砼设计原理-施工员培训11

混凝土结构设计原理绪论粘结、锚固与耐久性钢筋和砼材料力学性能受弯构件正截面承载力受弯构件斜截面承载力拉压构件的承载力第一章绪论一、混凝土结构的概念和特点1.一般概念PPPP素混凝土梁承载力小，破坏突然。钢筋混凝土梁承载力大，变形性能好，破坏有预告。一、混凝土结构的概念和特点1.一般概念PP钢筋（加筋）+混凝土钢筋混凝土结构（构件）拉压性能均好抗压性能好利用混凝土抗压，钢筋受拉（利用材料性能）钢筋混凝土结构不是钢筋和混凝土之间的任意组合。组合原则：发挥钢筋抗拉、抗压强度高的特点；发挥混凝土抗压强度高，避免抗拉强度低的弱点。一、混凝土结构的概念和特点1.一般概念板PPPPee柱简支梁PPPP连续梁a.素混凝土梁b.钢筋混凝土梁：受拉区配220钢筋FF=13.4KN截面开裂并破坏Fcr=15KN截面开裂;Fu=87KN截面破坏。200300F200300220梁的承载力大大提高，梁的受力性能改善。示例ft一、混凝土结构的概念和特点2.混凝土和钢筋共同工作的原因*混凝土和钢筋之间有良好的工作性能，两者可靠地结合在一起，可共同受力，共同变形；*两者的温度线膨胀系数很接近，避免产生较大的温度应力破坏两者的粘结力，混凝土：1.0~1.5×10-5，钢筋：1.2×10-5；*混凝土包裹在钢筋的外部，可使钢筋免于腐蚀或高温软化；PP一、混凝土结构的概念和特点3.混凝土结构的组成柱下基础楼板柱梁梁墙楼梯墙下基础地下室底板一、混凝土结构的概念和特点4.常见混凝土构件形式⑴材料利用合理：钢筋和混凝土的材料强度可以得到充分发挥，结构承载力与刚度比例合适，基本无局部稳定问题，对于一般工程结构，单位应力价格低。⑵可模性好：混凝土可根据需要浇筑成各种性质和尺寸，适用于各种形状复杂的结构，如空间薄壳等。⑶耐久性和耐火性较好，维护费用低：钢筋有混凝土的保护层，不易产生锈蚀，而混凝土的强度随时间而增长；混凝土是不良热导体，30mm厚混凝土保护层可耐火2小时，使钢筋不致因升温过快而丧失强度。一、混凝土结构的概念和特点5.混凝土结构的优点⑷现浇混凝土结构的整体性好，且通过合适的配筋，可获得较好的延性，适用于抗震、抗爆结构；同时防振性和防辐射性能较好，适用于防护结构。⑸刚度大、阻尼大，有利于结构的变形控制。⑹易于就地取材：混凝土所用的大量砂、石，易于就地取材，近年来，已有利用工业废料来制造人工骨料，或作为水泥的外加成分，改善混凝土的性能。一、混凝土结构的概念和特点6.混凝土结构的优点⑴自重大：不适用于大跨、高层结构。⑵抗裂性差：普通RC结构，在正常使用阶段往往带裂缝工作，环境较差时会影响耐久性；也限制了普通RC用于大跨结构。⑶承载力有限：在重载结构和高层建筑底部结构，构件尺寸太大，减小使用空间。⑷施工复杂，工序多（支模、绑钢筋、浇筑、养护），工期长，施工受季节、天气的影响较大。⑸混凝土结构一旦破坏，其修复、加固、补强比较困难。一、混凝土结构的概念和特点7.混凝土结构的缺点PP(6)隔热隔声性能差,随着科技不断发展，正逐渐被克服。二、混凝土结构的发展1.钢筋混凝土结构的诞生*1824年，英国人J.Aspdin发明了波特兰水泥，有了混凝土；*1849年，法国人JosephLouisLambot用水泥砂浆涂在钢丝网的两面做成小船----最早的钢筋混凝土结构；*1861年，法国花匠J.Monier用钢丝作为配筋制作了花盆并申请了专利，后又申请了钢筋混凝土板、管道、拱桥等专利----尽管他不懂钢筋混凝土结构的受力原理，甚至将钢筋配置在板的中部，他却被认为是钢筋混凝土结构的发明者；PP*1884年，德国人Wayss,Bauschingger和Koenen等提出了钢筋应配置在构件中受拉力的部位和钢筋混凝土板的计算理论。后来，钢筋混凝土结构逐渐得到了推广应用。*1895年在俄国首先提出砼强度和水灰比关系；1920年美国人发明了在圆形结构上施加预应力的方法；1930～1960年之间，英国人提出和发展了部分预应力的概念。二、混凝土结构的发展2.材料方面的发展•强度不断提高美国60年代混凝土抗压强度平均值：28N/mm2，70年代：42N/mm2，有特殊需要时：40N/mm2~100N/mm2，试验室中：266N/mm2；•轻质混凝土的应用容重一般为：14kN/m3~18kN/m3(普通混凝土为24kN/m3)，加气混凝土、陶粒混凝土、火山岩混凝土、碎砖混凝土等；•无砂混凝土只有粗骨料，无细骨料；•FRP筋的应用用FRP(FiberReinforcedPlastic)筋代替钢筋。二、混凝土结构的发展3.结构方面的发展PPPP•预应力混凝土结构的应用在混凝土的受拉区施加预应力，以提高混凝土结构的抗裂度，减轻构件的自重•结构体系的丰富不同用途、不同结构功能具有相应的结构体系：混凝土结构、钢与混凝土的组合结构、FRP混凝土及预应力混凝土结构等二、混凝土结构的发展4.理论研究方面的发展设计方法允许应力设计法破坏阶段设计法极限状态设计法半经验半概率法近似概率法全概率法生命全过程设计法材料力学的方法按经验法确定安全系数二、混凝土结构的发展4.理论研究方面的发展结构基本理论----如何设计一个新结构•荷载的确定方法•结构的力学分析：线性和非线性•构件的承载力计算、设计方法和构造措施未来的方向：计算机的应用与发展，结构整体空间作用分析方法的完善与应用二、混凝土结构的发展4.理论研究方面的发展结构基本理论----旧结构的维护、改造与加固（80年代中期发展起来）•承载力计算•耐久性评估•寿命预测•损伤分析•加固理论•修复理论•灾害评估等二、混凝土结构的发展4.理论研究方面的发展结构基本理论----计算机仿真技术的应用二、混凝土结构的发展4.理论研究方面的发展结构基本理论----结构试验技术的完善三、混凝土结构的应用1.房屋工程我国超过100m高的高层建筑中绝大多数是混凝土结构或为混凝土和钢的组合结构混凝土组合柱组合楼板钢柱组合梁组合桁架钢筋混凝土筒体三、混凝土结构的应用2.交通工程隧道、桥梁、高速公路、城市高架公路、地铁大都采用混凝土结构。如1994年建成的上海内环线浦西段高架公路，以及与之相连的南浦大桥、杨浦大桥的塔架，1995年建成英吉利海峡隧道等。三、混凝土结构的应用3.水利工程大坝、拦海闸墩、渡槽、港口等多用混凝土结构；瑞士大狄克桑期坝，1962年，高285m，世界最高的混凝土重力坝；我国湖北宜昌三峡大坝，高186m，装机容量1786千瓦；三、混凝土结构的应用4.特种工程核电站的安全壳、热电厂的冷却塔、储水池、储气灌、海洋石油平台、电视塔等四、本课程的目的和学习方法1.目的是土木工程专业的一门主要专业基础课•混凝土结构构件的受力性能和力学分析方法；•混凝土结构构件的设计方法；•现有混凝土结构构件的性能评估；四、本课程的目的和学习方法2.学习方法•注意本课程与相关课程尤其是“材料力学”、“结构力学”课程的异同点，正确运用已有的力学知识解决实际问题；•混凝土结构理论大都建立在试验研究的基础之上，目前还缺乏完善的理论体系。很多公式不能有严密的逻辑推导得出，只能由试验结果回归而成。学习和应用时要注意思维方式的转变；•结构设计单靠理论分析还不够，还要辅以一定的构造措施，才能保证安全可靠；•注意理论联系实际，积累一定的感性认识，对学习本课程十分有益。第二章粘结、锚固与耐久性粘结和锚固是钢筋和混凝土形成整体、共同工作的基础。钢筋与混凝土之间粘结应力示意图（a）锚固粘结应力（b）裂缝间的局部粘结应力一、粘结作用与粘结机理1.粘结意义一、粘结作用与粘结机理2.粘结作用PP裂缝出现后的粘结作用T两种粘结作用锚固粘结保证钢筋和混凝土共同工作缝间粘结改善钢筋混凝土的耗能性能一、粘结作用与粘结机理3.粘结机理光圆钢筋粘附力摩擦力机械咬合力（钢筋表面不平、微锈时可显著提高咬合力）有滑移时粘附力即消失钢筋受力较大时粘结力主要由此二部分组成一、粘结作用与粘结机理3.粘结机理变形钢筋粘附力摩擦力机械咬合力主要作用一、粘结作用与粘结机理4.粘结试验拔出试验搭接长度延伸长度半梁试验搭接长度试验延伸长度试验一、粘结作用与粘结机理5.粘结破坏形态光圆钢筋钢筋拔出一、粘结作用与粘结机理5.粘结破坏形态变形钢筋纵向分量径向分量构件纵向开裂一、粘结作用与粘结机理5.粘结破坏形态变形钢筋纵向分量径向分量混凝土撕裂混凝土局部挤碎刮出式破坏二、钢筋与混凝土间粘结强度一般用拔出试验测出钢筋与混凝土间的平均粘结强度lTsuu钢筋周长埋置长度拔出拉力剪应力分布ldTτμmaxτ二、钢筋与混凝土间粘结强度lTu影响因素混凝土强度浇注位置（水平浇注、竖向浇注）钢筋的外形特征保护层厚度和钢筋的净距三、锚固、搭接长度1.锚固长度的理论分析原则钢筋屈服时正好发生锚固破坏对象以直径为2c的混凝土试件内配直径为d的变形钢筋为例假定纵裂发生在刮出式破坏以前三、锚固、搭接长度1.锚固长度的理论分析假定由于p引起的混凝土中的拉应力按线形分布dccdpttataldcdpl2)2(tdcp)21(当t=ft时，锚固破坏tufdcp)21(la三、锚固、搭接长度1.锚固长度的理论分析当变形钢筋肋倾角为45º时dpttuupayayasuuldfdlfdlT44/2tyafdcfdl)21(la三、锚固、搭接长度1.锚固长度的理论分析dffdffltytya16.06dc2令tyafdcfdl)21(2c当c2d时，la的数值比上式的数值要小。三、锚固、搭接长度2.实用锚固长度的计算公式dffltyala基本锚固长度（GB50010）：锚固钢筋的外形系数，见有关规范对不同的情况还要作修正对上式作修正可得搭接长度alll三、锚固、搭接长度la锚固长度钢筋类型光面钢筋带肋钢筋刻痕钢筋螺旋肋钢筋三股钢绞线α0.160.140.190.130.16①受拉钢筋的锚固当计算中充分利用钢筋的强度时，混凝土结构中纵向受拉钢筋的锚固长度应按下列公式计算：dffltya三、锚固、搭接长度当符合下列条件时，锚固长度应加以修正：※对于直径大于25mm的HPB335、HRB400和RRB400时，其锚固长度应取计算结果乘以修正系数1.1※为了减少锚固长度，可在受拉钢筋末端采用机械锚固措施。对于HRB335、HRB400和RRB400级钢筋，当采用机械锚固措施时，其锚固长度（包括附加锚固端头在内）可取按公式计算的锚固长度的0.7倍。三、锚固、搭接长度采用机械锚固措施时，在锚固长度范围内的箍筋不应少于3个，其直径不应小于锚固钢筋直径的0.25倍；间距不应小于锚固直径的5倍。当锚固钢筋的混凝土保护层厚度不小于钢筋公称直径的5倍时，可不配置上述箍筋。②受压钢筋的锚固当计算中充分利用纵向钢筋的受压强度时，其锚固长度不应小于受拉钢筋锚固长度的0.7倍。必须注意，对于光面钢筋（受拉或受压），其末端均应做180o标准弯钩。焊接骨架、焊接网中的光面钢筋可不做弯钩。三、锚固、搭接长度③绑扎搭接绑扎搭接的工作原理是通过钢筋与混凝土之间的粘结强度来传递内力的。因此，钢筋的绑扎接头要有足够的搭接长度。《规范》规定：纵向受拉钢筋绑扎搭接接头的搭接长度应根据位于同一连接区段内(1.3ll)的搭接钢筋面积百分率按下列公式计算，但任何情况下均不应小于300mm。alll三、锚固、搭接长度式中ll——受拉钢筋的搭接长度；la——受拉钢筋的锚固长度，按前面公式计算。ζ——纵向受拉钢筋搭接长度修正系数，按下表规定取用。纵向钢筋搭接接头面积（%）（在1.3ll的搭接区段内）≤2550100ζ1.21.41.6表:纵向钢筋搭接长度修正系数三、锚固、搭接长度1.3llll混凝土结构的耐久性是指在设计使用年限内，在正常维护条件下，维持其适用性的能力。混凝土的碳化和钢筋受侵蚀是影响混凝土结构耐久性的综合原因。耐久性设计依据主要是结构的环境类别、设计使用年限及考虑对混凝土材料的基本要求。四、混凝土结构的耐久性四、混凝土结构的耐久性四、混凝