建筑结构(上册)

绪论0.1建筑结构的分类及应用基本建筑构件：板、梁、柱、墙、基础等建筑结构：由基本建筑构件组成的建筑物承重骨架建筑结构的要求：安全性、实用性、耐久性建筑结构的分类按材料和受力方式两方面划分：①按材料划分为：钢筋混凝土结构、砌体结构、钢结构、木结构等。②按结构受力特点分为：混合结构、框架结构、排架结构、剪力墙结构、筒体结构等。绪论0.2建筑结构的发展简况材料方面古代：砖、木结构近代：钢筋混凝土结构和钢结构计算理论古代：近似计算1钢筋混凝土的一般概念及材料的主要力学性能P1P2(a)P1P2中和轴受拉钢筋(b)1、１钢筋混凝土的一般概念和特点概念：由钢筋和混凝土结合在一起共同工作的材料，该材料可充分利用混凝土的抗压性能和钢筋的抗拉性能。特点：1与砖木结构相比强度高；2钢材用量少；3耐久性好；4耐火性好；１可模性好；2整体性好；3材料来源广泛图1.1素混凝土和钢筋混凝土波怀情况对比①软刚和硬刚钢筋的强度和变形性能主要由单向拉伸测得的应力应变曲线来表征。试验表明，钢筋的拉伸应力应变曲线可分为两类：有明显的流幅的钢筋（也称为软钢）见图1.2，没有明显流幅的钢筋（也称为硬钢）见图1.3。σ(Mpa)ε钢筋的主要力学性能1.2.1abcde比例极限屈服强度极限强度流幅钢筋的主要力学性能钢筋的强度和变形图钢筋的主要力学性能σ(Mpa)ε0.85σbσb0.2%2条件屈服强度（硬刚）高碳钢与低碳钢不同，见图1.3，它没有明显的屈服台阶，塑性变形小，延伸率亦小，但极限强度高。通常用残余应变为0.2%的应力，约0.85σb作为假想屈服点(或称条件屈服点)，用σ0.2表示，0.85σb作为条件屈服强度。σb极限抗拉强度值。图3钢筋的伸长率除强度指标外，钢筋还应具有一定的塑性变形能力。反映钢筋塑性性能的基本指标是伸长率和冷弯性能。所谓伸长率即钢筋拉断后的伸长值与原长的比率：钢筋的主要力学性能………1-1式中：δ伸长率（%）L-试件受力前的标距长度（有5d、10d、100d）L1-试件拉断后的标距长度伸长率越大的钢筋塑性越好，即拉伸前有足够的伸长，使构件的破坏有预兆；反之构件的破坏具有突发性而呈现脆性。钢筋的主要力学性能1.2.2钢筋的成分、分类、级别、品种成分：钢筋的主要成分为铁、还有少量的碳、锰、硅、钒、钛及一些有害元素如磷、硫等。刚材的强度随含碳量的增加而增加，但其塑性性能及可焊性随之降低。锰、硅、钒、钛等少量合金元素可是钢材的强度、塑性等综合性能提高。分类：我国建筑工程中采用的钢筋，按化学成分可分为碳素钢和普通低合金钢两大类。含碳量小于0.25%的碳素钢称为低碳钢或软钢，含碳量为0.6%～1.4%的碳素钢称为高碳钢或硬钢。在碳素钢的元素中加入少量的合金元素，就成为普通低合金钢。如20MnSi、20MnSiV、20MnSiNb、20MnTi等。钢筋的主要力学性能1.2.3钢筋的冷拉和冷拔(1)冷拉冷拉是将钢筋拉到超过钢筋屈服强度的某一应力值，以提高钢筋的抗拉强度，达到节约钢材的目的。冷拉能提高钢筋抗拉强度，但不能提高抗压强度。冷拉能使钢筋伸长，能节省钢材，调直钢筋，自动除锈，检查焊接质量的作用。(2)冷拔冷拔是将Φ6～Φ8的HPB235级钢筋，用强力从直径较小的硬质合金拔丝模拔出使它产生塑性变形，拔成较细直径的钢丝，以提高其强度的冷加工方法。冷拔后钢筋的强度得到了较大的提高，但塑性却有较大的降低。经过冷拔加工的低碳钢丝，须逐盘检验，分为甲、乙两级，甲级用作预应力钢筋，乙级用作非预应力钢筋。1.2钢筋的主要力学性能1.2.41.2.4钢筋的形式(b)(a)(c)(d)光面钢筋(a):HPB235带肋钢筋(b)_(d):(b)螺纹钢筋(c)人字纹钢筋(d)月牙形钢筋我国带肋钢筋的外形目前生产的是月牙形。HRB335—表面有阿拉伯数字“2”，HRB400—表面有阿拉伯数字“3”。1.2钢筋的主要力学性能1.2.51.2.5建筑结构对钢筋的要求及选择原则要求强度要求、塑性要求、可焊性要求、与混凝土的粘结力选择的原则在实际工程应用中，基于混凝土对钢筋性能的要求，确定的选用原则为：①钢筋混凝土结构以HRB400级热轧带肋钢筋为主导钢筋；实际工程中，普通钢筋宜采用HRB400级和HRB335级钢筋，也可采用HPB235级及RRB400级钢筋。②预应力混凝土结构以高强、低松弛钢丝、钢绞线为主导钢筋；预应力钢筋宜采用预应力钢丝、钢绞线，也可采用热处理钢筋。③各种形式的冷加工钢筋应整顿市场、加强管理、保证质量、提高性能，通过市场竞争优化或淘汰。购买钢筋应要求厂家提供三项力学性能（抗拉强度、屈服强度、伸长率）、两项化学性能（磷、硫含量）1.3混凝土的主要力学性能1.3.11.3混凝土的主要力学性能1.3.1混凝土的强度（1）、混凝土的立方体抗压强（fcu）度及强度等级混凝土结构中，主要是利用它的抗压强度。因此抗压强度是混凝土力学性能中最主要和最基本的指标。混凝土的强度等级是用抗压强度来划分的混凝土强度等级：边长150mm立方体标准试件，在标准条件下（20±3℃，≥90%湿度）养护28天，用标准试验方法（加载速度0.15~0.3N/mm2/sec，两端不涂润滑剂）测得的具有95%保证率的立方体抗压强度，用符号C表示，C30表示fcu,k=30N/mm2，fcu,k混凝土强度标准值，注意：fcu与fcu,k的区别在于是否具有95%的保证率根据《规范》强度范围，从C15~C80共划分为14个强度等级，级差为5N/mm2。与原《规范GBJ10-89》相比，混凝土强度等级范围由C60提高到C80，C50以上为高强混凝土。1.3混凝土的主要力学性能如果采用的是100mm、200mm的非标准试件，应乘以0.95、1.05的系数将其折算成标准试件。规范《GB50010—2..2》4.1.2规定：在钢筋混凝土结构中，混凝土的强度等级不宜低于C15；当采用HRB335级钢筋时，混凝土强度等级不应低于C20；当采用HRB400和RRB400级钢筋以及的对承受重复荷载的构件，混凝土强度等级不得低于C20。预应力混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C30；当采用预应力钢丝、钢绞线、热处理钢筋作预应力钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C40。1.3混凝土的主要力学性能（2）混凝土轴心抗压强度实际工程中，一般的受压构件不是立方体而是棱柱体，即构件的高度要比截面的尺寸大。一般用h/b=3～4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。轴心抗压强度采用棱柱体试件测定，用符号fc表示，它比较接近实际构件中混凝土的受压情况，我国通常取150mm×150mm×450mm的棱柱体试件，也常用100×100×300试件。对于同一混凝土，棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度。棱柱体抗压强度和立方体抗压强度的换算关系为：k,cu2C1Cckf88.0f混凝土的轴心抗压设计强度：fc=fck/γc1.3混凝土的主要力学性能（3）混凝土轴心抗拉强度混凝土轴心抗拉强度ft是采用100mm×100mm×500mm的棱柱体，两端设有螺纹钢筋(图1-7)，在实验机上受拉来测定的。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。实验表明，混凝土的抗拉强度比抗压强度低得多，混凝土轴心抗拉强度只是混凝土立方体抗压强度的1/17～1/8倍,而且随混凝土强度等级的提高而减小。通过实验，新规范按下式计算：50015015010016轴心受拉试验图：1.7245.055.0,)645.11(395.088.0ckcutkffctktff/1.3混凝土的主要力学性能（4）混凝土强度指标混凝土强度也有标准值和设计值之分，混凝土强度的标准值具有95%的保证率，若将其除以材料分项系数γc（γc=1.4），即得混凝土强度设计值，混凝土强度标准值按下表采用。混凝土强度标准值（N/mm2）混凝土强度等级强度种类符号C15C20C25C30C35轴心抗压强度fck10.013.416.720.123.4轴心抗拉强度ftk1.271.541.782.012.20混凝土强度等级C40C45C50C55C60C65C70C75C8026.829.632.435.538.541.544.547.450.22.402.512.652.742.852.933.003.053.10表1-51.3混凝土的主要力学性能③混凝土的徐变混凝土在荷载的长期作用下，其变形随时间而不断增长的现象称为徐变。徐变会使结构（构件）的（挠度）变形增大，引起预应力损失，在长期高应力作用下，甚至会导致破坏。与混凝土的收缩一样，徐变与时间有关。因此，在测定混凝土的徐变时，应同批浇筑同样尺寸不受荷的试件，在同样环境下同时量测混凝土的收缩变形，从徐变试件的变形中扣除对比的收缩试件的变形，才可得到徐变变形。1.3混凝土的主要力学性能◆影响徐变得因素内在因素是混凝土的组成和配比。骨料的刚度（弹性模量）越大，体积比越大，徐变就越小。水灰比越小，徐变也越小。环境影响包括养护和使用条件。受荷前养护的温湿度越高，水泥水化作用越充分，徐变就越小。采用蒸汽养护可使徐变减少（20~35）%。受荷后构件所处的环境温度越高，相对湿度越小，徐变就越大。1.3混凝土的主要力学性能（2）混凝土的收缩变形混凝土在水中硬化时体积会膨胀，但其值较小，对混凝土影响不大。混凝土在空气中硬化时体积会缩小，这种现象称为混凝土的收缩。收缩是混凝土在不受外力情况下体积变化产生的变形。当这种自发的变形受到外部（支座）或内部（钢筋）的约束时，将使混凝土中产生拉应力，甚至引起混凝土的开裂。混凝土收缩会使预应力混凝土构件产生预应力损失。某些对跨度比较敏感的超静定结构（如拱结构），收缩也会引起不利的内力。1.4钢筋与混凝土之间的粘接1.4.11.4钢筋与混凝土之间的粘结1.4.1钢筋与混凝土的粘结作用钢筋与混凝土的粘结力，是保证钢筋和混凝土共同工作的必要条件，其在混凝土中的粘结锚固力有以下四个方面：①钢筋和混凝土接触面上的粘结——化学吸附力，亦称胶结力。这来源于浇注时水泥浆体向钢筋表面氧化层的渗透和养护过程中水泥晶体的生长和硬化，从而使水泥胶体与钢筋表面产生吸附胶着作用。这种化学吸附力只能在钢筋和混凝土的界面处于原生状态时才存在，—旦发生滑移，它就失去作用，其值很小，不起明显作用。②钢筋与混凝土之间的摩阻力。由于混凝土凝固时收缩．使钢筋与混凝土接触面上产生正应力，因此，当钢筋和混凝土产生相对滑移时(或有相对滑移的趋势时)，在钢筋和混凝土的界面上将产生摩阻力。光面钢筋与混凝土的粘结力主要靠摩阻力。1.4钢筋与混凝土之间的粘接③钢筋与混凝土的咬合力。对于光面钢筋，咬合力是指表面粗糙不平而产生的咬合作用；对于带肋钢筋，咬合力是指带肋钢筋肋间嵌入混凝土而形成的机械咬合作用，这是带肋钢筋与混凝土粘结力的主要来源。④机械锚固力弯钩、弯折及附加锚固措施所提供的粘结锚固作用。1.4钢筋与混凝土之间的粘接1.4.21.4.2钢筋的锚固与连接(1)钢筋的锚固为了使钢筋和混凝土能可靠地共同工作，钢筋在混凝土中必须有可靠的锚固。①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普通钢筋：dffltpYa预应力钢筋：1.4钢筋与混凝土之间的粘接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。1.4钢筋与混凝土之间的粘接(2)钢筋的连结钢筋的接头可分为三种：绑扎搭接、机械连接或焊接。接头宜设在受力较小处，同一根钢筋上宜少设接头。①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