1、第第2章章 混凝土结构的设计方法混凝土结构的设计方法1.结构设计的要求结构设计的要求2.结构的作用、作用效应及结构抗力结构的作用、作用效应及结构抗力n结构按概率极限状态设计结构按概率极限状态设计n按承载能力极限状态计算按承载能力极限状态计算n按正常使用极限状态计算按正常使用极限状态计算3.混凝土结构的耐久性混凝土结构的耐久性2适用性耐久性安全性结构的可靠性结构的可靠性结构的可靠性 reliability3可靠性可靠性就是指结构在规定的使用期限内（设计工作就是指结构在规定的使用期限内（设计工作寿命寿命=50年），在规定的条件下（年），在规定的条件下（正常设计、正常施正常设计、正常施工、正常使用和
2、维护工、正常使用和维护），完成预定结构功能的能力。），完成预定结构功能的能力。1.2结构的极限状态（结构的极限状态（Limit State）结构能够满足功能要求而良好地工作，则称结构是结构能够满足功能要求而良好地工作，则称结构是“可靠可靠”的或的或“有效有效”的。反之，则结构为的。反之，则结构为“不可靠不可靠”或或“失效失效”。区分区分“可靠可靠”与与“失效失效”的临界工作状态为的临界工作状态为“极限状态极限状态”。承载力极限状态承载力极限状态Ultimate Limit State 正常使用极限状态正常使用极限状态Serviceability Limit Staten 结构整体或部分作为刚体
3、失去平衡结构整体或部分作为刚体失去平衡n 结构或构件达到最大承载力结构或构件达到最大承载力n 受动力荷载作用而产生疲劳破坏受动力荷载作用而产生疲劳破坏n 结构塑性变形过大而破坏结构塑性变形过大而破坏n 结构形成几何可变体系结构形成几何可变体系n 构件由于压屈而丧失稳定构件由于压屈而丧失稳定n 过大的变形和侧移过大的变形和侧移n 过大的裂缝过大的裂缝n 过大的振动过大的振动n 侵蚀性介质腐蚀等侵蚀性介质腐蚀等4一切引起结构内力和变形的一切引起结构内力和变形的原因原因，总称为作用。，总称为作用。直接作用：直接作用：直接以力的形式作用于结构，也称直接以力的形式作用于结构，也称荷载荷载；间接作用：间接
4、作用：不是直接以力的形式出现，但是对结构产不是直接以力的形式出现，但是对结构产生变形和内力；生变形和内力；混凝土的收缩、温度变化、混凝土的收缩、温度变化、基础不均匀沉降、地震等。基础不均匀沉降、地震等。51 1）作用）作用结构功能的表达结构功能的表达 S 作用效应作用效应 Action Effect 结构上的作用是结构上的作用是使结构产生内力、变形和裂缝的原因的总称，分使结构产生内力、变形和裂缝的原因的总称，分为直接作用和间接作用，作用效应即为作用为直接作用和间接作用，作用效应即为作用引起的构件内力与变形。引起的构件内力与变形。R 结构抗力结构抗力 Resistant 结构抵抗作用效应的能力，
5、如抗弯承载力结构抵抗作用效应的能力，如抗弯承载力Mu、抗剪承载力、抗剪承载力Vu、容、容许挠度许挠度f、容许裂缝宽度、容许裂缝宽度w。S R 失效失效 6 两种或两种以上的可变荷载组合时，同时以标准值出两种或两种以上的可变荷载组合时，同时以标准值出现的概率很小，乘以现的概率很小，乘以荷载组合系数荷载组合系数y yc进行折减。进行折减。荷载组合荷载组合系数系数y yc应用于承载力极限状态的应用于承载力极限状态的基本组合基本组合和正常使用极限和正常使用极限状态的状态的标准组合标准组合。除此之外，有频遇值系数除此之外，有频遇值系数y yf和准永久和准永久值系数值系数y yq 7考虑荷载超过标准值的可
6、能性考虑荷载超过标准值的可能性荷载分项系数荷载分项系数考虑材料强度低于标准值的可能性考虑材料强度低于标准值的可能性材料分项系数材料分项系数：是一个大于是一个大于1.01.0的系数。的系数。荷载分项系数分为荷载分项系数分为恒载恒载分项系数和分项系数和活载活载分项系数分项系数材料分项系数分为材料分项系数分为砼砼分项系数和分项系数和钢筋钢筋分项系数分项系数81.结构设计的要求结构设计的要求2.结构的作用、作用效应及结构抗力结构的作用、作用效应及结构抗力n结构按概率极限状态设计结构按概率极限状态设计n按承载能力极限状态计算按承载能力极限状态计算n按正常使用极限状态计算按正常使用极限状态计算3.混凝土结
7、构的耐久性混凝土结构的耐久性9建筑结构的安全等级建筑结构的安全等级g g0 结构重要性系数结构重要性系数 根据建筑结构的重要性将结构分为根据建筑结构的重要性将结构分为三个安全等级三个安全等级，采用结构，采用结构重要性系数来体现。重要性系数来体现。一级一级 g g01.1二级二级 g g01.0三级三级 g g00.9规范设计表达式规范设计表达式 RS 0g10kSSSgSk荷载效应标准值荷载效应标准值11荷载效应设计值荷载效应设计值承载力极限状态设计表达式g gs荷载分项系数荷载分项系数抗力设计值抗力设计值Rk/gRR g gR抗力分项系数抗力分项系数RS 0gg g0 结构重要性系数结构重要
8、性系数计算表达式计算表达式承载力极限状态设计表达式12niQikCiQikQQkGGSSSS211ygggniQikCiQikGGSSS1ygg可变荷载效应控制组合可变荷载效应控制组合永久荷载效应控制组合永久荷载效应控制组合QiQGggg,1各荷载分项系数各荷载分项系数QikkGSS,按荷载标准值计算的荷载效应按荷载标准值计算的荷载效应值值Ciy组合值系数组合值系数荷载效应组合荷载效应组合抗力设计值抗力设计值R)(0，hbAffRRsskcckgg承载力极限状态设计表达式13skckff,scgg,混凝土和钢筋的材料分项系数混凝土和钢筋的材料分项系数混凝土和钢筋的强度标准值混凝土和钢筋的强度标
9、准值RS 0g14 例题例题 某钢筋承受轴拉力设计值某钢筋承受轴拉力设计值N 50KN，钢筋，钢筋级别为级别为HRB335，直径，直径d=16mm，结构的重要性系，结构的重要性系数为数为1.1，问其强度是否满足要求？，问其强度是否满足要求？荷载效应设计值：荷载效应设计值：S=N=50 KN承载能力设计值：承载能力设计值：查附表查附表3，得到钢筋抗拉强度的设计值为，得到钢筋抗拉强度的设计值为300N/mm2查附表查附表10，得到钢筋面积为，得到钢筋面积为201.1mm2R=f fy As=300201.110360.33KN0S 1.150KN R 60.33KN故强度满足要求故强度满足要求【解
10、解】0S R1.结构设计的要求结构设计的要求2.结构的作用、作用效应及结构抗力结构的作用、作用效应及结构抗力n结构按概率极限状态设计结构按概率极限状态设计n按承载能力极限状态计算按承载能力极限状态计算n按正常使用极限状态计算按正常使用极限状态计算3.混凝土结构的耐久性混凝土结构的耐久性15极限状态表达式极限状态表达式 C 结构构件达到正常使用要求所规定的限值。结构构件达到正常使用要求所规定的限值。S 正常使用极限状态的荷载效应组合值。正常使用极限状态的荷载效应组合值。CS 正常使用极限状态设计表达式正常使用极限状态设计表达式 正常使用极限状态设计时，应验算构件的变形、抗裂度和裂缝正常使用极限状
11、态设计时，应验算构件的变形、抗裂度和裂缝宽度。可靠度要求可适当降低。不需要乘荷载分项系数，也不考虑宽度。可靠度要求可适当降低。不需要乘荷载分项系数，也不考虑结构重要性系数。结构重要性系数。正常使用极限状态设计表达式16niQikCikQkGSSSS21y17正常使用极限状态设计表达式正常使用极限状态设计表达式标准组合标准组合产生严重的永久性损害产生严重的永久性损害niQikqikQfkGSSSS211yy频遇组合频遇组合产生局部损害、较大变形或短暂振动产生局部损害、较大变形或短暂振动niQikqikGSSS1y准永久组合准永久组合考虑长期效应考虑长期效应)，(021hbAffRSSSskckn
12、iQikCikQkGy可变荷载代表值裂缝控制验算裂缝控制验算 一级：严格要求不出现裂缝的构件，同时不得产生拉应力。一级：严格要求不出现裂缝的构件，同时不得产生拉应力。正常使用极限状态结构抗力标准值第2章 钢筋混凝土结构设计的基本计算原则180pcck 二级：一般要求不出现裂缝的构件，标准组合下可以产生拉二级：一般要求不出现裂缝的构件，标准组合下可以产生拉应力，但不得超过混凝土轴心抗拉强度标准值。应力，但不得超过混凝土轴心抗拉强度标准值。tkpcckf 三级：允许出现裂缝的构件，限制裂缝宽度。三级：允许出现裂缝的构件，限制裂缝宽度。limmax0pccqpc预压应力预压应力1.结构设计的要求结构
13、设计的要求2.结构的作用、作用效应及结构抗力结构的作用、作用效应及结构抗力n结构按概率极限状态设计结构按概率极限状态设计n按承载能力极限状态计算按承载能力极限状态计算n按正常使用极限状态计算按正常使用极限状态计算3.混凝土结构的耐久性混凝土结构的耐久性19抗渗性：混凝土抵抗压力水渗透性能称为混凝土的抗渗性：混凝土抵抗压力水渗透性能称为混凝土的“抗渗性抗渗性”或或“不透水性不透水性”；抗冻性：混凝土在饱和状态下，抵抗多次冻结和融化循环作抗冻性：混凝土在饱和状态下，抵抗多次冻结和融化循环作用而不破坏也不严重降低混凝土强度的性能；用而不破坏也不严重降低混凝土强度的性能；抗腐蚀性：酸和碱的化学腐蚀，小
14、孔内的结晶腐蚀。抗腐蚀性：酸和碱的化学腐蚀，小孔内的结晶腐蚀。混凝土的耐久性混凝土的耐久性 钢筋混凝土结构劣化模型钢筋混凝土结构劣化模型海洋环境下海洋环境下钢筋混凝土钢筋混凝土结构退化随结构退化随时间的发展时间的发展v侵蚀性离子如侵蚀性离子如Cl、SO42、Mg2、Na等，对钢筋混凝土等，对钢筋混凝土结构具很强的化学侵蚀作用结构具很强的化学侵蚀作用混凝土和钢筋混凝土和钢筋v 硫酸根离子与水泥中的水化铝酸钙反应，形成膨胀性物质，硫酸根离子与水泥中的水化铝酸钙反应，形成膨胀性物质，导致混凝土开裂破坏；导致混凝土开裂破坏；v钠离子与活性集料易发生碱集料破坏；钠离子与活性集料易发生碱集料破坏；vCl由
15、于其半径小，具有很强的穿透能力，很容易渗透进入混由于其半径小，具有很强的穿透能力，很容易渗透进入混凝土内部并到达钢筋表面，导致钢筋锈蚀速度加快，破坏混凝凝土内部并到达钢筋表面，导致钢筋锈蚀速度加快，破坏混凝土保护层，进一步加速钢筋混凝土结构的破坏；土保护层，进一步加速钢筋混凝土结构的破坏；v因此，钢筋混凝土结构不仅要求具有一定强度，还要具有优良因此，钢筋混凝土结构不仅要求具有一定强度，还要具有优良的抗腐蚀性能。的抗腐蚀性能。钢筋锈蚀引起的顺筋裂缝钢筋锈蚀引起的顺筋裂缝主梁钢筋锈蚀、保护层剥落主梁钢筋锈蚀、保护层剥落 加州伯克利分校的加州伯克利分校的Mehta教授在总结教授在总结59年来混凝土耐
16、年来混凝土耐久性的研究进展时指出：钢筋混凝土材料耐久性的主要影久性的研究进展时指出：钢筋混凝土材料耐久性的主要影响因素有钢筋锈蚀响因素有钢筋锈蚀(氯离子侵蚀和混凝土碳化氯离子侵蚀和混凝土碳化)、冻融循环、冻融循环、硫酸盐侵蚀、碱骨料反应、荷载、干湿循环等。而引起钢硫酸盐侵蚀、碱骨料反应、荷载、干湿循环等。而引起钢筋混凝土结构劣化的破坏因素按照重要程度依次为筋混凝土结构劣化的破坏因素按照重要程度依次为钢筋锈钢筋锈蚀、冻融破坏蚀、冻融破坏和和海水侵蚀海水侵蚀作用。作用。钢筋锈蚀引起钢筋锈蚀引起混凝土剥落混凝土剥落25钢筋在混凝土中发生锈蚀的诱发因素钢筋在混凝土中发生锈蚀的诱发因素1）混凝土中或外界
17、环境中的氯离子含量过大）混凝土中或外界环境中的氯离子含量过大2）混凝土碳化作用）混凝土碳化作用1）氯离子侵蚀）氯离子侵蚀 氯离子侵蚀引起的钢筋锈蚀己经成为钢筋混凝土结构劣化的氯离子侵蚀引起的钢筋锈蚀己经成为钢筋混凝土结构劣化的主要原因之一。氯离子侵入混凝土腐蚀钢筋的机理为：主要原因之一。氯离子侵入混凝土腐蚀钢筋的机理为：26 (1)破坏钝化膜破坏钝化膜。氯离子进入混凝土到达钢筋表面，吸附于局部钝化膜。氯离子进入混凝土到达钢筋表面，吸附于局部钝化膜处时，可使该处的处时，可使该处的pH值迅速降低到值迅速降低到4以下，破坏了钢筋表面的钝化膜。以下，破坏了钢筋表面的钝化膜。(2)形成腐蚀电池形成腐蚀电
18、池。混凝土中常见的腐蚀对钢筋表面钝化膜的破坏发生。混凝土中常见的腐蚀对钢筋表面钝化膜的破坏发生在局部，使这些部位露出了铁基体，铁基体作为阳极而受腐蚀，大面在局部，使这些部位露出了铁基体，铁基体作为阳极而受腐蚀，大面积钝化膜区域作为阴极。使得钢筋表面产生蚀坑。积钝化膜区域作为阴极。使得钢筋表面产生蚀坑。(3)去极化作用去极化作用。氯离子将阳极产物及时地搬运走，使阳极过程顺利。氯离子将阳极产物及时地搬运走，使阳极过程顺利进行甚至加速进行。氯离子起到了搬运的作用，却并不被消耗，凡是进行甚至加速进行。氯离子起到了搬运的作用，却并不被消耗，凡是进入混凝土中的氯离子，会周而复始的起到破坏作用。进入混凝土中
19、的氯离子，会周而复始的起到破坏作用。(4)导电作用导电作用。腐蚀电池的要素之一是要有离子通路，混凝土中氯离。腐蚀电池的要素之一是要有离子通路，混凝土中氯离子的存在，强化了离子通路，降低了阴阳极之间的欧姆电阻，提高了子的存在，强化了离子通路，降低了阴阳极之间的欧姆电阻，提高了腐蚀电池的效率，从而加速了电化学腐蚀过程。腐蚀电池的效率，从而加速了电化学腐蚀过程。27 通常，氯离子的侵入是以几种侵入方式的组合而作用的，通常，氯离子的侵入是以几种侵入方式的组合而作用的，另外还受到氯离子与混凝土材料之间的化学结合、物理粘结、吸另外还受到氯离子与混凝土材料之间的化学结合、物理粘结、吸附等作用的影响。在许多情
20、况下，扩散被认为是一个主要的传输附等作用的影响。在许多情况下，扩散被认为是一个主要的传输方式之一。对于现有的没有开裂且水灰比不太低的结构，大量的方式之一。对于现有的没有开裂且水灰比不太低的结构，大量的检测结果表明氯离子扩散过程一般满足检测结果表明氯离子扩散过程一般满足 Fick第二定律。但在不同第二定律。但在不同环境环境影响下影响下，氯离子在混凝土中的扩散速度、深度及质量能显著，氯离子在混凝土中的扩散速度、深度及质量能显著提高，在盐溶液中冻融循环，混凝土的性能下降明显。提高，在盐溶液中冻融循环，混凝土的性能下降明显。NT buiId 443试验装置示意图试验装置示意图非稳态扩散试验数据回归分析
21、示意图非稳态扩散试验数据回归分析示意图2）混凝土碳化）混凝土碳化 碳化是大气中的碳化是大气中的CO2，与混凝土中的，与混凝土中的碱性物质发生化学作用，使混凝土的碱度逐碱性物质发生化学作用，使混凝土的碱度逐渐降低的过程。由于混凝土是一个多孔体，渐降低的过程。由于混凝土是一个多孔体，在其内部存在着大小不同的毛细管、孔隙、在其内部存在着大小不同的毛细管、孔隙、气泡甚至缺陷，空气中的气泡甚至缺陷，空气中的CO2侵蚀到混凝土侵蚀到混凝土内部，主要与水泥水化产生的氢氧化钙发生内部，主要与水泥水化产生的氢氧化钙发生反应，形成碳酸钙，使混凝土的碱度逐渐降反应，形成碳酸钙，使混凝土的碱度逐渐降低。低。28n 碳
22、化过程中释放出水化产物中的结晶水，碳化过程中释放出水化产物中的结晶水，使混凝土产生了不可逆的收缩，碳化收缩使混凝土产生了不可逆的收缩，碳化收缩若在约束条件下进行，往往引起混凝土表若在约束条件下进行，往往引起混凝土表面微裂纹，因而又加剧碳化过程。面微裂纹，因而又加剧碳化过程。n碳化使混凝土变脆，构件延性变差。所以碳化使混凝土变脆，构件延性变差。所以说，混凝土碳化与混凝土结构的耐久性密说，混凝土碳化与混凝土结构的耐久性密切相关。切相关。硫酸根离子侵蚀硫酸根离子侵蚀 混凝土在硫酸盐作用下，其损伤过程既有物理作用，又涉及化混凝土在硫酸盐作用下，其损伤过程既有物理作用，又涉及化学作用。其中，混凝土在硫酸
23、盐作用下的化学腐蚀是学术界研究的重学作用。其中，混凝土在硫酸盐作用下的化学腐蚀是学术界研究的重点。试验研究以及自然环境中的硫酸盐腐蚀介质主要是硫酸钠和硫酸点。试验研究以及自然环境中的硫酸盐腐蚀介质主要是硫酸钠和硫酸镁。混凝土在硫酸盐作用下，其破坏的形式主要有三种：镁。混凝土在硫酸盐作用下，其破坏的形式主要有三种：29(1)形成石膏并导致混凝土截面积、重量以及强度损失，混凝七结构的水形成石膏并导致混凝土截面积、重量以及强度损失，混凝七结构的水化产物逐渐减少，形成无粘聚性的颗粒状；化产物逐渐减少，形成无粘聚性的颗粒状；(2)在混凝十中富含铝相，在混凝十中富含铝相，PH值较高，硫酸盐腐蚀形成钙矾石晶
24、体从而值较高，硫酸盐腐蚀形成钙矾石晶体从而导致混凝十的膨胀和开裂；导致混凝十的膨胀和开裂；(3)粉煤灰混凝土暴露在复合硫酸盐中，混凝土连续剥落和表层脱落。粉煤灰混凝土暴露在复合硫酸盐中，混凝土连续剥落和表层脱落。30碱碱-集料反应集料反应v钠离子与活性集料易发生碱集料破坏，引起混凝钠离子与活性集料易发生碱集料破坏，引起混凝土膨胀开裂，表面渗出白色浆液。土膨胀开裂，表面渗出白色浆液。作业作业（HomeWork）n什么是什么是“失效概率失效概率”？什么是？什么是“可靠指标可靠指标”？“失失效概率效概率”与与“可靠指标可靠指标”有何联系？有何联系？n什么是结构的可靠性？什么是结构的可靠度？我国什么是结构的可靠性？什么是结构的可靠度？我国规范规范都有那些规定来保证结构的可靠性？都有那些规定来保证结构的可靠性？n什么是混凝土的什么是混凝土的“收缩收缩”和和“徐变徐变”，都有哪些影，都有哪些影响因素？响因素？31
