(水工)-鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)

1、第4章 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),王吉忠,4.1 材料的力學(xué)性能,4.1.1 鋼筋的類別及力學(xué)性能 4.1.1.1 鋼筋的種類和級別 1） 熱軋鋼筋 2） 冷拉鋼筋 3） 冷軋帶肋鋼筋 4） 熱處理鋼筋 5） 碳素鋼絲和鋼絞線,4.1.1 .2鋼筋的力學(xué)性能,軟鋼s ses理想彈塑性本構(gòu)模型,硬鋼應(yīng)力應(yīng)變曲線,4.1.1.3 混凝土結(jié)構(gòu)對鋼筋性能的要求 1）鋼筋的強(qiáng)度 2）鋼筋的塑性 3）鋼筋的可焊性 4）鋼筋的耐火性 5）鋼筋與混凝土的粘結(jié)力,4.1.2 混凝土的強(qiáng)度、變形及其影響因素 4.1.2.1 混凝土的強(qiáng)度 1）混凝土立方體抗壓強(qiáng)度及混凝土強(qiáng)度等級 2）混凝土軸心抗壓強(qiáng)度 3）混凝土抗拉強(qiáng)度

2、A. 直接拉伸法 B. 劈裂法 4）復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下混凝土的強(qiáng)度,4.1.2.2 混凝土的變形 1）一次短期荷載下的混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線 2）混凝土單軸受壓應(yīng)力應(yīng)變曲線的簡化模型 3）混凝土的彈性模量 4）混凝土重復(fù)荷載下的變形性能 5）荷載長期作用下混凝土的變形性能 6）混凝土的收縮混凝土在空氣中結(jié)硬時體積減小的現(xiàn)象,混凝土的徐變 混凝土的徐變是指混凝土在長期荷載作用下應(yīng)變或變形隨時間而增長的現(xiàn)象。 影響混凝土徐變的因素很多，可主要歸結(jié)為三個方面：加載史；混凝土內(nèi)在因素；環(huán)境因素。 （1）應(yīng)力越大徐變越大，當(dāng)混凝土應(yīng)力較大時（sc0.5fc），產(chǎn)生非線性徐變，徐變變形比應(yīng)力增長要快。荷載持續(xù)的時

3、間越長，徐變越大。 （2）混凝土齡期越小，徐變越大。 （3）混凝土強(qiáng)度高，密實度高徐變小。 （4）水灰比越大徐變越大，當(dāng)水灰比不變時，水泥用量越多徐變越大。 （5）構(gòu)件的厚度小，徐變大。 （6）養(yǎng)護(hù)條件好（高溫高濕）徐變小。,4.1.2.3 鋼筋與混凝土共同工作的基礎(chǔ) （1）鋼筋與混凝土有大體相同的溫度膨脹系數(shù)，鋼材線膨脹系數(shù)為1.210-5，混凝土為（1.01.5）10-5。這樣，在溫度變化時，溫度應(yīng)力的影響一般可不予考慮。 （2）混凝土對鋼筋起到很好的保護(hù)作用，可避免鋼筋過早銹蝕，提高耐久性。 （3）鋼筋與混凝土之間有很好的粘結(jié)作用。,4.2 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)基本計算原則,4.2.1 現(xiàn)行水

4、工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范采用的 計算方法 4.2.1.1 結(jié)構(gòu)功能的極限狀態(tài)及其分類 1.極限狀態(tài)的定義 2.極限狀態(tài)的分類 承載力極限狀態(tài) 正常使用極限狀態(tài),4.2.1.2 失效概率及可靠指標(biāo) 假定R，S均符合正態(tài)分布 Z=RS0時 結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài) Z=RS0時 結(jié)構(gòu)處于失效狀態(tài) Z=RS= 0時 結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài),Z=RS的概率分布曲線及和Pf的關(guān)系,4.2.1.3 荷載分類及荷載代表值 1）荷載分類 結(jié)構(gòu)上的荷載，按其隨時間的變異性不同可分為以下三類; （1）永久荷載（恒荷載）； （2）可變荷載（活荷載）； （3）偶然荷載； 2）荷載代表值 （1）荷載標(biāo)準(zhǔn)值 （2）可變荷載的組合值 （3）

5、可變荷載的準(zhǔn)永久值,荷載的標(biāo)準(zhǔn)值的取值,4.2.1.3 材料強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值與設(shè)計值 1）材料強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值 mf材料強(qiáng)度平均值； sf材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差； af材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的保證率系數(shù)； df材料強(qiáng)度變異系數(shù)。 2） 材料的強(qiáng)度設(shè)計值 混凝土c=1.35 軟鋼取s =1.11.2，碳素鋼絲、鋼絞線、熱處理鋼筋等硬鋼取s =1.5,材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值、設(shè)計值,4.2.2.1 承載力極限狀態(tài)設(shè)計表達(dá)式 1 基本組合,4.2.2 概率極限狀態(tài)設(shè)計的實用設(shè)計表達(dá)式,永久荷載對結(jié)構(gòu)不利,永久荷載對結(jié)構(gòu)利,2 偶然組合,4.2.2.2 正常使用極限狀態(tài)設(shè)計表達(dá)式,4.3 承載能力極限狀態(tài)計算,4.3.1 鋼筋混凝土

6、受彎構(gòu)件正截面承載力計算 4.3.1.1受彎構(gòu)件截面形式 4.3.1.2受彎構(gòu)件正截面試驗研究,梁的工作階段 A.試驗結(jié)果分析 B.梁的工作階段 .第階段拉區(qū)混凝土未裂階段 .第 階段裂縫階段 .第 階段破壞階段 C.梁正截面破壞形態(tài) .適筋破壞 .超筋破壞 .少筋破壞,4.3.1.3 正截面受彎承載力計算 1）基本假定 (1)平截面假定。 (2)不考慮受拉區(qū)混凝土參加工作，拉力完全由 鋼筋承擔(dān)。 (3)采用理想化的混凝土的應(yīng)力應(yīng)變（sc ec） 關(guān)系曲線作為計算的依據(jù)。 (4)鋼筋ss es關(guān)系曲線采用理想彈塑性模型。,2）界限破壞及界限受壓區(qū)高度,圖4.3.10 適筋、超筋、界限破壞時的截

7、面平均應(yīng)變圖,As,x0b,h0,h,b,es= ey,Mu,s0,fyAs,Mu,fc,x0b,h0,xb,x0b,fyAs,ecu,圖4.3.11 界限破壞時的截面受壓區(qū)高度及混凝土等效應(yīng)力圖形,界限破壞時截面實際相對界限受壓區(qū)高度x0b:,在實際設(shè)計計算中，用矩形等效應(yīng)力圖代替實際應(yīng)力圖，并近 似取xb=bx0b，故： 水工規(guī)范去b=0.8,ecu=0.0033,則： (4.3.5) 式中xb相對界限受壓區(qū)計算高度； xb界限受壓區(qū)計算高度； h0截面有效高度； fy鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計值； Es鋼筋彈性模量； 在進(jìn)行構(gòu)件配筋計算或承載力復(fù)核時，若計算出的相對受壓區(qū) 計算高度x=x/h0 x

8、b,則為適筋破壞；若x=x/h0 xb，則為超筋破壞。 從式(4.3.5)可以看出，相對界限受壓區(qū)計算高度xb和鋼筋等 級有關(guān)。 對于沒有明顯屈服點的鋼筋， 因ey=fy/Es+0.002,帶入式(4.3.5)，可得：,4.3.1.4 單筋矩形截面構(gòu)件正截面承載力計算 1）截面配筋設(shè)計 （1）由式（4.3.13）計算 （2）由 ，求x。 （3）若x xb，則求r=xfc/fy，As=rbh0。若Asxb，則梁會發(fā)生超筋破壞，應(yīng)增大梁截面尺寸或提高混凝土強(qiáng)度或采 用后面介紹的雙筋截面。 2）承載力復(fù)核 （1）由式（4.3.11）計算x。 （2）如果x 0.85 xb，則由式（4.3.12）計算M

9、u；如果x 0.85xb ， 則取x = 0.85xb ，仍由式（4.3.12）近似計算Mu。 （3）如果MMu/K，則梁正截面承載力符合要求，否則梁正截面承載力不符合要求。,4.3.2 鋼筋混凝土受彎構(gòu)件斜截面承載力計算 4.3.2.1 概述 4.3.2.2 無腹筋梁的斜截面受剪破壞形態(tài) 1）斜拉破壞 2）剪壓破壞 3）斜壓破壞,4.3.2.3 影響梁斜截面承載力的主要因素 1）剪跨比 2）混凝土強(qiáng)度fc 3）配箍率,4.3.2.4 有腹筋梁斜截面受剪承載力計算 1）腹筋作用 2）有腹筋梁的破壞形態(tài) 3）有腹筋梁斜截面受剪承載力計算公式 A.僅配箍筋,B. 同時配有箍筋和彎起鋼筋,4）公式的

10、適用范圍 A.上限 當(dāng)hw/b4時 當(dāng)hw/b6時 當(dāng)4 hw/b6時，按線性內(nèi)插法確定。 B.下限 對級鋼筋，應(yīng)使配箍率 對級鋼筋，應(yīng)使配箍率,4.3.3 受扭構(gòu)件承載力計算 4.3.3.1 概述 4.3.3.2 純扭構(gòu)件承載力計算 1）變角空間桁架理論,圖4.3.32 空間桁架,2）規(guī)范給出的矩形截面純扭構(gòu)件承載力計算公式,T設(shè)計扭矩； Tc混凝土受扭承載力； Ts箍筋及受扭縱筋受扭承載力； ft混凝土受拉強(qiáng)度設(shè)計值； Wt截面抗扭塑性抵抗矩，Wt =b2(3h-b)/6，b為矩形截面短邊； fyv箍筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計值，取值不大于310N/mm2； 受扭縱筋與箍筋的配筋強(qiáng)度比，由式（4.3.

11、51）計算， 尚應(yīng)符合0.6 1.7 的要求；,純扭構(gòu)件承載力計算步驟如下： （1）假定值，例如令 =1.0或1.2； （2）由式（4.3.53）求出箍筋（可假定直徑求 出間距）； （3）由 求出抗扭縱筋A(yù)st； （4）抗扭縱筋A(yù)st沿周邊均勻布置，至少應(yīng)在四 角布置。,4.3.3.3 剪扭構(gòu)件承載力計算 1）剪、扭相關(guān)性 2）矩形截面剪扭構(gòu)件承載力計算,剪扭構(gòu)件的受剪承載力：,剪扭構(gòu)件的受扭承載力：,4.3.3.4 彎剪扭構(gòu)件承載力計算 1）矩形截面彎剪扭構(gòu)件 2）T形、工字形截面彎剪扭構(gòu)件,彎剪扭構(gòu)件截面配筋示意圖,T形、工字形截面劃分矩形截面的方法,1/3Ast,1/3Ast,As+1/

12、3Ast,bf,bf,b,b,bf,h,hf,h,hf,hf,4.3.4 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)受壓構(gòu)件承載力的計算 4.3.4.1 軸心受壓構(gòu)件的承載力 普通箍筋柱的設(shè)計計算,式中N軸力設(shè)計值 A構(gòu)件截面面積，當(dāng)縱向鋼筋配筋率r3%時，A應(yīng)改為凈截面面積 An， An=A-As； As全部縱向鋼筋的截面面積； fc混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計值； fy縱向鋼筋的抗壓強(qiáng)度設(shè)計值； j軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)。,4.3.4.2 偏心受壓構(gòu)件的承載力 1）偏心受壓構(gòu)件的的破壞形態(tài)和分類 A、大偏心受壓破壞 B、小偏心受壓破壞 C、界限破壞 2）矩形偏心受壓構(gòu)件的基本計算公式,O,C,M,(M3，N3),B(Mb

13、，Nb),(M1，N1),A,N,D,(M2，N2),偏心受壓構(gòu)件的彎矩軸力關(guān)系,3）不對稱配筋矩形偏心受壓構(gòu)件的截面設(shè)計 與承載力復(fù)合 4）對稱配筋矩形偏心受壓構(gòu)件的截面設(shè)計 A、對稱配筋大偏心受壓構(gòu)件截面設(shè)計 如果2asxxbh0， 如果x 2as，,B、對稱配筋小偏心受壓構(gòu)件截面設(shè)計,C、對稱配筋矩形截面偏心受壓構(gòu)件設(shè)計步驟,4.3.4.4 矩形、T形和工字形截面的偏心受壓構(gòu)件，其斜截面受剪承載力應(yīng)按下式計算：,N與剪力設(shè)計值V相應(yīng)的軸向壓力設(shè)計值， 當(dāng)N0.3fcA時，取N=0.3fcA，此處A為構(gòu)件 的截面面積。,4.3.5 鋼筋混凝土受拉構(gòu)件承載力計算 4.3.5.1 概述 4.3

14、.5.2 軸心受拉構(gòu)件承載力計算 4.3.5.3 大偏心受拉構(gòu)件正截面承載力計算 4.3.5.4 小偏心受拉構(gòu)件正截面承載力計算,4.3.5.5 矩形、T形和工字形截面的偏心受拉構(gòu)，其斜截面受剪承載力應(yīng)按下式計算：,當(dāng)式中右邊的計算值小于 時，取等于,4.4 正常使用極限狀態(tài)驗算,4.4.1 鋼筋混凝土構(gòu)件裂縫控制驗算 4.4.1.1 裂縫控制 （1）抗裂驗算： （2）裂縫寬度驗算： 水工規(guī)范根據(jù)水工混凝土結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境可分為下列4個類別： 一類室內(nèi)正常環(huán)境； 二類露天環(huán)境、長期處于地下或水下的環(huán)境； 三類水位變動區(qū)或有侵蝕性地下水的地下環(huán)境； 四類海水浪濺區(qū)及鹽霧作用區(qū)，潮濕并有嚴(yán)重侵蝕性

15、介質(zhì)作用的環(huán)境。,4.4.1.2 裂縫的成因及對策 1）直接由荷載引起的裂縫 2）非荷載因素引起的裂縫 A、由于溫度變化引起的裂縫 B、由于混凝土收縮引起的裂縫 C、由于基礎(chǔ)不均勻沉降所引起的裂縫 D、由于混凝土塑性塌落所引起的裂縫 E、由于冰凍所引起的裂縫 F、由于鋼筋銹蝕所引起的裂縫,生銹引起膨脹,沿筋開裂,在鋼筋表面上由于生銹膨脹引起的裂縫、最后下部保護(hù)層脫落,G、由于堿骨料反應(yīng)引起的裂縫,4.4.1.3 正截面抗裂驗算 4.4.1.4 裂縫寬度計算 按荷載效應(yīng)的短期組合及長期組合所求的的最大裂縫寬度可分別按下列公式計算：,（1）軸心受拉構(gòu)件： （2）受彎構(gòu)件：,4.4.2 鋼筋混凝土構(gòu)

16、件變形驗算 4.4.2.1 受彎構(gòu)件的短期剛度Bs （1）不出現(xiàn)裂縫的構(gòu)件 （2）出現(xiàn)裂縫的構(gòu)件 4.4.2.2 受彎構(gòu)件的長期剛度 Bl （1）對應(yīng)于荷載效應(yīng)的短期組合（并考慮部分荷載的長期作用的影響）時 （2）對應(yīng)于荷載效應(yīng)的長期組合時,4.5 預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),4.5.1 預(yù)應(yīng)力混凝土的基本概念 所謂預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，就是在結(jié)構(gòu)受外荷載作用之前，預(yù)先人為的對混凝土預(yù)加壓力，造成人為的應(yīng)力狀態(tài)，它所產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力能抵消外荷載所引起的大部分或全部拉應(yīng)力。這樣，在外荷載作用下，裂縫就能延緩發(fā)生或不致發(fā)生，即使發(fā)生了，裂縫寬度也比較小。 4.5.2 施加預(yù)應(yīng)力的方法 4.5.2.1 先張法 4.

17、5.2.2 后張法,4.5.3 預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉控制應(yīng)力及預(yù)應(yīng)力損失 4.5.3.1 預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉控制應(yīng)力scon 張拉控制應(yīng)力scon是指張拉鋼筋時預(yù)應(yīng)力鋼筋達(dá)到的最大應(yīng) 力值 4.5.3.2 預(yù)應(yīng)力損失 1）張拉端錨具變形和鋼筋內(nèi)縮引起的預(yù)應(yīng)力損失sl1 2）預(yù)應(yīng)力鋼筋與孔道壁之間的摩擦引起的預(yù)應(yīng)力損失sl2 3）受張拉的鋼筋與承受拉力的設(shè)備之間的溫度差引起的預(yù)應(yīng) 力損失sl3 4）預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力松弛引起的預(yù)應(yīng)力損失sl4 5）混凝土收縮和徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失sl5 6）環(huán)形構(gòu)件采用螺旋式預(yù)應(yīng)力筋時局部擠壓引起的預(yù)應(yīng)力損 失 sl6,4.5.3.3 預(yù)應(yīng)力損失組合 各項預(yù)應(yīng)力損失是按不同

18、張拉方式和不同時間分批 發(fā)生的。 水工規(guī)范將預(yù)應(yīng)力損失分為兩批： 發(fā)生在混凝土預(yù)壓前的為第一批預(yù)應(yīng)力損失； 發(fā)生在混凝土預(yù)壓后的為第二批預(yù)應(yīng)力損失。,表4.5.2 各階段預(yù)應(yīng)力損失值的組合,4.5.4 混凝土預(yù)壓應(yīng)力spc的計算 4.5.4.1 軸心受拉構(gòu)件 當(dāng)混凝土由于徐變ees發(fā)生時，對非預(yù)應(yīng)力筋產(chǎn)生壓應(yīng)力，假定壓應(yīng)力為sl5，其反作用力Assl5使混凝土產(chǎn)生拉應(yīng)力，因此在求spc時，將扣掉所有損失的預(yù)應(yīng)力鋼筋回彈力Ap（scon-sl）和非預(yù)應(yīng)力筋反作用力Assl5視作外力共同作用在截面上，按材料力學(xué)的方法求混凝土應(yīng)力。與受彎構(gòu)件不同的是軸心受拉構(gòu)件預(yù)壓應(yīng)力spc沿截面是均勻分布的。而受彎構(gòu)件預(yù)壓應(yīng)力spc沿截面是不均勻分布的。,spc,AP(scon-sl),Assl5,1) 先張法：,2) 后張法：,4.5.4.2 受彎構(gòu)件 1） 先張法,混凝土壓應(yīng)力：,2） 后張法,混凝土壓應(yīng)力：,4.5.5 預(yù)應(yīng)力軸心受拉構(gòu)件各階段應(yīng)力分析 4.5.5.1 先張法預(yù)應(yīng)力軸心受拉構(gòu)件各階段應(yīng)力分析,混凝土應(yīng)力為零,混凝土應(yīng)力ft