混凝土結構課程

1、（一）本章教學基本要求（1）掌握鋼筋混凝土的基本概念、優(yōu)缺點、課程特點；（2）了解本課程的內(nèi)容、任務和學習方法，了解其在國內(nèi)外應用和發(fā)展情況。1.1 混凝土結構的一般概念教學內(nèi)容：混凝土結構的定義與分類；配筋的作用與要求；鋼筋混凝土結構的優(yōu)缺點 1.2 混凝土結構的發(fā)展概況教學內(nèi)容：混凝土結構的發(fā)展與應用概況 1.3 學習本課程要注意的問題教學內(nèi)容：學習本課程時應注意的三個方面的問題 （二）重點與難點重點：鋼筋混凝土的概念、優(yōu)缺點，本課程的特點及要解決的問題；難點：本課程的特點及要解決的問題。鋼筋混凝土結構由配置受力的普通、網(wǎng)或鋼筋骨架的混凝土制成的結構稱為鋼筋混凝土結構；由配置受力的預應力鋼

2、筋通過張拉或其他方法建立預加應力的混凝土制成的結構稱為預應力混凝土結構；素混凝土結構由無筋或不配置受力鋼筋的混凝土制成的結構稱為素混凝土結構。 鋼筋混凝土結構也存在一些缺點:(1) 自身重力較大: 這對大跨度結構、高層建筑結構以及抗震不利，也給運輸和施工吊裝帶來困難。(2) 抗裂性較差: 受拉和受彎等構件在正常使用時往往帶裂縫工作，對一些不允許出現(xiàn)裂縫或對裂縫寬度有嚴格限制的結構，要滿足這些要求就需要提高工程造價。(3) 隔熱隔聲性能也較差。 針對這些缺點，可采用輕質高強混凝土及預應力混凝土以減輕自重，改善鋼筋混凝土結構的抗裂性能。1.2 混凝土結構的發(fā)展與應用概況 混凝土結構使用至今已約有1

3、50年的歷史。與鋼、木和砌體結構相比，由于它在物理力學性能及材料來源等方面有許多優(yōu)點，所以其發(fā)展速度很快，應用也最廣泛。 隨著高強度鋼筋、高強度高性能混凝土（強度達到100N/mm2）以及高性能外加劑和混合材料的研制使用，高強高性能混凝土的應用范圍不斷擴大，鋼纖維混凝土和聚合物混凝土的研究和應用有了很大發(fā)展。還有，輕質混凝土、加氣混凝土、陶?；炷烈约袄霉I(yè)廢渣的“綠色混凝土”，不但改善了混凝土的性能，而且對節(jié)能和保護環(huán)境具有重要的意義。此外，防射線、耐磨、耐腐蝕、防滲透、保溫等特殊需要的混凝土以及智能型混凝土及其結構也正在研究中。 混凝土結構的應用范圍也在不斷地擴大，已從工業(yè)與民用建筑、交

4、通設施、水利水電建筑和基礎工程擴大到了近海工程、海底建筑、地下建筑、核電站安全殼等領域，甚至已開始構思和實驗用于月面建筑。隨著輕質高強材料的使用，在大跨度、高層建筑中的混凝土結構越來越多。 我國是使用混凝土結構最多的國家，在高層建筑和多層框架中大多采用混凝土結構。在民用建筑中也采用了定型化、標準化的裝配式鋼筋混凝土構件。已建成的88層的上海金茂大廈，高420.5m,是我國目前最高的高層建筑。電視塔、水塔、水池、冷卻塔、煙囪、貯罐、筒倉等特殊構筑物也普遍采用了鋼筋混凝土和預應力混凝土，上海電視塔高468m，其高度為亞洲第一。此外，在大跨度的公共鋼筋混凝土桁架、門式剛架、拱、薄殼等結構形式也有廣泛

5、應用。在鐵路、公路、城市的立交橋、高架橋、地鐵隧道，以及水利港口等交通工程中用鋼筋混凝土建造的水閘、水電站、船塢和碼頭已是星羅棋布。正在興建的長江三峽水利樞紐工程，大壩高186m，壩體混凝土用量達1527萬m3，是世界上最大的水利工程。近年來，我國在混凝土基本理論與設計方法、結構可靠度與荷載分析、工業(yè)化建筑體系、結構抗震與有限元方法、電子計算機在混凝土結構中的應用以及現(xiàn)代化測試技術等方面的研究也取得了很多新的成果，某些方面已達到或接近國際水平。鋼筋混凝土結構的設計和研究向更完善更科學的方向發(fā)展。此外，在混凝土結構設計理論和設計方法方面通過大量研究，取得了很大成績。新頒布的混凝土結構設計規(guī)范 (

6、GB50010-2002)積累了半個世紀以來豐富的工程實踐經(jīng)驗和最新的科研成果，把我國混凝土結構設計方法提高到了當前的國際水平，它將在工程設計中發(fā)揮指導作用?；炷两Y構課程通常按內(nèi)容的性質可分為“混凝土結構設計原理”和“混凝土結構設計”兩部分。前者主要講述各種混凝土基本構件的受力性能、截面設計計算方法和構造等混凝土結構的基本理論，屬于專業(yè)基礎課內(nèi)容。后者主要講述梁板結構、單層廠房、多層和高層房屋等的結構設計，屬于專業(yè)課內(nèi)容。通過本課程的學習，并通過課程設計和畢業(yè)設計等實踐性教學環(huán)節(jié)，使學生初步具有運用這些理論知識正確進行混凝土結構設計和解決實際技術問題的能力。學習本課程時，建議注意下面一些問題

7、：1.加強實驗、實踐性教學環(huán)節(jié)并注意擴大知識面混凝土結構的基本理論相當于鋼筋混凝土及預應力混凝土的材料力學，它是以實驗為基礎的，因此除課堂學習以外，還要加強實驗的教學環(huán)節(jié)，以進一步理解學習內(nèi)容和訓練實驗的基本技能。當有條件時，可進行簡支梁正截面受彎承載力、簡支梁斜截面受剪承載力、偏心受壓短柱正截面受壓承載力的實驗。混凝土結構課程的實踐性很強，因此要加強課程作業(yè)、課程設計和畢業(yè)設計等實踐性教學環(huán)節(jié)的學習，并在學習過程中逐步熟悉和正確運用我國頒布的一些設計規(guī)范和設計規(guī)程。諸如：建筑結構可靠度設計統(tǒng)一標準（GB 50068）、建筑結構荷載規(guī)范（GB 50009-2001）、混凝土結構設計規(guī)范（GB5

8、0010-2002）、建筑抗震設計規(guī)范（ GB50011-2001）、鋼筋混凝土高層建筑結構設計與施工規(guī)程(JGJ3-91)等。本章小結：本章主要學習了鋼筋混凝土的基本概念、優(yōu)缺點、課程特點以及本課程的內(nèi)容、任務和學習方法，并了解鋼筋混凝土結構在國內(nèi)外應用和發(fā)展情況。其中重點要求掌握鋼筋混凝土的概念、優(yōu)缺點，本課程的特點及要解決的問題；難點是本課程的特點及要解決的問題。本 章 提 要鋼筋與混凝土的物理力學性能以及共同工作的特性直接影響混凝土結構和構件的性能，也是混凝土結構計算理論和設計方法的基礎。本章講述鋼筋與混凝土的主要物理力學性能以及混凝土與鋼筋的粘結。 普通混凝土是由水泥、砂、石材料用水

9、拌合硬化后形成的人工石材，是多相復合材料。通常把混凝土的結構分為三種基本類型：微觀結構即水泥石結構；亞微觀結構即混凝土中的水泥砂漿結構；宏觀結構即砂漿和粗骨料兩組分體系。 微觀結構（水泥石結構）由水泥凝膠、晶體骨架、未水化完的水泥顆粒和凝膠孔組成，其物理力學性能取決于水泥的化學礦物成分、粉磨細度、水灰比和凝結硬化條件等?；炷恋暮暧^結構與亞微觀結構有許多共同點，可以把水泥砂漿看作基相，粗骨料分布在砂漿中，砂漿與粗骨料的界面是結合的薄弱面。骨料的分布以及骨料與基相之間在界面的結合強度也是重要的影響因素。 澆注混凝土時的泌水作用會引起沉縮，硬化過程中由于水泥漿水化造成的化學收縮和干縮受到骨料的限制

10、，會在不同層次的界面引起結合破壞，形成隨機分布的界面裂縫。混凝土中的砂、石、水泥膠體組成了彈性骨架，主要承受外力，并使混凝土具有彈性變形的特點。而水泥膠體中的凝膠、孔隙和界面初始微裂縫等，在外力作用下使混凝土產(chǎn)生塑性變形。另一方面，混凝土中的孔隙、界面微裂縫等缺陷又往往是混凝土受力破壞的起源。由于水泥膠體的硬化過程需要多年才能完成，所以混凝土的強度和變形也隨時間逐漸增長?；炷恋膹姸扰c水泥強度等級、水灰比有很大關系；骨料的性質、混凝土的級配、混凝土成型方法、硬化時的環(huán)境條件及混凝土的齡期等也不同程度地影響混凝土的強度；試件的大小和形狀、試驗方法和加載速率也影響混凝土強度的試驗結果。因此各國對各

11、種單向受力下的混凝土強度都規(guī)定了統(tǒng)一的標準試驗方法。 1.混凝土的抗壓強度 (1) 混凝土的立方體抗壓強度和強度等級立方體試件的強度比較穩(wěn)定，所以我國把立方體強度值作為混凝土強度的基本指標，并把立方體抗壓強度作為評定混凝土強度等級的標準。我國國家標準普通混凝土力學性能試驗方法(GBJ81-85)規(guī)定以邊長為150mm的立方體為標準試件，標準立方體試件在(20±3)的溫度和相對濕度90以上的潮濕空氣中養(yǎng)護28d，按照標準試驗方法測得的抗壓強度作為混凝土的立方體抗壓強度，單位為N/mm2。立方體抗壓強度標準值fcu,k 混凝土結構設計規(guī)范規(guī)定用上述標準試驗方法測得的具有95保證率的立方體

12、抗壓強度作為混凝土的立方體抗壓強度標準值，用符號fcu,k表示。混凝土結構設計規(guī)范規(guī)定混凝土強度等級應按立方體抗壓強度標準值fcu,k確定?；炷翉姸鹊燃売蠧15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75和C80，共14個等級。例如，C30表示立方體抗壓強度標準值為30N /mm2。其中，C50C80屬高強度混凝土范疇?；炷两Y構設計規(guī)范規(guī)定，鋼筋混凝土結構的混凝土強度等級不應低于C15；當采用HRB335級鋼筋時，混凝土強度等級不宜低于C20；當采用HRB400和RRB400級鋼筋以及承受重復荷載的構件，混凝土強度等級不得低于C20。預應

13、力混凝土結構的混凝土強度等級不應低于C30；當采用鋼絞線、鋼絲、熱處理鋼筋作預應力鋼筋時，混凝土強度等級不宜低于C40o試驗方法對立方體抗壓強度的影響 圖2-1試件在試驗機上單向受壓時，豎向縮短，橫向擴張，由于混凝土與壓力機墊板彈性模量與橫向變形系數(shù)不同，壓力機墊板的橫向變形明顯小于混凝土的橫向變形，所以墊板通過接觸面上的摩擦力約束混凝土試塊的橫向變形，就象在試件上下端各加了一個套箍，致使混凝土破壞時形成兩個對頂?shù)慕清F形破壞面，抗壓強度比沒有約束的情況要高。如果在試件上下表面涂一些潤滑劑，這時試件與壓力機墊板間的摩擦力大大減小，其橫向變形幾乎不受約束，受壓時沒有“套箍”作用的影響，試件將沿著平

14、行于力的作用方向產(chǎn)生幾條裂縫而破壞，測得的抗壓強度就低。我國規(guī)定的標準試驗方法是不涂潤滑劑的。5) 加載速度對立方體強度的影響加載速度越快，測得的強度越高。通常規(guī)定加載速度為：混凝土強度等級低于C30時，取每秒鐘0.30.5N/mm2；混凝土強度等級高于或等于C30時，取每秒鐘0.50.8N/mm2。6) 齡期對立方體強度的影響 圖2-2混凝土的立方體抗壓強度隨著成型后混凝土的齡期逐漸增長，增長速度開始較快，后來逐漸緩慢，強度增長過程往往要延續(xù)幾年，在潮濕環(huán)境中往往延續(xù)更長。軸心抗壓強度標準值fck 混凝土結構設計規(guī)范規(guī)定以棱柱體試件試驗測得的具有95保證率的抗壓強度為混凝土軸心抗壓強度標準值

15、，用符號fck表示。 3)標準值標準值圖2-4是根據(jù)我國所做的混凝土棱柱體與立方體抗壓強度對比試驗的結果?；炷两Y構設計規(guī)范基于安全取偏低值，軸心抗壓強度標準值與立方體抗壓強度標準值的關系按下式確定： fck0.88c1c2fcu,k (2-1)式中：c1為棱柱體強度與立方體強度之比，對混凝土強度等級為C50及以下的取c1 = 0.76，對C80取c1 = 0.82，在此之間按直線規(guī)律變化取值。c2為高強度混凝土的脆性折減系數(shù)，對C40及以下取c2 =1.00,對C80取c2 =0.87,中間按直線規(guī)律變化取值。0.88為考慮實際構件與試件混凝土強度之間的差異而取用的折減系數(shù)。國外常采用混凝土

16、圓柱體試件來確定混凝土軸心抗壓強度。例如美國、日本和歐洲混凝土協(xié)會(CEB)系采用直徑6英寸(152mm)、高12英寸(305mm)的圓柱體標準試件的抗壓強度作為軸心抗壓強度的指標，記作。實際混凝土結構構件大多是處于復合應力狀態(tài)，例如框架梁、柱既受到柱軸向力作用，又受到彎矩和剪力的作用。節(jié)點區(qū)混凝土受力狀態(tài)一般更為復雜。同時，研究復合應力狀態(tài)下混凝土的強度，對于認識混凝土的強度理論也有重要的意義。在兩個平面作用著法向應力l和2，第三個平面上應力為零的雙向應力狀態(tài)下，不同混凝土強度的二向破壞包絡圖如圖2-7所示，圖中0是單軸向受力狀態(tài)下的混凝土強度。一旦超出包絡線就意味著材料發(fā)生破壞。圖中第一象

17、限為雙向受拉區(qū)，l、2相互影響不大，雙向受拉強度均接近于單向受拉強度。第三象限為雙向受壓區(qū)，大體上一向的強度隨另一向壓力的增加而增加，混凝土雙向受壓強度比單向受壓強度最多可提高27。拉壓狀態(tài)：第二、四象限為拉壓應力狀態(tài)，此時混凝土的強度均低于單向拉伸或壓縮時的強度。 2法向應力與剪應力組合混凝土的強度壓應力低時，抗剪強度隨壓應力的增大而增大；當壓應力約超過0.6時，抗剪強度隨壓應力的增大而減小。也就是說由于存在剪應力，混凝土的抗壓強度要低于單向抗壓強度。另外，還可以看出，抗剪強度隨著拉應力的增大而減小，也就是說剪應力的存在也會使抗拉強度降低。圖2-9混凝土棱柱體受壓應力應變曲線下降段（CE）在

18、峰值應力以后，裂縫迅速發(fā)展，試件的平均應力強度下降，應力應變曲線向下彎曲，直到凹向發(fā)生改變，曲線出現(xiàn)“拐點（D）”。超過“拐點”，曲線開始凸向應變軸，此段曲線中曲率最大的一點E稱為“收斂點”。從收斂點E開始以后的曲線稱為收斂段，這時貫通的主裂縫已很寬，對無側向約束的混凝土，收斂段EF已失去結構意義。上升段： （2-6）下降段： （2-7）式中 fc峰值應力（棱柱體極限抗壓強度）； 。相應于峰值應力時的應變，取。=0.002； u極限壓應變，取u =0.0038。上升段： （2-8）下降段： （2-9）式中 。=0.002；u =0.0035。2) 混凝土的變形模量連接圖2-15中O點至曲線任一

19、點應力為處割線的斜率，稱為任意點割線模量或稱變形模量。由于總變形c中包含彈性變形ela和塑性變形pla兩部分，由此所確定的模量也可稱為彈塑性模量。它的表達式為：（2-11）混凝土的變形模量是個變值，它隨應力大小而不同。3)混凝土的切線模量在混凝土應力應變曲線上某一應力處作一切線，其應力增量與應變增量之比值稱為相應于應力時混凝土的切線模量。 （2-12）混凝土的切線模量也是一個變值，它隨著混凝土的應力增大而減小?；炷恋男熳兣c混凝土的應力大小有著密切的關系。應力越大徐變也越大，隨著混凝土應力的增加，混凝土徐變將發(fā)生不同的情況:圖2-18 壓應力與徐變的關系1)當混凝土應力時，徐變與應力成正比，曲

20、線接近等間距分布，這種情況稱為線性徐變。2) 當混凝土應力時，徐變變形與應力不成正比，徐變變形比應力增長要快，稱為非線性徐變。在非線性徐變范圍內(nèi)，當加載應力過高時，徐變變形急劇增加不再收斂，呈非穩(wěn)定徐變的現(xiàn)象，可能造成混凝土的破壞?；炷翗嫾谑褂闷陂g，應當避免經(jīng)常處于不變的高應力狀態(tài)。養(yǎng)護時溫度高、濕度大，水泥水化作用充分，徐變越小；而受到荷載作用后所處的環(huán)境溫度越高、濕度越低，則徐變越大。混凝土的應力大小混凝土的應力越大徐變也越大。(5) 徐變對混凝土結構和構件的工作性能的影響由于混凝土的徐變，會使構件的變形增加，在鋼筋混凝土截面中引起應力重分布。在預應力混凝土結構中會造成預應力損失。3.

21、 混凝土在荷載重復作用下的變形（疲勞變形）混凝土的疲勞是在荷載重復作用下產(chǎn)生的?；炷猎诤奢d重復作用下引起的破壞稱為疲勞破壞。疲勞現(xiàn)象大量存在于工程結構中，鋼筋混凝土吊車梁受到重復荷載的作用，鋼筋混凝土道橋受到車輛振動的影響以及港口海岸的混凝土結構受到波浪沖擊而損傷等都屬于疲勞破壞現(xiàn)象。疲勞破壞的特征是裂縫小而變形大。對混凝土棱柱體試件，一次加載應力小于混凝土疲勞強度時，其加載卸載應力應變曲線OAB形成了一個環(huán)狀。而在多次加載、卸載作用下，應力應變環(huán)會越來越密合，經(jīng)過多次重復，這個曲線就密合成一條直線。1) 消除應力鋼絲 3) 鋼筋的強度和變形性能可以用拉伸試驗得到的來說明。鋼筋的，有的有明顯

22、的流幅（例如熱軋低碳鋼筋和熱軋低合金鋼筋）；有的則沒有明顯的流幅（例如預應力鋼絲、鋼絞線和熱處理鋼筋）。1) OA段 彈性階段：應力與應變成比例變化，與A點對應的應力稱為比例極限或彈性極限。2) AC段 屈服階段：過A點后，應力基本不增加而應變急劇增長，曲線接近水平線。B點到C點的水平距離的大小稱為流幅或屈服臺階。B點稱為屈服上限，B點稱為屈服下限，有明顯流幅的熱軋鋼筋屈服強度是按屈服下限確定的。3) CD段 強化階段：過C點以后，應力又繼續(xù)上升，說明鋼筋的抗拉能力又有所提高。隨著曲線上升到最高點D,相應的應力稱為鋼筋的極限強度。4) DE段 頸縮階段：過了D點，試件薄弱處的截面將會突然顯著縮

23、小，發(fā)生局部頸縮，變形迅速增加，應力隨之下降，達到E點時試件被拉斷。對沒有明顯流幅或屈服點的預應力鋼絲、鋼絞線和熱處理鋼筋，為了與鋼筋國家標準相一致，混凝土結構設計規(guī)范中也規(guī)定在構件承載力設計時，取極限抗拉強度的85作為條件屈服點，如圖2-25所示。當s,hss,u時， fs = fy + (s - s,h)tg (2-17)(a) 2. 鋼筋疲勞斷裂的原因一般認為是由于鋼筋內(nèi)部和外部的缺陷，在這些薄弱處容易引起應力集中。應力過高，鋼材晶粒滑移，產(chǎn)生疲勞裂紋，應力重復作用次數(shù)增加，裂紋擴展，從而造成斷裂。3. 鋼筋的疲勞強度鋼筋的疲勞強度是指在某一規(guī)定應力幅度內(nèi)，經(jīng)受一定次數(shù)循環(huán)荷載后發(fā)生疲勞

24、破壞的最大應力值。由于承受重復性荷載的作用，鋼筋的疲勞強度低于其在靜荷載作用下的極限強度。(1) 方法鋼筋有兩種方法：一種是直接進行單根原狀鋼筋軸拉試驗；另一種是將鋼筋埋人混凝土中使其重復受拉或受彎的試驗。我國采用直接做單根鋼筋軸拉試驗的方法。(2) 疲勞應力比值鋼筋對預應力鋼筋，當0.9時可不進行疲勞強度驗算。(3) 循環(huán)荷載的次數(shù)我國要求滿足循環(huán)次數(shù)為200萬次，即對不同的疲勞應力比值滿足循環(huán)次數(shù)為200萬次條件下的鋼筋最大應力值為鋼筋的疲勞強度。 1. 強度 指鋼筋的屈服強度及極限強度。屈服強度是設計的主要依據(jù)（對無明顯流幅的鋼筋，取它的條件屈服點）。采用高強度鋼筋可以節(jié)約鋼材，取得較好

25、的經(jīng)濟效果。 2. 塑性指鋼筋的彎性能。保證鋼筋在斷裂前有足夠的變形，能給出構件將要破壞的預告信號，同時要保證鋼筋冷彎的要求。鋼筋的彎性能是施工單位驗收鋼筋是否合格的主要指標。鋼筋和混凝土能共同工作，除了二者具有相近的線膨脹系數(shù)外，更主要的是由于混凝土硬化后，鋼筋與混凝土之間產(chǎn)生了良好的粘結力。為了保證鋼筋不被從混凝土中拔出或壓出，還要求鋼筋有良好的錨固。粘結和錨固是鋼筋和混凝土形成整體、共同工作的基礎。 2. 粘結應力鋼筋混凝土受力后會沿鋼筋和混凝土接觸面上產(chǎn)生剪應力，通常把這種剪應力稱為粘結應力。根據(jù)受力性質的不同，鋼筋與混凝土之間的粘結應力可分為裂縫間的局部粘結應力和鋼筋端部的錨固粘結應

26、力兩種:鋼筋和混凝土之間的粘結應力(a) 錨固粘結應力 (b) 裂縫間的局部粘結應力(1) 裂縫間的局部粘結應力在相鄰兩個開裂截面之間產(chǎn)生的，鋼筋應力的變化受到粘結應力的影響，粘結應力使相鄰兩個裂縫之間混凝土參與受拉。局部粘結應力的喪失會影響構件的剛度的降低和裂縫的開展。(2) 鋼筋端部的錨固粘結應力鋼筋伸進支座或在連續(xù)梁中承擔負彎矩的上部鋼筋在跨中截斷時，需要延伸一段長度，即錨固長度。要使鋼筋承受所需的拉力，就要求受拉鋼筋有足夠的錨固長度以積累足夠的粘結力，否則，將發(fā)生錨固破壞。2.3.2 粘 結 力 的 組 成 1. 粘結力的組成鋼筋與混凝土的粘結作用主要由三部分所組成：(1)鋼筋與混凝土

27、接觸面上的化學吸附作用力（膠結力）。(2)混凝土收縮握裹鋼筋而產(chǎn)生摩阻力。(3)鋼筋表面凹凸不平與混凝土之間產(chǎn)生的機械咬合作用力（咬合力）。2. 光圓鋼筋和變形鋼筋的粘結機理的主要差別光面鋼筋粘結力主要來自膠結力和摩阻力，而變形鋼筋的粘結力主要來自機械咬合作用（圖2-28）。二者的差別，可以用釘入木料中的普通釘和螺絲釘?shù)牟顒e來理解。圖2-28 變形鋼筋和混凝土的機械咬合作用2.3.3 粘 結 強 度鋼筋的粘結強度通常采用直接拔出試驗來測定，為了反映彎矩的作用，也用梁式試件進行彎曲拔出試驗。由直接拔出試驗，鋼筋和混凝土之間的平均粘結應力可表示為(a) 直接拔出試驗 (b) 彎曲拔出試驗圖3-3

28、可靠指標與失效概率關系示意圖 (3) 從圖3-3可以看到，陰影部分的面積與的大小有關：增大，曲線右移，陰影面積將減少；減小，曲線變得高而窄，陰影面積也將減少。如果將曲線對稱軸至縱軸的距離表示成的倍數(shù)，取則 可以看出大，則失效概率小。所以，和失效概率一樣可作為衡量結構可靠度的一個指標，稱為可靠指標。(4) 與失效概率的對應關系附表2-1附表2-2附表2-6附表2-7附表2-8附表2-93.2 “作用”和“荷載”有什么區(qū)別？影響結構可靠性的因素有哪些？結構構件 的杭力與哪些因素有關？為什么說構件的抗力是一個隨機變量？3.3 什么是結構的極限狀態(tài)？結構的極限狀態(tài)分為幾類，其含義各是什么？3.4 建筑

29、結構應該滿足哪些功能要求？結構的設計工作壽命如何確定？結構超過 其設計工作壽命是否意味著不能再使用？為什么？3.5 正態(tài)分布概率密度曲線有哪些數(shù)字特征？這些數(shù)字特征各表示什么意義？正 態(tài)分布概率密度曲線有何特點？3.6 材料強度是服從正態(tài)分布的隨機變量x，其概率密度為f(x)，怎樣計算材 料強度大于某一取值x。的概率P(x>x。)？3.7 什么是保證率？什么叫結構的可靠度和可靠指標？我國建筑結構設計統(tǒng)一 標準對結構可靠度是如何定義的？3.8 什么是結構的功能函數(shù)？什么是結構的極限狀態(tài)？功能函數(shù)Z0、ZO和 Z=0時各表示結構處于什么樣的狀態(tài)？3.9 什么是結構可靠概率Ps和失效概率pf?

30、什么是目標可靠指標？可靠指標與結 構失效概率有何定性關系？怎樣確定可靠指標？為什么說我國“規(guī)范”采用的極限狀態(tài)設計法是近似概率設計方法？其主要特點是什么？3.10 我國“規(guī)范”承載力極限狀態(tài)設計表達式采用何種形式？說明式中各符號 的物理意義及荷載效應基本組合的取值原則。式中可靠指標體現(xiàn)在何處？3.11 什么是荷載標準值？什么是活荷載的頻遇值和準永久值？什么是荷載的組 合值？對正常使用極限狀態(tài)驗算，為什么要區(qū)分荷載的標準組合和荷載的 準永久組合？如何考慮荷載的標準組合和荷載的準永久組合？3.12 混凝土強度標準值是按什么原則確定的？混凝土材料分項系數(shù)和強度設計 值是如何確定的？3.13 鋼筋的強

31、度設計值和標準值是如何確定的？分別說明鋼筋和混凝土的強度 標準值、平均值及設計值之間的關系。(4) 現(xiàn)澆板的厚度尚應滿足表4-1的現(xiàn)澆鋼筋混凝土板的最小厚度要求。表4-11. 混凝土強度等級梁、板常用的混凝土強度等級是C20、C30、C40。提高混凝土強度等級對增大受彎構件正截面受彎承載力的作用不顯著。 2. 鋼筋強度等級及常用直徑(1) 梁的鋼筋強度等級和常用直徑 1) 縱向受力鋼筋梁中縱向受力鋼筋宜采用HRB400級或RRB400級（級）和HRB335級（級），常用直徑為12mm, 14mm, 16mm, 18mm, 20mm, 22mm和25mm。根數(shù)最好不少于3（或4）根。設計中若采用

32、兩種不同直徑的鋼筋，鋼筋直徑相差至少2mm,以便于在施工中能用肉眼識別。為了便于澆注混凝土，以保證鋼筋周圍混凝土的密實性，縱筋的凈間距應滿足圖4-2所示的要求。圖4-2 凈距、保護層及有效高度2) 架立鋼筋對于單筋矩形截面梁，當梁的跨度小于4m時，架立鋼筋的直徑不宜小于8mm；當梁的跨度等于46m時，不宜小于l0mm；當梁的跨度大于6m時，不宜小于12mm。3) 梁的箍筋宜采用HPB235級（級）、HRB335（級）和HRB400級（級）的鋼筋，常用直徑是6mm、8mm和l0mm。(2) 板的鋼筋強度等級及常用直徑 板內(nèi)鋼筋一般有縱向受拉鋼筋與分布鋼筋兩種。1) 板的受力鋼筋板的縱向受拉鋼筋常

33、用HPB235級（級）、HRB335級（級）和HRB400級（級）鋼筋，常用直徑是6mm、8mm、l0mm和12mm，其中現(xiàn)澆板的板面鋼筋直徑不宜小于8mm。如圖4-3所示。圖4-3 板的配筋為了便于澆注混凝土，以保證鋼筋周圍混凝土的密實性，板內(nèi)鋼筋間距不宜太密，為了正常地分擔內(nèi)力，也不宜過稀。鋼筋的間距一般為70200 mm；當板厚h150mm，不宜大于200 mm；當板厚h150mm，不宜大于1. 5h，且不應大于250mm。 附表5-2附表5-41. 適筋梁正截面受彎承載力的實驗(1) 試驗梁受彎構件正截面受彎破壞形態(tài)與縱向受拉鋼筋配筋率有關。當受彎構件正截面內(nèi)配置的縱向受拉鋼筋能使其正

34、截面受彎破壞形態(tài)屬于延性破壞類型時，稱為適筋梁。 圖4-4為一混凝土設計強度等級為C25的鋼筋混凝土簡支梁。為消除剪力對正截面受彎的影響，采用兩點對稱加載方式，使兩個對稱集中力之間的截面，在忽略自重的情況下，只受純彎矩而無剪力，稱為純彎區(qū)段。在長度為L0/3的純彎區(qū)段布置儀表，以觀察加載后梁的受力全過程。荷載是逐級施加的，由零開始直至梁正截面受彎破壞。圖4-4 試 驗 梁(2) 適筋梁正截面受彎的三個階段圖4-5 M0 0圖 圖4-5中縱坐標為梁跨中截面的彎矩實驗值M0 ,橫坐標為梁跨中截面曲率實驗值0。可見，M0 0關系曲線上有兩個明顯的轉折點C和y，故適筋梁正截面受彎的全過程可劃分為三個階

35、段 未裂階段、裂縫階段和破壞階段。 1）第階段：混凝土開裂前的未裂階段 剛開始加載時，由于彎矩很小，混凝土基本上處于彈性工作階段，應力與應變成正比，受壓區(qū)和受拉區(qū)混凝土應力分布圖形為三角形。見圖4-6 (a)。在彎矩增加到M0cr 時，受壓區(qū)混凝土基本上處于彈性工作階段，受壓區(qū)應力圖形接近三角形；而受拉區(qū)應力圖形則呈曲線分布,受拉區(qū)邊緣纖維的應變值即將到達混凝土的極限拉應變值，截面遂處于即將開裂狀態(tài)，稱為第階段末，用a表示。見圖4-6(b)。由于受拉區(qū)混凝土塑性的發(fā)展，a 階段時中和軸的位置比第階段初期略有上升。第階段的特點是: 混凝土沒有開裂；受壓區(qū)混凝土的應力圖形是直線，受拉區(qū)混凝土的應力

36、圖形在第階段前期是直線，后期是曲線；彎矩與截面曲率基本上是直線關系。 a 階段可作為受彎構件抗裂度的計算依據(jù)。 圖4-6 鋼筋混凝土梁工作的三個階段2) 第階段：混凝土開裂后至鋼筋屈服前的裂縫階段 M0M0cr,時，在純彎段抗拉能力最薄弱的某一截面處，將首先出現(xiàn)第一條裂縫、梁即由第階段轉入為第階段工作。 裂縫出現(xiàn)時梁的撓度和截面曲率都突然增大，裂縫截面處的中和軸位置也將隨之上移。在中和軸以下裂縫尚未延伸到的部位，混凝土雖然仍可承受一小部分拉力，但受拉區(qū)的拉力主要由鋼筋承擔。見圖4-6(c)。 彎矩再增大，主裂縫開展越來越寬，受壓區(qū)應力圖形呈曲線變化。當彎矩繼續(xù)增大到受拉鋼筋應力即將到達屈服強度

37、f0y時，稱為第階段末，用a表示。見圖4-6(d)。 第階段是截面混凝土裂縫發(fā)生、開展的階段，在此階段中梁是帶裂縫工作的。其受力特點是：在裂縫截面處，受拉區(qū)大部分混凝土退出工作，拉力主要由縱向受拉鋼筋承擔，但鋼筋沒有屈服；受壓區(qū)混凝土已有塑性變形，但不充分，壓應力圖形為只有上升段的曲線；彎矩與截面曲率是曲線關系，截面曲率與撓度的增長加快了。 階段相當于梁使用時的應力狀態(tài)，可作為使用階段驗算變形和裂縫開展寬度的依據(jù)。 3)第階段：鋼筋開始屈服至截面破壞的破壞階段 縱向受拉鋼筋屈服后，正截面就進入第階段工作。 鋼筋屈服，中和軸繼續(xù)上移，受壓區(qū)高度進一步減小，受壓區(qū)壓應力圖形更趨豐滿。彎矩再增大直至

38、極限彎矩實驗值M0u時，稱為第階段末，用a表示。此時，邊緣纖維壓應變到達（或接近）混凝土的極限壓應變實驗值0cu，標志著截面已開始破壞。見圖4-6(e)。 在第階段整個過程中，鋼筋所承受的總拉力大致保持不變，但由于中和軸逐步上移，內(nèi)力臂z略有增加，故截面極限彎矩M0u略大于屈服彎矩M0y?？梢姷陔A段是截面的破壞階段，破壞始于縱向受拉鋼筋屈服，終結于受壓區(qū)混凝土壓碎。其受力特點是：縱向受拉鋼筋屈服，拉力保持為常值；裂縫截面處，受拉區(qū)大部分混凝土已退出工作，受壓區(qū)混凝土壓應力曲線圖形比較豐滿，有上升段曲線，也有下降段曲線；由于受壓區(qū)混凝土合壓力作用點外移使內(nèi)力臂增大，故彎矩還略有增加；受壓區(qū)邊緣混

39、凝土壓應變達到其極限壓應變實驗值0cu時，混凝土被壓碎，截面破壞；彎矩一曲率關系為接近水平的曲線。 第階段末(a )可作為正截面受彎承載力計算的依據(jù)。圖4-7 矩形梁混凝土及鋼筋應力實測結果 (3) 適筋梁正截面受彎的三個受力階段的主要特點表4-2fcu,k-50)10-5 2. 基本假定條文說明(1) 基本假定1. 是指在荷載作用下，梁的變形規(guī)律符合“平均應變平截面假定”，簡稱平截面假定。國內(nèi)外大量實驗，包括矩形、T形、I字形及環(huán)形截面的鋼筋混凝土構件受力以后，截面各點的混凝土和鋼筋縱向應變沿截面的高度方向呈直線變化。同時平截面假定也是簡化計算的一種手段。(2) 基本假定2忽略中和軸以下混凝

40、土的抗拉作用，主要是因為混凝土的抗拉強度很小，且其合力作用點離中和軸較近，內(nèi)力矩的力臂很小的緣故。(3) 基本假定3 采用拋物線上升段和水平段的混凝土受壓應力一應變關系曲線，見圖4一11。 曲線方程隨著混凝土強度等級的不同而有所變化，峰值應變和極限壓應變的取值隨混凝土強度等級的不同而不同。對于正截面處于非均勻受壓時的混凝土，極限壓應變的取值最大不超過0.0033。圖4-11 混凝土應力一應變曲線(4) 基本假定4 實際上是給定了鋼筋混凝土構件中鋼筋的破壞準則，即0.01。對于混凝土各強度等級，各參數(shù)的計算結果見表4一3。規(guī)范建議的公式僅適用于正截面計算。表4-3圖4-12為一單筋矩形截面適筋梁

41、的應力圖形。由于采用了平截面假定以及基本假定3，其受壓區(qū)混凝土的壓應力圖形符合圖4一11所示的曲線，此圖形可稱為理論應力圖形。當混凝土強度等級為C50及以下時，截面受壓區(qū)邊緣達到了混凝土的極限壓應變值 =0.0033。受壓區(qū)混凝土壓應力的合力C （4-9）合力C到中和軸的距離yc（4-10）（4-17）圖4-12 2表 4-7 思 考 題4.1 混凝土彎曲受壓時的極限壓應變 取為多少？4.2 什么叫“界限破壞”？“界限破壞”時的等于多少？4.3 為什么要掌握鋼筋混凝土受彎構件正截面受彎全過程中各階段的應力狀態(tài)，它與建立正截面受彎承載力計算公式有何關系？4.4 什么叫少筋梁、適筋梁和超筋梁？在實

42、際工程中為什么應避免采用少筋梁和超筋梁?4.5 什么叫配筋率，它對梁的正截面受彎承載力有何影響？4.6 單筋矩形截面梁的正截面受彎承載力的最大值Mu，max與哪些因素有關？4.7 雙筋矩形截面受彎構件中，受壓鋼筋的抗壓強度設計值是如何確定的？4.8 在什么情況下可采用雙筋截面梁，雙筋梁的基本計算公式為什么要有適用條件？ 的雙筋梁出現(xiàn)在什么情況下，這時應當如何計算？4.9 T形截面梁的受彎承載力計算公式與單筋矩形截面及雙筋矩形截面梁的受 彎承載力計算公式有何異同點？4.10 在正截面受彎承載力計算中，對于混凝土強度等級小于C50的構件和混凝 土強度等級等于及大于C50的構件，其計算有什么區(qū)別？第

43、 5 章 受彎構件的斜截面承載力 概 述1. 梁內(nèi)配置的鋼筋(1) 縱向受拉、受壓鋼筋(2) 架立鋼筋(3) 箍筋(4) 彎起鋼筋(5) 側向構造鋼筋（腰筋、拉結筋）(6) 附加構造鋼筋（箍筋、吊筋）圖 5-1 箍筋和彎起鋼筋2梁的破壞類型(1) 正截面受彎破壞 通過計算配置縱向受拉、受壓鋼筋來滿足；(2) 斜截面受剪破壞 通過計算或構造配置箍筋或彎起鋼筋來滿足；(3) 斜截面受彎破壞 通過對縱向鋼筋和箍筋的構造要求來滿足。3鋼筋彎起處劈裂裂縫在工程設計中，首先選用豎直箍筋，然后再考慮采用彎起鋼筋。選用的彎筋位置不宜在梁側邊緣，且直徑不宜過粗。圖 5-2 鋼筋彎起處劈裂裂縫 斜裂縫、剪跨比及斜

44、截面受剪破壞形態(tài)斜 裂 縫1. 斜裂縫的位置鋼筋混凝土梁在其剪力V和彎矩M共同作用的剪彎區(qū)段內(nèi)（支座附近區(qū)段），將產(chǎn)生斜裂縫。2斜裂縫類型 斜裂縫主要有兩類：腹剪斜裂縫和彎剪斜裂縫。 (1)腹剪斜裂縫圖5-3為一無腹筋簡支梁在對稱集中荷載作用下的主應力軌跡線圖形，實線是主拉應力跡線，虛線是主壓應力跡線。圖 5-3 主應力軌跡線在中和軸附近，主拉應力方向大致為450 。當荷載增大，拉應變達到混凝土的極限拉應變值時，混凝土開裂，沿主壓應力跡線產(chǎn)生腹部的斜裂縫，稱為腹剪斜裂縫。腹剪斜裂縫中間寬兩頭細，呈棗核形，常見于薄腹梁中，如圖5-4 (a)所示。(2)彎剪斜裂縫從主應力跡線圖上可以看出，在剪彎區(qū)

45、段截面的下邊緣，主拉應力還是水平向的，所以，在這些區(qū)段仍可能首先出現(xiàn)一些較短的垂直裂縫，然后延伸成斜裂縫，向集中荷載作用點發(fā)展，這種由垂直裂縫引伸而成的斜裂縫的總體，稱為彎剪斜裂縫，這種裂縫上細下寬，是最常見的，如圖5一4（b）所示。圖 5-4 斜裂縫（a）腹剪斜裂縫；（b）彎剪斜裂縫 5.2.2 剪 跨 比 1簡支梁承載及裂縫示意圖圖 5-5 簡支梁受力圖（a）裂縫示意圖；（b）內(nèi)力圖2廣義剪跨比 3. 計算剪跨比 (1) 集中荷載時式中 剪跨， (2) 均布荷載時式中 跨高比。剪跨比反映了截面上彎矩與剪力的相對比值。它對梁的斜截面受剪破壞形態(tài)和斜截面受剪承載力，有著極為重要的影響。斜截面受

46、剪破壞的三種主要形態(tài) 圖 5-6 主應力跡線分布圖由圖可見，當剪跨比很小時，就可能在集中荷載與支座反力之間形成短柱而壓壞；而當剪跨比很大時，在支座與集中荷載之間沒有直接的主壓應力跡線，故可能產(chǎn)生斜向受拉破壞。無腹筋梁的斜截面受剪破壞形態(tài)主要有斜壓破壞、剪壓破壞和斜拉破壞三種形態(tài)。 圖 5-7 斜截面破壞形態(tài)1) 斜壓破壞 式中 Vsb 彎起鋼筋的拉力在垂直于梁軸方向的分力值；MR MRMRMRM MRMRMMRMRMR MRi = MR·Asi / As MRMRiMR 的外側。MR M MR MR MMRMR max）6) 除構造需要的錨固長度外，當受力鋼筋的實際配筋面積大于其設計

47、計算值時，鋼筋應力小于強度設計值，此時錨固長度可縮短。其修正量為設計計算面積與實際配筋面積的比值。但直接承受動力荷載的結構和抗震設計的結構，不得考慮此項修正。圖5-35 支座鋼筋的錨固1) 如在焊接骨架中采用光面鋼筋作為縱向受力鋼筋時，鋼筋末端可不做彎鉤，但在鋼筋的錨固長度內(nèi)應加焊橫向鋼筋：當時，至少一根；當時，至少二根；橫向鋼筋的直徑不應小于縱向受力鋼筋直徑的一半；同時，加焊在最外邊的橫向鋼筋，應靠近縱向鋼筋的末端。2) 混凝土強度等級C25的簡支梁和連續(xù)梁的簡支端，如在距支座1.5h范圍內(nèi)，作用有集中荷載（包括作用有多種荷載，而其中集中荷載對支座截面所產(chǎn)生的剪力占總剪力值75以上的情況），

48、且時，對熱軋帶肋鋼筋宜采用附加錨固措施，或取。 3) 支承在砌體結構上的鋼筋混凝土獨立梁，在縱向受力鋼筋的錨固長度范圍內(nèi)應配置不少于兩個箍筋，其直徑不宜小于縱向受力鋼筋最大直徑的0.25倍，間距不宜大于縱向受力鋼筋最小直徑的10倍，當采取機械錨固措施時，箍筋間距尚不宜大于縱向受力鋼筋最小直徑的5倍。 4) 梁簡支端支座截面上部應配負彎矩鋼筋，其數(shù)量不小于下部縱向受力鋼筋的1/4，且不少于2根。2.搭接 梁中鋼筋長度不夠時，可采用互相搭接或焊接的辦法，當接頭用搭接而不加焊時，其搭接長度 規(guī)定如下： (1)受拉鋼筋當受拉鋼筋直徑大于28mm時，不宜采用搭接接頭。同一構件中相鄰縱向受力鋼筋的綁扎搭接

49、接頭宜相互錯開。應根據(jù)位于同一連接區(qū)段內(nèi)的搭接鋼筋面積百分率，按下式計算： 1) 搭接接頭面積百分率: 是指在同一連接區(qū)段內(nèi)，有搭接接頭的受力鋼筋與全部受力鋼筋面積之比。 2) 同一連接區(qū)段: 鋼筋綁扎搭接接頭連接區(qū)段的長度為1.3倍搭接長度，凡搭接接頭中點位于該連接區(qū)段長度內(nèi)的搭接接頭均屬于同一連接區(qū)段。（圖5-38）。5.7 在設計中采用什么措施來防止梁的壓和拉破壞？5.8 寫出矩形、T形、形梁在不同荷載情況下截面受剪承載力計算公式。5.9 連續(xù)梁的受剪性能與簡支梁相比有何不同？為什么它們可以采用同一受剪承載力計算公式？5.10 計算梁截面受剪承載力時應取那些計算截面？5.11 什么是材料

50、抵杭彎矩圖？如何繪制？為什么要繪制？5.12 為了保證梁截面受彎承載力，對縱筋的彎起、錨固、截斷以及箍筋的間 距，有什么構造要求？本章提要 受壓構件是鋼筋混凝土結構中的重要章節(jié)，它分為軸心受壓和偏心受壓（單向偏心受壓構件和雙向偏心受壓構件）兩部分。軸心受壓構件截面應力分布均勻，兩種材料承受壓力之和，在考慮構件穩(wěn)定影響系數(shù)后，即為構件承載力計算公式。對于配有縱筋及螺旋箍筋的柱，由于螺旋箍筋約束混凝土的橫向變形，因而其承載力將會有限度的提高。偏心受壓構件因偏心距大小和受拉鋼筋多少的不同，截面將有兩種破壞情況，即大偏心受壓（截面破壞時受拉鋼筋能屈服）和小偏心受壓（截面破壞時受拉鋼筋不能屈服）構件。在

51、考慮了偏心距增大系數(shù)后，根據(jù)截面力的平衡條件，即可得偏心受壓構件的計算公式。截面有對稱配筋和不對稱配筋兩類，實用上對稱配筋截面居多。無論是對稱配筋或不對稱配筋，計算時均應判別大、小偏心的界限，分別用其計算公式對截面進行計算。受壓構件一般構造要求一般采用方形或矩形，有時也采用圓形或多邊形。偏心受壓構件一般采用矩形截面，但為了節(jié)約混凝土和減輕柱的自重，較大尺寸的柱常常采用I形截面。拱結構的肋常做成T形截面。采用離心法制造的柱、樁、電桿以及煙囪、水塔支筒等常用環(huán)形截面。2 材 料 強 度 要 求1 混凝土強度等級宜采用較高強度等級的混凝土。一般采用C25、C30、C35、C40，對于高層建筑的底層柱

52、，必要時可采用高強度等級的混凝土。2縱向鋼筋一般采用HRB400級、HRB335級和RRB400級，不宜采用高強度鋼筋，這是由于它與混凝土共同受壓時，不能充分發(fā)揮其高強度的作用柱內(nèi)縱筋的混凝土保護層厚度對一級環(huán)境取30mm。 6鋼筋間距(1) 凈距50mm；(1) 當截面短邊大于400mm，截面各邊縱筋多于3 根時，應設置復合箍筋，；(2) 當截面短邊不大于400mm，且縱筋不多于四根時，可不設置復合箍筋，。 軸心受壓普通箍筋柱正截面受壓承載力計算最常見的軸心受壓柱是普通箍筋柱，見圖6-3?？v筋的作用是提高柱的承載力，減小構件的截面尺寸，防止因偶然偏心產(chǎn)生的破壞，改善破壞時構件的延性和減小混凝土的徐變變形。箍筋能與縱筋形成骨架，并防止縱筋受力后外凸。 圖 6-3 配有縱筋和普通箍筋的柱1. 受力分析和破壞形態(tài)(1) 短柱的受力分析和破壞形態(tài)（lo/b8、lo/d7）1) 當荷載較小時, 混凝土和鋼筋都處于彈性階段，縱筋和混凝土的壓應力與荷載成正比，但鋼筋的壓應力比混凝土的壓應力增加得快，見圖6-4。圖 6-4 應力一荷載曲線示意圖2) 隨著荷載的繼續(xù)增加, 柱中開始出現(xiàn)微細裂縫，在臨近破壞荷載時，柱四周出現(xiàn)明顯的縱向裂縫，箍筋間的縱筋發(fā)生壓屈，向外凸出，混凝土