给排水工程结构.ppt

给水排水工程结构 绪论 以混凝土为主要材料制作的结构称为混凝士结构 它主要指素混凝土结构 钢筋混凝土结构 和预应力混凝土结构 还有型钢混凝土结构 钢管混凝土结构等 素混凝土结构是指不配置任何钢材的混凝土结构 钢筋混凝土结构是指用圆钢筋作为配筋的普通混凝土结构 0 1混凝土结构的基本概念 型钢筋混凝土结构又称为钢骨混凝土结构 它是指用型钢或用钢板焊成的钢骨架作为配筋的混凝土结构 钢管混凝土结构是指在钢管内浇捣混凝土做成的结构 本课程重点讲述钢筋混凝土结构的设计原理 包括材料性能 设计原则 各种受力构件的计算方法和结构设计构造措施 素混凝土结构 PlainConcrete 钢筋混凝土结构 ReinforcedConcrete 预应力混凝土结构 PrestressedConcrete 预应力混凝土结构是指在结构构件制作时 在其受拉部位人为地预先对混凝土施加压应力的混凝土结构 一 钢筋混凝土结构的受力特点根据素混凝土简支梁和钢筋混凝土简支梁的破坏试验 1 素混凝土简支梁的破坏试验 图0 4a为一根未配置钢筋的素混凝土简支梁 跨度4m 截面尺b h 200mm 300mm 混凝土强度等级为C20 梁的跨中作用一个集中荷载F 对其进行破坏性试验 素混凝土梁的试验结果表明 1 当荷载较小时 截面上的应变则同弹性材料的梁一样 沿截面高度呈直线分布 2 当荷载增大使截面受拉区边缘纤维拉应变达到混凝土抗拉极限应变时该处的混凝土被拉裂 裂缝沿截面高度方向迅速开展 试件随即发生断裂破坏 3 破坏的性质 破坏是突然的 没有明显的预兆 属于脆性破坏 钢筋混凝土梁的破坏试验 在梁的受拉区布置三根直径为16mm的HPB235级钢筋 记作3 16 并在受压区在布置两根为10mm的架力钢筋和适量的箍筋 再进行同样的荷载试验 图0 4b 当加载到一定阶段使截面受拉区边缘纤维拉应力达到混凝土抗拉极限强度时 混凝土虽被拉裂 但裂缝不会沿截面的高度迅速开展 试件也不会随即发生断裂破坏 混凝土开裂后 裂缝截面的混凝土拉应力由纵向受拉钢筋来承受 故荷载还可进一步增加 此时变形将相应发展 裂缝的数量和宽度也将增大 受拉钢筋抗拉强度和受压区混凝土抗压强度都被充分利用时 试件才发生破坏 破坏性质 试件破坏前 变形和裂缝都发展得很充分 呈现出明显的破坏预兆 属于塑性破坏 虽然试件中纵向受力钢筋的截面面积只占整个截面面积的1 左右 但破坏荷载却可以大大提高 归纳总结一下 在混凝土结构中配置一定型式和数量的钢筋 可以收到下列的效果 结构的承载能力有很大的提高 结构的受力性能得到显著的改善钢筋混凝土破坏前带有明显的预兆即 变形和裂缝都较明显 钢筋和混凝土是两种物理 力学性能很不相同的材料 它们可以相互结合共同工作的主要原因是 混凝土结硬后 能与钢筋牢固地粘结在一起 相互传递内力 粘结力是这两种性质不同的材料能够共同工作的基础 钢筋的线膨胀系数为1 2 10 5 1 混凝土的为1 0 10 5 1 1 5 10 5 1 二者数值相近 因此 当温度变化时 钢筋与混凝土之间不会存在较大的相对变形和温度应力而发生粘结破坏 钢筋混凝土结构的优点 钢筋混凝土结构除了比素混凝土结构具有较高的承载力和较好的受力性能以外 与其他结构相比还具有下列优点 就地取材 钢筋混凝土结构中 砂和石料所占比例很大 水泥和钢筋所占比例较小 砂和石料一般可以由建筑工地附近供应 节约钢材 钢筋混凝土结构的承载力较高 大多数情况下可用来代替钢结构 因而节约钢材 耐久 耐火 钢筋埋放在混凝土中 受混凝土保护不易发生锈蚀 因而提高了结构的耐久性 当火灾发生时 钢筋混凝土结构不会象木结构那样被燃烧 也不会象钢结构那样很快软化而破坏 可模性好 钢筋混凝土结构可以根据需要浇捣成任何形状 现浇式或装配整体式钢筋混凝土结构的整体性好 刚度大 钢筋混凝土结构的缺点 自重大 钢筋混凝土的重度约为25kN m3 比砌体和木材的重度都大 抗裂性差 混凝土的抗拉强度非常低 因此 普通钢筋混凝土结构经常带裂缝工作 尽管裂缝的存在并不一定意味着结构发生破坏 但是它影响结构的耐久性和美观 当裂缝数量较多和开展较宽时 还将给人造成不安全感 施工的周期较长 受天气的影响较大 需要较多的脚手架 模板 补强维修较难 钢筋混凝土结构的优点远远多于其缺点 因此 它已经在房屋建筑 水池等构筑物 地下结构 钢筋混凝土桩基 桥梁 城市立交桥 铁路 钢筋混凝土枕木 隧道 钢筋混凝土砌衬 水利 三峡大坝 港口 码头平台 等工程中得到广泛应用 针对其缺点人们研究出许多的有效措施 为了克服自重大的缺点 已经研究出许多高强轻质的混凝土和强度很高的钢筋 为了克服普通钢筋混凝土容易开裂的缺点 可以对它施加预应力等等 但还有许多工程实际问题等待我们的同学们去探索和研究 二 钢筋混凝土材料的发展 高强轻质 1 混凝土材料强度大幅提高到20世纪80年代初 在发达国家C60级混凝土已经普遍采用 近年来国内外采用附加减水剂的方法已制成强度为200MPa以上的混凝土 高强混凝土的出现更加扩大了混凝土结构的应用范围 为高层建筑 地下工程 压力容器 海洋工程等领域的应用创造了条件 2 轻质混凝土的研究与应用从20世纪60年代以来 轻骨料 陶粒 浮石等 混凝土和多孔 主要是加气 混凝土得到迅速发展 其重度为14 18KN m3 三 在结构形式方面的发展1 钢筋混凝土在高层建筑中的应用1976年建成的美国芝加哥水塔广场大厦达74层 高262米 朝鲜平壤的柳京大厦 105层 高305米 也是混凝土结构 美国 俄罗斯等国在建筑工程中采用的混凝土 强度已达C80 C100 美国西雅图市的TwoUnionSquare大厦 58层 60 的竖向荷载由中央四根直径为10英尺 3 05m 的钢管混凝土柱承受 钢管内填充的混凝土强度等级达C135 2 钢筋混凝土结构广泛用在桥梁 特种结构 水利工程 海洋工程 港口码头工程等 从1925年德国第一次采用折板结构大型煤仓开始 钢筋混凝土薄壁空间结构逐渐在屋盖及贮仓水塔 水池等构建物中得到广泛应用 四 混凝土结构的施工方式现浇混凝土结构 cast in Situconcretestructure 在现场支模并整体浇筑而成的混凝土结构 也叫现浇整体式混凝土结构 装配式混凝土结构 prefabricatedconcretestructure 由预制混凝土构件或部件通过焊接 螺栓连接等方式装配而成的混凝土结构 装配整体式混凝土结构 assembledmonolithicconcretestructure 由预制混凝上构件或部件通过钢筋 连接件或施加预应力加以连接并现场浇筑混凝土而形成整体的结构 0 2本课程特点及学习应注意的事项1 混凝土结构通常是由钢筋和混凝土结合而成的一种结构钢筋混凝土材料与理论力学中的刚性材料以及材料力学中理想弹性材料有很大的区别 为了对混凝土结构的受力性能与破坏特征有较好的了解 首先要求对钢筋混凝土的力学性能要很好地掌握 2 混凝土结构计算公式具有经验性 混凝土结构在裂缝出现以前的抗力行为 与理想弹性结构相近 但是在裂缝出现以后 与理想弹性材料有显著不同 混凝土结构的受力性能还与结构的受力状态 配筋方式和配筋数量等多种因素有关 难以用一中简单的数学 力学模型来描述 因此 目前主要以混凝土结构构件的试验与工程实践经验为基础进行分析 许多计算公式都带有经验性质 3 要了解和掌握国家标准关于混凝土结构设计的技术原则和经济政策工程实际情况是非常复杂的 建筑结构上的实际荷载和实际材料指标与规范规定的大小会有一定的出入 不同结构的重要性也不一样 它们对结构的安全 适用和耐久的要求不相同 混凝土结构设计规范 GB50010 2002 给水排水构筑物结构设计规范 GB50069 2002 的掌握 应用与不断探索创新的重要性 4 构造要求非常重要进行混凝土结构设计时离不开计算 但是 现行的计算方法一般只考虑荷载效应 其他影响因素 如 混凝土收缩 温度影响以及地基不均匀沉陷等 难于用计算公式来表达 因此 在学习本课程时 除了要对各种计算公式了解和掌握以外 对于各种构造措施也必须给予足够的重视 在设计混凝土结构时 除了进行各种计算之外 还必须检查各项构造要求是否得到满足 上海金茂大厦 88层 382m 竣工通车于1991年12月1日的南浦大桥 总长8346米 通航净高46米 5 5万吨巨轮可以从桥下从容而过 它是目前世界上第四大双塔双索面斜拉桥 呈 H 形的主桥塔高150米 上有邓小平同志亲笔书写的 南浦大桥 四个大字 杨浦大桥是黄浦江上的第二座大桥 是世界最大跨径双塔双索面斜拉桥 大桥以其线条流畅 动感强烈的设计造型横跨浦江 成为上海的一个门户特征 杨浦大桥于1993年10月竣工通车 她与南浦大桥遥相呼应 是内环线高架连接浦东与浦西的过江枢纽 总长为7654米 跨径为602米 主桥长1172米 犹如一道横跨浦江的彩虹 在世界同类型斜拉桥中雄居第一 第一章钢筋混凝土结构的材料性能 本章主要论述钢筋的力学性能和混凝土的力学性能 混凝土的立方体抗压强度 轴心抗压强度 轴心抗拉强度 混凝土的变形和混凝土的选用 重点讨论材料的强度 混凝土的变形 钢筋与混凝土之间的相互作用 粘结力等 它们是学习钢筋混凝土结构设计原理的基础 1 1钢筋 有屈服点的钢筋试件在试验机上进行拉伸试验得出的典型应力 应变曲线如图1 1所示 其中颈缩现象如图1 2 对于有明显屈服点的钢筋取其屈服强度作为钢筋强度的限值 强度指标 1 1 1钢筋的力学性能 一 有屈服点的钢筋 反映钢筋塑性性能的基本指标是伸长率和冷弯性能 伸长率是钢筋试件拉断后的伸长值与原长的比率 应按下式计算 钢筋的强度与变形 有明显屈服点的钢筋 ef为颈缩阶段 图1 1钢筋的应力 应变曲线 图1 2钢筋的颈缩 无明显屈服点的钢筋试件在试验机上进行拉伸试验得出的典型应力 应变曲线如图1 3所示 实际设计中通常取相应于残余应变 0 2 时的应力 0 2作为名义屈服点 即条件屈服强度 对于无明显屈服点的钢筋 由于其条件屈服点不容易测定 因此 这类钢筋的质量检验以其极限强度作为主要指标 混凝土结构设计规范 规定 条件屈服强度 0 2取极限强度 b的0 8倍 即 0 2 0 8 b 二 无屈服点的钢筋 图1 3无明显屈服点钢筋 1 钢筋的强度标准值 混凝土结构设计规范 GB50010 2002 规定 材料强度的标准值应具有不少于95 保证率 热轧钢筋的强度标准值根据屈服强度确定 用fyk表示 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 用fptk表示 普通钢筋 预应力钢筋的强度标准值见教科书 三 钢筋的强度指标 2 钢筋的强度设计值 在进行钢筋混凝土结构构件承载力设计计算时 钢筋应采用强度设计值 钢筋强度设计值等于钢筋强度标准值除以钢筋材料分项系数 s 按不同钢筋种类 分别取 s 1 10 1 20 钢筋强度的标准值和设计值见教材 一 现行规范规定的普通钢筋 普通钢筋强度标准值 N mm2 1 2混凝土 混凝土是由水泥 水 粗骨料 碎石 卵石 细骨料砂等材料按一定配合比 经混合搅拌 入模浇捣并养护硬化后形成的人工石材 影响混凝土的强度和变形的主要因素有 原材料的性能 各组成成分的比例 尤其是水灰比的大小 施工方法 搅拌程度 浇捣的密实性 对混凝土的养护方法 等 混凝土的基本强度指标有立方体抗压强度 轴心抗压强度和轴心抗拉强度三种 1 2 1混凝土的强度 强度是指结构材料所能承受的某种极限应力 混凝土的强度是靠水泥的水化 硬化获得的 水泥的水化硬化早期快 后期慢 故混凝土强度的增长也是早期快 后期慢 但到28d龄期时强度的增长就不明显而趋于稳定 因此 规范以28d龄期时混凝土的强度为基准 1 混凝土强度等级 立方体抗压强度fcu混凝土强度等级应按立方体抗压强度标准值确定 我国混凝土强度等级的确定方法是 用边长为150mm的立方体标准试件 在标准试验条件下养护28d 并用标准试验方法 C30以下的加载速度控制在0 3 0 5MPa s范围 C30以上的加载速度控制在0 5 0 8MPa s范围 两端不涂润滑剂 测得的具有95 保证率的立方体抗压强度 用符号fcuk表示 一 混凝土的抗压强度 2 轴心抗压强度fc立方体抗压强度不能代表混凝土在实际构件中的受力状态 只是作为在同一标准条件下比较混凝土强度水平和品质的标准 试验表明 用高宽比为2 3的棱柱体 150mm 150mm 300mm的标准试件测定棱柱体 测得的抗压强度与以受压为主的混凝土构件中的混凝土抗压强度基本一致 因此 棱柱体的抗压强度可以作为以受压为主的混凝土抗压强度 称为轴心抗压强度 用符号fc表示 混凝土的抗拉性能很差 混凝土的抗拉强度一般只有抗压强度的1 20 1 8 且不与抗压强度成正比 混凝土轴心抗拉强度取棱柱体 100mm 100mm 500mm 两端埋有钢筋 的抗拉极限强度为轴心抗拉强度 因该法实测数据离散性大 目前多用圆柱体或立方体试件的劈裂试验来代替 混凝土构件的开裂 变形以及受剪 受扭 受冲切等承载力均与抗拉强度有关 二 混凝土的轴心抗拉强度 1 混凝土的强度标准值 通过立方体抗压强度试验 经统计分析 并考虑结构中混凝土强度与试件强度之间的差异 混凝土结构设计规范 给出了混凝土强度标准值 详见教科书 2 混凝土的强度设计值 混凝土强度设计值为混凝土强度标准值除以混凝土的材料分项系数 c 规范规定 c 1 4 即fc fck c ft ftk c ft fc见教科书 三 混凝土的强度指标 1 2 2混凝土的变形 混凝土变形有两类 一类是荷载作用下的受力变形 包括 一次短期加荷时的变形 多次重复加荷时的变形 长期荷载作用下的变形 另一类是体积变形 包括收缩 膨胀和温度变形 1 混凝土在一次短期加荷时的应力 应变关系 混凝土在一次短期加荷时的应力 应变关系可通过对混凝土棱柱体的受压或受拉试验测定 混凝土受压时典型的应力 应变曲线如图所示 请见教科书 混凝土受拉时的应力 应变曲线的形状与受压时相似 对应于抗拉强度ft的应变 ct很小 计算时可取 ct 0 0015 一 混凝土的弹性模量 2 混凝土的弹性模量 混凝土的应力 与其弹性应变 ce之比值称为混凝土的弹性模量 用符号Ec表示 根据大量试验结果 混凝土规范采用以下公式计算混凝土的弹性模量 混凝土的剪变模量是指剪应力 和剪应变 的比值 即 混凝土的弹性模量与变形模量 混凝土受压后除产生瞬时压应变外 在维持其外力不变的条件下 即荷载长期不变 应变随时间继续增长的现象 叫做混凝土的徐变 混凝土的徐变对混凝土结构构件的受力性能有重要的影响 它将使结构构件的变形增加 轴心受压构件中钢筋的应力增加而混凝土的压应力减小的应力重分布现象产生 在预应力混凝土结构构件中引起预应力损失等 二 混凝土的徐变 影响混凝土徐变的主要因素有 1 构件中截面上的应力愈大 徐变就愈大 构件承载前 混凝土的强度越高 徐变就越小 2 配合比 水灰比越大 徐变越大 骨料的级配愈好 含量愈高 徐变愈小 3 构件浇捣愈密实 养护条件愈好 徐变愈小 反之 徐变愈大 图1 9混凝土的徐变曲线 混凝土在空气中凝结硬化时 体积减小的现象称为收缩变形 其规律见图1 10所示 收缩变形是一种非受力变形 而徐变变形只有在受力达到一定数值并且持续作用下才产生 影响混凝土收缩的主要因素有 1 水泥用量愈多 水灰比愈大 收缩愈大 2 高标号水泥制成的混凝土构件收缩大 三 混凝土的收缩变形 3 骨料级配好 含量高 骨料的弹性模量大 收缩小 4 养护条件好 使用环境湿度大 收缩小 5 混凝土密实度好 收缩小 图1 10混凝土的收缩变形 和其它许多材料一样 当温度发生变化时混凝土的体积也具有热胀冷缩的性质 混凝土结构设计规范 规定 当温度在0 到100 范围内时 混凝土线膨胀系数 c可采用1 10 5 温度变形能使混凝土开裂 在某些场合应认真对待 尤其对水池结构 大多数应通过计算考虑温度应力的影响 四 温度变形 1 2 3混凝土的选用 给水排水工程构筑物结构设计规范 GB50069 2002 规定 贮水或水处理构筑物 地下构筑物的混凝土强度等级不应低于C25 高于一般房屋建筑结构的最低要求 可以理解为水池等构筑物所处的环境类别至少是二a类 预应力混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C30 当采用钢绞线 钢丝 热处理钢筋作预应力筋时 混凝土强度等级不宜低于C40 1 3钢筋与混凝土的相互作用 粘结力 粘结力是存在于钢筋与混凝土界面上的作用力 它反映的是钢筋与混凝土交界面上沿钢筋纵向的抗剪能力 如图3 11所示 产生粘结力的主要因素是 1 混凝土收缩将钢筋紧紧握固而产生的摩擦力 2 混凝土颗粒与钢筋表面产生的化学粘合力 3 由于钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的机械咬合力 1 3 1粘结力的概念和作用 图1 11钢筋与混凝土之间的粘结 1 3 2粘结力的测定 粘结力的测定一般采用拔出试验方法 如图3 12所示 粘结强度f 可由下式计算根据拔出试验可知 1 粘结应力按曲线分布 最大粘结应力在离开端部的某一位置出现 且随拔出力的大小而变 2 钢筋埋入长度越长 拔出力越大 但埋入过长则尾部的粘结力很小 甚至为零 3 粘结强度随混凝土强度等级的提高而增大 4 变形钢筋的粘结强度比光面钢筋的大 但若在光面钢筋末端做弯钩 则拔出力大大提高 图3 12钢筋拔出试验中粘结应力分布图 规范根据拔出试验给出受拉钢筋的基本锚固长度为其中 锚固钢筋的外形系数按表1 1取值 构件中钢筋的实际锚固长度 应根据钢筋的受力情况 保护层厚度 钢筋形式等对粘结强度的影响 采用基本锚固长度乘以一定修正系数 1 3 3保证钢筋和混凝土之间粘结力的措施 一 纵向受拉钢筋的基本锚固长度 表1 1锚固钢筋的外形系数 钢筋的连接可分为两类 绑扎搭接 机械连接或焊接 规范规定 位于同一连接区段内的受拉钢筋搭接接头百分率不宜大于25 当工程中确有必要增大时 对于梁内构件也不应大于50 对板类 墙类及柱类构体 可根据实际情况放宽 纵向受拉钢筋绑扎搭接的搭接长度按下式计算 但不小于300mm l1 la纵向受拉钢筋搭接长度修正系数按表3 2采用 二 纵向受力钢筋的连接 规范规定 两搭接接头的中心距应不小于1 3l1 见图1 14 否则 则认为两搭接接头属于同一搭接范围 对于纵向受压钢筋 其搭接长度不应少于0 7l1 且不小于200mm 近年来采用机械方式进行钢筋连接的技术已很成熟 如锥螺连接 挤压连接等 在纵向受力钢筋搭接长度范围内应加密配置箍筋 见图1 15 其直径不应小于搭接钢筋较大直径的0 25倍 表1 2纵向受拉钢筋搭接长度修正系数 图1 14钢筋搭接接头的间距 图1 15受力钢筋搭接处箍筋加密 第二章结构设计基本规定 本章阐述国家标准规定的按近似概率理论的极限状态设计法 简述结构上的作用 结构的可靠性 荷载标准值 作用效应标准值 极限状态设计表达式 2 1结构上的作用直接作用 荷载间接作用 混凝土的收缩 温度变化 基础的差异沉降 地震等作用在结构上并使结构产生内力 如弯矩 剪力 轴向力 扭矩等 变形 裂缝等作用称为作用效应或荷载效应 荷载的分类按作用时间的长短和性质 荷载分为三类 1 永久荷载在结构设计使用年限内 其值不随时间而变化 或其变化与平均值相比可以忽略不计 或其变化是单调的并能趋于限值的荷载 2 可变荷载在结构设计基准期内其值随时间而变化 其变化与平均值不可忽略的荷载 3 偶然荷载在结构设计基准期内不一定出现 但一旦出现其值很大且作用时间很短的荷载 荷载的标准值1 定义将荷载视为随机变量 采用数理统计的方法加以处理而得到的具有一定概率的最大荷载值2 确定方法a 结构的自重可根据结构的设计尺寸和材料的重力密度确定 b 可变荷载常与时间有关 在缺少大量统计材料的条件下 可近似按随机变量来考虑 2 2结构的可靠性概念1 结构的安全等级 2 结构的设计使用年限结构的设计使用年限是指设计规定的结构或结构构件不需要进行大修即可按达到其预定功能的使用时期 设计年限可按 建筑结构可靠度设计统一标准 确定 也可经过主管部门的批准按业主的要求确定 一般建筑结构 包括给水排水构筑物 的设计使用年限为50年 注意 区别建筑物的设计使用年限与建筑物的使用寿命 3 结构的功能 安全性如 M Mu 结构在预定的使用期间内 一般为50年 应能承受在正常施工 正常使用情况下可能出现的各种荷载 外加变形 如超静定结构的支座不均匀沉降 约束变形 如温度和收缩变形受到约束时 等的作用 在偶然事件 如地震 爆炸 发生时和发生后 结构应能保持整体稳定性 不应发生倒塌或连续破坏而造成生命财产的严重损失 适用性如 lim 结构在正常使用期间 具有良好的工作性能 如不发生影响正常使用的过大的变形 挠度 侧移 振动 频率 振幅 或产生让使用者感到不安的过大的裂缝宽度 耐久性如 wmax wlim 结构在正常使用和正常维护条件下 应具有足够的耐久性 即在各种因素的影响下 混凝土碳化 钢筋锈蚀 结构的承载力和刚度不应随时间有过大的降低 而导致结构在其预定使用期间内丧失安全性和适用性 降低使用寿命 结构的可靠性可靠性 安全性 适用性和耐久性的总称就是指结构在规定的使用期限内 在规定的条件下 正常设计 正常施工 正常使用和维护 完成预定结构功能的能力 结构可靠性越高 建设造价投资越大 如何在结构可靠与经济之间取得均衡 就是设计方法要解决的问题 显然这种可靠与经济的均衡受到多方面的影响 如国家经济实力 设计工作寿命 维护和修复等 规范规定的设计方法 是这种均衡的最低限度 也是国家法律 设计人员可以根据具体工程的重要程度 使用环境和情况 以及业主的要求 提高设计水准 增加结构的可靠度 经济的概念不仅包括第一次建设费用 还应考虑维修 损失及修复的费用 2 3极限状态设计法 以概率理论为基础的极限状态设计法 为了科学定量的表示结构可靠性的大小 采用概率方法是比较合理的 结构的可靠概率也称为结构可靠度 更确切地说 结构在规定的时间内 规定的条件下 完成顶定功能的概率称为结构可靠度 失效概率越小 表示结构可靠性越大 当失效概率Pf小于某个值时 人们因结构失效的可能性很小而不再担心 即可认为结构设计是可靠的 一 作用效应标准值Sk 作用效应S的不确定性就主要取决于结构上作用Q的不确定性 不同的荷载 其变异情况不同 根据统计分析可以确定一个具有一定保证率 如95 的上限荷载分位值 该特征值称为荷载标准值 符号Gk Qik 按荷载标准值确定的荷载效应 称为荷载效应标准值Sk 有多个可变荷载同时作用的情况 考虑到它们同时达到标准值的可能性较小 考虑荷载组合系数y 二 结构抗力标准值Rk 作用效应设计值 s作用效应分项系数 三 作用效应设计值 结构抗力设计值 结构抗力设计值 R结构抗力分项系数 四 规范规定的设计表达式 g0 结构重要性系数 根据安全等级分别不应小于1 1 1 0 0 9 五 材料强度设计值 混凝土强度设计值 混 凝 土 强 度 等 级 强度种类 符号 C15 C20 C25 C30 C35 C40 轴心抗压强度 f c 7 2 9 6 11 9 14 3 16 7 19 1 轴心抗拉强度 f t 0 91 1 10 1 27 1 43 1 57 1 71 2 04 2 09 2 14 2 18 2 22 表 4 3 普通钢筋强度设计值 第三章水池等构筑物设计的特殊性 与一般房屋建筑结构相比 水池等构筑物结构无论从使用要求 结构型式 作用荷载及施工方法等方面 都有其特殊性 水池等构筑物钢筋混凝土结构构件的截面设计方法与建筑结构基本一致 但要认真考虑结构的耐久性 因而对钢筋和混凝土材料的性能方面有较高的要求 对钢筋的混凝土保护层厚度的取值 对抗裂 抗渗 防冻 保温及防腐蚀等也有较严格的要求 3 1水池等构筑物结构的特殊性和结构上的作用一 水池等构筑物结构的特殊性城市公用设施和工业企业中一般给水排水工程构筑物的结构设计属于土木结构工程领域的一个分支 水池等构筑物因体型特殊 荷载作用形式多样 大多是受力比较复杂的空间结构 结构构件中的内力计算不同一般 在荷载方面 一般水池等构筑物结构除可能遇到重力荷载 风荷载 雪荷载及水压力 土压力外 还常须对温差 包括湿差 作用 混凝土收缩 地基不均匀沉陷等引起的外加变形或约束变形进行慎密的考虑 还要考虑构筑物的稳定性 滑移 倾覆 上浮 问题等 在空间位置方面 贮水或水处理构筑物一般按地下式建造 由于地下水的影响 特别要重视抗裂 抗渗和抗腐蚀等问题 二 水池等构筑物结构上的作用水池等构筑物结构上的作用可分为三类 永久作用 可变作用和偶然作用 永久作用应包括 结构和永久设备的自重 土的竖向压力和侧向压力 构筑物内部的盛水压力 结构的预加应力 地基的不均匀沉降等 可变作用应包括 楼面和屋面上的活荷载 吊车荷载 雪荷载 风荷载 地表或地下水的压力 侧压力 浮托力 流水压力 融冰压力 结构构件的温 湿度变化作用等 偶然作用系指在使用期间不一定出现 但发生时其值很大且持续时间较短 例如高压容器的爆炸力等 应根据工程实际情况确定需要计入的偶然发生的作用 水池等构筑物上面有时会有动力荷载的作用 使结构或构件产生不可忽视的加速度 此时 应按动态作用考虑 一般可将动态作用简化为静态作用乘以动力系数后按静态作用计算 构筑物楼面和屋面的活荷载及其准永久值系数 对结构构件作强度计算时 极限状态计算表达式应遵照 给水排水工程构筑物结构设计规范 50069 2002 中的专门规定 这个S为作用效应的基本组合设计值 对于贮水池 水处理构筑物 地下构筑物等可不计算风荷载效应 其作用效应的基本组合设计值 应按下式计算 3 2极限状态计算规定 第i个永久作用的分项系数 当作用效应对结构不利时 对结构和设备自重应取1 2 其他永久作用应取1 27 当作用效应对结构有利时 均应取1 0 第1个和第j个可变作用的分项系数 对地表水或地下水的作用应作为第一可变作用取1 27 对其他可变作用应取1 40 可变作用的组合值系数 可取0 90计算 3 3基本构造要求一 一般规定现行规范规定 钢筋混凝土结构应注重结构的耐久性要求 结构构件的设计应根据环境类别选取相应的计算参数 贮水或水处理构筑物一般宜按地下式建造 当按地面式建造时 严寒地区宜设置保温设施 钢筋混凝土水池等构筑物 除水槽和水塔等高架贮水池外 其壁厚 底板厚度均不宜小于200mm 混凝土结构的环境类别 二 钢筋的混凝土保护层最小厚度要求按照 给水排水工程构筑物结构设计规范 GB50069 2002 的要求 水池等构筑物各部位构件内 受力钢筋的混凝土保护层最小厚度 从钢筋的外缘处起 应符合表中的规定 详见教科书 第四章受弯构件正截面受弯承载力计算 试验研究的主要结论 结构计算的基本假定 矩形 T形截面受弯承载力计算 受弯构件的基本构造 4 1受弯构件的一般构造要求 一 受弯构件的截面形状 尺寸 与构件的计算轴线相垂直的截面称为正截面 结构和构件要满足承载能力极限状态和正常使用极限状态的要求 梁 板正截面受弯承载力计算就是从满足承载能力极限状态出发的 即要求满足M Mu式中的M是受弯构件正截面的弯矩设计值 它是由结构上的作用所产生的内力设计值 Mu是受弯构件正截面受弯承载力的设计值 它是由正截面上材料所产生的抗力 1 截面形状梁 板常用矩形 T形 I字形 槽形 空心板和 形梁等对称和不对称截面 2 梁 板的截面尺寸1 矩形截面梁的高宽比h b一般取2 0 3 5 T形截面梁的h b一般取2 5 4 0 此处b为梁肋宽 矩形截面的宽度或T形截面的肋宽b一般取为100 120 150 180 200 220 250和300mm 300mm以下的级差为50mm 括号中的数值仅用于木模 2 梁的高度采用h 250 300 350 750 800 900 1000mm等尺寸 800mm以下的级差为50mm 以上的为l00mm 3 现浇板的宽度一般较大 设计时可取单位宽度 b 1000mm 进行计算 3 材料选择1 混凝土强度等级 梁 板常用的混凝土强度等级是C25 C30 C35 C40 2 钢筋强度等级及常用直径 梁中纵向受力钢筋宜采用HRB400级或RRB400级 级 和HRB335级 级 常用直径为12mm 14mm 16mm 18mm 20mm 22mm和25mm 3 梁的箍筋宜采用HPB235级 级 HRB335 级 和HRB400 级钢筋 级的钢筋 常用直径是6mm 8mm和10mm 4 板的分布钢筋 当按单向板设计时 除沿受力方向布置受力钢筋外 还应在垂直受力方向布置分布钢筋 分布钢筋宜采用HPB235级 级 和HRB335级 级 级的钢筋 常用直径是6mm和8mm 5 纵向受拉钢筋的配筋百分率设正截面上所有纵向受拉钢筋的合力点至截面受拉边缘的竖向距离为as 则合力点至截面受压区边缘的竖向距离h0 h as 这里 h是截面高度 下面将讲到对正截面受弯承载力起作用的是h0 而不是h 所以称h0为截面的有效高度 称bh0为截面的有效面积 b是截面宽度 纵向受拉钢筋的总截面面积用As表示 单位为mm2 纵向受拉钢筋总截面面积As与正截面的有效面积bh0的比值 称为纵向受拉钢筋的配筋百分率 用 表示 或简称配筋率 用百分数来计量 即 纵向受拉钢筋的配筋百分率 在一定程度上标志了正截面上纵向受拉钢筋与混凝土之间的面积比率 它是对梁的受力性能有很大影响的一个重要指标 5 混凝土保护层厚度纵向受力钢筋的外表面到截面边缘的垂直距离 称为混凝土保护层厚度 用c表示 混凝土保护层有三个作用 保护纵向钢筋不被锈蚀 在火灾等情况下 使钢筋的温度上升缓慢 使纵向钢筋与混凝土有较好的粘结 受弯构件 指截面上通常有弯矩和剪力共同作用而轴力可以忽略不计的构件 图3 1 梁和板是典型的受弯构件 它们是土木工程中数量最多 使用面最广的一类构件 肋形结构 图3 4 板不但将其上的荷载传递给梁 而且和梁一起构成 形或倒L形截面共同承受荷载 图3 4现浇梁板结构的截面形状二 受弯构件的破坏形式两种主要的破坏 正截面破坏 一种沿弯矩最大的截面破坏图3 5a 斜截面破坏 一种沿剪力最大或弯矩和剪力都较大的截面破坏图3 5b 进行受弯构件设计时 既要保证构件不得沿正截面发生破坏只要保证构件不得沿斜截面发生破坏 因此要进行正截面承载能力和斜截面承载能力的计算 As 构件的破坏特征取决于配筋率 混凝土的强度等级 截面形式等诸多因素 但是以配筋率对构件破坏特征的影响最为明显 试验表明随着配筋率改变 构件的破坏特征发生质的变化 1 少筋破坏 min 构件承载能力很低 只要其一开裂 裂缝就急速开展 裂缝截面处的拉力全部由钢筋承受 钢筋由于突然增大的应力而屈服 构件立即发生破坏 图3 7a 这种破坏具有明显的脆性性质 4 2受弯构件的破坏特征 2 适筋破坏 min max 构件的破坏首先是由于受拉区纵向受力钢筋屈服 然后受压区混凝土被压碎 钢筋和混凝土的强度都得到充分利用 这种破坏前有明显的塑性变形和裂缝预兆 破坏不是突然发生的 呈塑性性质 图3 7b 3 超筋破坏 max 构件的破坏是由于受压区的混凝土被压碎而引起 受拉区纵向受力钢筋没有达到屈服强度 而且当混凝土压碎时 破坏突然发生 钢筋的强度得不到充分利用 破坏带有脆性性质 图3 7c 界限破坏 适筋破坏的特例 当 max时 当受拉钢筋达到屈服强度的同时 受压区混凝土压碎 即当受拉钢筋达到屈服时 受压混凝土也同时达到其抗压强度 受压区混凝土边缘达到极限压应变 适筋受弯构件截面受力的三阶段 试验证明 对于配筋量适中的受弯构件 从开始加载到正截面完全破坏 截面的受力状态可以分为下面三个大的阶段第一阶段 未裂阶段 当荷载很小时 截面上应力与应变成正比 应力分布为直线 称为第 阶段 当荷载增大到某一数值时 受拉区边缘的混凝土达其实际的抗拉强度和拉极限应变值 截面处在开裂前的临界状态 这种受力状态称为第 a阶段 第二阶段 从截面开裂到受拉区纵向受力钢筋开始屈服的阶段 截面受力达 a阶段后 荷载只要稍许增加截面立即开裂 截面上应力发生重分布 裂缝处混凝土不再承受拉应力 钢筋的拉应力突然增大 受压区混凝土出现明显的塑性变形 应力图形呈曲线 荷载继续增加 裂缝进一步开展 钢筋和混凝土的应力不断增大 当荷载增加到某一数值时 受拉区纵向受力钢筋开始屈服 钢筋应力达到其屈服强度 这种特定的受力状态称为 a阶段 第三阶段 破坏阶段 受拉区纵向受力钢筋屈服后 截面的承载力无明显的增加 但塑性变形急速发展 裂缝迅速开展并向受压区延伸 受压区面积减小 受压区混凝土压应力迅速增大 这是截面受力的第 阶段 在荷载几乎保持不变的情况下 裂缝进一步急剧开展 受压区混凝土出现纵向裂缝 混凝土被完全压碎 截面发生破坏 这种特定的受力状态称为第 a阶段 a阶段是承载能力极限状态计算的依据 基本假定 1 平截面假定 截面应变保持平面 2 不考虑混凝土的抗拉强度 3 钢筋 混凝土的应力 应变关系为已知 4 纵向钢筋应力等于钢筋应变与弹性模量的乘积 其绝对值不应大于相应的设计强度 纵向受拉钢筋的极限拉应变取为0 01 截面抗裂验算是建立在第 a阶段的基础之上 构件使用阶段的变形和裂缝宽度的验算是建立在第 阶段的事础之上 而截面的承载力计算则是建立在第 a阶段的基础之上的 4 3单筋矩形截面正截面承载力计算 单筋矩形截面 在截面的受拉区配有纵向受力钢筋的矩形截面 称为单筋矩形截面 双筋矩截面 不但在截面的受拉区 而且在截面的受压区同时配有纵向受力钢筋的矩形截面 称为双筋矩形截面 需要说明的是 为了构造上的原因 例如为了形成钢筋骨架 梁的受压区通常也需要配置纵向钢筋 这种纵向钢筋称为架立钢筋 架立钢筋是根据构造要求设置 通常直径较细 根数较少 而受力钢筋则是根据受力要求按计算设置 通常直径较粗 根数较多 受压区配有架力钢筋的截面 不属于双筋截面 所谓 等效 是指这两个图形不但压应力合力的大小相等 而且合力的作用位置完全相同 按等效矩形应力图形计算的受压区高度x与按平截面假定确定的受压区高度xa之间的关系为 1 a系数 1和 1的取值见表3 2 表3 2系数 1和 1 基本公式计算法 1 令 当混凝土强度等级不大于C50时 取代入得 基本公式的适用条件 防止超筋脆性破坏 防止少筋脆性破坏 受弯构件正截面受弯承载力计算包括截面设计 截面复核两类问题 实用计算方法 计算系数法将x h0代入式中 有 单筋矩形截面受弯钢筋截面设计的步骤 关于配筋率的概念请注意 验算最大配筋率时 但在计算最小配筋率时 两种配筋率的分母不一样 注意 我国 混凝土设计规范 GB50010 2002 规定 受弯构件 偏心受拉 轴心受拉构件 其一侧纵向受拉钢筋的配筋率不应小于0 2 和45ft fy 中的较大值 详见教科书 简支梁的净跨度与计算跨度 4 4双筋矩形截面正截面承载力计算 双筋截面是指同时配置受拉和受压钢筋的情况 A s A s 受压钢筋 受拉钢筋 一般来说在正截面受弯中 采用纵向受压钢筋协助混凝土承受压力是不经济的 工程中从承载力计算角度出发通常仅在以下情况下采用 弯矩很大 按单筋矩矩形截面计算所得的 大于 b 而梁截面尺寸受到限制 混凝土强度等级又不能提高时 当不满足 注意 基本公式 令 适用条件 防止超筋脆性破坏 保证受压钢筋强度充分利用 提问 双筋截面会不会出现少筋破坏 4 5受弯构件T形截面承载力计算 受弯构件在破坏时 大部分受拉区混凝土早已退出工作 故将受拉区混凝土的一部分去掉 只要把原有的纵向受拉钢筋集中布置在梁肋中 截面的承载力计算值与原有矩形截面完全相同 受拉钢筋较多 可将截面底部宽度适当增大 形成工形截面 工形截面的受弯承载力的计算与T形截面相同 第一类T形截面 第二类T形截面 界限情况 分类 第一类T形截面计算公式与宽度等于bf 的矩形截面相同 基本公式 第二类T形截面 基本公式 基本公式的适用条件 注意 截面设计 一般截面尺寸已知 求受拉钢筋截面面积As 故可按下述两种类型进行 1 第一种类型 满足下列鉴别条件 2 第二种类型 满足下列鉴别条件 计算方法同单筋矩形截面 取 As2 验算 T形及倒L形截面受弯构件翼缘计算宽度bf 注 1 表中b为梁的腹板宽度 2 如肋形梁在梁跨内设有间距小于纵肋间距的横肋时 则可不遵守表列第三种情况的规定 3 对有加腋的T形和L形截面 当受压区加腋的高度hh hf 且加腋的宽度bh 3hh时 则其翼缘计算宽度可按表列第三种情况规定分别增加2bh 形截面 和bh 倒L形截面 独立梁受压区的翼缘板在荷载作用下经验算沿纵肋方向可能产生裂缝时 其计算宽度应取用腹板宽度 截面复核 1 第一种类型 当满足按矩形梁的计算方法求Mu 2 第二种类型 是 第五章受弯构件的斜截面承载力 受弯构件斜截面破坏的概念斜截面受剪破坏的主要影响因素斜截面受剪承载力计算公式与适用范围保证斜截面受弯承载力的构造措施 5 1受弯构件斜截面破坏的概念 在主要承受弯矩的区段内 产生正截面受弯破坏 而在剪力和弯矩共同作用的支座附近区段内 则会产生斜截面受剪破坏或斜截面受弯破坏 一 斜裂缝的形成 5 2斜裂缝 剪跨比及斜截面受剪破坏形态 二 剪跨比 剪跨比 为集中荷载到临近支座的距离a与梁截面有效高度h0的比值 某截面的广义剪跨比为该截面上弯矩M与剪力和截面有效高度乘积的比值 剪跨比反映了梁中承受集中荷载时正应力与剪应力的比值 三 斜截面受剪破坏的三种主要形态 1 无腹筋梁的斜截面受剪破坏形态 1 斜拉破坏 当剪跨比较大 3 时 或箍筋配置不足时出现 此破坏系由梁中主拉应力所致 其特点是斜裂缝一出现梁即破坏 破坏呈明显脆性 类似于正截面承载力中的少筋破坏 斜拉破坏 2 斜压破坏 当剪跨比较小 1 时 或箍筋配置过多时易出现 此破坏系由梁中主压应力所致 类似于正截面承载力中的超筋破坏 表现为混凝土压碎 也呈明显脆性 但不如斜拉破坏明显 破坏时 混凝土被腹剪斜裂缝分割成若干个斜向短柱而被压坏 破坏是突然发生 斜压破坏 3 剪压破坏 当剪跨比一般 1 3 时 箍筋配置适中时出现 此破坏系由梁中剪压区压应力和剪应力联合作用所致 类似于正截面承载力中的适筋破坏 也属脆性破坏 但脆性不如前两种破坏明显 剪压破坏 5 3斜截面受剪破坏的主要影响因素 一 剪跨比对斜截面受剪承载力的影响试验表明 剪跨比越大 有腹筋梁的抗剪承载力越低 如图所示 对无腹筋梁来说 剪跨比越大 抗剪承载力也越低 但当 3 剪跨比的影响不再明显 二 配筋率和箍筋强度对斜截面受剪承载力的影响有腹筋梁出现斜裂缝后 箍筋不仅直接承受相当部分的剪力 而且有效地抑制斜裂缝的开展和延伸 对提高剪压区混凝土的抗剪能力和纵向钢筋的销栓作用有着积极的影响 试验表明 在配箍最适当的范围内 梁的受剪承载力随配箍量的增多 箍筋强度的提高而有较大幅度的增长 配箍量一般用配箍率 又称箍筋配筋率 sv表示 即 三 截面尺寸和截面形状对斜截面受剪承载力的影响1 截面尺寸的影响截面尺寸对无腹筋梁的受剪承载力有影响 尺寸大的构件 破坏时的平均剪应力 V bh0 比尺寸小的构件要降低 有试验表明 在其他参数 混凝土强度 纵筋配筋率 剪跨比 保持不变时 梁高扩大4倍 受剪承载力可下降25 30 对于有腹筋梁 截面尺寸的影响将减小 2 截面形状的影响这主要是指T形截面梁 其翼缘大小对受剪承载力有一定影响 适当增加翼缘宽度 可提高受剪承载力25 但翼缘过大 增大作用就趋于平缓 另外 梁宽增厚也可提高受剪承载力 5 4斜截面受剪承载力的计算公式与适用范围 一 假定梁的斜截面受剪承载力Vu由斜裂缝上剪压区混凝土的抗剪能力Vc 与斜裂缝相交的箍筋的抗剪能力Vsv和与斜裂缝相交的弯起钢筋的抗剪能力Vsb三部分所组成 由平衡条件 Y 0可得 Vu Vc Vsv Vsb 二 斜截面受剪承载力的计算公式 1 均布荷载作用下矩形 T形和I形截面的简支梁 当仅配箍筋时 2 对集中荷载作用为主 集中荷载作用为主是指集中荷载产生的剪力值占所有荷载作用产生的总剪力值75 以上 的矩形 T形和I形截面独立简支梁当仅配箍筋时 斜截面受剪承载力的计算公式 P74 3 配有箍筋和弯起钢筋时梁的斜截面受剪承载力为 4 不配置箍筋和弯起钢筋的一般板类受弯构件 截面高度影响系数 当h0小于800mm时 取h0等于800mm 当h0大于2000mm时 取h0等于2000mm P74 三 计算公式的适用范围 1 上限值 最小截面尺寸 当 4 0时 属于一般的梁 应满足 当 6 0时 属于薄腹梁 应满足 当4 0 6 0时 属于薄腹梁 应满足 2 下限值 箍筋最小含量 为了避免发生斜拉破坏 规范 规定 箍筋最小配筋率为 注意 也可以查教科书中的表5 1 5 5斜截面受剪承载力计算方法和步骤 一 计算截面的位置 下列各个斜截面都应分别计算受剪承载力 1 支座边缘的斜截面 见下图的截面1 1 2 箍筋直径或间距改变处的斜截面 见下图的截面4 4 3 弯起钢筋弯起点处的斜截面 见下图截面2 2 3 3 二 斜截面受剪承载力计算步骤 1 求内力 绘制剪力图 2 验算是否满足截面限制条件 如不满足 则应加大截面尺寸或提高混凝土的强度等级 3 验算是否需要按计算配置腹筋 4 计算腹筋 1 仅配置箍筋 可按下式计算 对集中荷载作用下的独立梁 2 同时配置箍筋和弯起钢筋的梁 可以根据经验和构造要求配置箍筋确定Vcs 然后按下式计算弯起钢筋的面积 也可以根据受弯承载力的要求 先选定弯起钢筋再按下式计算所需箍筋 然后验算弯起点的位置是否满足斜截面承载力的要求 5 6保证斜截面受弯承载力的构造措施 一 抵抗弯矩图的概念 抵抗弯矩图也叫材料图 它是考虑梁中纵向受拉钢筋弯起 截断的时候 其弯起点和截断点要满足斜截面受弯承载力的要求 通过做抵抗弯矩图来保证斜截面的受弯承载力 这是钢筋混凝土结构构件设计中非常重要的一项结构构造措施 二 保证斜截面受弯承载力的构造要求1 纵向钢筋的弯起 对梁纵向钢筋的弯起必须满足三个要求 满足斜截面受剪承载力的要求 满足正截面受弯承载力的要求 满足斜截面受弯承载力的要求 弯起钢筋 其弯起点与充分利用点之间的距离应大于或等于0 5h0 同时 弯起钢筋与梁纵轴线的交点应位于按计算不需要该钢筋的截面以外 2 纵向钢筋的截断 在设计时 为了避免发生斜截面受弯破坏 使每一根纵向受力钢筋在结构中发挥其承载力的作用 应从其 强度充分利用截面 外伸一定的长度ldl 依靠这段长度与混凝土的粘结锚固作用维持钢筋以足够的抗力 从按正截面承载力计算 不需要该钢筋的截面 也须外伸一定的长度ld2 作为受力钢筋应有的构造措施 在结构设计中 应从上述两个条件中取较长者 注意 弯矩包罗图 3 纵向钢筋在支座处的锚固支座附近的剪力较大 在出现斜裂缝后由于与斜裂缝相交的纵筋应力会突然增大 若纵筋伸入支座的锚固长度不够 将使纵筋滑移 甚至被从混凝土中拔出引起锚固破坏 为了防止这种破坏纵向钢筋伸入支座的长度和数量应该满足下列要求 伸人梁支座的纵向受力钢筋根数当梁宽 150mm时 不应少于2根 当梁宽 150mm时可为1根 简支梁简支梁下部纵筋伸入支座的锚固长度las应满足表4 5的规定 4 弯起钢筋的锚固弯起钢筋的弯终点外应用有锚固长度 其长度在受拉区不应小于20