受压构件承载力计算.pdf
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1、混凝土结构原理混凝土结构原理 Concrete Structure 天津大学建筑工程学院土木工程系天津大学建筑工程学院土木工程系 第第 1 章章 绪绪 论论 1.1 1.1 混凝土结构的一般概念混凝土结构的一般概念 1.2 1.2 混凝土结构的发展概况混凝土结构的发展概况 1.3 1.3 学习本课程要注意的问题学习本课程要注意的问题 1.1.1 混凝土结构的定义与分类混凝土结构的定义与分类 定义定义 以混凝土材料为主制成,根据需要配置受力以混凝土材料为主制成,根据需要配置受力 的普通钢筋、预应力筋、钢骨、钢管等,作的普通钢筋、预应力筋、钢骨、钢管等,作 为主要承重材料的结构,均可称为混凝土结为
2、主要承重材料的结构,均可称为混凝土结 构。构。 分类分类 素混凝土结构;钢筋混凝土结构素混凝土结构;钢筋混凝土结构 预应力混凝土结构预应力混凝土结构 钢管混凝土、钢骨混凝土结构钢管混凝土、钢骨混凝土结构 钢钢-混凝土混合结构混凝土混合结构 1.1.2 配筋的作用与要求配筋的作用与要求 钢筋与混凝土共同工作的特点钢筋与混凝土共同工作的特点 两种材料的物理力学性能很不相同,结合在两种材料的物理力学性能很不相同,结合在 一起共同工作。一起共同工作。 钢筋受拉、混凝土受压,充分发挥各自材料钢筋受拉、混凝土受压,充分发挥各自材料 性能性能 1.1.2 配筋的作用与要求配筋的作用与要求 配筋的作用配筋的作
3、用 取代混凝土受拉;取代混凝土受拉; 协助混凝土受压、受剪协助混凝土受压、受剪 提高构件的承载能力和变形能力提高构件的承载能力和变形能力 抵抗非荷载因素产生的内应力抵抗非荷载因素产生的内应力 1.1.2 配筋的作用与要求配筋的作用与要求 钢筋与混凝土共同工作的条件钢筋与混凝土共同工作的条件 混凝土硬化后,钢筋和混凝土之间存在有良混凝土硬化后,钢筋和混凝土之间存在有良 好的粘结力,在荷载作用下好的粘结力,在荷载作用下,可以保证两种材可以保证两种材 料协调变形,共同受力;料协调变形,共同受力; 两者具有基本相同的温度线膨胀系数,当温两者具有基本相同的温度线膨胀系数,当温 度变化时,两种材料不会产生
4、过大的变形差度变化时,两种材料不会产生过大的变形差 而导致两者间的粘结力破坏。而导致两者间的粘结力破坏。 钢材为钢材为1.210-5,混凝土为,混凝土为1.01.510-5, 呈碱性的混凝土可以保护钢筋,使钢筋混凝呈碱性的混凝土可以保护钢筋,使钢筋混凝 土结构具有较好的耐久性。土结构具有较好的耐久性。 1.1.3 混凝土结构的优缺点混凝土结构的优缺点 1 材料利用合理材料利用合理 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。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,经济指标优于钢结构。对
5、于一般工程结构,经济指标优于钢结构。 2 可模性好可模性好 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、箱形结构等。各种形状复杂的结构,如空间薄壳、箱形结构等。 3 耐久性和耐火性较好,维护费用低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,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厚混凝土保护层可耐火2小时,使钢筋不致因升温过小时,使钢筋不致因升温过 快而丧失强度。快而丧失
6、强度。 1.1.3 混凝土结构的优缺点混凝土结构的优缺点 4整体性好整体性好 现浇混凝土结构的整体性好,且通过合适的配筋,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。防振性和防辐射性能较好,适用于防护结构。 5 刚度大、阻尼大刚度大、阻尼大 有利于控制结构变形。有利于控制结构变形。 6 易于就地取材易于就地取材 大量砂、石,易于就地取材,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
7、加成分,改善混凝土的性能。为水泥的外加成分,改善混凝土的性能。 1.1.3 混凝土结构的优缺点混凝土结构的优缺点 1 自重大自重大 不适用于大跨、高层结构。不适用于大跨、高层结构。 2 抗裂性差抗裂性差 普通钢筋混凝土结构在正常使用阶段往往带普通钢筋混凝土结构在正常使用阶段往往带 裂缝工作;环境较差(露天、沿海、化学侵裂缝工作;环境较差(露天、沿海、化学侵 蚀)时会影响耐久性;也限制了普通钢筋混蚀)时会影响耐久性;也限制了普通钢筋混 凝土用于大跨结构,高强钢筋无法应用。凝土用于大跨结构,高强钢筋无法应用。 3 承载力有限承载力有限 重载结构和高层底部结构,构件尺寸太大,重载结构和高层底部结构,
8、构件尺寸太大, 减小使用空间。减小使用空间。 轻质、高强和预应力轻质、高强和预应力 高强、钢骨、钢管混凝土高强、钢骨、钢管混凝土 预应力混凝土预应力混凝土 1.1.3 混凝土结构的优缺点混凝土结构的优缺点 4 施工复杂,工序多,工期长,施工受季施工复杂,工序多,工期长,施工受季 节、天气的影响较大。节、天气的影响较大。 5 混凝土结构一旦破坏,其修复、加固、混凝土结构一旦破坏,其修复、加固、 补强比较困难。补强比较困难。 钢模、飞模、滑模等,钢模、飞模、滑模等, 泵送、早强、商品、泵送、早强、商品、 高性能、免振自密实高性能、免振自密实 混凝土等混凝土等 混凝土结构加固技术不断得混凝土结构加固
9、技术不断得 到发展,如最近研究开发的到发展,如最近研究开发的 采用碳纤维布加固混凝土结采用碳纤维布加固混凝土结 构技术,快速简便。构技术,快速简便。 第第 2 章章 混凝土结构材料的物理力学性能混凝土结构材料的物理力学性能 2.1 2.1 混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能 2.2 2.2 钢筋的物理力学性能钢筋的物理力学性能 2.3 2.3 混凝土与钢筋的粘结混凝土与钢筋的粘结 2.1.2单轴应力状态下的砼强度单轴应力状态下的砼强度 单轴强度是基础单轴强度是基础 混凝土结构中,主要是利用它的抗压强度。混凝土结构中,主要是利用它的抗压强度。 抗压强度是混凝土力学性能中最主要和最基抗压强度
10、是混凝土力学性能中最主要和最基 本的指标。本的指标。 是复杂应力状态下强度的基础和重要参数。是复杂应力状态下强度的基础和重要参数。 影响强度的因素影响强度的因素 水泥强度等级,水灰比,骨料性质,级配;水泥强度等级,水灰比,骨料性质,级配; 成型方法,硬化环境,养护龄期;成型方法,硬化环境,养护龄期; 试件大小、形状试件大小、形状 试验方法、加载速率。试验方法、加载速率。 2.1.2单轴应力状态下的砼强度单轴应力状态下的砼强度 1单轴抗压强度单轴抗压强度 1)立方体抗压强度)立方体抗压强度fcu,k 定义定义 边长为边长为150mm的立方体标准试件,在标准养护条的立方体标准试件,在标准养护条 件
11、(温度为件(温度为203,湿度,湿度90%)下养护)下养护28d,按,按 照标准试验方法(加载速度照标准试验方法(加载速度0.30.5MPa/s,两端,两端 不涂润滑剂)测得的抗压强度(不涂润滑剂)测得的抗压强度(MPa)。)。 强度等级强度等级 具有具有95%保证率的抗压强度,符号保证率的抗压强度,符号C。根据强度。根据强度 范围,从范围,从C15C80共划分为共划分为14个强度等级,级差个强度等级,级差 为为5MPa。 2.1.2单轴应力状态下的砼强度单轴应力状态下的砼强度 1单轴抗压强度单轴抗压强度 1)立方体抗压强度)立方体抗压强度fcu,k 影响强度等级的因素影响强度等级的因素 试验
12、方法(接触面摩擦)试验方法(接触面摩擦) 加载速度加载速度 速度越快,强度越高速度越快,强度越高 龄期龄期 随龄期逐渐增长随龄期逐渐增长 2.1.2单轴应力状态下的砼强度单轴应力状态下的砼强度 1单轴抗压强度单轴抗压强度 2)轴心抗压强度标准值)轴心抗压强度标准值fck 按标准方法制作的按标准方法制作的150l50 300mm的棱柱的棱柱 体试件,在温度为体试件,在温度为203和相对湿度为和相对湿度为90 以上的条件下养护以上的条件下养护28d,用标准试验方法测得,用标准试验方法测得 的具有的具有95保证率的抗压强度保证率的抗压强度 (MPa) 。 对于同一混凝土,棱柱体抗压强度恒小于立对于同
13、一混凝土,棱柱体抗压强度恒小于立 方体抗压强度。方体抗压强度。 k k, ,cucu2 2c c1 1c cckck 8888. .0 0f ff f 2.1.2单轴应力状态下的砼强度单轴应力状态下的砼强度 2轴心抗拉强度轴心抗拉强度 混凝土轴心抗拉强度约为立方体抗压强度混凝土轴心抗拉强度约为立方体抗压强度 的的1/171/8; 在荷载较小时,混凝土即开裂,所以混凝在荷载较小时,混凝土即开裂,所以混凝 土结构一般带裂缝工作,混凝土轴心抗拉土结构一般带裂缝工作,混凝土轴心抗拉 强度不起决定作用。强度不起决定作用。 2.1.2单轴应力状态下的砼强度单轴应力状态下的砼强度 2轴心抗拉强度轴心抗拉强度
14、 直接轴心受拉的试验方法来测定直接轴心受拉的试验方法来测定 试验比较困难。试验比较困难。 采用圆柱体或立方体的劈裂试验采用圆柱体或立方体的劈裂试验 来间接测试砼的轴心抗拉强度。来间接测试砼的轴心抗拉强度。 F d F 拉拉 压压 压压 dldl F F f f 2 2 s s , ,t t 2.1.3复杂应力状态下的砼强度复杂应力状态下的砼强度 1 双轴应力状态双轴应力状态 最大受压强度发生在两个压最大受压强度发生在两个压 应力之比为应力之比为0.3 0.6之间,之间, 约约1.251.60 fc。 双向受压强度大于双向受压强度大于 单向受压强度单向受压强度 双轴受压状态下混凝土的应力双轴受压
15、状态下混凝土的应力 - -应变关系与单轴受压曲线相应变关系与单轴受压曲线相 似,但峰值应变均超过单轴受似,但峰值应变均超过单轴受 压时的峰值应变。压时的峰值应变。 2.1.3复杂应力状态下的砼强度复杂应力状态下的砼强度 1 双轴应力状态双轴应力状态 在一轴受压一轴受拉状态在一轴受压一轴受拉状态 下,任意应力比情况下均下,任意应力比情况下均 不超过其相应单轴强度。不超过其相应单轴强度。 并且抗压强度或抗拉强度并且抗压强度或抗拉强度 均随另一方向拉应力或压均随另一方向拉应力或压 应力的增加而减小。应力的增加而减小。 2.1.3复杂应力状态下的砼强度复杂应力状态下的砼强度 砼平面应力状态的特点砼平面
16、应力状态的特点 平面应力状态下,当两方向应力均为压应力平面应力状态下,当两方向应力均为压应力 时,抗压强度相互提高,最大可增加时,抗压强度相互提高,最大可增加27, 而当一方向为压应力,另一方向为拉应力时,而当一方向为压应力,另一方向为拉应力时, 强度相互降低。强度相互降低。 当压应力不太高时,可提高砼的抗剪强度。当压应力不太高时,可提高砼的抗剪强度。 拉应力的存在会降低砼的抗剪强度。拉应力的存在会降低砼的抗剪强度。 剪应力的存在降低砼的抗压和抗拉强度。剪应力的存在降低砼的抗压和抗拉强度。 实际结构中,混凝土很少处于单向受力状实际结构中,混凝土很少处于单向受力状 态。更多的是处于双向或三向受力
17、状态。态。更多的是处于双向或三向受力状态。 2.1.4 混凝土的变形混凝土的变形 混凝土的变形分为两类 混凝土的受力变形 一次短期加载;荷载长期作用;多次重复荷载 混凝土的非受力变形 温差变形;湿差变形;收缩变形 2.1.3复杂应力状态下的砼强度复杂应力状态下的砼强度 3 三轴应力状态三轴应力状态 三轴应力状态有多种组合,实际工程遇到较多的螺三轴应力状态有多种组合,实际工程遇到较多的螺 旋箍筋柱和钢管混凝土柱中的砼为三向受压状态。旋箍筋柱和钢管混凝土柱中的砼为三向受压状态。 三向受压状态下的砼抗压强度大于双向和单向。三向受压状态下的砼抗压强度大于双向和单向。 1.一次短期加载下砼的变形性能一次
18、短期加载下砼的变形性能 (1)单轴受压应力)单轴受压应力-应变关系应变关系 02468 10 20 30 s(MPa) 10-3 B A C E D A点以前,微裂缝无明点以前,微裂缝无明 显发展,混凝土的变形显发展,混凝土的变形 主要弹性变形,应力主要弹性变形,应力- 应变关系近似直线。应变关系近似直线。 A点应力随砼强度的提点应力随砼强度的提 高而增加,高而增加, 普通砼普通砼s sA0.30.4fc, 高强砼高强砼s sA 0.50.7fc。 1.一次短期加载下砼的变形性能一次短期加载下砼的变形性能 (1)单轴受压应力)单轴受压应力-应变关系应变关系 A点以后,由于微裂缝点以后,由于微裂
19、缝 处的应力集中,裂缝开处的应力集中,裂缝开 始有所延伸发展,产生始有所延伸发展,产生 部分塑性变形,应变增部分塑性变形,应变增 长开始加快,应力长开始加快,应力-应应 变曲线逐渐偏离直线。变曲线逐渐偏离直线。 微裂缝的发展导致混凝微裂缝的发展导致混凝 土的横向变形增加。但土的横向变形增加。但 该阶段微裂缝的发展是该阶段微裂缝的发展是 稳定的。稳定的。 达到达到B点,内部一些微点,内部一些微 裂缝相互连通,裂缝发裂缝相互连通,裂缝发 展已不稳定,横向变形展已不稳定,横向变形 突然增大,体积应变开突然增大,体积应变开 始由压缩转为增加。在始由压缩转为增加。在 此应力的长期作用下,此应力的长期作用
20、下, 裂缝持续发展最终导致裂缝持续发展最终导致 破坏。取破坏。取B点的应力作点的应力作 为砼的长期抗压强度。为砼的长期抗压强度。 普通砼普通砼s sB0.8fc,高强,高强 砼砼s sB可达可达0.95fc以上。以上。 B点以后,内部微裂缝点以后,内部微裂缝 连通形成破坏面,应变连通形成破坏面,应变 增长速度明显加快,裂增长速度明显加快,裂 缝快速发展直至缝快速发展直至C点,点, 此处的峰值应力此处的峰值应力s smax即即 作为作为fc,相应的应变值,相应的应变值 称为峰值应变称为峰值应变e e0,约为,约为 0.00150.0025,通常取,通常取 0.002。 纵向应变发展达到纵向应变发
21、展达到D点,内点,内 部裂缝在试件表面出现第部裂缝在试件表面出现第 一条可见平行于受力方向一条可见平行于受力方向 的纵向裂缝。的纵向裂缝。 随应变增长,试件上相继出现多条不连续的纵向裂缝,随应变增长,试件上相继出现多条不连续的纵向裂缝, 横向变形急剧发展,承载力明显下降横向变形急剧发展,承载力明显下降,混凝土骨料与砂混凝土骨料与砂 浆的粘结不断遭到破,裂缝连通形成斜向破坏面。浆的粘结不断遭到破,裂缝连通形成斜向破坏面。 E点应变点应变e e =23e e0, E点应力点应力s s =0.40.6 fc。 1.一次短期加载下砼的变形性能一次短期加载下砼的变形性能 (3)三轴受压下砼的变形性能)三
22、轴受压下砼的变形性能 横向受到约束时,抗压强度和延性均可提高横向受到约束时,抗压强度和延性均可提高 工程应用:约束混凝土工程应用:约束混凝土 钢管砼钢管砼 密配螺旋箍筋密配螺旋箍筋 混凝土的材料性质复杂多变,其多轴强度和混凝土的材料性质复杂多变,其多轴强度和 变形又随三轴应力状态的不同而有很大差异。变形又随三轴应力状态的不同而有很大差异。 至今还没有,以后也难以找到一种准确的理至今还没有,以后也难以找到一种准确的理 论方法,可以从混凝土原材料的性质、组成论方法,可以从混凝土原材料的性质、组成 和制备工艺等原始条件推算其多轴力学性能。和制备工艺等原始条件推算其多轴力学性能。 1.一次短期加载下砼
23、的变形性能一次短期加载下砼的变形性能 (4)混凝土的变形模量)混凝土的变形模量 混凝土弹性模量值混凝土弹性模量值Ec取值取值 一般取为相当于结构使用阶段的工作应力一般取为相当于结构使用阶段的工作应力 s s=( (0.40. 5) )fc时的割线模量值。时的割线模量值。 (kN/mm2) 混凝土结构设计规混凝土结构设计规 范范GB50010GB50010- -20022002: 砼弹性模量按下式砼弹性模量按下式 k ec sc 0 eceecp s e 0 h cucu c c f f E E 7474. .3434 2 2. .2 2 1010 2 2 2.荷载长期作用下砼的变形性能荷载长期
24、作用下砼的变形性能 混凝土长期变形性能混凝土长期变形性能徐变徐变 混凝土在荷载的长期作用下,其变形随时间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。而不断增长的现象称为徐变。 混凝土的徐变特性主要与时间参数有关。混凝土的徐变特性主要与时间参数有关。 16 12 8 4 369121518212427 A ecr 徐变 ece弹性变形 ech收缩 B C D t (月) 0 2.荷载长期作用下砼的变形性能荷载长期作用下砼的变形性能 混凝土的徐变曲线混凝土的徐变曲线 前前4个月徐变增长较快,个月徐变增长较快,6个月可达最终徐变个月可达最终徐变 的的7080%,以后增长逐渐缓慢
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