1、 建筑结构建筑结构 前前 言言l为了满足高职高专学校建筑工程类专业的教学需要，培养从事建筑工程施工、管理及一般房屋建筑结构设计的高等工程技术人才，根据土建类高职高专建筑工程技术专业教学的基本要求，本教材内容以必需、够用为原则，并依据新规范、新标准编写。l本书力求体现高职高专教育的特色，紧密结合现行的国家标准、规范，以及吸取近年来建筑领域在科研、施工、教学等方面的先进成果，贯彻“少而精”的原则，注重加强基本理论知识、技能和能力的训练。考虑到教学的需要和提高教学质量，编者通过多年来的教学改革与教学实践，形成了一套具有建筑工程类专业特点的、系统的、完整的教学体系。全书在表述上尽量做到基本理论深入浅出
2、、设计方法清晰明确、语言表达通俗易懂，概念清楚、重点突出。为了加深理论基础和培养学生解决实际问题的能力，本书在每章正文之后有思考题和习题。l本书共分十二个课题，内容包括绪论、建筑结构设计的基本原则、混凝土结构材料的力学性能、钢筋混凝土受弯构件、受压构件承载力计算、受拉构件承载力计算、钢筋混凝土受扭构件、预应力混凝土构件、钢筋混凝土梁板结构、单层厂房结构、框架结构设计和砌体结构。l本书由曹长礼任主编，牛欣欣、李萍、谭小蓉、寸江峰任副主编。参加编写的有：西安铁路职业技术学院李萍（课题1、课题3）、西安铁路职业技术学院秦炜（课题2）、西安铁路职业技术学院曹长礼（课题4）、陕西能源职业技术学院梁博（课
3、题5）、商洛职业技术学院徐晓妮（课题6）、陕西交通职业技术学院寸江峰（课题7）、西安职业技术学院王欣欣（课题8）、西安铁路职业技术学院谭小蓉（课题9）、西安铁路职业技术学院牛欣欣（课题10）、西安铁路职业技术学院王峥（课题11）、陕西能源职业技术学院苏晓春（课题12）。l由于教学改革的不断深入，以及科学技术的进步，加之编者的水平和精力所限，书中还可能存在一些缺点和问题，恳请读者和专家批评指正，以便不断完善。绪论绪论l一、建筑结构的组成和分类一、建筑结构的组成和分类l 建筑结构的组成l建筑结构是由基本构件，按照一定组成规则，通过正确的连接方式所组成的能够承受并传递荷载和其他间接作用的骨架。建筑结
4、构应具有足够的强度、刚度、稳定性和耐久性，从而满足使用要求。l（1）板：水平承重构件，承受施加在本层楼板上的全部荷载。板的长、宽两个方向的尺寸远大于其高度（也称厚度）尺寸。板的作用效应主要为受弯。l（2）梁：水平承重构件，承受板传来的荷载以及梁的自重。梁的截面宽度和高度尺寸远小于其长度尺寸。梁的作用效应主要为受弯和受剪。l（3）墙：竖向承重构件，支承水平承重构件或承受水平荷载。墙的作用效应为受压，有时还可能受弯。l（4）柱：竖向承重构件，承受梁、板传来的竖向荷载以及柱的自重。柱的截面宽度和长度尺寸远小于其高度尺寸。柱的受压形式一般为轴心受压和偏心受压两种形式。l（5）基础：承受墙、柱传来的压力
5、并将它扩散的地基上去。l建筑结构的分类l建筑结构的分类方法很多，按所用的材料不同，建筑结构可分为混凝土结构、砌体结构、钢结构和木结构，本书所涉及的是混凝土结构和砌体结构。l混凝土结构l混凝土是现代工程结构的组要材料，混凝土结构凝土为主要材料制成的结构。这种结构广泛应用于建筑、桥梁、隧道、矿井以及水利、港口等工程中。l混凝土结构具有刚度大,可模性、整体性、耐久性、耐火性好等优点，也具有自重大、抗裂性能差、施工复杂等缺点，但随着科学技术的不断发展，这些缺点正在逐渐地被克服。l砌体结构l砌体结构是由块体材料和砂浆砌筑而成的墙、柱作为建筑物主要受力构件的结构。砌体结构具有悠久的历史，至今仍是世界上应用
6、较广泛的结构形式之一。l砌体结构的主要优点是易于就地取材,造价低廉，耐火性、耐久性、隔热、隔音性能好，主要缺点是自重大、强度低、整体性差、砌筑劳动强度大等。l钢结构l钢结构是用钢板、热轧型钢或冷加工成型的薄壁型钢等钢材为主要材料制作的结构。近年来钢结构的应用日益增多，在高层建筑及大跨度结构中应用越来越广泛。l钢结构的主要优点是材料强度高、自重轻、力学性能好、施工简便、可再生等，主要缺点是易腐蚀、耐火性差、工程造价和维护费用较高。l木结构l木结构是指全部或大部分用木材制作的结构。由于木材资源的匮乏，加之木结构楼层数少，实际工程中已很少使用，在一些仿古建筑中偶尔应用。l木结构具有就地取材、制作简单
7、、便于施工等优点，也具有易燃、易腐蚀、变形大等缺点。l二、混凝土结构二、混凝土结构l混凝土结构的概念l1.混凝土结构的基本概念l以混凝土为主要材料制成的结构称为混凝土结构，包括素混凝土结构、钢筋混凝土结构、预应力混凝土结构、钢骨混凝土结构和配置各种纤维筋的混凝土结构。l（1）素混凝土结构是指不配置任何钢材的混凝土结构。l（2）钢筋混凝土结构是配有钢筋的普通混凝土结构。l（3）预应力混凝土结构是由配置受力的预应力钢筋通过张拉或其他方法建立预加应力的混凝土制成的结构；l（4）钢骨混凝土结构是指在钢筋混凝土内部配置钢骨的结构，一般配置的钢骨为型钢或钢管。l（5）配置各种纤维筋的混凝土结构是指混凝土中
8、配置纤维筋代替钢筋的结构，例如玻璃纤维筋或碳纤维筋。l2.钢筋混凝土结构的工作原理l钢筋混凝土结构是由钢筋和混凝土两种不同的材料组成的。这两种材料中，混凝土的抗压强度高但抗拉强度低，钢筋抗拉强度和抗压强度都很高。我们在设计时，一般将钢筋布置在构件的受拉区，则混凝土主要承受压力，钢筋主要承受拉力，充分发挥这两种材料的优势，使得二者协同工作，以满足工程结构的要求。l3.钢筋与混凝土协同工作的原因l钢筋和混凝土两种材料的物理力学性能很不相同，两者能够结合一起共同工作并能有效的承担外荷载的主要原因是：l（1）混凝土凝结硬化后，钢筋和混凝土之间产生较强的粘聚力，使得两者牢固地结合在一起。在外荷载作用下，
9、结构中的钢筋和混凝土协调变形，共同工作。因此，粘结力是这两种不同性质的材料能够共同工作的基础。l（2）钢筋与混凝土两种材料的温度线膨胀系数十分接近，钢筋的温度线膨胀系数为1.2105/C，混凝土的温度线膨胀系数为1.01051.5105/C。所以，当温度变化时，钢筋与混凝土之间不会产生较大的相对变形从而使粘结力遭到破坏。l（3）混凝土对埋置其中的钢筋起到了保护和固定作用，使钢筋不容易发生锈蚀，保证结构具有良好的耐久性，同时使钢筋在受压时不易失稳，在火灾时不会因钢筋很快软化而导致结构整体破坏。因此，钢筋表面必须留有一定厚度的混凝土作为保护层，这是保持二者共同工作的必要措施。l混凝土结构的特点l1
10、.混凝土的优点l（1）易于就地取材；（2）造价较低；（3）耐久性好；（4）耐火性好；（5）可模性好；（6）整体性好。l2.混凝土结构的缺点l（1）自重大；（2）抗裂性差；（3）施工复杂。（4）隔热、隔声性能较差。l三、砌体结构三、砌体结构l1.砌体结构的概念l用砖砌体、石砌体或砌块砌体建造的结构称为砌体结构，又称砖石结构。砌体的抗压强度较高而抗拉强度很低，因此，对砌体结构构件主要使其承受轴心或小偏心压力，而尽量避免受拉或受弯。一般民用和工业建筑的墙、柱和基础都可采用砌体结构。在采用钢筋混凝土框架和其他结构的建筑中，常用砌体做围护结构，如框架结构的填充墙。烟囱、挡土墙、坝、桥等，也常采用砖、石或
11、砌块砌体建造。l2.砌体结构的特点l砌体结构的优点：l（1）容易就地取材；（2）耐火性和耐久性较好；（3）隔热和保温性能较好；（4）施工简便。l砌体结构的缺点：l（1）强度低、自重大；（2）施工劳动量大；（3）生产粘土砖占用农田。l四、课程特点与学习方法课程特点与学习方法l1.本课程的特点l材料的复杂性l计算公式的经验性l规范的权威性和应用规范的主动性l2.本课程的学习方法l学习中突出重点l理论联系实际l四、课程特点与学习方法课程特点与学习方法l1.本课程的特点l材料的复杂性l混凝土和砌体材料受压性能和受拉性能有非常大的差异，在受力时塑性表现得很明显；l钢筋超过屈服点之后亦会表现出很明显的塑性
12、，与材料力学中单一、均质、连续和理想弹性的材料不同。同时，钢筋混凝土是由钢筋和混凝土两种材料组成的复合材料，所以材料力学的公式一般不能在混凝土结构和砌体结构中应用。l计算公式的经验性l由于混凝土和砌体材料的复杂性，无法直接应用材料力学的公式建立混凝土结构和砌体结构的强度计算和变形计算理论，为建立计算公式，须首先进行大量的试验，根据试验的现象、得出的结论并考虑已有的经验，通过概率分析而建立。因为计算公式与试验条件和试验结果有关，所以每一个计算公式都有严格的适用条件，超出适用范围使用公式将会导致严重的错误。l规范的权威性和应用规范的主动性l与本课程相关的规范有混凝土结构设计规范、砌体结构设计规范和
13、其他相关的规范。规范是国家制定的结构设计的技术规定和标准，进行结构设计应遵循规范的规定。规范是总结近年来全国高校、科研单位、设计单位的科研成果和工程经验，并借鉴国外规范而制定的，它反映的是当前对本学科的认识水平。随着科学技术的发展和工程经验的进一步积累，在将来对本学科的认识必然会进一步提高，从而使得规范需要不断修订。所以，在应用规范时，应避免机械地套用规范，最重要的是要深刻理解规范条文的实质，发挥设计者的主观能动性，这样才能正确地应用规范，做出合理的结构设计。l2.本课程的学习方法l混凝土结构和砌体结构课程主要讲述混凝土和砌体基本构件的受力性能、截面设计计算方法和构造要求等基本理论，同时讲授不
14、同结构的分析方法。学习本课程时，建议注意下面一些问题：l学习中突出重点l本课程的内容多、符号多、计算公式多、构造规定也多，学习时要遵循教学大纲的要求，贯彻“少而精”的原则，突出重点内容的学习，比如受弯构件的内容学透彻了，其他各章节的内容学习起来会容易一些。l理论联系实际l除课堂学习以外，应重视实践性教学环节的学习。在建筑结构的实习中，应仔细观察建筑结构的材料种类、截面尺寸、配筋方式、构造措施、施工方法，对建筑结构的感性认识有利于对理论知识的学习。混凝土结构课程设计是一个综合性问题，设计过程包括结构方案、构件选型、材料选择、配筋计算等，同时还需要考虑安全适用和经济合理。设计可能有多种选择方案，设
15、计结果应经过各种方案的比较，最终确定较为合适的一个。通过课程设计，可以加深对所学内容的理解，提高综合应用的能力。小结小结l1.混凝土结构是以混凝土为主要材料制成的结构。它充分发挥了钢筋和混凝土两种材料各自的优点。在混凝土中配置适量的钢筋后，可使构件的承载力大大提高，构件的受力性能也得到显著改善。混凝土结构有很多优点，也有存在一些缺点。应通过合理设计，发挥其优点，克服其缺点。l2.钢筋和混凝土两种材料能够有效的结合在一起共同工作，主要基于三个条件：钢筋与混凝土之间存在粘结力；两种材料的温度线膨胀系数很接近；混凝土对钢筋起保护作用。这是钢筋混凝土结构得以实现并获得广泛应用的主要原因。l3.用砖砌体
16、、石砌体或砌块砌体建造的结构称为砌体结构，又称砖石结构。砌体结构有很多优点，也有存在一些缺点。学习中要注意合理设计，发挥其优点，克服其缺点。l4.本课程学习中要注意突出重点，理论联系实际。建筑结构设计的基本原则建筑结构设计的基本原则l一、结构设计的基本要求结构设计的基本要求l1.结构的功能要求l进行建筑结构设计的目的是：使所设计的结构在正常施工和正常使用的条件下，满足各项预定的功能要求，并取得最佳的经济效果。l建筑结构的功能要求主要包括以下3个方面：l安全性l指结构能够承受正常施工和正常使用时可能出现的各种荷载和变形等作用，在偶然事件（如地震、强风）发生时及发生后结构仍能保持必需的整体稳定性，
17、即结构仅产生局部损坏而不致发生连续倒塌。l适用性l指结构在正常使用过程中满足预定的使用要求，应具有良好的工作性能（例如：不发生影响正常使用的过大变形、振幅及裂缝等）。l耐久性l指结构在正常使用和正常维护条件下具有足够的耐久性，建筑结构能够正常使用到预定的设计使用年限。例如，不发生由于混凝土保护层碳化或裂缝宽度开展过大而导致的钢筋锈蚀，不发生混凝土的腐蚀、脱落及冻融破坏等而影响结构的使用年限。l2.结构功能的极限状态l承载能力极限状态l结构或结构构件达到最大承载能力，出现疲劳破坏或出现不适于继续承载的变形时的状态，称为承载能力极限状态。超过这一极限状态，整个结构或结构构件便不能满足安全性的功能要
18、求。l当结构或构件出现下列状态之一时，即认为结构超过了承载能力极限状态：l（1）整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如烟囱倾覆、挡土墙滑移等）。l（2）结构构件或构件间的连接因超过相应材料的强度而被破坏（如轴心受压柱中混凝土压碎而被破坏）。l（3）结构因疲劳而破坏（如吊车梁产生疲劳破坏）。l（4）结构产生过大的塑性变形而不适于继续承载。（如梁裂缝过大，钢筋易锈蚀，结构安全受到影响）。l（5）结构转变为机动体系（由几何不变体系变为可变体系）。l（6）结构或构件丧失稳定（如柱子受压发生失稳破坏）。l承载能力极限状态主要控制结构的安全性，一旦超过这种极限状态，结构整体破坏，会造成人身伤亡和重大经
19、济损失，因此，设计时要严格控制这种状态出现的概率，所有的结构构件均应进行承载能力极限状态的计算。在必要时应进行构件的疲劳强度或结构的倾覆和滑移的验算。对处于地震区的结构，应进行构件抗震承载力的计算，以保证结构构件具有足够的安全性。l正常使用极限状态l结构或构件达到正常使用或耐久性能中某项规定限值的状态，称为正常使用极限状态。超过这一极限状态，结构或构件便不能满足适用性或耐久性的功能要求。l当结构或构件出现下列状态之一时，即可认为结构超过了正常使用极限状态：l（1）影响正常使用或外观的变形（如梁的挠度过大）。l（2）影响正常使用或耐久性能的局部破坏（包括裂缝）。l（3）影响正常使用的振动。（如吊
20、车梁的振动）。l（4）影响正常使用的其他特定状态（如水池渗漏等）。l3.建筑结构的安全等级l二、结构上的荷载与荷载效应结构上的荷载与荷载效应l1.结构上的作用l作用与荷载的定义：所谓结构上的“作用”是指直接施加在结构上的力及引起结构变形的原因（如基础沉降、温度变形、收缩、地震等）。前者称为直接作用，也常简称为荷载，后者则称为间接作用。但因工程习惯和叙述简便起见，在本书中将不予区分。l结构上的作用就其出现的方式不同，可分为直接作用和间接作用两类。l（1）直接作用。l直接以力的不同集结形式（集中力或均匀分布力）施加在结构上的作用，称为直接作用，通常也称为结构的荷载。l（2）间接作用。l能够引起结构
21、外加变形、约束变形或振动的各种原因，称为间接作用。间接作用不是直接以力的某种集结形式施加在结构上，l2.荷载的分类l（1）按随时间的变异分为：永久荷载、可变荷载和偶然荷载。l 永久荷载：指在结构设计使用期间，其量值不随时间变化，或其变化幅度与平均值相比可以忽略不计的荷载。例如结构自重、土压力、预应力等荷载。永久荷载又称为恒荷载。l 可变荷载：指在结构设计使用期间，其作用值随时间而变化，且其变化幅度与平均值相比不可以忽略不计的荷载。例如楼面活荷载、屋面活荷载、积灰荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载等。可变荷载又称为活荷载。l 偶然荷载：指在结构设计使用期间可能出现，但不一定出现，而一旦出现，其持续时
22、间很短但量值很大的荷载。例如地震力、爆炸力、撞击力等。l（2）按随空间位置的变异分为：固定荷载和自由荷载。l 固定荷载：指在结构空间位置上具有固定分布的荷载，如结构构件的自重、固定设备重等。l 自由荷载：指在结构空间位置上的一定范围内可以任意分布的荷载，如起重机荷载、人群荷载等。l（3）按结构的反应特点分为：静态荷载和动态荷载。l 静态荷载：指不使结构产生加速度，或所产生的加速度可以忽略不计的荷载，如住宅与办公楼的楼面活荷载等。l 动态荷载：指使结构产生不可忽略的加速度的荷载，如地震荷载、起重机荷载、机械设备荷载、作用在高耸结构上的风荷载、雪荷载等。l3.荷载的代表值l荷载标准值l（1）设计时
23、可计算求得永久荷载标准值。l（2）可变荷载标准值是根据观测资料和试验数据，并考虑工程实践经验而确定，可由荷载规范各章中的规定确定。l可变荷载组合值 l可变荷载组合值是指，有两种以上可变荷载组合值同时作用于结构上时，由于各可变荷载同时达到其标准的可变性极小，此时除其中产生最大效应的荷载（主导荷载）仍取其标准值外，其他伴随的可变荷载均采用小于其标准的组合值为荷载代表值。这种经调整后的可变荷载代表值，称为可变荷载组合值。我国荷载规范规定，可变荷载组合值用可变荷载的组合值系数c与相应的可变荷载标准值的乘积来确定。l可变荷载频遇值l可变荷载频遇值是针对结构上偶尔出现的较大荷载而言的。它与时间有较密切的关
24、联，即在规定的设计基准期内（50年），具有较短的总持续时间或较少的发生次数的特性，这使结构的破坏性有所减缓。我国荷载规范规定，可变荷载频遇值是以可变荷载的频遇值系数f与相应的可变荷载标准值的乘积来确定。l可变荷载准永久值l可变荷载准永久值是针对在结构上经常作用的可变荷载的。即在规定的期限内，该部分可变荷载具有较长的总持续时间，对结构的影响类似于永久荷载。我国荷载规范规定，可变荷载准永久值是以可变荷载的准永久值系数q与相应的可变荷载标准值的乘积来确定的。l4.荷载效应l5.荷载分项系数及荷载设计值l可变荷载频遇值l可变荷载频遇值是针对结构上偶尔出现的较大荷载而言的。它与时间有较密切的关联，即在规
25、定的设计基准期内（50年），具有较短的总持续时间或较少的发生次数的特性，这使结构的破坏性有所减缓。我国荷载规范规定，可变荷载频遇值是以可变荷载的频遇值系数f与相应的可变荷载标准值的乘积来确定。l可变荷载准永久值l可变荷载准永久值是针对在结构上经常作用的可变荷载的。即在规定的期限内，该部分可变荷载具有较长的总持续时间，对结构的影响类似于永久荷载。我国荷载规范规定，可变荷载准永久值是以可变荷载的准永久值系数q与相应的可变荷载标准值的乘积来确定的。l4.荷载效应l各种作用在结构上的内力（弯矩、剪力、扭矩、压力、拉力等）和变形（挠度、扭转、弯曲、拉伸、压缩、裂缝等）统称为“作用效应”，以“S”表示。当
26、作用为荷载时，引起的效应称为“荷载效应”。l5.荷载分项系数及荷载设计值l由于荷载是随机变量，考虑其有超过荷载标准值的可能性，以及不同变异性的荷载可能造成结构计算时可靠度不一致的不利影响，所以，在承载能力极限状态设计中将荷载标准值乘以一个大于1的调整系数，此系数称为荷载分项系数。l三、结构抗力和材料强度三、结构抗力和材料强度l1.结构抗力l结构抗力是指结构或构件承受各种作用效应的能力即承载能力和抗变形能力，用“R”表示。承载能力包括受弯、受剪、受拉、受压、受扭承载力等各种抵抗外力的能力；抗变形能力包括抗裂性能、刚度等。l2.材料强度取值l材料强度标准值l建筑结构可靠度设计统一标准（GB5006
27、82001）规定，材料强度的标准值 是结构设计时采用的材料强度的基本代表值。材料强度的标准值以材料强度概率分布的某一分位值来确定。以混凝土强度为例，材料强度的标准值按其概率分布的0.05分位值确定。l材料强度标准值l建筑结构可靠度设计统一标准（GB500682001）规定，材料强度的标准值 是结构设计时采用的材料强度的基本代表值。材料强度的标准值以材料强度概率分布的某一分位值来确定。l材料强度设计值l由于材料材质的不均匀性，各地区材料的离散型、实验室环境与实际工程的差别，以及施工中不可避免的偏差等因素，导致材料强度不稳定，即有变异性。考虑其变异性可能对结构构件的可靠度产生不利影响，设计时将材料
28、强度标准值除以一个大于1的系数，此系数称为材料分项系数。材料强度标准值除以材料分项系数称为材料强度设计值。在承载能力极限状态设计中，应采用材料强度设计值。l四、概率极限状态设计法概率极限状态设计法l1.结构的功能函数及可靠度概念l 结构的功能函数l结构的可靠度l结构的可靠度是指结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能（安全性、耐久性和适用性）的可能性，用概率来表示，也称可靠概率l极限状态实用设计表达式l承载力极限状态实用设计表达式l正常使用极限状态实用设计表达式小小 结结l结构设计要解决的根本问题是以适当的可靠度来满足结构的功能要求。l结构上的作用分直接作用和间接作用两种，其中直接作用
29、习惯称为荷载。l以概率理论为基础的极限状态设计法是以可靠指标来度量结构的可靠度的，但为了实用，在结构设计时则采用多个分项系数表达的极限状态设计表达式。混凝土结构材料的基本性能混凝土结构材料的基本性能l一、混凝土的基本性能混凝土的基本性能l1.混凝土的强度l混凝土的强度是指它抵抗外力产生的某种应力的能力，即混凝土材料达到破坏或破裂极限状态时所能承受的应力。显然，混凝土的强度不仅与其材料组成等因素有关，而且还与其受力状态有关。l混凝土的立方体抗压强度和强度等级l在我国，把混凝土的立方体抗压强度作为评价和衡量混凝土强度的基本指标。l混凝土的轴心抗压强度l在实际工程中，钢筋混凝土构件的长度比其横截面尺
30、寸大得多。为更好地反映混凝土在实际构件中的受力情况，可采用混凝土的棱柱体试件测得其轴心抗压能力，所对应的抗压强度称为混凝土的轴心抗压强度，也称棱柱体抗压强度l混凝土的轴心抗拉强度l混凝土的轴心抗拉强度也是混凝土的一个基本强度指标，用符号ft表示。混凝土的抗拉强度远小于其抗压强度，一般只有抗压强度的1/181/9l复合应力状态下的混凝土强度l述混凝土抗压和抗拉强度，都是指混凝土在单向受力条件下所得到的强度。但是在实际混凝土结构构件中，混凝土很少处于单向受拉或受压状态，而往往承受弯矩、剪力、轴向力及扭矩的多种组合作用，大多是处于双向或三向的复合应力状态。而至今还尚未建立统一的混凝土在复合受力状态下
31、的强度理论，相关研究成果还多是以实验结果为依据的近似方法。l（1）双向应力状态下的强度l（2）三向应力状态下的强度l2.混凝土的变形l混凝土在一次短期荷载作用下的变形性能l（1）混凝土受压时的应力-应变曲线l混凝土在单轴一次短期加载过程中的应力-应变关系，反映了混凝土最基本的力学性能，是研究钢筋混凝土构件截面应力建立强度和变形计算理论不可缺少的依据。l（2）混凝土的弹性模量和变形模量l弹性模量。l弹性模量在力学中是联系应力和应变的重要参数，在钢筋混凝土结构的设计计算中，混凝土的弹性模量也是分析研究构件的应力分布、变形、温度应力以及预应力混凝土结构的应力计算等的重要参数。l变形模量（或割线模量）
32、。l当混凝土压应力 较大（超过0.5fc）时，弹性模量Ec已不能反映这时的 与 的关系，为此，要用到变形模量的概念。l混凝土在多次重复荷载作用下的变形性能l混凝土在长期荷载作用下的变形徐变l混凝土的体积变形l（2）混凝土的弹性模量和变形模量l弹性模量。l弹性模量在力学中是联系应力和应变的重要参数，在钢筋混凝土结构的设计计算中，混凝土的弹性模量也是分析研究构件的应力分布、变形、温度应力以及预应力混凝土结构的应力计算等的重要参数。l变形模量（或割线模量）。l当混凝土压应力 较大（超过0.5fc）时，弹性模量Ec已不能反映这时的 与 的关系，为此，要用到变形模量的概念。l 混凝土在多次重复荷载作用下
33、的变形性能l将混凝土试件加载到一定数值后，再卸载至零，并多次重复这一循环过程，便可得到混凝土在多次重复荷载作用下的应力-应变曲线，如图3-7所示。从图中可以看出，混凝土在经过一次加载和卸载循环后，其变形中有一部分可以恢复，而还有一部分则不能恢复。这些不能恢复的塑性变形，在多次的循环过程中逐渐积累。l混凝土在长期荷载作用下的变形徐变l混凝土在不变荷载作用下，其应变随时间增长而继续增长的现象称为混凝土徐变。混凝土的这种性质对结构构件的变形、强度以及预应力钢筋中的应力都将产生重要的影响。l影响混凝土徐变的因素有：l（1）应力的大小是主要的因素，应力越大，徐变也越大；l（2）加载时混凝土的龄期越短，则
34、徐变也越大；l（3）水泥用量多，徐变大；l（4）养护温度高、时间长，则徐变小；l（5）混凝土骨料的配级好、弹性模量大，则徐变小；l（6）与水泥的品种有关，普通硅酸盐水泥的混凝土较矿渣水泥、火山灰水泥的混凝土徐变相对要大。l混凝土的体积变形l混凝土的体积变形主要是指混凝土的收缩与膨胀。混凝土在空气结硬过程中体积减小的现象称为混凝土的收缩。产生收缩的主要类型有二种，即由于混凝土在硬化过程中产生化学反应的凝结收缩和混凝土内的自由水分蒸发产生的收缩。而混凝土在水中硬化时，体积会有轻微膨胀，这是由于凝胶体粒子的吸附水膜增厚，使胶体粒子之间的距离增大所致。一般膨胀变形很小，不会对结构造成破坏；而收缩对混凝
35、土和预应力混凝土构件会产生十分不利的影响。l试验表明，混凝土的收缩与诸多因素有关：l（1）水泥用量越多，水灰比越大，收缩越大；l（2）骨料的弹性模量越大，则收缩小；l（3）在结硬过程中，养护条件好，收缩小；l（4）使用环境湿度越大，收缩越小。l3.混凝土的设计指标l在钢筋混凝土结构中，对受弯构件、受压构件及偏心受拉构件进行承载力计算时，需采用混凝土的轴心抗压强度作为设计指标；混凝土的轴心抗拉强度是计算钢筋混凝土及预应力混凝土构件的抗裂度和裂缝宽度以及构件斜截面受剪承载力、受扭承载力时的主要强度指标。l4.混凝土结构的耐久性规定l混凝土结构的耐久性是指，在设计使用年限内，在正常维护条件下，混凝土
36、结构构件必须保证适用于使用而不需要维修加固的特性。混凝土结构应符合有关耐久性的规定，以保证其在化学的、生物的以及其他使结构材料性能恶化的各种侵蚀的作用下，达到预期的耐久年限。但是由于混凝土表面暴露在大气中，特别是长期受到外界不良气候环境的影响以及有害物质的侵蚀，随时间增长会出现混凝土开裂、碳化剥落，钢筋锈蚀等现象，使材料的耐久性降低。因此，混凝土结构应根据所处的环境类别、结构的重要性和使用年限满足规范规定的有关耐久性要求。l二、二、钢钢 筋筋l1.钢筋的种类l建筑结构使用的钢材按化学成分的不同，可分为碳素结构钢和普通低合金钢两大类。l2.钢筋的力学性能l钢筋的应力-应变曲线l钢筋按其力学性能的
37、不同，可分为有明显屈服点的钢筋和没有屈服点的钢筋两大类。有明显屈服点的钢筋常称做软钢，在工程中常用的热轧钢筋就属于软钢；没有明显屈服点的钢筋则称为硬钢，消除应力钢丝、刻痕钢丝、钢绞线就属于硬钢。l3.钢筋的设计指标l规范规定，钢筋的强度标准值应具有不小于95%的保证率。热轧钢筋的强度标准值根据屈服强度确定；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。l4.混凝土结构对钢筋性能的要求l钢筋混凝土结构对钢筋的性能要求主要是：适当的强度和屈强比、塑性好、可焊性好，与混凝土的锚固性能好。l三、钢筋与混凝土的粘结三、钢筋与混凝土的粘结l1.粘结的作用及产生原因l钢筋与混凝土这两种力学
38、性能完全不同的材料之所以能够在一起共同工作，除了二者具有相近的温度线膨胀系数及混凝土对钢筋具有保护作用外，主要是由于在钢筋与混凝土之间的接触面上存在良好的粘结力。通常把钢筋与混凝土接触面单位截面面积上的剪应力称为粘结应力。如果沿钢筋长度上没有钢筋应力的变化，也就不存在粘结应力。通过粘结应力可以传递钢筋与混凝土两者间的应力，协调变形，使两者共同工作。l2.粘结强度及影响因素l影响钢筋与混凝土之间粘结强度的主要因素有：混凝土的强度；钢筋的表面形状；保护层厚度及钢筋的净距；浇筑位置；与钢筋周围有无侧向压力有关；l3.保证钢筋与混凝土粘结的措施l为使钢筋与混凝土之间有足够的粘结作用，我国设计规范是采用
39、规定的混凝土保护层厚度、钢筋的净距、锚固长度和钢筋的搭接长度等构造措施来保证的，在设计和施工时必须严格遵守相应的规定。小结小结l1.混凝土的强度有立方体抗压强度、轴心抗压强度和抗拉强度。l2.混凝土物理力学性能的主要特征是：抗拉强度远低于抗压强度；应力-应变关系从一开始就是非线性的，只有当应力很小时才可近似视为线弹性的；混凝土的强度和变形是与明显关系的。徐变和收缩对混凝土结构的性能有重要影响。l3.混凝土结构用的钢筋可分为普通钢筋和预应力钢筋。l4.将强度较低的热轧钢筋经过冷拉过冷拔等冷加工，提高了钢筋的强度（屈服强度和极限强度），但降低了塑形（屈服平台缩短或消失，极限应变减小）。l5.钢筋与
40、混凝土之间的粘结是两种材料共同工作的基础。粘结强度一般由胶着力、摩擦力和咬合力组成。钢筋混凝土受弯构件钢筋混凝土受弯构件l一、一、梁、板的一般构造梁、板的一般构造l1.板的一般构造要求l板的厚度l板的厚度要满足刚度、承载力、裂缝等方面的要求。单跨板的最小厚度不小于l0/35（l0计算跨度），且不小于60mm（民用建筑）或70mm（工业建筑），多跨连续板的最小厚度不小于l0/40，悬挑板最小厚度不小于l0/15；双向板最小厚度不小于l1/45（l1为短边计算跨度）且不小于80mm。板的截面形式一般为矩形、空心板、槽形板等l板的配筋l（1）受力钢筋l板中受力钢筋沿板的跨度方向布置在板的受拉区，承受
41、由弯矩产生的拉应力。l（2）分布钢筋l板中的分布钢筋与受力钢筋垂直，并放置于受力钢筋的内侧，其作用是将板上荷载均匀地传递给受力钢筋，在施工中固定受力钢筋的位置，抵抗因温度变化及混凝土收缩而产生的拉应力。l板的支承长度l现浇板在砖墙上的支承长度一般不小于板厚及120mm，且应满足受力钢筋在支座内的锚固长度要求。预制板的支承长度不宜小于100mm，在钢筋混凝土梁上不宜小于80mm。l2.梁的一般构造要求l梁的截面形式及尺寸l梁常用的截面形式主要有矩形、形截面，此外还可做成倒形、形、形、十字形、花篮形等l梁的配筋l钢筋混凝土梁中，通常配置有纵向受力钢筋、弯起钢筋、箍筋、架立钢筋等，构成钢筋骨架，有时
42、还配置纵向构造钢筋及相应的拉筋等l梁的支撑长度l在砖墙或砖柱上的支撑长度a，应满足梁内纵向受力钢筋在支座处的锚固长度要求，并满足支撑处砌体局部受压承载力的要求。l3.混凝土保护层厚度及截面有效高度l为了使钢筋不发生锈蚀，保证钢筋与混凝土间有足够的粘结强度，梁、板受力钢筋的表面必须有足够的混凝土保护层。钢筋外表面到混凝土外表面的距离，称作混凝土保护层厚度l二、受弯构件正截面承载力计算二、受弯构件正截面承载力计算l1.受弯构件正截面承载力的受力特点l构件正截面的破坏形态l为了计算钢筋混凝土受完弯构件的正截面承载力和变形，必须通过试验了解钢筋混凝土受弯构件的截面应力分布及其破坏过程，取“纯弯段”实测
43、实验数据进行研究。l试验结果表明，梁的正截面破坏与钢筋含量、混凝土强度等级、截面形式等有关，影响最大的是梁内纵向受力钢筋含量。可用纵向受拉钢筋面积As与混凝土有效面积bh0的比值来表示，即 ，称为配筋率。根据配筋率的不同，钢筋混凝土梁可分为适筋梁、超筋梁、少筋梁。l适筋梁正截面受弯破坏的三个受力阶段l适筋梁从开始加载到完全破坏，其应力变化经历了三个阶段：弹性工作阶段；带裂缝工作阶段；破坏阶段l2.单筋矩形截面受弯构件正截面承载力计算l3.单筋T型截面受弯构件正截面承载力计算l在单筋矩形截面梁正截面受弯承载力计算中，是不考虑受拉区混凝土的作用的。如果把受拉区两侧的混凝土挖掉一部分，将受拉钢筋配置
44、在肋部，既不会降低截面承载力，又可以节省材料，减轻自重，这样就形成了形截面梁。形截面受弯构件在工程实际中应用较广，除独立形梁外，槽形板、空心板以及现浇肋形楼盖中的主梁和次梁的跨中截面也按形梁计算。但是，翼缘位于受拉区的倒T形截面梁，当受拉区开裂后，翼缘就不起作用了，因此其受弯承载力应按截面为bh的矩形截面计算l4.双筋截面受弯构件的计算特点l双筋截面受弯构件的应用范围l在截面受拉区和受压区同时按计算配置纵向受力钢筋的受弯构件称为双筋截面受弯构件。l双筋截面梁虽然可以提高承载力，由于采用受压钢筋来承受截面的部分压力是不经济的，因此，除下列情况外，一般不宜采用双筋截面梁：l(1)构件所承受的弯矩较
45、大，而截面尺寸受到限制，采用单筋梁无法满足要求；l(2)构件在不同的荷载组合下，同一截面可能承受变号弯矩作用；l(3)为了提高截面的延性而要求在受压区配置受力钢筋。在截面受压区配置一定数量的受力钢筋，有利于提高截面的延性。l三、受弯构件斜截面承载力计算三、受弯构件斜截面承载力计算l1.受弯构件斜截面承载力的试验研究l受弯构件斜截面的受剪性能l通过前面学习我们知道，受弯构件在主要承受弯矩的区段将会产生垂直于梁轴线的裂缝，若其受弯承载力不足，则将沿正截面破坏。一般而言，在荷载作用下，受弯构件不仅在各个截面上引起弯矩，同时还产生剪力V。在弯曲正应力和剪应力共同作用下，受弯构件将产生与轴线斜交的主拉应
46、力和主压应力。l受弯构件斜截面的破坏形态l受弯构件斜截面受剪破坏形态主要取决于箍筋数量和剪跨比。=a/h0，其中a称为剪跨，即集中荷载作用点至支座的距离。随着箍筋数量和剪跨比的不同，受弯构件主要有以下三种斜截面受剪破坏形态。l1）斜拉破坏l2）剪压破坏l3）斜压破坏l2.受弯构件斜截面受剪承载力计算l 影响斜截面受剪承载力的主要因素l（1）剪跨比 l当3时，斜截面受剪承载力随增大而减小。当3时，其影响不明显。l（2）混凝土强度l混凝土强度对斜截面受剪承载力有着重要影响。试验表明，混凝土强度越高，受剪承载力越大。l（3）配箍率sv l式中Asv配置在同一截面内箍筋各肢的全部截面面积：Asv nA
47、sv1，其中n为箍筋肢数，Asv1 为单肢箍筋的截面面积；lb 矩形截面的宽度，T形、I形截面的腹板宽度；l s箍筋间距。l梁的斜截面受剪承载力与sv呈线性关系，受剪承载力随sv增大而增大。l（4）弯起钢筋l与斜裂缝相交的弯起钢筋承担拉力，也能承担一部分剪力，弯起钢筋的截面面积越大，强度越高，梁的受剪承载力也就越高。l（5）纵向钢筋配筋率l纵筋受剪产生销栓力，可以限制斜裂缝的开展。梁的斜截面受剪承载力随纵向钢筋配筋率增大而提高。l除上述因素外，截面形状、荷载种类和作用方式等对斜截面受剪承载力都有影响。l在影响斜截面受剪承载力诸因素中，剪跨比、配箍率sv 是最主要的因素。l3.保证斜截面受弯承载
48、力的构造要求l受弯构件在弯矩和剪力的共同作用下，沿斜截面除了有可能发生受剪破坏外，由于弯矩的作用还有可能发生斜截面的弯曲破坏。纵向受拉钢筋是按照正截面最大弯矩计算确定的，如果纵向受拉钢筋在梁的全跨内既不弯起，也不截断，可以保证任何截面都不会发生弯曲破坏，也能满足任何斜截面的受弯承载力。但是如果一部分纵向受拉钢筋在某一位置弯起或截断时，则有可能使斜截面的受弯承载力得不到保证。而斜截面受弯承载力，是靠一定的构造措施来保证的。规范对纵向受拉钢筋正确的弯起或截断的位置，以及对纵向钢筋的锚固等构造要求作出相应的规定，而这些构造要求一般要通过绘制正截面的抵抗弯矩图（材料图）予以判断。l四、受弯构件的变形及
49、裂缝宽度验算四、受弯构件的变形及裂缝宽度验算l1.钢筋混凝土受弯构件的变形验算l钢筋混凝土受弯构件的截面刚度l1）钢筋混凝土受弯构件截面刚度的特点l钢筋混凝土受弯构件变形计算的实质是刚度验算。l在材料力学中，我们学习了受弯构件挠度（变形）计算的方法。l2）刚度计算公式l短期刚度Bsl长期刚度Bl钢筋混凝土受弯构件的挠度计算l如前所述，钢筋混凝土受弯构件开裂后，其截面弯曲刚度是随弯矩增大而降低的，因此，较准确的计算方法似乎应该将构件按弯曲刚度大小分段计算挠度。但这样计算无疑会显得十分繁琐。为简化计算，可取同号弯矩区段内弯矩最大截面的弯曲刚度作为该区段的弯曲刚度，即在简支梁中取最大正弯矩截面的刚度
50、为全梁的弯曲刚度，而在外伸梁、连续梁或框架梁中，则分别取最大正弯矩截面和最大负弯矩截面的刚度作为相应正、负弯矩区段的弯曲刚度。很明显，按这种处理方法所算出的弯曲刚度值最小，所以我们称这种处理原则为“最小刚度原则”。l变形验算的步骤l挠度验算是在承载力计算完成后进行的。此时，构件的截面尺寸、跨度、荷载、材料强度以及钢筋配置情况都是已知的，故挠度验算可按下述步骤进行：l计算荷载效应标准组合及准永久组合下的弯矩Mk、Mq；l计算短期刚度Bs；l计算长期刚度B；l计算最大挠度f，并判断挠度是否符合要求。l2 裂缝宽度验算裂缝宽度验算l裂缝的发生及其分布l我们知道，混凝土的抗拉强度很低。当构件受拉区外边
