結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理（第2版）教學(xué)課件作者于輝1

本文格式為Word版，下載可任意編輯——結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理（第2版）教學(xué)課件作者于輝1第一章鋼筋混凝土布局的根本學(xué)識(shí),,,2,第一節(jié)鋼筋混凝土布局概述,其次節(jié)鋼筋混凝土材料物理力學(xué)性質(zhì),返回,,3,第三節(jié)鋼筋與混凝土的相互作用———粘結(jié)力,第一節(jié)鋼筋混凝土布局概述,一、素混凝土構(gòu)件和鋼筋混凝土構(gòu)件受力與破壞形態(tài)對(duì)比１素混凝土簡(jiǎn)支梁素混凝土簡(jiǎn)支梁在外加集中力和梁的自身重力作用下，梁截面的上部受壓，下部受拉［圖１-１（ａ）］。由于混凝土的抗拉性能很差（為抗壓強(qiáng)度的１／１８～１／８），若梁下部受拉邊緣的拉應(yīng)力達(dá)成混凝土的極限拉應(yīng)力，梁就會(huì)展現(xiàn)裂縫，裂縫急劇向上開展，梁就突然斷裂。破壞前變形很小，沒有預(yù)兆，屬于脆性破壞類型［圖１-１（ｂ）］。因此，素混凝土構(gòu)件在實(shí)際工程的應(yīng)用很有限，主要用于以受壓為主的根基、柱墩和一些非承重布局中。

２鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁,下一頁,返回,第一節(jié)鋼筋混凝土布局概述,為了變更由于混凝土抗拉性能差導(dǎo)致素混凝土簡(jiǎn)支梁易突然斷裂這種處境，應(yīng)在截面受拉區(qū)域配置適量的鋼筋構(gòu)成鋼筋混凝土梁。鋼筋主要承受梁中性軸以下受拉區(qū)的拉力，混凝土主要承受中性軸以上受壓區(qū)的壓力。由于鋼筋的抗拉才能和混凝土的抗壓才能都很強(qiáng)，受拉區(qū)的混凝土達(dá)成抗拉極限強(qiáng)度開裂，此時(shí)受拉區(qū)的抗力就由鋼筋來承受，這樣就使梁還能持續(xù)承受相當(dāng)大的荷載，直到受拉鋼筋達(dá)成屈服強(qiáng)度，此后荷載還可略有增加，當(dāng)受壓區(qū)混凝土被壓碎時(shí)梁才破壞。破壞前變形較大，有明顯預(yù)兆，屬于延性破壞類型［圖１-１（ｃ）］。

３鋼筋混凝土受壓柱在軸心受壓的混凝土柱中，通常也配置抗壓強(qiáng)度較高的鋼筋輔助混凝土承受壓力，以提高混凝土柱的承載才能和變形才能。,上一頁,下一頁,返回,第一節(jié)鋼筋混凝土布局概述,由于鋼筋的抗壓強(qiáng)度比混凝土的高，所以可以減小柱的截面尺寸。另外，配置了鋼筋還能改善受壓混凝土構(gòu)件破壞時(shí)的脆性，并可以承受偶然因素在構(gòu)件內(nèi)產(chǎn)生的拉力（圖１-２）二、鋼筋與混凝土能共同工作的理由（１）混凝土干縮硬化后能產(chǎn)生較大的粘結(jié)力（或稱握裹力），由于粘結(jié)力的存在，使兩者穩(wěn)當(dāng)?shù)亟Y(jié)合成整體，在荷載的作用下能共同工作，協(xié)調(diào)變形。,上一頁,下一頁,返回,第一節(jié)鋼筋混凝土布局概述,（２）鋼筋和混凝土的溫度膨脹系數(shù)較為接近（鋼筋為１．２×１０－５，混凝土為１．０×１０－５～１．５×１０－５）。當(dāng)溫度變化時(shí)，兩種材料不會(huì)產(chǎn)生較大的相對(duì)變形，即不會(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力。

（３）鋼筋被混凝土包裹，免遭銹蝕，使鋼筋混凝土布局具有較好的耐久性。水泥水化作用后產(chǎn)生堿性回響，在鋼筋外觀產(chǎn)生一種水泥石質(zhì)薄膜，可以防止有害介質(zhì)的直接侵蝕。,上一頁,返回,其次節(jié)鋼筋混凝土材料物理力學(xué)性質(zhì),一、混凝土物理力學(xué)性質(zhì)普遍混凝土是由水泥、砂、石材料用水拌合硬化后形成的人工石材，是多相復(fù)合材料?；炷林械纳?、石、水泥膠體組成了彈性骨架，主要承受外力，并使混凝土具有彈性變形的特點(diǎn)。而水泥膠體中的凝膠、孔隙和界面初始微裂縫等，在外力作用下使混凝土產(chǎn)生塑性變形。此外，混凝土中的孔隙、界面微裂縫等缺陷又往往是混凝土受力破壞的起源，由于水泥膠體的硬化過程需要多年才能完成，所以，混凝土的強(qiáng)度和變形也隨時(shí)間逐步增長(zhǎng)。

（一）混凝土的強(qiáng)度混凝土的強(qiáng)度是混凝土的重要力學(xué)性能指標(biāo)，是設(shè)計(jì)混凝土布局的重要依據(jù)，它直接影響到布局的安好性和耐久性。在設(shè)計(jì)施工中常用混凝土的強(qiáng)度可分為立方體抗壓強(qiáng)度、混凝土軸心抗壓強(qiáng)度以及混凝土軸心抗拉強(qiáng)度等。,下一頁,返回,其次節(jié)鋼筋混凝土材料物理力學(xué)性質(zhì),１立方體抗壓強(qiáng)度fcu,k（１）概念?；炷恋膹?qiáng)度與水泥強(qiáng)度等級(jí)、水灰比有很大關(guān)系；

集料的性質(zhì)、混凝土的級(jí)配、混凝土成型方法、硬化時(shí)的環(huán)境條件及混凝土的齡期等也不同程度地影響混凝土的強(qiáng)度；

試件的大小和外形、試驗(yàn)方法和加載速率也影響混凝土強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果。因此，各國(guó)對(duì)各種單向受力下的混凝土強(qiáng)度都規(guī)定了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法。我國(guó)采用邊長(zhǎng)為１５０ｍｍ的立方體作為混凝土抗壓強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)尺寸試件，并以立方體抗壓強(qiáng)度作為混凝土各種力學(xué)指標(biāo)的代表值?！痘炷翉?qiáng)度檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（ＧＢ／Ｔ５０１０７—２０１０）［以下簡(jiǎn)稱《標(biāo)準(zhǔn)》（ＧＢ／Ｔ５０１０７）］規(guī)定以邊長(zhǎng)為１５０ｍｍ的立方體，在（２０±２）℃的溫度和相對(duì)濕度在９５％以上的潮濕空氣中養(yǎng)護(hù)２８天，依照標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測(cè)得的具有９５％保證率的抗壓強(qiáng)度（以Ｎ／ｍｍ２計(jì)，也就是單位ＭＰａ）作為混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度，并以此作為混凝土的強(qiáng)度等級(jí)，并用符號(hào)犳ｃｕ，ｋ表示。立方體抗壓強(qiáng)度是在試驗(yàn)室條件下取得的抗壓強(qiáng)度（標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試塊）,上一頁,下一頁,返回,其次節(jié)鋼筋混凝土材料物理力學(xué)性質(zhì),（２）強(qiáng)度等級(jí)的劃分及有關(guān)規(guī)定?！稑?biāo)準(zhǔn)》（ＧＢ／Ｔ５０１０７）規(guī)定，混凝土強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)按立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fcu,k確定。

（３）試驗(yàn)方法對(duì)立方體抗壓強(qiáng)度的影響。試件在試驗(yàn)機(jī)上受壓時(shí)，縱向要壓縮，橫向要膨脹，由于混凝土與壓力機(jī)墊板彈性模量與橫向變形的差異，壓力機(jī)墊板的橫向變形明顯小于混凝土的橫向變形。當(dāng)試件承壓接觸面上不涂潤(rùn)滑劑時(shí)，混凝土的橫向變形受到摩擦力的約束，形成“箍套”的作用。

“箍套”的作用對(duì)混凝土試件的橫向變形產(chǎn)生制約，試件破壞時(shí)形成兩個(gè)對(duì)頂?shù)慕清F形破壞面，如圖１-３（ａ）所示，也就是說試件是被壓壞的。假設(shè)在試件承壓面上涂一些潤(rùn)滑劑，這時(shí)試件與壓力機(jī)墊板間的摩擦力大大減小，使對(duì)試件橫向變形的約束作用幾乎沒有.,上一頁,下一頁,返回,其次節(jié)鋼筋混凝土材料物理力學(xué)性質(zhì),導(dǎo)致橫向變形使混凝土產(chǎn)生橫向拉力，試件沿著力的作用方向平行地產(chǎn)生幾條裂縫而破壞，所測(cè)得的抗壓極限強(qiáng)度較低，如圖１-３（ｂ）所示?！稑?biāo)準(zhǔn)》（ＧＢ／Ｔ５０１０７）規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法是不加潤(rùn)滑劑。

（４）加載速度對(duì)立方體強(qiáng)度的影響。加載速度越快，測(cè)得的強(qiáng)度越高。通常規(guī)定，加載速度為：混凝土強(qiáng)度等級(jí)低于Ｃ３０時(shí)，取每秒鐘０．３～０．５Ｎ／ｍｍ２；

混凝土強(qiáng)度等級(jí)高于或等于Ｃ３０時(shí)，取每秒鐘０．５～０．８Ｎ／ｍｍ２，強(qiáng)度等級(jí)大于Ｃ６０的混凝土取每秒鐘０．８Ｎ／ｍｍ２。

（５）齡期對(duì)立方體強(qiáng)度的影響?；炷恋牧⒎襟w抗壓強(qiáng)度隨著成型后混凝土的齡期逐步增長(zhǎng)，增長(zhǎng)速度開頭較快，后來逐步緩慢，強(qiáng)度增長(zhǎng)過程往往要延續(xù)幾年，在潮濕環(huán)境中往往延續(xù)更長(zhǎng)。,上一頁,下一頁,返回,其次節(jié)鋼筋混凝土材料物理力學(xué)性質(zhì),（６）尺寸效應(yīng)。立方體尺寸愈小，那么試驗(yàn)測(cè)出的抗壓強(qiáng)度愈高，對(duì)此現(xiàn)象有多種不同的理由分析和理論解釋，但還沒有得出一致的結(jié)論。一種觀點(diǎn)認(rèn)為，是材料自身的理由，認(rèn)為與試件內(nèi)部缺陷（裂紋）的分布，粗、細(xì)粒徑的大小和分布，材料內(nèi)摩擦角的不同和分布，試件外觀與內(nèi)部硬化程度有差異等因素有關(guān)；

另一種觀點(diǎn)認(rèn)為，是試驗(yàn)方法的理由，認(rèn)為試塊受壓面與試驗(yàn)機(jī)之間摩擦力分布（四周較大、中央較小）、試驗(yàn)機(jī)墊板剛度有關(guān)。

２混凝土軸心抗壓強(qiáng)度犳犮犽由于實(shí)際布局和構(gòu)件往往不是立方體，而是棱柱體，所以用棱柱體試件比立方體試件能更好地反映混凝土的實(shí)際抗壓才能。試驗(yàn)表明，軸心抗壓鋼筋混凝土短柱中的混凝土抗壓強(qiáng)度根本上和棱柱體抗壓強(qiáng)度一致，可以用棱柱體測(cè)得的抗壓強(qiáng)度作為軸心抗壓強(qiáng)度，又稱為棱柱體抗壓強(qiáng)度。,上一頁,下一頁,返回,其次節(jié)鋼筋混凝土材料物理力學(xué)性質(zhì),《標(biāo)準(zhǔn)》（ＧＢ／Ｔ５０１０７）規(guī)定，以１５０ｍｍ×１５０ｍｍ×３００ｍｍ的棱柱體試件在標(biāo)準(zhǔn)條件下，用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法試驗(yàn)測(cè)得的具有９５％保證率的抗壓強(qiáng)度為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，用符號(hào)犳ｃｋ表示。棱柱體試件與立方體試件的制作條件一致，試件上下外觀不涂潤(rùn)滑劑。實(shí)測(cè)的棱柱體試件的抗壓強(qiáng)度都比立方體的強(qiáng)度值低，并且棱柱體試件高寬比越大，強(qiáng)度越小。混凝土軸心抗壓強(qiáng)度隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)提高而增加，總趨勢(shì)是混凝土軸心抗壓強(qiáng)度與混凝土強(qiáng)度成正比。

３混凝土軸心抗拉強(qiáng)度ft混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度是混凝土的根本力學(xué)指標(biāo)之一，也可用它間接地衡量混凝土的沖切強(qiáng)度等其他力學(xué)性能。,上一頁,下一頁,返回,其次節(jié)鋼筋混凝土材料物理力學(xué)性質(zhì),軸心抗拉強(qiáng)度只有立方抗壓強(qiáng)度的１／１８～１／８，混凝土強(qiáng)度等級(jí)越高，這個(gè)比值越小。混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度取決于水泥石的強(qiáng)度和水泥石與集料的粘結(jié)強(qiáng)度，采用外觀粗糙的集料及較好的養(yǎng)護(hù)條件可提高混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度。

混凝土軸心抗拉強(qiáng)度可采用圖１-４所示混凝土直采納拉試驗(yàn)的試驗(yàn)方法測(cè)定，試件為１００ｍｍ×１００ｍｍ×５００ｍｍ的柱體，兩端埋有伸出長(zhǎng)度為１５０ｍｍ的變形鋼筋，鋼筋位于試件軸線上。試驗(yàn)機(jī)夾緊兩端伸出的鋼筋，對(duì)試件施加拉力，破壞時(shí)，裂縫產(chǎn)生在試件的中部，單位時(shí)間的平均破壞應(yīng)力為軸心抗拉強(qiáng)度。由于混凝土內(nèi)部的不平勻性，加之安裝試件的偏差等理由，這種方法切實(shí)測(cè)定軸心抗拉強(qiáng)度是很困難的，所以國(guó)內(nèi)外也常用如圖１-５所示的圓柱體或立方體的劈裂試驗(yàn)，來間接測(cè)定混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度。,上一頁,下一頁,返回,其次節(jié)鋼筋混凝土材料物理力學(xué)性質(zhì),在立方體或圓柱體上加墊條，在墊條上施加一條壓力線荷載，這樣試件中間垂直截面除加力點(diǎn)鄰近很小的范圍外，均有平勻分布的水平拉應(yīng)力。當(dāng)拉應(yīng)力達(dá)成混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，試件被劈成兩半。根據(jù)彈性理論，劈裂抗拉強(qiáng)度可按下式計(jì)算：

４混凝土的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值與設(shè)計(jì)值經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析并考慮布局混凝土強(qiáng)度與試件混凝土強(qiáng)度之間的差異，選取具有９５％保證率的強(qiáng)度值作為強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值除以混凝土的材料分項(xiàng)系數(shù)γｃ，《馬路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)模范》（ＪＴＧＤ６２—２００４）（以下簡(jiǎn)稱《橋規(guī)》）規(guī)定，對(duì)于混凝土的軸心抗壓和軸心抗拉，均取一致的分項(xiàng)系數(shù)γｃ＝１．４５，混凝土強(qiáng)度值見表１-１。,上一頁,下一頁,返回,其次節(jié)鋼筋混凝土材料物理力學(xué)性質(zhì),５混凝土在復(fù)合應(yīng)力作用下的強(qiáng)度混凝土布局和構(gòu)件通常受到軸力、彎矩、剪力和扭矩的不同組合作用，混凝土很少處于夢(mèng)想的單向受力狀態(tài)，實(shí)際混凝土布局構(gòu)件大多是處于復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)，如框架梁、柱既受到柱軸向力作用，又受到彎矩和剪力的作用。節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土受力狀態(tài)一般更為繁雜，所以分析混凝土在復(fù)合應(yīng)力作用下的強(qiáng)度就很有必要，對(duì)于熟悉混凝土的強(qiáng)度理論也有重要意義。

（１）雙向應(yīng)力狀態(tài)下混凝土的強(qiáng)度。圖１-６所示在兩個(gè)相互垂直平面作用著法向應(yīng)力σ１和σ２，第三個(gè)平面上應(yīng)力為零的雙向應(yīng)力狀態(tài)下，其強(qiáng)度變化特點(diǎn)如下：

１）雙向受拉,上一頁,下一頁,返回,其次節(jié)鋼筋混凝土材料物理力學(xué)性質(zhì),２）雙向受壓。

３）拉－壓狀態(tài)（２）三向受壓狀態(tài)下混凝土的強(qiáng)度?；炷猎谌蚴軌旱奶幘诚?，由于受到側(cè)向壓力的約束作用，最大主壓應(yīng)力軸的抗壓強(qiáng)度犳ｃｃ（σ１）有較大程度的增長(zhǎng)，其變化規(guī)律隨兩側(cè)向壓應(yīng)力（σ２，σ３）的比值和大小而不同?；炷猎谌蚴軌簳r(shí)，其最大主壓應(yīng)力方向的抗壓強(qiáng)度，取決于側(cè)向壓應(yīng)力的約束程度，隨側(cè)向壓應(yīng)力的增加，微裂縫的進(jìn)展受到了極大的限制，大大地提高了混凝土縱向抗壓強(qiáng)度，并使混凝土的變形性能接近夢(mèng)想的彈塑性體。如采用鋼管混凝土柱、螺旋箍筋柱等，能有效約束混凝土的側(cè)向變形，使混凝土的抗壓強(qiáng)度、延性（耐受變形的才能）有相應(yīng)的提高。常規(guī)的三軸受壓是在圓柱體周邊加液壓，在兩側(cè)向等壓的處境下舉行的。由試驗(yàn)得到的閱歷公式為：,上一頁,下一頁,返回,其次節(jié)鋼筋混凝土材料物理力學(xué)性質(zhì),（二）混凝土的變形混凝土變形有兩類：一類是荷載作用下的受力變形，包括一次短期加荷時(shí)的變形、屢屢重復(fù)加荷時(shí)的變形和長(zhǎng)期荷載作用下的變形；

另一類是體積變形，包括收縮、膨脹和溫度變形。

１一次短期加載下混凝土的變形性能對(duì)混凝土舉行短期單向施加壓力所獲得的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系曲線即為單軸受壓應(yīng)力－應(yīng)變曲線，如