混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計所以然

混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計所以然一、混凝土的配置強(qiáng)度如何確定？根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50010-2010)第4.1.1條：混凝土強(qiáng)度等級應(yīng)按立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值確定。立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值系指按標(biāo)準(zhǔn)方法制作、養(yǎng)護(hù)的邊長為150mmX150mm的立方體試件，在28d或者設(shè)計規(guī)定齡期以標(biāo)準(zhǔn)試驗方法測得的具體有95%保證率的抗壓強(qiáng)度值。構(gòu)件具體制作詳細(xì)過程見規(guī)范《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081-2002)。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50010-2010)條文說明第4.1.1條：按混凝土強(qiáng)度總體分布的平均值減去1.645倍的標(biāo)準(zhǔn)差的原則確定。用公式表示，即：f,fjjL64%f,15(1.64於fc)式中：fcu,k——混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，即混凝土強(qiáng)度等級值(N/mm2)；Mfcu,15——混凝土立方體(邊長150mm)抗壓強(qiáng)度總體分布的平均值；Zfcu——混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差；5fcu——混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的變異系數(shù)。二、為什么要引入標(biāo)準(zhǔn)差？標(biāo)準(zhǔn)差(StandardDeviation)是一組數(shù)值自平均值分散開來的程度的一種測量觀念。一個較大的標(biāo)準(zhǔn)差，代表大部分的數(shù)值和其平均值之間差異較大；一個較小的標(biāo)準(zhǔn)差，代表這些數(shù)值較接近平均值。比如：混凝土強(qiáng)度試驗值。離散程度最常用的一種量化形式，是表示精密確的最要指標(biāo)。由于檢測方法總是有誤差的，所以檢測值并不是其真實值。但是真實值是多少，不得而知。為了保證每批實驗結(jié)果的準(zhǔn)確可靠，量化檢測方法的準(zhǔn)確性，必須引入評價試驗離散度的概念。雖然樣本的真實值是不可能知道的，但是每個樣本總是會有一個真實值的，不管它究竟是多少?？梢韵胂?，一個好的檢測方法，基檢測值應(yīng)該很緊密的分散在真實值周圍。如何不緊密，那距真實值的就會大，準(zhǔn)確性當(dāng)然也就不好了，不可能想象離散度大的方法，會測出準(zhǔn)確的結(jié)果。因此，離散度是評價方法的好壞的最重要也是最基本的指標(biāo)。至于1.645是怎么來的，這玩意要涉及到統(tǒng)計學(xué)概率論，我也不是很懂這鬼東西。反正是根據(jù)混凝土試驗正態(tài)分布圖，分布曲線中心兩側(cè)95%的概率區(qū)域?qū)?yīng)的橫坐標(biāo)剛好是正負(fù)1.645個標(biāo)準(zhǔn)差，意思就是要保證該試配強(qiáng)度的混凝土的強(qiáng)度保證率為95%，充分地保證了結(jié)構(gòu)物的安全。具體怎么計算，我不懂。三、混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的由來？按照混凝土抗壓強(qiáng)度理論值，混凝土的標(biāo)號應(yīng)該是其強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，然而，實際上并非如此。例如：C30混凝土，其抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)該是30N/mm2,但根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50010-2010)表4.1.3-1所對應(yīng)的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為fck=20.1N/mm2，這又是為什么？這個就要涉及到棱柱體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值與立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的換算關(guān)系，脆性折減系數(shù)，混凝土構(gòu)件強(qiáng)度修正系數(shù)。即，混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的關(guān)系如下所示：棱柱體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fck與立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的換算關(guān)fck=0.88XaclXac2Xfcu,k其中：acl為棱柱體強(qiáng)度與立方體強(qiáng)度之比C50及以下：ac1=0.76C80：ac1=0.82兩者之間用內(nèi)插法確定其值ac2為高強(qiáng)度混凝土的脆性折減系數(shù)C40及以下：ac2=1.00C80：ac2=0.87兩者之間用內(nèi)插法確定其值既然如此，為什么不直接使用混凝土棱柱體抗壓強(qiáng)度這個力學(xué)指標(biāo)，作為混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值呢？為什么還要考慮立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值？這算是多此一舉嗎？首先，受壓是表面有摩擦力，約束混凝土的側(cè)向發(fā)展，使得此壓力稍大于彼壓力，這是立方體試件強(qiáng)度高的原因之一；混凝土是含有缺陷的不均質(zhì)材料，內(nèi)部缺陷是強(qiáng)度的薄弱點，缺陷的數(shù)量和缺陷嚴(yán)重程度決定強(qiáng)度高低。棱柱體試件長，總體積相對大，內(nèi)部缺陷的數(shù)量就會多，強(qiáng)度相對就低。其次，150mm立方體的試塊是標(biāo)準(zhǔn)試塊，它只能代表混凝土的強(qiáng)度等級，即用來評定混凝土強(qiáng)度等級。畢竟棱柱體試件存在內(nèi)部缺陷，不能真實反映出混凝土的實際強(qiáng)度等級，所以立方體試塊必不可缺。而而實際的工程中很多構(gòu)件是圓柱型或方型的，且都屬于長構(gòu)件，那么它不僅僅要求混凝土的強(qiáng)度達(dá)到要求，還有其它方面的要求，例如：抗折強(qiáng)度，軸心抗壓強(qiáng)度、抗?jié)B性等。而150mmX150mmX300mm的試件就是對其它方面檢測的一個試件尺寸要求，如果是作為構(gòu)件設(shè)計值使用，采用棱柱體抗壓強(qiáng)度，也叫軸心抗壓強(qiáng)度，150mmX150mmX300mm,因為這個棱柱體比較符合實際的梁、柱等形狀，因此采用棱柱體試件比立方體試件能更好地反映混凝土的實際受壓情況。為什么還要考慮混凝土脆性折減系數(shù)？這個要從高強(qiáng)混凝土的特性說起，與普通混凝土相比，高強(qiáng)混凝土的彈性極限、與峰值應(yīng)力對應(yīng)的應(yīng)變值、荷載長期作用下的強(qiáng)度以及與鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度等均比較高。但高強(qiáng)混凝土在達(dá)到峰值應(yīng)力以后，應(yīng)力一應(yīng)變曲線下降很快，表現(xiàn)出很大的脆性，其極限應(yīng)變也比普通混凝土低。應(yīng)該還有其他因素，只不過，我并沒有在實際工程中接觸過高強(qiáng)混凝土，對這個不是很了解?；炷翗?gòu)件強(qiáng)度修正系數(shù)是啥玩意？為什么要考慮？根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50010-2010)條文說明第4.1.3條第一款：考慮到結(jié)構(gòu)中的混凝土實體強(qiáng)度與立方體試件混凝土強(qiáng)度之間的差異，根據(jù)以往經(jīng)驗，結(jié)合試驗數(shù)據(jù)分析并參考其他國家的有關(guān)規(guī)定，對試件混凝土強(qiáng)度的修正系數(shù)取為0.88。通過查閱資料，有些資料給予的解釋是：考慮實際構(gòu)件與試件混凝土之間的差異，引入修正系數(shù)。即實際結(jié)構(gòu)中混凝土的制備、構(gòu)件尺寸、混凝土成型和養(yǎng)護(hù)方法、加荷方式及受力情況與棱柱體試件之間存在的差異。下面引用《混凝土構(gòu)件強(qiáng)度修正系數(shù)0.88是考慮受力狀態(tài)對混凝土強(qiáng)度的影響》論文對此解釋。實際上是試件混凝土強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度差異的問題。造成這種差異的因素可以分成兩大類，其一為兩者受力狀態(tài)的差異，其二為兩者質(zhì)量上的差異?；炷恋拈L期強(qiáng)度比短期強(qiáng)度低的特性，是對同等質(zhì)量的混凝土而言的，既適用于標(biāo)養(yǎng)混凝土，也適用于非標(biāo)養(yǎng)混凝土。按標(biāo)準(zhǔn)試驗方法進(jìn)行試件混凝土強(qiáng)度測定時，加荷速度較快，長期強(qiáng)度問題顯現(xiàn)不出來。顯然，應(yīng)該對試件混凝土強(qiáng)度進(jìn)行修正后才能用于結(jié)構(gòu)混凝土。尺寸對混凝土的強(qiáng)度也有影響，試件尺寸大，混凝土的強(qiáng)度低。大量的試驗表明，在混凝土質(zhì)量相同時，200mm立方體混凝土試件的抗壓強(qiáng)度要低于150mm和100mm立方體混凝土試件的抗壓強(qiáng)度。如果以200mm立方體混凝土試件的抗壓強(qiáng)度為1.00，相同質(zhì)量的150mm立方體混凝土試件的抗壓強(qiáng)度約為1.05,100mm立方體混凝土試件的抗壓強(qiáng)度約為1.10在確定混凝土強(qiáng)度時所使用試件的截面尺寸不大于200mm而結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸大于此值較多。因此，即使結(jié)構(gòu)中混凝土的質(zhì)量與試件混凝土的質(zhì)量完全相同，結(jié)構(gòu)混凝土的強(qiáng)度也要低于試件混凝土的強(qiáng)度。顯然，應(yīng)該對按標(biāo)準(zhǔn)試驗方法得到的試件混凝土強(qiáng)度進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整才能適合結(jié)構(gòu)混凝土的情況。在確定設(shè)計使用的結(jié)構(gòu)混凝土抗壓和抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值時，考慮結(jié)構(gòu)混凝土與試件混凝土受力狀態(tài)的差異，取0.88的系數(shù)是合適的。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)指出的是，0.88不是混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范預(yù)留的安全儲備，而是結(jié)構(gòu)混凝土實際強(qiáng)度情況的體現(xiàn)?？紤]此系數(shù)后所得到的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值與其他國家相應(yīng)規(guī)范給出的強(qiáng)度特征值也是比較接近的。四、混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計值又是什么？根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50010-2010)條文說明第4.1.4條:混凝土強(qiáng)度設(shè)計值由強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值除混凝土材料分項系數(shù)Yc確定?；炷恋牟牧戏猪椣禂?shù)取1.40。至于材料分項系數(shù)1.40如何得來的，應(yīng)該是根據(jù)材料性能的離散程度確定的，一般認(rèn)為，混凝土材料的實際也是強(qiáng)度是離散分布的。為了考慮材料性能不確定離散性而采用1.4的混凝土材料分項系數(shù)。你可以將材料分項系數(shù)1.40理解為，對材料性能不確定性的進(jìn)一步計算保證。至于材料分項系數(shù)1.40是推導(dǎo)的，這鬼東西涉及到統(tǒng)計學(xué)，我不懂！五、標(biāo)準(zhǔn)值和設(shè)計值的作用？標(biāo)準(zhǔn)值：正常使用極限狀態(tài)計算時采用；變形驗算；拉應(yīng)力驗算；裂縫寬度驗算；豎向自振頻率驗算。設(shè)計值：承載力極限狀態(tài)計算時采用構(gòu)件承載力(包括失穩(wěn))計算；構(gòu)