建筑结构概述及钢筋混凝土材料简介

1A1.1建筑结构概述及钢筋混凝土材料简介1A1.1.1建筑结构的分类及应用概况1A1.1.2建筑结构的发展简况1A1.1.3本课程的内容1A1.1.4钢筋混凝土的一般概念及特点国家大剧院工程外部围护结构为钢结构网壳，是半椭圆球形，东西长轴212.2m，南北短轴143.64m，总高度46.285m。内设歌剧院（2416席）、音乐厅（2017席）及戏剧院（1040席）及公共大厅等。屋面采用钛金属板，整个网壳外环绕人工湖（35500m2）,各种通道及入口均设在水下。设计为法国巴黎机场公司安德鲁建筑师，北京市建筑设计研究院参与主体设计，整体结构用钢量达6750t，195kg/m。1A1.1.1建筑结构的分类及应用概况1、按所用材料不同，可分为钢筋混凝土结构、砌体结构、钢结构、木结构。2、按结构受力特点分类，可分为混合结构、框架结构、排架结构、剪力墙结构、筒体结构及其它。框架-剪力墙结构框架-剪力墙结构排架结构单层厂房筒体结构上海金茂大厦是88层，建筑高度420.5m，建筑面积28.9万平方米，于1998年8月28日竣工。钢筋混凝土核心筒，外框钢骨混凝土及钢柱。按建筑物层数分类：高层、多层、低层自左向右：台北101大楼、芝加哥席尔斯大楼、吉隆坡双子星大楼、上海金茂大厦、香港国际金融中心、纽约帝国大厦1、按所用材料不同分类（1）钢筋混凝土结构其主要优点为强度高、整体性好、耐久性与抗震性好，并具有良好可塑性等。但是缺点是自重大，施工时费工费料。（2）砌体则是目前建筑结构材料中的另一主要材料。（3）砖石砌体就地取材、成本低廉、耐久性较好。缺点是砌筑劳动强度较大，结构自重大，构件强度不高等，其适应范围受到一定的限制，目前大部分用于多层民用建筑中，少量用于工业建筑中。（4）钢结构是继钢筋混凝土结构之后具有发展前景的建筑材料，也是目前主要的建筑结构材料之一。（5）木结构建筑受木材生长周期长及开伐木材对环境带来影响等因素，现在很少作为建筑结构材料。2、按结构受力特点分类可分为：混合结构、框架结构、排架结构、剪力墙结构、筒体结构及其它。混合结构是由砌体和钢筋混凝土材料共同承受外加荷载的结构；框架结构是由梁、柱构件构成承重骨架，梁柱连接方式一般为刚接，局部也可能采用铰接。剪力墙结构是由整片的钢筋混凝土墙体和钢筋混凝土楼（屋）盖组成。筒体结构是由钢筋混凝土墙或密集柱围成的一个抗侧刚度很大的结构，犹如一个嵌固在基础上的竖向悬臂构件。人们对建筑物提出的多样性要求，使得建筑结构的形式也日益多样化。1A1.1.2建筑结构的发展简况建筑结构材料方面建筑结构计算理论方面建筑结构的施工工艺建筑结构材料方面古代建筑结构主要以木结构、砖石结构为主，而近代建筑结构则以钢筋混凝土结构为主。随着生产力的发展以及科研工作的开展，计算理论得到了很大的提高，新型结构材料也不断涌现。建筑结构计算理论方面从过去完全凭经验建造房屋到后来采用一些简单的近似计算；从二十世纪40年代到50年代中期的破坏阶段设计方法到采用极限状态设计方法。在建筑结构中已采用以概率论为基础的极限状态设计法，使结构计算理论更趋完善。建筑结构的施工工艺工业厂房及多层住宅正在向工业化方向发展，建筑构件的定型化、标准化大大加快建筑结构工业化进程。在高层建筑中，施工方法也有了很大的改进，大模板滑模等施工方法已得到大量的推广与应用。建筑结构是一门综合性较强的应用科学，其发展涉及到数学、力学、材料及施工技术等科学。随着我国生产力的提高及结构材料研究的发展，计算理论的进一步完善以及施工技术、施工工艺的不断改进，建筑结构科学将会发展到更高的阶段。1A1.1.3本课程的内容本课程由钢筋混凝土结构、砌体结构、钢结构三部分内容组成。其中钢筋混凝土结构又包括钢筋混凝土基本构件及钢筋混凝土房屋结构。1A1.1.4钢筋混凝土的一般概念及特点钢筋混凝土的一般概念钢筋混凝土是由钢筋和混凝土两种力学性能完全不同的材料组成的结构材料。钢筋是一种抗拉和抗压能力都很强的材料，混凝土是一种抗压能力强而抗拉能力却相对较弱的脆性材料。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。200300Fft200300220梁的承载力大大提高，梁的受力性能改善。钢筋和混凝土这两种性质不同的材料之所以能有效地结合在一起而共同工作，主要是因为二者存有粘结力、混凝土保护层以及两种材料的温度线膨胀系数接近等因素。2、钢筋混凝土的特点(1)强度较高：(2)钢材用量少：(3)耐久性好：(4)耐火性好：(5)可模性好：(6)整体性好：(7)材料来源广泛，便于就地取材：1A1.1.5-7钢筋混凝土材料1A1.1.5钢筋的主要力学性能1A1.1.6混凝土主要力学性能1A1.1.7钢筋与混凝土之间的粘结1A1.1.5钢筋的主要力学性能1、钢筋的强度和变形2、钢筋的成分、级别、品种3、钢筋的冷拉和冷拔4、钢筋的形式5、建筑结构对钢筋的要求1、钢筋的强度和变形建筑结构用的钢筋，一般可分为两类：有明显流幅的钢筋（也称软钢）和没有明显流幅的钢筋（也称硬钢）。这两类钢筋拉伸试验的典型应力-应变曲线见图1-2及图1-3所示。se钢筋的应力-应变关系Stress-StrainRelation◆一、有明显流幅的钢筋Rebarwithyieldpointa’为比例极限proportionallimits=Esea’a为弹性极限elasticlimitade为强化段strainhardeningstagebb为屈服上限upperyieldstrengthc为屈服下限，即屈服强度fyloweryieldstrengthcdcd为屈服台阶yieldplateauefue为极限抗拉强度fuultimatetensilestrengthfyf图1－2◆二、无明显流幅钢筋的应力-应变曲线Rebarwithoutyieldpointa0.2%s0.2fua点：比例极限，约为0.65fua点前：应力-应变关系为线弹性a点后：应力-应变关系为非线性，有一定塑性变形，且没有明显的屈服点强度设计指标——条件屈服点(Equivalentyieldpoint)残余应变为0.2%所对应的应力《规范》取s0.2=0.85fu对有明显流幅钢筋有两个强度指标：一是屈服台阶的下限点c点所对应的应力称为钢筋屈服强度，它是作为钢筋混凝土构件计算时钢筋的强度限值，即钢筋强度设计指标。另一个强度指标是d点的钢筋极限强度，这是钢筋所能达到的最大强度，而极限强度与屈服强度之比（强屈比）作为钢筋强度的安全储备。钢筋的塑性变形能力。反映钢筋塑性性能的基本指标是伸长率和冷弯性能。钢筋拉断后的伸长值与原长的比率称为伸长率ε。冷弯是将直径为d的钢筋绕某一规定直径为D的钢辊（gǔn）进行弯曲，在达到规定的冷弯角度（180）时钢筋不发生裂纹、鳞落或断裂，就表示合格。高强度碳素钢丝类的应力-应变曲线没有明显的屈服台阶（流幅），其强度很高，但伸长率小，塑性较差，破坏时呈脆性。对该类钢筋通常取相应于残余应变为0.2％的应力0.85作为假想屈服点（或称条件屈服点），其值约为0.85倍抗拉强度值。2、钢筋的成分、级别、品种钢筋的化学成分主要是铁元素，还有少量的碳、锰、硅、钒、钛等合金元素以及其它的有害元素如磷、硫等。建筑上钢筋可分为两大类：碳素钢和普通低合金钢，图1-4为各级钢筋和碳素钢丝的应力-应变曲线。图1-4各级钢筋的应力-应变曲线热处理钢筋，是普通低合金钢筋通过加热、淬火、回火等调质热处理工艺，以改变其力学性能，从而获得在塑性降低不多的情况下，强度却大大提高，热处理钢筋其强度高、变形性能好，很适宜作预应力钢筋。3、钢筋的冷拉和冷拔冷拉冷拉是将钢筋拉至超过屈服强度，即强化阶段中的某一应力值，如图1-5所示冷拉只能提高钢筋的抗拉强度，不宜作为受压钢筋。冷拉后的钢筋没有明显的屈服阶段，如B图。冷拉卸载后经过一段时间的停滞，再对其张拉，会重新恢复屈服阶段而呈现出屈服强度提高的应力应变图形；这种现象被称为冷做硬化现象；冷拉仅提高钢筋的抗拉强度，不提高其抗压强度；冷拉工艺不改变钢筋的强度级别。0σεAB冷拉冷拔冷拔是将直径为6-8的Ⅰ级热轧钢筋用强力拔过比其直径要小的硬质合金拔丝的模具，在模具中钢筋除了受拉外还受到很大的侧向挤压力，从而使钢筋在长度和直径两个方向都产生塑性变形，截面积减小，长度增加，如图1-6a所示。《规范》把冷拔低碳钢丝分为甲乙两级。甲级质量要求较严，可作预应力筋，但需逐盘进行抗拉强度、伸长率及弯曲试验；乙级只作分批检验，一般用作架立筋、焊接网片和骨架等构造钢筋用。冷拔钢筋可同时提高抗拉及抗压强度。冷拔是指将光圆钢筋以强力拉拽使其通过小直径的硬质合金模具，使其截面减小而长度增长；冷拔后的钢筋的强度会大大提高；冷拔后钢筋的塑性会降低；冷拔后的钢筋与之前的钢筋不属于同一种钢筋。0σε冷拔4、钢筋的形式建筑结构所采用的钢筋可以分为柔性钢筋及劲性钢筋两类。柔性钢筋也就是建筑结构上用的普通钢筋，目前常用的外形有光面、螺纹、人字纹及月牙纹等，如图1-7所示。除光面钢筋以外，后几种型式的钢筋统称为变形钢筋。一般将钢筋的直径在6mm以下的称为钢丝，直径在6mm及以上的称为钢筋。劲性钢筋是指各种型钢、钢轨或者用钢板焊成的骨架。由于劲性钢筋本身刚度大，施工时模板及混凝土的重力可以由劲性钢筋本身来承受，可提高施工进度,简化施工工艺。图1-7热轧钢筋、中高强钢丝和钢绞线、热处理钢筋和冷加工钢筋5、建筑结构对钢筋的要求强度要求：强度指钢筋的屈服强度和极限强度。钢筋的屈服强度是结构设计计算时钢筋强度取值的主要依据。塑性要求：钢筋的塑性就是要求钢筋在拉断前有足够的变形能力，使钢筋混凝土梁在即将破坏前能给人们以预告信号。可焊性要求：在正常的工艺条件下要求钢筋焊接后不产生裂纹及过大变形，保证焊接后的接头性能良好。与混凝土的粘结力钢筋的屈服强度、极限强度、伸长率和冷弯都是施工单位验收钢筋是否合格的四个主要指标。1A1.1.6混凝土主要力学性能1、混凝土的强度2、混凝土的变形1、混凝土的强度（1）、混凝土立方体抗压强度及强度等级（2）、混凝土轴心抗压强度（3）、混凝土轴心抗拉强度（4）、复合应力下的混凝土的强度（1）、混凝土立方体抗压强度及强度等级混凝土强度等级应按立方体抗压强度标准确定。我国《规范》规定的标准测试方法是：以150×150×150mm3的立方体试件，在于28d龄期用标准试验方法测得的具有95％保证率的抗压强度（单位为MPa）作为混凝土立方体抗压强度标准值。（2）、混凝土轴心抗压强度混凝土轴心抗压强度也称棱柱体抗压强度（图1-9），一般用h/b=3的棱柱体抗压强度来代表混凝土单向均匀受压时的抗压强度。图1-9图1-8（3）混凝土轴心抗拉强度混凝土轴心抗拉强度通常采用100×100×500mm3的棱柱体，两端设有螺纹钢筋（图1-10a），在试验机上受拉，当试件拉裂时测得的平均拉应力即为混凝土的轴心抗拉强度。混凝土的轴心抗拉强度是钢筋混凝土结构计算中计算抗裂度的重要指标，图1-10混凝土轴心受拉试件（a）轴心受拉试件；（b）劈裂试件图1—11混凝土三向受压强度（4）复合应力下的混凝土的强度钢筋混凝土结构构件中的混凝土大多处在复合应力状态，如钢筋混凝土柱子，当柱子纵向受压时，横向箍筋对柱混凝土起侧向约束作用，使其混凝土强度比单向受压时有较大提高。并随侧向压力的增大而增大。2、混凝土的变形（1）混凝土的受力变形（2）混凝土的收缩与膨胀变形（1）混凝土的受力变形a、混凝土单向受压时的应力-应变曲线混凝土在单向荷载作用下的应力-应变曲线如图1－12所示，它是分析构件各个阶段受力状态、变形、强度的重要依据，试验表明：混凝土完整的应力－应变曲线应包括两个部分，即上升段和下降段。图1-12混凝土应力—应变曲线b.混凝土弹性模量与变形模量混凝土弹性模量：混凝土的弹性模