钢筋混凝土结构设计

教学情境一：钢筋混凝土结构设计任务1受弯构件承载力计算任务2纵向受力构件计算任务3钢筋混凝土楼盖设计任务4钢筋混凝土多层及高层房屋任务5钢筋混凝土结构施工图识读教学情境一：钢筋混凝土结构设计任务1钢筋混凝土受弯构件计算1建筑结构计算基本原则本章提要本章讲述了建筑结构承受的各种作用，包括直接作用和间接作用。主要讲述了《建筑结构荷载规范》（GB50009—2001）中的各种荷载。讨论了荷载的分类，荷载代表值，各类荷载标准值的确定。本章内容1.1荷载的分类代表值1.2建筑结构概率极限设计法——在结构使用期间，其值不随时间变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计的荷载。也称恒荷载或恒载。比如结构自重或土压力等。——在结构使用期间，其值随时间变化，或其变化与平均值相比不可以忽略不计的荷载。也称活荷载或活载。比如楼面活载、屋面活载、雪荷载、风荷载、吊车荷载等。——在结构使用期间不一定出现，而一旦出现,其量值很大而持续时间较短的荷载。比如爆炸力、撞击力等。a.永久荷载b.可变荷载c.偶然荷载按时间变异分类1.1.1、荷载分类及荷载代表值1.1.2荷载代表值荷载的代表值——结构计算时，需根据不同的设计要求采用不同的荷载数值。对永久荷载应采用标准值(K)对可变荷载应根据设计要求采用标准值、组合值、对偶然荷载应按建筑结构使用的特点确定其代表值。1.荷载标准值荷载标准值:是荷载的基本代表值，指结构在使用期间可能出现的最大荷载值。GK(1):永久荷载标准值:主要包括构件的自重、构造层的自重等。常见材料构件的单位自重见《荷载规范》:钢筋混凝土:25KN/m3水泥砂浆20KN/m3混合砂浆17KN/m3普通砖19KN/m3。民用建筑楼面活荷载是指作用在楼面上的人员、家具、设备等荷载。屋面上的活荷载因“上人”和“不上人”而不同。楼面均布活荷载的标准值及其组合值、频遇值和准永久值系数见表1.1.。设计墙、柱及基础时应对各层楼面的楼面活荷载标准值进行折减。楼面活荷载折减系数见表1.2、表1.3(2)可变荷载标准值表1.4屋面均布活荷载项次类别标准值(kN/m2)组合值系数ψc频遇值系数ψf准永久值系数ψq1不上人的屋面0.50.70.502上人的屋面2.00.70.50.43屋顶花园3.00.70.60.52.可变荷载准永久值在设计基准期内，其超越的总时间约为设计基准值一半（可以理解为总持续时间不低于25年）的荷载值，也就是经常作用于结构上的可变荷载。其值等于可变荷载标准值乘以可变荷载准永久值系数：qqkQQ表1.2楼面活荷载折减系数3.可变荷载组合值当结构同时承受两种或两种以上的可变荷载时，考虑到荷载同时达到最大值的可能性较小，因此除主导荷载（产生最大荷载效应的荷载）仍以其标准值为代表值外，对其它伴随荷载，可以将它们的标准值乘以一个小于或等于1的荷载组合系数作为代表值，称为可变荷载组合值，即CCkQQ4.可变荷载频遇值在设计基准期内，其超越的总时间为规定的较小比率或超越频率为规定频率的荷载值。它相当于在结构上时而或多次出现的较大荷载，但总是小于荷载的标准值。其值等于可变荷载标准值乘以可变荷载ffkQQ1.2建筑结构概率极限设计法(1)、结构的安全等级(一级,二级,三级)(2)、结构设计使用年限(25年.50年,100年)(3)、结构的功能要求：在设计基准期（一般50年）内，满足功能要求，即安全性，适用性，耐久性。安全性：满足特定的与建筑物功能相适应的承载力适用性：保证结构在日常使用中具有良好的的工作性能.耐久性：保证结构的承载力的持续时间与环境适应度一.极限状态1.结构的功能要求结构的可靠性:即结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的能力。(结构的安全性、适用性和耐久性)可靠度：“结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率。”故结构可靠度是可靠性的概率度量。2结构功能的极限状态极限状态——整个结构或结构的一部分超过某一特定状态,或不能满足设计规定的某一功能要求的特定状态。A、承载能力极限状态——结构或构件达到最大承载力或产生不适于继续承载的变形。如倾覆、疲劳破坏、压屈等。B、正常使用极限状态——结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值。如过大变形、开裂、振动等我国结构设计是以概率理论为基础的极限状态设计法。承载力极限状态当结构或结构构件出现下列状态之一时，应认为超过了承载能力极限状态1）、整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如阳台、雨篷的倾覆）；2）、结构构件或连接因超过材料强度而破坏（包括疲劳破坏），或因过度变形而不适于继续承载；3）、结构转变为机动体系4）、结构或结构构件丧失稳定（如压屈等）；5）、地基丧失承载能力而破坏（如失稳等）正常使用极限状态当结构或结构构件出现下列状态之一时，应认为超过了正常使用极限状态1）2）影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括裂缝，如水池开裂引起渗漏）3）4）影响正常使用的其它特定状态作用(或荷载）作用效应（S）施加在结构上的集中力或分布力，称为作用——直接作用引起结构外加变形或约束变形的原因——间接作用——由作用引起的结构或构件的反应(内力N、M、V、T）结构抗力（R）——结构或结构构件承受效应的能力qM3结构的功能函数及有关概念1)、作用效应和结构抗力的概念“功能函数”:结构抗力与荷载效应之差，Z=g(S,R)=R-S结果分析Z=R-S0：处于可靠状态Z=R-S0：处于不可靠状态，即失效；Z=R-S=0：处于极限状态，此方程称极限状态方程2.结构的功能函数（１）实用表达式S≤RS:荷载效应设计值R:结构抗力设计值(2)荷载效应基本组合设计值S考虑永久性荷载和可变荷载共同作用所得的结构内力值称为结构的内力组合值。1）由可变荷载效应控制的组合：二.实用设计表达式1承载能力极限状态设计表达式γ0:结构重要性系数1.1(一级)、1.0(二级)、0.9(三级).γG：恒荷载分项系数1.2，γQ:活荷载分项系数1.4.SGk：恒载效应标准值，SQ1k:最大的活载的效应标准值.ψ：其他活荷载的组合系数.SQik：其他活载效应标准值.γGSGk::恒载效应设计值.γQSQ1k:活载的效应设计值.0112()nGGkQQkQiciQikiSrSSS(2)由永久荷载效应控制的组合：γG：恒荷载分项系数1.35S取两公式计算的最大值（1.2.4）01()nGGkQiciQikiSrSS二、建筑结构概率极限状态设计法例：某办公室钢筋混凝土矩形截面简支梁，安全等级为二级，截面尺寸b×h=200mm×400mm，计算跨度l=5m，净跨度l=4.86m。承受均布线荷载；可变荷载标准值7km/m，永久荷载标准值10km/m（不包括自重）。试计算按承载能力极限状态设计时跨中弯矩设计值和支座边缘截面剪力设计值。答由表1.1.1可查可变荷载组合值系数。安全等级为二级，则结构重要性系数一:荷载计算:钢筋混凝土的重力密度标准值为25kN/m3，故梁自重标准值为:总永久荷载标准值:二:荷载效应(弯矩)设计值的计算:1.弯矩标准值的计算:A.永久荷载产生的:B.可变荷载产生的:0.107.0cmkNmkNgk/12/)210(mkNmkN/2/4.02.025mkNmkNlgMkgk5.375128181220mkNmkNlqMkqk875.215781812202.弯矩设计值的计算A:由可变荷载效应控制的组合:本例只有一个可变荷载，即为第一可变荷载。故计算由可变荷载弯矩控制的跨中弯矩设计值时B:由永久荷载控制的组合:取较大值跨中弯矩设计值M=75.625kN·m三:荷载效应(剪力)设计值的计算:1.剪力标准值的计算分别为A:永久荷载产生的:B.可变荷载产生的:kNkNlqVnqkk01.1786.4721214.1,2.11QQg7.0,4.1,35.1cQgkNkNlgVngkk16.2986.412212111()1.0(1.3537.50.71.421.875)72.063.OGgkcQqkMrrMrMKNm11()1.0(1.237.51.421.875)75.625.OGgkQqkMrrMrMKNm2剪力设计值的计算A:由可变荷载效应控制的组合B:由永久荷载控制的组合取较大值支座边缘截面剪力设计值V=58.806kN4.1,2.11QQg11()1.0(1.229.161.417.01)58.806OGgkQqkVrrVrVKN7.0,4.1,35.1cQg11()1.0(1.3529.160.71.417.01)56.036OGgkcQqkVrrVrVKN对于正常使用极限状态，应根据不同的设计要求，采用荷载的标准组合、频遇组合和准永久组合进行设计，使变形、裂缝、振幅、基底应力等荷载效应的组合值符合下式的要求：（1）实用表达式S≤C（2）对于标准组合，荷载效应组合的设计值S按下式计算：2正常使用极限状态设计表达式12nGkQkciQikiSSSS2建筑结构材料本章提要本章主要论述了钢筋的力学性能,混凝土的力学性能（混凝土的立方体抗压强度、轴心抗压强度、轴心抗拉强度；混凝土的变形和混凝土的选用）。本章内容:建筑钢材混凝土一.建筑钢材的品种类和规格强度高，塑性低强度高，粘结性好强度高预应力钢筋钢筋热轧钢筋钢丝钢绞线热处理钢筋HPB235HRB335HRB400RRB400光圆钢筋变形钢筋变形钢筋变形钢筋非预应力钢筋强度塑性弱强高低2.1建筑钢材1.混凝土结构用的钢筋我国常见钢筋外形:d=6,8,10,12,14,16,18,20,22,25,28,32mm12种。钢筋的截面面积常规直径（1）化学成分主要成分:Fe(99%).C有害元素：Ｓ．Ｏ（热脆）．Ｐ．Ｎ（冷脆）．（降低钢材的塑性．韧性）有益元素：Ｍｎ．Ｓｉ．Ｖ．Ｎｂ．Ｔｉ．ＡＬ．Ｃｕ提高强度．塑性（２）冶金缺陷（气孔．夹层）（３）钢材硬化（冷加工）（４）温度变化（６００度不能承担荷载）（５）应力集中（截面突然改变产生应力高峰）（６）反复荷载作用（发生疲劳破坏）2.2.1建筑钢材的力学性能1.影响钢材力学性能的主要因素２．钢筋的力学性能（１）强度1.有明显屈服点（软钢）0dabce条件屈服点0.2是残余应变为0.2%时的应力条件屈服强度0.2=0.85b2.无明显屈服点（硬钢）d0c0.20.2%a—比例极限pc—屈服强度yd—极限强度b钢筋的颈缩(1).钢筋的强度标准值和强度设计值强度标准值:是指正常情况下可能出现的最小材料强度值《混凝土结构设计规范》（GB50010—2002）规定，钢筋材料强度的标准值应具有不少于95%保证率。热轧钢筋的强度标准值根据屈服强度确定，用fyk表示。预应力钢绞线、钢丝和热处理钢筋的强度标准值根据极限抗拉强度确定，用fptk表示。普通钢筋、预应力钢筋的强度标准值见表。3.建筑钢筋的设计指标a.定义：水泥胶体(水泥结晶体和水泥胶块)弹性骨架（混凝土）水泥+水石子、沙子b.强度等级：立方体抗压强度是指按照标准方法制作养护的边长为150mm的立方体试件，在28天龄期，用标准试验方法测得的抗压强度。C15,C20,C25,C30,C35,C40,C45,C50~C80共14级C60-C80属高强度混凝土C—混凝土15—立方体抗压强度的标准值为15N/mm3（砼强度等级）cuf1.立方体抗压强度150mm150mm150mm2.2混凝土一混凝土的强度2.2.4、混凝土结构的耐久性耐久性、是指结构在预定设计工作寿命期内，在正常维护条件下，不需要进行大修和加固满足，而满足正常使用和安全功能要求的能力。碳化影响混凝土结构耐久性的因素内部因素：混凝土强度、渗透性、保护层厚度、水泥品种、标号和