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混凝土結構和高層結構基礎知識

發布時間:2019-02-23 14:35  
建筑結構基礎知識一、總 則(一)我國結構設計方法的演變過程1. 建國初期:容許應力法 。2. 五、六十年代:三系數極限狀態設計法 。三系數:工作條件系數,荷載系數,材料勻質系數3. 七
建筑結構基礎知識一、總   則(一)我國結構設計方法的演變過程1. 建國初期:容許應力法 。2. 五、六十年代:三系數極限狀態設計法 。三系數:工作條件系數,荷載系數,材料勻質系數3. 七十年代:單系數極限狀態設計法。 單系數:安全系數受彎:K=1.4; 受剪:K=1.55?!?

建筑結構基礎知識

一、總   則
(一)我國結構設計方法的演變過程

1. 建國初期:容許應力法 。

2. 五、六十年代:三系數極限狀態設計法 。三系數:工作條件系數,荷載系數,材料勻質系數

3. 七十年代:單系數極限狀態設計法。 單系數:安全系數

受彎:K=1.4; 受剪:K=1.55。

4. 八十年代:概率極限狀態法 。概率極限狀態法:以可靠度理論為基礎,用多個分項系數表達的設計方法。 多個分項系數:結構構件重要性系數,荷載分項系數,材料分項系數等。

5. 21世紀初:概率極限狀態法。

設計理論與方法上無大的變化,但可靠度有較大的提高,用鋼量增加10%,造價增加5%左右。 概率極限狀態法屬近似概率法,將來還要向全概率法發展。保證建筑結構的可靠性,采用基于概率、基于性能的設計方法,這是今后發展的方向。解放50多年來,我國結構設計方法的發展過程為:

(二)結構極限狀態設計方法

1、極限狀態的定義

     整個結構或結構的一部分超過某一特定狀態就不能滿足設計規定的某一功能要求,此特定狀態稱

為該功能的極限狀態。結構的功能要求即是結構的可靠性要求。結構的可靠性是結構安全性、適用性、耐久性的總稱。

2、結構極限狀態的分類

(1)承載能力極限狀態:破壞、倒塌、失穩。

(2)正常使用極限狀態:變形、裂縫、耐久。

3、  承載力極限狀態計算

4、正常使用極限狀態計算(變形、裂縫)

式中   S  ——    計算變形、裂縫時的菏載效應組合值;

        C  —— 結構構件達到正常使用要求的規定限值。

注意:(1)裂縫寬度限值與環境等級有關。

(2)預應力砼構件有可靠經驗時可用裂寬控制。

5、 耐久性規定

(1)環境分類

分為五類,見下表。

混凝土結構的使用環境類別

注:嚴寒和寒冷地區的劃分應符合國家現行標準《民用建筑熱工設計規程》JGJ 24的規定。

(2)對一、二、三類環境中設計工作壽命為50年的結構砼的強度等級和水泥用量提出了下限要求,對水灰比、氯離子含量和堿含量提出了上限要求。

結構混凝土耐久性的基本要求

(3)對設計工作壽命為100年且處于一類環境中的砼結構的強度等級、氯離子含量、堿含量等有相應的規定:

① 結構混凝土強度等級不應低于C30;

② 混凝土中氯離子含量不得超過水泥重量的0.06%;

③ 宜使用非堿活性骨料;當使用堿活性骨料時,混凝土中的堿含量不得超過3.0kg/m3;

④ 在使用過程中應有定期維護措施。

對于設計壽命為100年且處于二類和三類環境中的混凝土結構應采取專門有效的措施。

(4)對于暴露在侵蝕性環境中的結構或構件,其受力 鋼筋宜采用環氧涂層帶肋鋼筋,預應力鋼筋應有防護措施;且宜采用有利于提高耐久性的高性能混凝土。

(5)設計工作壽命

大壩>橋梁(100年)>房屋(50年)

若業主有更高的要求時,可按業主要求進行設計。

(6)結構分析的計算結果應有一定的構造措施來保證。

(三)荷  載

1 .  荷載分類

n       永久荷載(恒荷載):大小、方向、作用點不隨時間改變的荷載為永久荷載,如自重、土壓力、預應力等;

n       可變荷載(活荷載) :大小、方向或作用點隨時間改變而變化的荷載為可變荷載,如樓面和屋面活載、風荷載、雪荷載、吊車荷載、車輛荷載等;

n       偶然荷載:結構使用期間可能不出現,一旦出現,其作 用時間短、效應大的荷載為偶然荷載,如爆炸力,撞擊等。

2 .  荷載代表值

    (1) 標準值——是荷載的基本代表值。是正常使用情況下可能出現的保證率為95%的偏大值。是永久荷載的唯一代表值。

(2) 組合值—— 當有兩個或兩個以上可變荷載同時作用時的代表值 。

               組合值 = ψc ×標準值

(3) 頻遇值—— 可變荷載可能出現的較大值,但小于標準值。計算裂縫變形時用。

               頻遇值 = ψf ×標準值

(4) 準永久值—— 可變荷載中較穩定的那一部分值。計算裂縫變形時用。

               準永久值 = ψq ×標準值

3. 承載力計算荷載效應組合

新增永久荷載效應控制的組合:

對預應力砼構件尚應考慮預應力效應組合:

4. 變形、裂縫計算荷載效應組合

(1)標準組合:主要用于當一個極限狀態被超越時將產生嚴重的永久性損壞的情況。

(2)頻遇組合:主要用于當一個極限狀態被超越時將產生局部損壞、較大變形或短暫震動等的情況。

(3)準永久組合:主要用于當長期效應是決定性因素的一些情況。

(四)幾種主要結構材料

1、鋼結構

      主要材料:鋼材。

      材料特點:強度高,塑性好;易生銹,怕火災。

      適用范圍:高層、大跨結構。

2、木結構

      主要材料:木材。

      材料特點:順紋強度高,重量輕,易加工;易腐蝕,易蟲蛀,與環保有矛盾。

      適用范圍:山區并經有關部門許可房屋。

3、混凝土結構

       主要材料:混凝土,鋼筋,型鋼,鋼管。

       材料特點:承載力高,就地取材,耐久、耐火,可模性好;自重大,易開裂,性能脆。

       適用范圍:工業,民用;高層,大跨。

4、砌體結構

        主要材料:砌塊,石料,砂漿。

        材料特點:就地取材,耐久、耐火;承載力低,砌筑量大。

        適用范圍:多層,民用建筑。

(五)建筑結構的基本施工程序

1、基坑開挖與支護

    特別注意深基坑和地下水位高的情況。

2、基礎工程施工

      剛性基礎;柔性基礎。

      獨立基礎;條形基礎;筏板基礎;箱形基礎;樁基

      礎;樁筏基礎;樁箱基礎等。

3、主體結構施工

      鋼結構;木結構;混凝土結構;砌體結構。

      磚混結構;磚木結構;框架結構;剪力墻結構;框

      剪結構;筒體結構等。

      建筑結構施工前應先做好施工組織設計。

 二、混凝土結構

(一)混凝土

1、混凝土強度

(1)立方體抗壓強度(強度等級)

n         標準尺寸:150mm×150mm×150mm

n         養護條件:20℃ ±3℃,濕度≥90%;28d

n         加荷方法:加荷速度0.15~0.25MPa/s,

n         注意事項:墊板不涂油或墊橡膠板。

n        強度保證率:95% ,f = m-1.645s

v  非標準試塊強度換算系數:

             200mm×200mm×200mm: 1.05。

             100mm×100mm×100mm: 0.95。

             6〞×12〞圓柱體:1.20  (1〞=2.54cm)。

             6〞×12〞棱柱體:1.32。

            100mm×200mm圓柱體:0.9~1.0。

            75mm×150mm 圓柱體:0.83~0.9。

            100mm×100mm 圓柱體:0.82~0.9。

v分級:C15,C20,C25,C30,C35,C40,C45,C50, C55,C60,C65,C70,C75,C80  (高強混凝土),共               

14個等級。

C—Concrete,  單位:N/mm2 或 MPa。

(2)軸心抗壓強度

(3)軸心抗拉強度

試驗方法與強度公式

2. 混凝土的變形

(1)一次加載時

(2)多次加載

(3)徐變

n       定義:在荷載保持不變的情況下,變形隨時間推移繼續增大的現象。

n       特點:早期發展快,但可以延續數年。

(4)收縮變形

     定義:混凝土在空氣中結硬時體積減小的象。

     收縮率:3×10-4。收縮=凝縮+干縮

     特點:早期快,可延續1~2年。

     收縮對結構的影響:

     當收縮受到約束時,引起構件開裂。

     減少收縮的措施:

     限制水泥用量;減小水灰比;加強振搗和養護; 構造鋼筋數量加強;設置變形縫;摻膨脹劑。

?       鋼筋砼結構的砼強度等級不應低于C15。

當采用HRB335級鋼筋時,砼強度等級不宜低于C20。

當采用HRB400和RRB400以及承受重復荷載的構件時,砼的強度等級不得低于C20。

?       預應力砼結構的強度等級不宜低于C30。

?       當采用預應力鋼絞線、鋼絲、熱處理鋼筋時,砼的強度等級不宜低于C40。

(二)鋼  筋

1. 建筑用鋼筋的種類

(1) 熱軋鋼筋

鋼筋符號:

            HPB —熱軋光面鋼筋;

            HRB —熱軋帶肋鋼筋;

            RRB — 余熱處理鋼。

幾個化學元素:

             Mn —— 錳,Si —— 硅,V —— 釩,
             Nb  —— 鈮,Ti —— 鈦,C —— 碳。

碳素鋼分類:

             低碳鋼:<0.25%;

             中碳鋼:=0.25~0.6%;

             高碳鋼:> 0.6%。

(2)  中、高強鋼絲、鋼絞線

?       做預應力筋用。

     (3) 熱處理鋼筋

       經淬火處理得,fptk=1470MPa,無明顯屈服點。

     (4) 冷加工鋼筋

    冷加工工藝:冷拉、冷拔、冷軋、冷軋扭。

    目的:提高強度,節約鋼材。但塑性減小。

2. 混凝土結構對鋼筋性能的要求

(1)強度高;

(2)塑性好:用伸長率和冷彎性能衡量。

n       冷彎

=90°, 180 °。反復彎曲要求:冷彎過程中無裂縫、鱗落或斷裂。D 愈小,要求愈高。反復次數愈高,要求愈高。

      

 冷彎是檢驗鋼筋局部變形能力的指標。

鋼筋塑性愈好,構件破壞前預兆愈明顯。

(3)可加工性好

(4)與混凝土粘結錨固性好

3. 鋼筋強度設計值

4.鋼筋的選用原則

          普通鋼筋:宜用HRB400和HRB335鋼筋。

          可用HPB235、RRB400和冷加工鋼筋。

          預應力筋:宜用鋼鉸線、鋼絲。

          可用熱處理鋼筋和強度較高的冷加工鋼筋。

(三)鋼筋砼軸心受拉構件正截面承載力

式中:—— 拉力的組合設計值;

      fy  ——鋼筋抗拉強度設計值, fy £ 300 N/mm2 ;                   

     A ——  縱向鋼筋面積。

(四)鋼筋砼軸心受壓構件正截面承載力

1、普通箍筋柱

式中 0.9 —— 為保持與偏心受壓構件正截面承載力計算具有相近的可靠度而引入的系數。

2、螺旋箍筋柱

   

對現澆鋼筋砼軸壓和偏壓構件,如截面長邊或直徑小300mm時,則應將fc乘以系數0.8。

(五)鋼筋砼受彎構件正截面承載力

2、 單筋矩形截面

(1) 計算簡圖

系數a1、b1和a1b1取值表

(2)基本公式

(3)適用條件

(4)ξb的計算公式

① 對有屈服點的鋼筋: 由截面平面變形假定推得。

② 對無屈服點鋼筋

受彎構件加固計算特點:二次受力。

3、雙筋矩形截面受彎構件

(1)基本公式

(2)適用條件

4、T 形截面

(1)兩類T形截面判別

(2)第一類T形截面計算

(3)第二類T形截面計算

(六)鋼筋砼受彎構件斜截面承載力

1、 影響斜截面破壞的主要因素

(2)腹筋(箍筋,彎筋)數量。

(3)砼的強度等級。

2、 斜截面的破壞形態

斜拉:一裂即壞、脆。

剪壓:砼和腹筋都充分利用。

斜壓;砼壓碎,腹筋不屈服、脆。

3、 計算公式

(1) 一般公式

(2)集中荷載作用下獨立梁公式

式中 l ——計算剪跨比,可取 l =a/h0,當 l <1.5時,

         取 l =1.5;當 l >3時,取l =3。

4、  適用條件

(1)為了避免斜壓破壞,要求截面尺寸滿足下列要求:

 當 hw/b  ≤4時, ≤0.25βfcbh0

當 hw/≥6時, ≥0.20βfcbh0

 當 hw/在4~6之間時,線性插入。

 式中 βc ——砼強度影響系數。

2.為了避免斜拉破壞,要求箍筋滿足:

(1)最小直徑

h>800mm時,    dmin=8mm;

h≤800mm時,    dmin=6mm。

(2)最大間距

(3)當> 0.7ftbh0時還要求:

梁下部或梁截面高度范圍內有集中荷載時:

附加鋼箍筋或吊筋按右式計算:

式中,—— 次梁傳遞給主梁的集中荷載設計值;

      fyv —— 為附加箍筋或吊筋的抗拉強度設計值;

      a—— 為附加箍筋與水平線的交角。

(七)鋼筋砼構件受扭承載力

1、 概 述

(1)工程中常見的受扭構件

(2)抗扭鋼筋形式

抗彎——縱筋

抗剪——箍筋,彎筋

抗扭——箍筋+縱筋

2、純扭構件承載力計算

3、剪扭構件

剪扭相關性:剪力的存在會降低結構的抗扭承載力,扭矩的存在也會降低結構的抗剪承載力。

(1)一般情況

① 當T≤0.175ftWt時,可忽略扭矩作用,按純剪構件計算;

② 當V≤0.35ftbho時,可忽略剪力作用,按純扭構件計算;

4、彎扭構件

純彎與純扭迭加。

5、 彎剪扭構件

    純彎+剪扭,剪扭按剪扭構件計算,注意是否考慮剪扭相關性.

6、適用條件及構造要求

(1)為了防止超筋,要求

(2)為了防止少筋,要求

(3)可按構造配縱筋和箍筋的條件

(八)偏心受壓構件承載力

1、初始偏心距

2、偏壓構件分類

(1)大偏壓:ξξb

特點:受拉區鋼筋先屈服,受壓區混凝土后壓碎。

(2)小偏壓:ξ>ξb

ξb的計算公式和取值與受彎構件相同。

3、 矩形截面非對稱配筋偏壓構件

(1) 一般公式

(2)大偏壓構件(ξξb)

ss=fy,令ξξb得:

   

e0≤0.15h0 ,且Nfcbh時,尚應驗算As一側受壓破壞的可能性:

   

對現澆鋼筋砼軸壓和偏壓構件,為截面的長邊或直徑小于300mm時,fc應乘以系數0.8。

(九)偏心受拉構件

1、   構件分類

小偏拉:NAs與A之間       大偏拉:NAs與A一側

2、正截面承載力

(1)小偏拉 

小偏心受拉構件中,fy≤300N/mm2

(2)大偏拉

(十)受沖切破壞

1、概述

2、抗沖切鋼筋的形式

(十一)局部受壓

 1、可不配置局部受壓鋼筋的條件

             

      

2、配局壓鋼筋計算

(1)截面尺寸應滿足的條件

             

(2)間接鋼筋面積計算

      

Acor≤Ab且重心與Al重心重合。

式中a——間接鋼筋對砼約束的折減系數,當砼≤C50時,a=1.0;當為C80時,a=0.85;當為中間值時用內插法插值。

(十二)疲勞驗算原則

1.是對應力和應力幅進行驗算。

2.假定截面應變保持平面,受壓區砼的法應力為三角形。當允許構件開裂時,拉應力全部由鋼筋承受;當不允許構件開裂時,受拉區砼的法應力為三角形。采用換算截面進行換算。

3. 荷載取用標準值,對吊車荷載尚應乘以動力系數。

(十三)變形、裂縫驗算

1、裂縫控制驗算

(1)一級 —— 嚴格不準開裂的構件

     

(2)二級 —— 一般不允許開裂的構件

     

(3)三級 —— 允許開裂的構件

     

    2、變形

Bs按下列方法計算:

(十四)預應力砼構件

1、概述

 

2、張拉控制應力

對預應力鋼絲、鋼絞線,當采用后張法時,考慮到錨固損失大,由原0.70fptk改為0.75fptk。  

3、預應力損失

                       各階段預應力損失

                     4、 軸心受拉構件

 變形、裂縫驗算如前。

5、受彎構件

(1)正截面承載力

(2) 斜截面承載力

要求  Np0≤0.3fcA0。

 

 (3) 變形驗算

(十五)構件抗震設計

1、結構的抗震等級混凝土結構的抗震等級

2、承載力驗算公式

承載力抗震調整系數

(十六)構造規定

    結構分析的計算結構應有一定的構造措施來保證。

1、伸縮縫

2、砼保護層

(1)板

    在一類環境中,當砼強度等級≤C20 時為20mm;當混凝土強度等級大于C20時為15mm。二、三類環境中,當砼強度等級為C25~C45時為20mm或20mm以上。

(2)梁

    在一類環境中,當當砼強度等級≤C20時為30mm;當混凝土強度等級大于C20時為25mm。二、三類環境中,當砼強度等級為C25~C45時為30mm或30mm以上。

(3)一類環境中設計工作壽命為100年時

    應增加10mm或采取表面防護,定期維修等有效措施。

3、梁、板截面尺寸

          梁:h=(1/8~1/18)l      b=(1/2~1/4)h

           板:民用 h≥60mm ;   工業  h≥70mm;

           雙向板 h≥80mm;     無梁板 h≥150mm。

4、鋼的錨固長度

式中 d  —— 鋼筋直徑;

         a   —— 錨固鋼的外形系數,見下表。

 

5、鋼的連接

   (1)受力鋼筋的連接接頭宜設置在受力較小處,宜采用機械連接接頭,也可采用焊接接頭和綁扎搭接。

   (2)軸拉及小偏拉桿件的受力鋼筋不得采用綁扎的搭接接頭。

   (3)同一構件中相鄰鋼筋的綁扎搭接接頭,宜相互錯開。

6、縱向受力鋼筋的最小配筋率

    按下表采用。

7、腰筋

當梁的腹板高度hw≥450mm時,在梁的兩個側面應沿高度配置縱向構造鋼筋,每側縱向構造鋼筋(不包括梁上、下部受力鋼筋及架立鋼筋)的截面面積不應小于腹板截面面積bhw的0.1%,且其間距不宜大于200mm。

三、高層建筑結構

(一)高層建筑的定義

表1 一部分國家和組織對高

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