钢筋砼结构构件设计.ppt

第四章 钢筋砼结构构件设计钢筋砼结构构件设计第一节第一节 概述概述v一、结构定义：用一定数量的建筑材料一、结构定义：用一定数量的建筑材料建造成具有足够抵抗能力的空间骨架建造成具有足够抵抗能力的空间骨架v四个方面问题：四个方面问题：v 要抵抗各种作用力要抵抗各种作用力v 由一定的建筑材料组成由一定的建筑材料组成v 具备足够的抵抗能力具备足够的抵抗能力v 形成为使用服务的空间形成为使用服务的空间二、钢筋混凝土结构的概念及特点v（一）、概念v1、定义：由钢筋和砼两种性质不同的材料所组成的一种组合体v钢筋：抗拉、压强度都很高，单独压易失稳，易腐蚀，造价高v砼：抗压强度高，抗拉强度低，不易受拉、弯，造价低2、例v素混凝土：承载力低，P=13.4kN，断裂破坏，突然无预兆v配两根φ20钢筋：承载力高，P=87kN，砼先裂，不开展，p加大，塑性破坏，有预兆，两种强度得到充分应用v结论：加筋后，（1）承载力得到很大提高，（2）受力性能显著改善实验3、共同工作基础v（1）粘结力—相互作用—协调变形—共同受力v（ 2） 温 度 线 膨 胀 系 数 接 近 ， 钢 ：1.2×10-5，砼：(1.0～1.5) 10-5。

v（3） 保护层作用：耐火、耐久性好（二）、特点1、优点：v（1）合理利用材料—强度高，刚度大v（2）耐火性、耐久性好—维护费用低v（3）可模性好—造型灵活v（4）整体性好—抗震、防振、防辐射性好v（5）就地取材，节约钢材—造价低2、缺点v（1）自重大—高强轻质 v（2）抗裂性差—预应力砼v（3）施工比较复杂—预制装配式构件，标准化v（4）补强修复困难—结构胶，新材料第二节 钢筋砼材料的力学性能v一、混凝土（混凝土（砼）v1、砼组成材料v石子：粗骨料，起骨架作用；v砂：细骨料，起骨架作用；v水泥：胶结材料，起胶结作用；v水：和水泥一起组成水泥浆；v外加剂：如减水剂，早强剂等2、、砼构成原理构成原理v在凝结硬化前，砂填充石子之间的空缝，组成骨架水和水泥组成水泥浆，填补砂的空缝，并且包裹在石子和砂的周围v硬化后，由于水泥的物理化学作用，将砂石紧紧地粘结在一起，形成坚硬的建筑材料，故名人工石3、、砼的强度的强度等级v混凝土结构中，主要是利用它的抗压强度v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3、、砼的强度的强度等级v砼立方体抗压强度fcu,k ：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fcu,k 。

v用符号C表示，C30表示fcu,k=30N/mm2 3、、砼的强度的强度等级v《规范》根据强度范围，从C15~C80共划分为14个强度等级，级差为5N/mm2vC15、C20、C25、C30、C35、C40、 C45、 C50、 C55、 C60、C65、C70、C75、C80共分为十四个等级，是以立方体强度来标定 4、、砼轴心抗压强度轴心抗压强度v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棱柱体试件高宽比一般为h/b=3~4，我国通常取150mm×150mm×450mm的棱柱体试件，也常用100×100×300试件v对于同一混凝土，棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度4、、砼轴心抗压强度轴心抗压强度v轴心抗压强度轴心抗压强度和立方体抗压强度的换算关系为v《规范》对小于C50级的混凝土取k=0.76，对C80取k=0.82，其间按线性插值5、、砼轴心抗拉强度轴心抗拉强度v也是其基本力学性能，用符号 ft 表示v混凝土构件开裂、裂缝、变形，以及受剪、受扭、受冲切等的承载力均与抗拉强度有关5、、砼轴心抗拉强度轴心抗拉强度6、、砼破坏机理砼破坏机理02468102030s(MPa)e ×10-3BCEDA点以前，微裂缝没有明点以前，微裂缝没有明显发展，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-应应变关系近似直线。

变关系近似直线A点应点应力随混凝土强度的提高力随混凝土强度的提高而增加，对普通强度混而增加，对普通强度混凝土凝土s sA约为约为 (0.3~0.4)fc ，对高强混凝土，对高强混凝土s sA可达可达(0.5~0.7)fcA7、、砼的变形砼的变形v应力-应变关系二、钢二、钢 筋筋 v1、钢筋的品种：v（1）热轧钢筋 ：HPB235级、HRB335级、HRB400级、RRB400级v屈服强度标准值fyk（保证率97.73%）（1）热轧钢筋vHPB235级： fyk = 235 N/mm2vHRB335级： fyk = 335 N/mm2vHRB400级、RRB400级： fyk = 400 N/mm2vHPB235级(Ⅰ级)钢筋多为光面钢筋，多作为现浇楼板的受力钢筋和箍筋（1）热轧钢筋vHRB335级(Ⅱ级)和 HRB400级(Ⅲ级)钢筋强度较高，多作为钢筋混凝土构件的受力钢筋v尺寸较大的构件，也有用Ⅱ级钢筋作箍筋的为增强与混凝土的粘结，外形制作成月牙肋或等高肋的变形钢筋（2）钢丝v中强钢丝的强度为800~1200MPa，高强钢丝、钢绞线的为 1470 ~1860MPav钢丝的直径3~9mm。

v外形有光面、刻痕和螺旋肋三种v中高强钢丝和钢绞线均用于预应力混凝土结构（3）冷加工钢筋v是由热轧钢筋和盘条经冷拉、冷拔、冷轧、冷扭加工后而成v冷加工的目的是为了提高钢筋的强度，节约钢材v但经冷加工后，钢筋的延伸率降低（4）热处理钢筋v是将Ⅳ级钢筋通过加热、淬火和回火等调质工艺处理，使强度得到较大幅度的提高，而延伸率降低不多v用于预应力混凝土结构2、钢筋的应力-应变关系 v(1)有明显屈服点的钢筋s se ea’acdefufyfba’为比例极限s =Esea为弹性极限de为强化段b为屈服上限c为屈服下限 即屈服强度 fycd为屈服台阶e为极限抗拉强度 fu (1)有明显屈服点的钢筋v屈服强度：是钢筋强度的设计依据v因为钢筋屈服后将产生很大的塑性变形，且卸载时这部分变形不可恢复，这会使钢筋混凝土构件产生很大的变形和不可闭合的裂缝屈服上限与加载速度有关，不太稳定，一般取屈服下限作为屈服强度(1)有明显屈服点的钢筋v延伸率：钢筋拉断时的应变，是反映钢筋塑性性能的指标延伸率大的钢筋，在拉断前有足够预兆，延性较好v屈强比：反映钢筋的强度储备，fy/fu=0.6~0.7(1)有明显屈服点的钢筋(2)无明显屈服点的钢筋va点：比例极限，约为点：比例极限，约为0.65fu。

va点前：应力点前：应力-应变关系为线弹性应变关系为线弹性va点后：应力点后：应力-应变关系为非线性，应变关系为非线性，有一定塑性变形，且没有明显的有一定塑性变形，且没有明显的屈服点屈服点v强度设计指标强度设计指标—条件屈服点条件屈服点残余应变为残余应变为0.2%所对应的应力所对应的应力《规范》取《规范》取s s0.2 =0.85 fu3、钢筋的强度标准值v钢筋的强度标准值是取其出厂时的废品钢筋的强度标准值是取其出厂时的废品限值，具有限值，具有97.73%的保证率，满足《建的保证率，满足《建筑结构设计统一标准》材料强度标准值筑结构设计统一标准》材料强度标准值保证率保证率95%的要求第三节 受弯构件正截面受弯承载力v一、概述一、概述v结构中常用的梁、板是典型的受弯构件结构中常用的梁、板是典型的受弯构件v 梁的截面形式常见的有矩形、梁的截面形式常见的有矩形、T形、工形、工形、箱形、形、箱形、Π形形v 现浇单向板为矩形截面，高度现浇单向板为矩形截面，高度h取板厚，取板厚，宽度宽度b取单位宽度（取单位宽度（b=1000mm）；预制）；预制板常见的有空心板、槽型板等板常见的有空心板、槽型板等。

1、梁的构造要求：v d=10~32mm(常用常用)h0=h-as单排单排 a= 35mm双排双排 a= 55~60mmv钢筋的混凝土保护层厚度一般不小于25mm；v梁底部钢筋的净距不小于25mm及钢筋直径d，梁上部钢筋的净距不小于30mm及1.5d；v梁底部纵向受力钢筋一般不少于2根，直径常用10~32钢筋数量较多时，可多排配置，也可以采用并筋配置方式；1、梁的构造要求：v d=10~32mm(常用常用)h0=h-as单排单排 a= 35mm双排双排 a= 55~60mmv梁上部无受压钢筋时，需配置2根架立筋，以便与箍筋和梁底部纵筋形成钢筋骨架，直径一般不小于10mm；v梁高度h>450mm时，要求在梁两侧沿高度每隔300~400设置一根纵向构造钢筋，以减小梁腹部的裂缝宽度，直径≥10mm；1、梁的构造要求：v d=10~32mm(常用常用)h0=h-as单排单排 a= 35mm双排双排 a= 55~60mmv矩形截面梁高宽比h/b=2.0~3.0 T形截面梁高宽比h/b=2.5~4.0v为统一模板尺寸、便于施工，通常采用：v梁宽度b=120、150、180、200、250、300、350、…(mm)，v梁高度h=250、300、……、750、800、900、…(mm)。

2、板的构造要求v混凝土保护层厚度一般≮15mm和钢筋直径d；v钢筋直径通常为6~12mm，Ⅰ级钢筋；v板厚度较大时，钢筋直径可用14~18mm，Ⅱ级钢筋；≤200≥70C≥15, d分布筋h0h0 = h -202、板的构造要求v受力钢筋间距一般在70~200mm之间；v垂直于受力钢筋的方向应布置分布钢筋，以便将荷载均匀地传递给受力钢筋，并便于在施工中固定受力钢筋的位置，同时也可抵抗温度和收缩等产生的应力≤200≥70C≥15, d分布筋h0h0 = h -20二、梁的受弯性能habAsh0xnecesfv1、弹性受力阶段(Ⅰ阶段)2、带裂缝工作阶段2、带裂缝工作阶段3、屈服阶段（Ⅲ阶段）3、屈服阶段（Ⅲ阶段）vⅢa状态v表明梁达到极限承载力因此该应变值的计算极限弯矩Mu的标志Ⅰa状态：计算状态：计算Mcr的依据的依据Ⅰa状态：计算状态：计算Mcr的依据的依据Ⅱ阶段：计算裂缝、刚度的依据阶段：计算裂缝、刚度的依据Ⅰa状态：计算状态：计算Mcr的依据的依据Ⅱ阶段：计算裂缝、刚度的依据阶段：计算裂缝、刚度的依据Ⅱa状态：计算状态：计算My的依据的依据Ⅰa状态：计算状态：计算Mcr的依据的依据Ⅱ阶段：计算裂缝、刚度的依据阶段：计算裂缝、刚度的依据Ⅱa状态：计算状态：计算My的依据的依据Ⅲa状态：计算状态：计算Mu的依据的依据适筋梁的破坏特征：v受拉钢筋先屈服，然后受压区混凝土压坏，中间有一个较长的破坏过程，有明显预兆，“塑性破坏”，破坏前可吸收较大的应变能。

v界限配筋率r rb 超筋梁v钢筋受拉强度未得到充分发挥，破坏又没有明显的预兆，v因此，在工程中应避免采用MyMu0 fMMuMyMy= Mu最小配筋率最小配筋率r rminv当配筋率小于一定值时，钢筋就会在梁开裂瞬间达到屈服强度，此时的配筋率v这种破坏取决于混凝土的抗拉强度，混凝土的受压强度未得到充分发挥，极限弯矩很小三、正截面受弯承载力计算v1、基本假定 v(1) 截面应变保持平面；v(2) 不考虑混凝土的抗拉强度；v(3) 混凝土的受压应力-应变关系；1、基本假定v(4) 钢筋的应力-应变关系，受拉钢筋的极限拉应变取0.012、等效矩形应力图3、基本方程对于适筋梁，对于适筋梁，受拉钢筋应力受拉钢筋应力 = =f fy y砼及钢筋的强度设计值（表8-1）α─砼受压区等效矩形应力图系数，当≤C50时， α=1.04、最小配筋率的规定(防止少筋脆性破坏)v同时不应小于0.2%v对于现浇板和基础底板沿每个方向受拉钢筋的最小配筋率不应小于0.15%5、防止超筋脆性破坏v相对受压区高度ζ不仅反映了钢筋与混凝土的面积比（配筋率ρ），也反映了钢筋与混凝土的材料强度比，是反映构件中两种材料配比本质的参数。

表8-2四、单筋矩形截面受弯构件正截面承载力计算v1、截面设计v已知：弯矩设计值Mv求：截面尺寸b，h(h0)、截面配筋As以及材料强度fy、fcv未知数：受压区高度x、 b，h(h0)、As、fy、fc1、截面设计v（1）材料选用：v现浇梁板：常用C15~C25级混凝土v预制梁板：常用C20~C30级混凝土v梁常用Ⅱ~Ⅲ级钢筋，板常用Ⅰ~Ⅱ级钢筋（2）截面尺寸确定v 截面应具有一定刚度，满足正常使用阶段的验算能满足挠度变形的要求v根据工程经验，一般常按高跨比h/L来估计截面高度v 简支梁可取h=(1/10 ~ 1/16)L，b=(1/2~1/3)h 估计v 简支板可取h = (1/30 ~ 1/35)L (3)计算公式v令v （适筋）v将x值代入得2、截面复核v已知：截面尺寸b，h(h0)、截面配筋As，以及材料强度fy、fcv求：v 受压区高度x和受弯承载力Muv 截面的受弯承载力 Mu≥M2、截面复核v基本公式： (防超筋)v若 令例8-1v已知矩形梁截面尺寸b×h＝250×500mm；环境类别为一级，弯矩设计值为M＝150kN·m，混凝土强度等级为C30，钢筋采用HRB335级钢筋，即Ⅱ级钢筋。

v求：所需的受拉钢筋截面面积v解：环境类别为一级，C30时梁的混凝土保护层最小厚度为 25mmv由混凝土和钢筋等级，查(表8-1)得v fc=14.3N/mm2；ft=1.43N/mm2v fy=300N/mm2v由(表8-2)知：ζb＝0.55v α=1.0v可以(表8-4)例8-2v已知：一单跨简支板，计算跨度L=2.34m，承受均布荷载qk=3kN/rn2(不包括板的自重)，(图8-5)混凝土等级C30；钢筋等级采用HPB235钢筋，即1级钢筋可变荷载分项系数γq=1.4，永久荷载分项系数γG=1.2，环境类别为一级，钢筋混凝土重度为25kN/m3v求：板厚及受拉钢筋截面面积As（表8-1）（表8-2）v可以v（表8-3） (图8-6）例4-3v已知：粱的截面尺寸为b×h＝250×450mm； 受拉钢筋为4根直径为16mm的HRB335钢筋，即Ⅱ级钢筋；混凝土强度等级为C40；承受的弯矩M＝89kN·m环境类别为一类v求：验算此梁截面是否安全解：vC40混凝土，HRB335钢筋，查(表8-1)得：fc＝19.1N/mm2，ft＝1.71N/mm2，fy＝300N/mm2。

v查(表8-2)得ζb=0.55v4根16mm钢筋，查(表8-4)得As=804mm2；v环境类别为一类的混凝土保护层最小厚度为25mm，故设a＝35mm，H0＝450-35＝415mm第四节 受弯构件斜截面承载力斜裂缝的形成及配筋斜裂缝的形成及配筋③①②①②③斜裂缝的形成及配筋箍筋弯起钢筋腹筋v梁板配筋实例详图（8-8）v楼梯配筋实例详图（8-9）第五节 受压构件v一、概述v1、受压构件的分类(1)轴心受压构件：轴向力作用于截面形心；(2)偏心受压构件2．箍筋螺旋钢箍柱螺旋钢箍柱：箍筋：箍筋的形状为圆形，且的形状为圆形，且间距较密间距较密3、柱子最小截面尺寸v地震区为300×300MM或D≥350mm；常用轴压比来确定柱截面尺寸N/ (Afc)v如：七度设防时， N/ (Afc)≤0.9v则A ≥ N/(0.9fc) (三、四级框架)v简化计算：N=受压范围×每平方米10~13KN进行计算二二 、普通箍轴心受压构件的承、普通箍轴心受压构件的承载力计算载力计算v1、计算公式vN—轴向力设计值；v　—钢筋混凝土受压构件的稳定系数 (表8-7)；vfc—混凝土轴心抗压强度设计值(表8-1)；1、计算公式vfy’ —钢筋抗压强度设计值(表8-1)；vA—构件截面面积；vAs’—全部受压纵筋截面面积；v0.9—保持与偏心受压构件正截面承载力计算具有相近的可靠度而加的系数。

2、构造要求、构造要求v(1)材料强度要求材料强度要求v由于砼强度等级对柱的截面承载力影响较大，为减少柱截面尺寸和节约钢材，要求砼C20，钢材不宜大于Ⅱ级v(2)截面尺寸及形式截面尺寸及形式v一般作成方形或矩形，只有在特殊要求时用圆形或多边形；截面尺寸L0/b30，L0/h25(3)纵筋的要求纵筋的要求v不小于414钢筋在截面内均匀布置v纵筋净距不小于50mm，纵筋之间中心距不大于350mmvmax不大于5%，一般要求=0.5~2%；v全部纵筋min不小于0.6%，一侧纵筋min不小于0.2%v砼保护层取25(4)箍筋的要求箍筋的要求v宜做成封闭式，绑扎间距不大于15d(d为纵筋最小直径)，焊接骨架时不大于20d，且不宜大于400mm，也不得大于构件 的短边尺寸；v当采用热扎钢筋时，其直径不小于d/4 (d为纵筋最小直径)且不小于6mm；当采用冷拔低碳钢丝时，不应小于d/5，且不小于5mm(例8-4)v已知：某四层四跨现浇框架结构的底层内柱，轴向力设计值N＝1400kN，H＝3.9m，混凝土强度等级为C20，钢筋用HRB400级v求：柱截面积尺寸及纵筋面积解：v根据构造要求，先假定柱截面尺寸为350mm×350mmv按《混凝土设计规范》规定l0＝H＝3.9mvl0 /b＝3900／350＝11.14，　　 查(表8-7)得　　＝0.967v由C20砼，HRB400级钢筋，查(表8-1)得fy’=360N/mm2；fc=9.6N/mm2v求As’三、配有螺旋箍筋柱的三、配有螺旋箍筋柱的承载力计算承载力计算。