高等混凝土考試

PAGEPAGE1高等混凝土考試1.根據(jù)彈塑性力學與結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原理，闡述概率極限狀態(tài)設(shè)計法的基本概念和方法。在商品混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中，如何使用概率極限狀態(tài)設(shè)計法？（20分）答：整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分超過某一特定就不能滿足設(shè)計規(guī)定的某一功能要求，此特定狀態(tài)稱為功能的極限狀態(tài)。極限狀態(tài)分為兩類，即承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)。以相應于結(jié)構(gòu)各種功能要求的極限狀態(tài)作為結(jié)構(gòu)設(shè)計依據(jù)的方法，稱為極限狀態(tài)設(shè)計法。在極限狀態(tài)設(shè)計法中，若以結(jié)構(gòu)的失效概率或可靠指標來度量結(jié)構(gòu)可靠度，并且建立結(jié)構(gòu)可靠度與結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)之間的數(shù)學關(guān)系，這就是概率極限狀態(tài)設(shè)計法。這種方法能夠比較充分的考慮各有關(guān)因素的客觀變異性，使所設(shè)計的結(jié)構(gòu)比較符合預期的可靠度要求。所謂鋼筋商品混凝土構(gòu)件的承載力即構(gòu)件抵抗變形和破壞的能力，即針對承載能力極限狀態(tài)進行構(gòu)件設(shè)計，要求結(jié)構(gòu)內(nèi)力小于或等于結(jié)構(gòu)抗力，用公式表示為?0s?R其中，S為承載能力極限狀態(tài)荷載效應組合設(shè)計值，R為結(jié)構(gòu)抗力，?0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，針對不同的安全等級或者設(shè)計使用年限取不同的值。鋼筋商品混凝土構(gòu)件承載能力極限狀態(tài)設(shè)計方法的具體計算步驟。把材料強度標準值，除以相應的材料分項系數(shù)后，求得材料強度設(shè)計值，再將材料強度設(shè)計值，代入抗力函數(shù)，求出截面的承載能力R。荷載效應組合設(shè)計值（設(shè)計內(nèi)力）S的計算，是將荷載標準值（標準荷載）乘以荷載分項系數(shù)后，得出荷載設(shè)計值（設(shè)計荷載），按照結(jié)構(gòu)力學的計算方法，將荷載設(shè)計值分別代入內(nèi)力計算公式，得到荷載效應設(shè)計值（如，軸向力、彎矩、剪力、扭矩等），再按照相應的組合方式，求出截面的荷載效應組合設(shè)計值S（設(shè)計內(nèi)力）。必須確保R大于截面的設(shè)計內(nèi)力S。構(gòu)件的工作狀態(tài)：用作用效應S和結(jié)構(gòu)抗力R的關(guān)系式來描述，這種表達式稱為結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)，以Z表示這個函數(shù)。當結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài)時，結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)Z的表達式，稱為極限狀態(tài)方程。Z?R?S?g?R,S??0。當Z?0時，結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài)；當Z?0時，結(jié)構(gòu)處于失效狀態(tài)；當Z?0時，結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài)，此時，Z?g?R,S??R?S?0，稱為“極限狀態(tài)方程”，它是結(jié)構(gòu)失效的標準。2.為什么《商品混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》對鋼筋商品混凝土柱最大配筋率進行了限制？（20分）《商品混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定鋼筋商品混凝土柱的全截面配筋率非抗震設(shè)計時不宜大于5%，不應大于6%，抗震設(shè)計時不應大于5%。1、在配筋率大于界限配筋率時候，鋼筋還未達到屈服，商品混凝土就已經(jīng)壓壞，破壞形式表現(xiàn)為受壓脆性破壞。2、配筋率過大容易產(chǎn)生粘結(jié)裂縫，特別是突然卸載時商品混凝土易被拉裂。長期荷載作用下的軸心受壓構(gòu)件，突然卸載后，構(gòu)件回彈。由于商品混凝土的徐變變形大部分不可恢復，故當荷載為零時，會使柱內(nèi)鋼筋受壓而商品混凝土受拉。若配筋率過大，可能使商品混凝土拉裂，若鋼筋和商品混凝土間粘結(jié)良好，甚至會在商品混凝土表面引起縱向裂縫。3、受力性能差，鋼筋商品混凝土柱配筋率過大會造成柱截面尺寸過小而軸壓比偏大，過分依賴鋼筋的抗力使構(gòu)件的受力性能差。4、不經(jīng)濟，柱子的配筋率過大會影響商品混凝土的澆注質(zhì)量，增加施工難度和用鋼量,考慮到施工布筋不致過多影響商品混凝土的澆注質(zhì)量。5、違背強剪弱彎原則，盲目增加縱筋的配筋率會導致該抗震措施原則較難實現(xiàn)。這主要考慮抗震需要，根據(jù)實余下全文驗分析和理論計算得到，當配筋達到一定是，再增加配筋率，構(gòu)件延性減少，因而必須控制最大配筋率，以利抗震。3.簡述影響商品混凝土受壓性能的主要影響因素及影響規(guī)律。（20分）4.1偏心受壓偏心距一般規(guī)律（1）破壞形態(tài)破壞形態(tài)隨偏心距的增大發(fā)生質(zhì)變，所有試件的三角形受壓破壞區(qū)，縱向長度約為橫向?qū)挾鹊亩?。壓碎區(qū)的長度和面（體）積均隨偏心距的增大、截面壓區(qū)高度的減小而逐漸減小。（2）平截面變形無論荷載偏心距的大小，還是截面上是否有受拉區(qū)，從開始加載直至破壞，截面平均應變都符合平截面變形的條件。（3）軸力-應變曲線不同偏心距的受壓構(gòu)件，靠近軸力（荷載）一側(cè)的截面邊緣有最大壓應變，另一側(cè)截面邊緣的應變則隨偏心距的增大，由壓應變轉(zhuǎn)為拉應變。軸力-應變?nèi)€都與軸心受壓試件形狀相似。（4）極限承載力和相應的截面最大壓應變偏心受壓試件破壞時的極限承載力隨荷載偏心距的增大而降低，但均明顯高出按彈性分析計算的承載力。與試件極限承載力相應的截面最大壓應變，隨軸力偏心距的變化并不大。4.2重復加卸載一般規(guī)律（1）裂縫和破壞過程各種重復加卸載試驗中，試件都是在超過峰值強度后，總應變達（1.5~2.0）×10-3時出現(xiàn)第一條可見裂縫，裂縫細而短，約平行于應力方向。繼續(xù)加大應變、將出現(xiàn)多條獨立的、細而短的縱向裂縫。如果總應變不再增大，即使荷載加卸多次、裂縫不見明顯發(fā)展。當試件的總應變達（1.5~2.0）×10-3時，短裂縫延伸、連接，形成貫通全截面的主斜裂縫。再增大試件應變，斜裂縫的破壞帶逐漸加寬，殘余承載力緩慢下降。主斜面與荷載垂線的夾角為θ=64°~70°。這些現(xiàn)象和數(shù)據(jù)表明，不同重復荷載作用下的商品混凝土力學反應與一次單調(diào)加載過程的反應并沒有顯著差異。（2）包絡(luò)線包絡(luò)線上峰點對應的應力和應變，即該重復荷載下的商品混凝土棱柱體軸心抗壓強度和峰值應變。同一種商品混凝土試件，在不同重復荷載下的應力-應變包絡(luò)線與單調(diào)荷載下的應力-應變?nèi)€形狀相同、數(shù)值接近，無明顯差異。（3）卸載曲線每次卸載剛開始時，試件應力下降較快，而應變恢復很少，隨著應力值的減小，變形的恢復才逐漸加快。故卸載時的應變越大，裂縫開展越嚴重，恢復變形滯后現(xiàn)象越顯著；完全卸載后的殘余應變也越大。多次重復加卸載后，殘余應變又有所增加。（4）再加載曲線再加載曲線有兩種不同的形狀：當起點的應變很小時，其上端應變小于峰值應變，即與包絡(luò)線的上升段相切，再加載曲線無拐點，斜率單調(diào)減小、至切點處斜率仍大于零；若起點的應變較大，其上端應變大于峰值應變，即與包絡(luò)線的下降段相切，切點的斜率必小于零。再加載曲線包括在應力較低處有一拐點的上升段，以及達到極大值（峰點）后的一小節(jié)下降段。且起點應變越大，曲線的變化幅度越大。（5）共同點軌跡線觀察各試驗曲線可發(fā)現(xiàn)：再加載曲線過了共同點以后斜率顯著減小，即試件的縱向應變超過原卸載應變而迅速增長，橫向應變也突然增大。這表明已有縱向裂縫的擴張，或產(chǎn)生了新的裂縫，損傷積累加大。分析各種重復加卸載下的共同點軌跡線，顯然與相應的包絡(luò)線或單調(diào)加載全曲線的形狀相似；經(jīng)過計算對比，前者和后者的相似比值為：KCM=0.86~0.93，平均為0.89,其中重復加卸載試驗C的相似比值偏大。（6）穩(wěn)定點軌跡線重復加卸載試驗E和F中，在預定應變值下經(jīng)過數(shù)次循環(huán)加卸載，商品混凝土的應力（承載力）不再下降，殘余應變不再增大，卸載-再加載曲線成為一穩(wěn)定的閉合環(huán)，環(huán)的上端稱穩(wěn)定點。將各次循環(huán)加卸載所得的穩(wěn)定點連以光滑曲線，即為穩(wěn)定點軌跡線（圖中ST線）。這也就是商品混凝土低周疲勞的極限包線。經(jīng)觀察相對比，穩(wěn)定點軌跡線的形狀也與相應的包絡(luò)線或單調(diào)加載全曲線的相似。它們之間的相似比值為：KST=0.70~0.80，平均為0.75。（7）橫向應變開始加載階段，試件的橫向應變很小。當應力接近商品混凝土的棱柱體強度(fc)時，橫向應變才明顯地加快增長。卸載時。縱向應變能恢復一部分，而橫向應變幾乎沒有恢復，保持常值。再加載時．縱向應變即時增大，而橫向應變?nèi)员３殖Ｖ?。只有當曲線超過共同點(CM，共同點軌跡線)后，縱向應變加速增長時，橫向應變才開始增大。這些現(xiàn)象顯然也是縱向裂縫的發(fā)展和滯后恢復所致。當試件應變很大后，卸載時橫向應變才有少許恢復。一次加卸載循環(huán)在ε'-ε曲線上形成一個很扁的菱形封閉環(huán)。重復荷載和單調(diào)加載試驗對比，試件在相同縱向應變時對應的橫向應變時接近，且總體變化規(guī)律一致。4.3箍筋約束商品混凝土矩形箍筋約束商品混凝土的軸心受壓應力-應變?nèi)€隨主要影響因素，即約束指標的增加而發(fā)生很大變化。曲線的形狀由明顯的陡峰轉(zhuǎn)為逐漸平緩和豐滿，以至過渡為在極限強度附近有巨大變形平臺的曲線。約束商品混凝土的抗壓強度和相應峰值應變隨約束指標而單調(diào)增長4.4齡期隨著商品混凝土齡期的增加，水泥的水化作用日益充分，商品混凝土的成熟度不斷提高，其強度和彈性模量最值繼續(xù)增長,商品混凝土的強度和彈性模量等隨其齡期而單調(diào)增長，但變化規(guī)律和增長幅度受到許多因素的影響而有較大的離散性。4.5荷載持續(xù)作用商品混凝土在齡期t0時施加應力σc，即時產(chǎn)生了起始應變εci，在應力的持續(xù)作用下應變不斷增大，后者稱為徐變εcc（圖4-12a）?；炷系男熳冸S荷載持續(xù)時間而增大，但增長率漸減，2-3年后變化已不大，最終的收斂值稱為徐變極限。σc/fc≤（0.4~0.6）為線性徐變，有徐變限值，且單位徐變與應力水平無關(guān)。（0.4~0.6）＜σc/fc＜0.8為非線性徐變，徐變?nèi)允諗?、有極限值，但單位徐變隨應力水平的提高而非線性地加快增長。當σc/fc0.8后，商品混凝土進入不穩(wěn)定裂縫發(fā)展期，應力的持續(xù)作用使徐變增長較快，且在一定時間后因徐變發(fā)散而破壞。荷載長期持續(xù)作用下，商品混凝土不會發(fā)生破壞的最高應力，即為長期抗壓強度，一般可取為0.8fc。4.6快速加載一般規(guī)律：（1）應力-應變曲線的形狀無明顯差別；（2）棱柱體軸心抗壓強度、峰值應變和彈性模量同為單調(diào)地增長。其中抗壓強度增長幅度最大；峰值應變增長幅度最小，一般不超過10％；彈性模量的增長幅度處于二者之間（3）泊松比值無明顯變化；（4）破壞形態(tài)與標準試驗時相同，但過程更急速。4.從理論分析和試驗研究兩方面綜述預應力對商品混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件極限承載能力的影響。（20分）理論上來說有以下幾個方面可以說明預應力對商品混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件極限承載能力沒有影響：1、舉例說明，如果構(gòu)件A施加預應力，B未施加預應力，其它條件完全相同。簡便起見，假設(shè)只有預應力受拉鋼筋，那么fc*x*b=fy*A,可見受壓區(qū)高度和是否施加預應力沒有關(guān)系，極限抗彎承載力M=fc*b*x*(h-0.5x)=fy*A*(h-0.5x),可見M只與鋼筋屈服強度fy及受壓區(qū)高度x有關(guān)，也就是說和是否施加預應力沒有關(guān)系。2、結(jié)構(gòu)設(shè)計原理上是這樣講的，預應力商品混凝土梁的抗裂彎矩要比同截面、同材料的普通鋼筋商品混凝土梁的抗裂彎矩要大一個消壓彎矩。這說明了預應力商品混凝土梁的優(yōu)越性在外荷載的作用下可大大推遲裂縫的出現(xiàn)。但論其預應力商品混凝土梁的破壞彎矩主要與構(gòu)件的組成材料與受力性能有關(guān)，而與是否在受拉區(qū)鋼筋中施加預拉應力的影響很小。其破壞彎矩與同條件下普通鋼筋商品混凝土梁的破壞彎矩幾乎相同。這說明預應力商品混凝土梁只是改善了結(jié)構(gòu)在正常使用階段的工作性能，并不能從根本上提高結(jié)構(gòu)的剛度，也不能提高結(jié)構(gòu)的極限承載力。3、預應力結(jié)構(gòu)承載力高，但不是預應力這種人為施加上的力使其提高，而是采用了高強材料的原因，高強材料的發(fā)揮又是在有預應力的前提下，同時預應力的預加效果又仰賴高強材料。預應力本身并不提高承載力，但預應力結(jié)構(gòu)具有承載力高的特性。4、預應力總是能夠預先減小截面的壓區(qū)應變，有時候甚至產(chǎn)生一定的反拱。當單一方向的外載作用下，這種反拱就有效延緩了截面達到極限壓應變的時間，或者說相對增加了其所能承受的極限荷載。其原因在于預應力實現(xiàn)了高強鋼材與商品混凝土兩種材料在應用上的一種平衡。假設(shè)不施加預應力，截面商品混凝土是從零應變狀態(tài)開始逐漸到達極限狀態(tài)，只要商品混凝土不發(fā)生受拉破壞，這一過程的承載能力是不變的，同時，高強鋼材的強度不可能達到較大的數(shù)值，即在不施加預應力的情況下，商品混凝土和高強鋼材難以實現(xiàn)其同時極致釋放承載能力。從應用的角度看，預應力是把兩種材性差別很大的材料完美地整合在一起，取長補短，從而最大限度地貢獻兩者的承載能力。5.簡述常見組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件的組合作用機理。（20分）4.某超高層建筑的核心筒采用鋼板-商品混凝土組合剪力墻結(jié)構(gòu)體系，已知核心筒的鋼板強度為Q345B低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼并設(shè)置了一定數(shù)量的栓釘，商品混凝土強度等級為C60.施工過程中拆模后發(fā)現(xiàn)該剪力墻出現(xiàn)早期裂縫，試分析裂縫產(chǎn)生的可能原因并提出相應的控制措施。答：原因：工程中構(gòu)件裂縫產(chǎn)生的主要原因可分為兩大類：一是動、靜荷載和其他各種外荷載引起的裂縫；二是由商品混凝土內(nèi)外溫差、收縮或地基不均勻沉降等變形荷載引起的裂縫。此外．設(shè)計體型和結(jié)構(gòu)布置也是產(chǎn)生裂縫的一個重要原因。綜合考慮設(shè)計、材料、施工及環(huán)境等各方面的因素，我認為對此鋼板-商品混凝土剪力墻裂縫主要由以下原因產(chǎn)生：1.商品混凝土的收縮應力過大。商品混凝土的收縮應力過大收縮裂縫主要與水泥用量、骨料、構(gòu)件長度及外加劑等囡索有關(guān)。1．1水泥用量高強度混凝士廣泛的應用。由此相應的是水泥用量的增大、水灰比的減小。而水灰比是影響商品混凝土收縮的最主要因素。1.2骨料預拌混凝士為了滿足運輸、泵送的要求。增加了細骨料用量．使得骨料的表面積增大。相應包裹在骨料上的水泥等膠凝材料變少．減弱了商品混凝土之間的連接能力，增大了商品混凝土的塑性收縮。1.3外加劑外加劑在商品混凝土中摻量少，作用大。有近一半外加劑會造成商品混凝土收縮率大于基準商品混凝土。商品混凝土收縮率的增大自然增大了裂縫的出現(xiàn)概率。外加劑對商品混凝土性能影響極大．可能是導致商品混凝土開裂的重要原因。2.商品混凝土的溫度應力過大。（個人認為是主要原因）溫度裂縫主要與水泥品種、養(yǎng)護條件、拆模時間及溫差等因素有關(guān)：2．1水泥品種高商品混凝土標號，大量使用硅酸鹽水泥．使得水泥水化熱高且集中。水泥水化過程中放出大量的熱量．且大部分水化熱都是在澆筑的前三天釋放．而商品混凝土是熱的不良導體．產(chǎn)生的熱量不易散發(fā)．內(nèi)部溫度不斷上升。而拆模后，表面散熱快．溫度較低。內(nèi)外形成溫度梯度。內(nèi)部商品混凝土熱脹產(chǎn)生壓應力，外鄙商品混凝土產(chǎn)生拉應力。當此拉應力超過此時商品混凝土的抗拉強度時．便使商品混凝土產(chǎn)生裂縫開裂。2．2養(yǎng)護條件由于剪力墻養(yǎng)護不足，墻體表面積大水分散失快，體積收縮大。而內(nèi)部濕度變化相對較小。體積收縮較小。表面收縮變形受到內(nèi)部商品混凝土的約束而產(chǎn)生拉應力．引起商品混凝土表面開裂。23拆模時間墻體模板的拆除時間過早，商品混凝土表面溫度急劇變化．產(chǎn)生較大的降溫收縮，表面受到內(nèi)部商品混凝土的約束。將產(chǎn)生很大的拉應力．而商品混凝土早期抗拉強度和彈性模量較低．因而出現(xiàn)墻體表面較淺范國內(nèi)的裂縫。3.剪力墻所受的各種約束（個人認為鋼板-商品混凝土組合結(jié)構(gòu)中鋼板及栓釘對商品混凝土產(chǎn)生明顯約束，是導致鋼板-商品混凝土組合剪力墻商品混凝土開裂的