第二讲--建筑结构设计方法及钢筋混凝材料力学性能(再版)

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1、本本 讲讲 内内 容容1 建筑结构设计方法建筑结构设计方法2 钢筋混凝土材料力学性能钢筋混凝土材料力学性能1 建筑结构设计方法建筑结构设计方法回想一下：回想一下： 结构有哪几项功能要求？结构有哪几项功能要求？ 结构极限状态的定义？结构极限状态的定义？ 结构的可靠性和可靠度分别是指？结构的可靠性和可靠度分别是指？1.1 结构的功能及其极限状态结构的功能及其极限状态 结构设计的目的是要使所设计的结构在规定的设计使用年限内能经济的完成预期的全部功能要求。建筑结构在规定的设计使用年限内应满足安全性、适用性和耐久性三项功能要求。安全性指结构在正常施工和正常使用的条件下，能承受可能出现的各种作用；在设计规

2、定的偶然事件（如强烈地震、爆炸、车辆撞击等）发生时和发生后，仍能保持必需的整体稳定性，即结构仅产生局部的损坏而不致发生连续倒塌。（1）结构的功能要求适用性指结构在正常使用时具有良好的工作性能。例如，不会出现影响正常使用的过大变形或振动，不会产生使使用者感到不安的裂缝宽度等。耐久性指在正常维护条件下结构能够正常使用到规定的设计使用年限。例如，结构材料不致出现影响功能的损坏，钢筋混凝土构件的钢筋不致因保护层过薄或裂缝过宽而锈蚀等。 所谓结构的极限状态，是指结构或构件满足结构安全性、适用性、耐久性三项功能中某一功能要求的临界状态。超过这一界限，结构或其构件就不能满足设计规定的该功能要求，而进入失效状

3、态。（2） 结构功能的极限状态结构功能的极限状态承载能力极限状态这种极限状态对应于结构或结构构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形。当结构或结构构件出现下列状态之一时，即认为超过了承载能力极限状态：结构构件或连接因材料强度不够而破坏；整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆等）；结构转变为机动体系；结构或结构构件丧失稳定（柱子被压曲等）。正常使用极限状态正常使用极限状态对应于结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值，超过这一状态便不能满足适用性或耐久性的功能。当结构或结构构件出现下列状态之一时，即认为超过了正常使用极限状态：影响正常使用或外观的变形；影响正常使用或耐久性能的

4、局部损坏（包括裂缝）；影响正常使用的振动；影响正常使用的其他特定状态等。作用效应是指结构上的各种作用，在结构内产生的内力（轴力、弯矩、剪力、扭矩等）和变形（如挠度、转角、裂缝等）的总称，用S表示。由直接作用产生的效应，通常称为荷载效应。结构抗力是结构或构件承受作用效应的能力，如构件的承载力、刚度、抗裂度等，用R表示。结构抗力是结构内部固有的，其大小主要取决于材料性能、构件几何参数及计算模式的精确性等。1.2 结构的功能函数结构的功能函数结构的工作性能可用结构功能函数Z来描述。为简化起见，仅以荷载效应S和结构抗力R两个基本变量来表达结构的功能函数，则有： Z=g(S,R)=R-S实际工程中，可能

5、出现以下三种情况： 当0时，结构处于可靠状态； 当0时，结构处于失效状态； 当0时，结构处于极限状态。关系式（S，R）RS0称为极限状态方程。结构构件的承载力设计应采用下列极限状态设计表达式： SR 由可变荷载效应控制的组合：1.3 概率极限状态设计法的实用表达式概率极限状态设计法的实用表达式（1） 按承载能力极限状态设计的实用表达式按承载能力极限状态设计的实用表达式n0GGkQ1Q1kQiciQiki=2S=(S+S+S) 由永久荷载效应控制的组合：n0GGkQiciQiki=2S=(S+S) 以上各式中，GSk和QSk分别称为恒荷载效应设计值和活荷载效应设计值。相应地，Gk和Qk分别称为恒

6、荷载设计值和活荷载设计值，它们是荷载分项系数与荷载代表值的乘积。【例1】某办公楼钢筋混凝土矩形截面简支梁，安全等级为二级，截面尺寸bh = 200mm400mm，计算跨度l0=5m。承受均布线荷载：活荷载标准值7kN/m，恒荷载标准值10kN/m（不包括自重）。求跨中最大弯矩设计值。【解】活荷载组合值系数c=0.7，结构重要性系数0=1.0。钢筋混凝土的重度标准值为25kN/m3，故梁自重标准值为250.20.4=2kN/m。总恒荷载标准值gk=10+2=12kN/m Mgk=1/8gkl02=37.5kNmMqk=1/8qkl02=21.875kNm由恒载弯矩控制的跨中弯矩设计值为： 0(G

7、Mgk+cQMqk)= 72.063kNm由活载弯矩控制的跨中弯矩设计值为： 0(GMgk+QMqk)= 75.625kNm取较大值得跨中弯矩设计值M=75.625kNm。对于正常使用极限状态，应根据不同的设计要求，采用荷载效应的标准组合、频遇组合或准永久组合，按下列设计表达式进行设计： SdC 混凝土结构的正常使用极限状态主要是验算构件的变形、抗裂度或裂缝宽度，使其不超过相应的规定限值。砌体结构的正常使用极限状态要求，一般情况下可由相应的构造措施保证。（2） 按正常使用极限状态设计的实用表达式按正常使用极限状态设计的实用表达式（1 ）混凝土的抗压强度）混凝土的抗压强度 我国混凝土结构设计规范

8、规定以边长为边长为150mm的的立方体立方体为标准试件，标准立方体试件在(203)的温度和相对湿度90%以上的潮湿空气中养护28d，按照标准试验方法测得的抗压强度作为混凝土的立方体抗压强度立方体抗压强度，用fcu,k表示 ，单位为“N/mm2”。 用上述标准试验方法测得的具有95%保证率的立方体抗压强度作为混凝土的强度等级。混凝土结构设计规范规定的混凝土强度等级有C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75和C80，共14个等级。例如，C30表示立方体抗压强度标准值为30N/mm2。其中，C50C80属高强度混凝土范畴。2.1 混凝土的

9、物理力学性能混凝土的物理力学性能2 钢筋混凝土材料力学性能钢筋混凝土材料力学性能 混凝土立方体试块的破坏情况(a)不涂润滑剂(标准试验方法）；(b) 涂润滑剂(2) 混凝土的轴心抗压强度 混凝土的抗压强度与试件的形状有关,采用棱柱体比采用棱柱体比立方体能更好地反映混凝土结构的实际抗压能力立方体能更好地反映混凝土结构的实际抗压能力。用混凝土棱柱体试件测得的抗压强度称为轴心抗压强度。 混凝土棱柱体抗压试验和破坏情况（不涂润滑剂） 我国以以150mm150mm300mm的棱柱体作为混凝土的棱柱体作为混凝土轴心抗压强度试验的标准试件轴心抗压强度试验的标准试件。 混凝土结构设计规范规定以上述棱柱体试件试