拉钢筋的最小配筋百分率可适当降低，但不应小于0.15%。（二） 正截面受弯承载力计算的基本原则1基本假定(1) 截面应变

23、保持平面；(2) 不考虑混凝土的抗拉强度；(3) 混凝土受压的应力与压应变关系曲线采用由一段抛物线和一段水平线构成。(4) 纵向钢筋的应力一应变关系采用完全弹塑性的双直线模型。2等效矩形应力图形简化为等效矩形应力图形的条件( l) 保持混凝土压应力的合力C大小相等； (2) 保持两图形中受压区合力C的作用点不变。3梁的相对受压区高度 图4.2 等效矩形应力图形的换算即在受拉纵筋屈服的同时，混凝土受压边缘纤维也达到其极限压应变值cu（s =y，ccu），截面破坏。此时相对界限受压区高度为b。b =1/1+fy/(Escu) cu = 0.0033(l)当x xb (b或b)时，为超筋梁；(2)当

24、x xb (b或bh0，则需加大截面，或提高fc，或改用双筋截面。 (f) 由 1fcbxAsfy 求 As (g) 选配钢筋： As实 =（1 5）As (h) 验算适用条件(2) minh/h0 若b 取 =b ， 则 Mu1fcbh02b(1-0.5b) 若 bh0 取 =b ， 则 Mu1fcbh02b(1-0.5b)若 minh/h0 取 =min， 则 Mu 0.292 ftbh02(d) 当 MuM 时，满足要求；否则为不安全。 当 Mu 大于 M 过多时，该截面设计不经济。注意：在混凝土结构设计中，凡是正截面承载力复核题，都必须求出混凝土受压区高度 x 值。（四） 双筋矩形截面

25、受弯构件正截面受弯承载力计算1双筋截面概念单筋矩形截面梁通常是这样配筋的：在正截面的受拉区配置纵向受拉钢筋，在受压区配置纵向架立筋，再用箍筋把它们一起绑扎成钢筋骨架。其中，受压区的纵向架立钢筋虽然受压，但对正截面受弯承载力的贡献很小，所以只在构造上起架立钢筋的作用，在计算中是不考虑的。如果在受压区配置的纵向受压钢筋数量比较多，不仅起架立钢筋的作用，而且在正截面受弯承载力的计算中必须考虑它的作用，则这样配筋的截面称为双筋截面。2双筋截面的适用情况在正截面受弯中，采用纵向受压钢筋办助混凝土承受压力是不经济的，因而从承载力计算角度出发，双筋截面只适用于以下情况：(1) M 很大，按单筋计算b，而bh

26、受限制，fc又不能提高；(2) 在不同荷载组合情况下，梁截面承受异号弯矩M。3计算公式与适用条件(1) 计算公式及适用条件1fcbxfyAs fy As MMu = 1fcbx(h0x2)fyAs(h0as) 图4.5 双筋矩形截面应力计算图形(2) 适用条件1) x bh0 保证构件破坏时，受拉钢筋先达到屈服； 2) x 2as 保证构件破坏时，受压钢筋能达到屈服。若 x hf。第二类T形截面第一类T形截面界限情况(2) 两类T形截面的鉴别 1) x = hf时的特殊情况 根据力的平衡条件及力矩平衡条件可得 1 fcbfhffyAs MU 1 fcbfhf(h0hf/2) 2) 鉴别条件 a

27、 设计题 M1 fcbfhf(h0hf/2) 第一种类型 M1 fcbfhf(h0hf/2) 第二种类型 b 复核题： fyAs 1 fcbfhf 第一种类型 fyAs 1fcbfhf 第二种类型 (3) 第一种类型的计算公式及适用条件 与梁宽为 bf的矩形梁完全相同。1) 计算公式 根据力的平衡条件及力矩平衡条件可得 1 fcbfx fyAs Mu = 1 fcbfx(h0x2) 2) 适用条件 1) x bh0 , 一般均能满足,不必验算。 2) minh/ h0 注意: = As/ bh0, 应根据梁肋宽度b来计算。 (4) 第二种类型的计算公式及适用条件 与双筋矩形梁的计算公式有些相似

28、。1) 计算公式 根据力的平衡条件及力矩平衡条件可得1f (bfb) hf1 fcbxfyAs Mu=1 fc(bfb) hf(h0hf2)1 fcbx(h0x2) 图 4.7 第二种类型T形截面梁(2) 适用条件 x bh0 min , 一般均能满足，不必验算。5计算方法截面设计已知: bh、 fc、 fy、 bf、 hf、 M 求： A s计算步骤：(1) 鉴别截面类型M1 fcbfhf(h0hf/2) 第一种类型 M1 fcbfhf(h0hf/2) 第二种类型 (2) 第一种类型 计算方法与 bfh 的单筋矩形梁完全相同。取 h0 = h60mm。 (3) 第二种类型 1）见图 4-26

29、，取 M M 1 M 2其中 M11fc(bfb)hf(h0hf2) M 21 fcbx(h0x2) h0 = h - 602） 计算 A s1 A s1 =1fc(bfb) hf/fy 3） 计算 A s2 及 AsM 2M - M1 =1fcbh02(10.5)，可按单筋矩形梁的计算方法，求得A s2 A s = A s1 + A s2验算 b 或 x bh0截面复核已知: bh、 fc、 fy、 bf、 hf、 A s、（M） 求： Mu（ 比较 M Mu）计算步骤：(1) 鉴别截面类型fyAs 1 fcbfhf 第一种类型 fyAs 1fcbfhf 第二种类型 (2) 第一种类型 按 bfh 单筋矩形梁的计算方法求 Mu。取 h0 = h60m