結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本規(guī)定

一、結(jié)構(gòu)的功能要求

結(jié)構(gòu)在規(guī)定的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)和規(guī)定的條件下必須具有安全性、適用性和耐久性等三方面的功能。

二、結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)的定義和分類

1.定義

整個(gè)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分，超過某一特定狀態(tài)就不能滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的某一功能要求，則此特定狀態(tài)稱為該功能的極限狀態(tài)。

2.分類

結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)分為兩類，即：

(l)承載能力極限狀態(tài)：結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到最大承載力、或出現(xiàn)疲勞破壞、或不能繼續(xù)承載變形的狀態(tài)。

(2)正常使用極限狀態(tài)：結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到正常使用或耐久性功能的某項(xiàng)規(guī)定的限值。

三、結(jié)構(gòu)可靠度的基本概念

1.結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)：Z=R-S

式中S——外部作用在結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的效應(yīng)(內(nèi)力和變形);

R——結(jié)構(gòu)能承受內(nèi)力和變形的能力。

2.極限狀態(tài)方程：Z=R-S=0，(表示結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài))

當(dāng)Z=R-S>0時(shí)，則表示結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài);

當(dāng)Z=R-S<0時(shí)，則表示結(jié)構(gòu)處于失效狀態(tài)。

3.結(jié)構(gòu)可靠度概念

S和R均不是定值，而是隨機(jī)變量，所以對(duì)上述狀態(tài)要科學(xué)的衡量，只能用概率的方法。只要Z=R-S≥0的概率(即可靠概率或稱可靠度)大到人們足以放心，就可認(rèn)為設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)是安全可靠的。

4.幾個(gè)重要的概念：

(1)作用效應(yīng)S的不確定性主要是由下列因素引起的：

1)荷載(或作用)本身的變異性;

2)內(nèi)力計(jì)算假定與結(jié)構(gòu)實(shí)際受力情況間的差異。

(2)結(jié)構(gòu)抗力R的不確定性主要是由下列因素引起的：

l)材料性能的不確定性;

2)結(jié)構(gòu)構(gòu)件幾何參數(shù)的不確定性;

3)結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力R的計(jì)算模式的不確定性。

(3)結(jié)構(gòu)的可靠性：結(jié)構(gòu)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)、規(guī)定條件下能完成預(yù)定功能的能力。

(4)結(jié)構(gòu)的可靠度：結(jié)構(gòu)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)、規(guī)定條件下能完成預(yù)定功能的概率(或稱可靠概率Pa：)。

(5)失效概率Pf：結(jié)構(gòu)功能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)、規(guī)定條件下不能完成預(yù)定功能的概率(Pf)。(Ps+Pf=1)

(6)可靠指標(biāo)β：結(jié)構(gòu)功能函數(shù)Z的平均值與其標(biāo)準(zhǔn)差的比值(它與Pf，有一一對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系)。

(7)目標(biāo)可靠指標(biāo)[β]：作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù)的可靠指標(biāo)稱為目標(biāo)可靠指標(biāo)[β]，亦稱設(shè)計(jì)可靠指標(biāo)。

現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010-2002)是采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，以可靠指標(biāo)度量結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠度，采用分項(xiàng)系數(shù)的設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行設(shè)計(jì)的。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和材料的力學(xué)性能

一、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是由鋼筋和混凝土兩種性能不相同的材料組成的?；炷辆哂休^高的抗壓強(qiáng)度，但抗拉強(qiáng)度卻很低(僅為其抗壓強(qiáng)度的1/8～1/16);而鋼筋則具有較高的抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，我們把這兩種材料組合在一起，將鋼筋主要用于受拉，而混凝土主要用于受壓，發(fā)揮材料各自的特長(zhǎng)，成為目前應(yīng)用最為廣泛的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

1.鋼筋與混凝土能很好地結(jié)合在一起共同工作的主要原因是：

(1)鋼筋與混凝土之間存在著良好的粘結(jié)。

(2)鋼筋與混凝土兩者的溫度線膨脹系數(shù)很接近。(鋼筋約為1.2×10-5，混凝土約在1.0×10-5～1.5×10-5之間)

(3)鋼筋受到混凝土的保護(hù)而不易生銹，具有很好的耐久性。

2.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是：

(l)合理發(fā)揮了鋼筋和混凝土兩種材料的力學(xué)特性，成為承載能力較高的結(jié)構(gòu)。

(2)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有很好的耐火性、整體性、可模性。

(3)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，混凝土對(duì)鋼筋有很好的防護(hù)性，與鋼結(jié)構(gòu)相比可省去很大的經(jīng)常性維修費(fèi)用。

(4)便于就地取材，造價(jià)降低。

3.鋼筋混凝土的主要缺點(diǎn)為：

(1)自重較大;

(2)抗裂性能較差;

(3)隔熱和隔聲的性能不夠理想。

上述主要缺點(diǎn)，正隨著材料和結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展，在不斷地得到改進(jìn)(如輕骨料混凝土，高強(qiáng)混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土的發(fā)展)。

二、混凝土強(qiáng)度

強(qiáng)度分為標(biāo)準(zhǔn)值和設(shè)計(jì)值。將強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值除以材料分項(xiàng)系數(shù)即為強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值。

1.立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(記為fcu,k)

按標(biāo)準(zhǔn)方法制作養(yǎng)護(hù)的邊長(zhǎng)為150mm的立方體試件，在28天齡期用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測(cè)得的具有95%保證率的抗壓強(qiáng)度。

混凝土強(qiáng)度等級(jí)按其fcu,k值確定，即fcu,k為××N/mm2的混凝土記為C××。

素混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于C15;鋼筋混凝土強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于C20;當(dāng)采用強(qiáng)度等級(jí)400MPa及以上鋼筋時(shí)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)不宜低于C25;承受重復(fù)荷載的鋼筋混凝土構(gòu)件，混凝土強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于C20。

預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于C30，不宜低于C40。

2.軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(記為fcx)

按標(biāo)準(zhǔn)方法制作養(yǎng)護(hù)的截面為150mm×150mm，高度為h(h一般為150 mm的3～4倍)的棱柱體，在28天齡期用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測(cè)得的具有95%保證率的抗壓強(qiáng)度。其設(shè)計(jì)值記為fc。

3.軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(記為ftk)

它是采用棱柱體試件直接軸向拉伸試驗(yàn)或立方體試件的劈裂試驗(yàn)來測(cè)定的。

混凝土的抗拉強(qiáng)度很低，遠(yuǎn)小于其抗壓強(qiáng)度(一般只有其抗壓強(qiáng)度的1/8～1/1 6)。其設(shè)計(jì)值記為ft。

三、混凝土變形

混凝土變形有兩類，一類是受力變形;另一類為體積變形，它與受力無關(guān)，如混凝土在結(jié)硬過程中的收縮(或膨脹)等。

(一)混凝土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

混凝土在一次短期單軸加壓時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系如圖4一1所示。是一曲線。所以其應(yīng)力應(yīng)變的比值(即σ/ε)是一個(gè)變量而不是常數(shù)，因此稱E=σ/ε混凝土的變形模量。在計(jì)算設(shè)計(jì)時(shí)常用三種方式表示，即彈性模量Ec，變形模量和切線模量。

(二)混凝土的徐變

(1)定義：混凝土在恒定荷載的長(zhǎng)期作用下，變形隨時(shí)間而增長(zhǎng)的現(xiàn)象稱為徐變。

(2)影響徐變應(yīng)變量(簡(jiǎn)稱徐變)的因素有以下幾方面：

1)水灰比大，水泥用量多，徐變量就大;

2)養(yǎng)護(hù)條件好，徐變量就小;

3)骨料質(zhì)量及級(jí)配好，徐變量小;

4)構(gòu)件體表比越大，徐變量越小;

5)構(gòu)件的應(yīng)力與其受荷時(shí)強(qiáng)度的比值(即σ/fc)越大，則徐變量越大。

(3)徐變對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響：

1)徐變使結(jié)構(gòu)的變形(包括撓度和裂縫)增大;

2)徐變使結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力重分布;

3)徐變將引起預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中的預(yù)應(yīng)力損失;

4)受拉徐變，會(huì)延緩混凝土收縮裂縫的出現(xiàn)，及將減少由于支座不均勻沉降產(chǎn)生的應(yīng)力等。

(三)混凝土的收縮(或膨脹)

(1)定義：混凝土在空氣中結(jié)硬時(shí)體積縮小稱為收縮，在水中結(jié)硬時(shí)體積膨脹稱為膨脹;但收縮值要比膨脹值大得多。

(2)影響收縮值的因素有以下幾方面：

1)水灰比大，水泥用量多，收縮值就大;

2)養(yǎng)護(hù)條件好，使用環(huán)境的濕度較高，收縮值小;

3)骨料質(zhì)量及級(jí)配好，收縮值就小;

4)構(gòu)件體表比越大，收縮值越小;

5)混凝土振搗密實(shí)，收縮值就小。

(3)收縮對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響：

1)會(huì)在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，使混凝土產(chǎn)生拉應(yīng)力，加速裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展，甚至在未受荷前，即出現(xiàn)初始的收縮裂縫;

2)收縮將引起預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中的預(yù)應(yīng)力損失;

3)對(duì)跨度變化比較敏感的靜定結(jié)構(gòu)(如拱結(jié)構(gòu)等)將產(chǎn)生不利的內(nèi)力。

四、鋼筋

1.混凝土結(jié)構(gòu)中所用的鋼筋主要可分為具有明顯屈服點(diǎn)及屈服臺(tái)階的鋼筋(或稱軟鋼)和無明顯屈服點(diǎn)及屈服臺(tái)階的鋼筋(或稱硬鋼)兩類。

2.現(xiàn)行的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010一2010)建議，縱向受力普通鋼筋宜采用HRB400級(jí)、HRB500、HRBF400、HRBF500級(jí)鋼筋，也可采用HPB300、HRB335、HRBF335、RRB400鋼筋;梁、柱縱向受力鋼筋應(yīng)采用HRB400、HRB500、HRBF500鋼筋，也可采用HRB335，HRBF335鋼筋;預(yù)應(yīng)力筋宜采用預(yù)應(yīng)力鋼絲、鋼絞線和預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋。規(guī)范中對(duì)除HRB500，HRBF500級(jí)鋼筋外的普通鋼筋的受拉與受壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值取相同。對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼筋其受拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值遠(yuǎn)大于其受壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

3.有時(shí)對(duì)軟鋼進(jìn)行冷加工，提高鋼筋的強(qiáng)度，以節(jié)約用鋼。鋼筋的冷加工有兩種方式：即冷拉和冷拔。

冷拉后鋼筋的抗拉強(qiáng)度提高，但其抗壓強(qiáng)度未變(故其不宜用作受壓鋼筋)，同時(shí)其屈服臺(tái)階縮短，伸長(zhǎng)率減少，塑性降低，仍屬軟鋼。

冷拔后鋼筋的抗拉和抗壓強(qiáng)度同時(shí)提高，但其已變?yōu)橛蹭摗?/p>

4.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)鋼筋性能的要求：

(1)鋼筋應(yīng)有較高的強(qiáng)度。對(duì)鋼筋強(qiáng)度的要求主要有兩個(gè)指標(biāo)，即屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度。屈服強(qiáng)度是設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)的主要依據(jù)。極限強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度之比稱為強(qiáng)屈比，強(qiáng)屈比越大，結(jié)構(gòu)的可靠性越大。

(2)鋼筋應(yīng)有較好的塑性(或稱延性)性能。它主要是用鋼筋的伸長(zhǎng)率和其冷彎性能來反映的。

(3)鋼筋應(yīng)與混凝土具有良好的粘結(jié)。

(4)鋼筋還應(yīng)具有可焊性。

五、鋼筋與混凝土的粘結(jié)

1.鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力主要是由三部分組成：

(1)化學(xué)膠著力;

(2)摩擦力;

(3)機(jī)械咬合力。

光面鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力主要來自摩擦力，變形鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力則主要來自機(jī)械咬合力，規(guī)范規(guī)定：對(duì)光面鋼筋，其作受拉筋時(shí)，末端應(yīng)做180°彎鉤，彎后平直段不應(yīng)小于3d;但其作受壓時(shí)可不做彎鉤。

2.影響粘結(jié)力大小的因素有以下幾方面：

(1)鋼筋的表面形狀;

(2)混凝土強(qiáng)度等級(jí);

(3)澆筑混凝土?xí)r鋼筋所處的位置;

(4)保護(hù)層厚度和鋼筋間的凈距;

(5)橫向鋼筋(即箍筋)情況;

(6)側(cè)向壓力的作用。

承載能力極限狀態(tài)計(jì)算

承受荷載產(chǎn)生的彎矩和剪力的構(gòu)件，稱為受彎構(gòu)件(如梁、板)。它在彎矩作用下可能會(huì)發(fā)生正截面受彎破壞;同時(shí)在彎矩和剪力的共同作用下又可能會(huì)發(fā)生斜截面受剪破壞。

承受荷載產(chǎn)生的軸力、彎矩和剪力的構(gòu)件，稱為受壓構(gòu)件(即柱)。當(dāng)然它也存在著正截面受彎破壞和斜截面受剪破壞的可能。

一、正截面承截能力計(jì)算

(一)破壞形態(tài)

(1)受彎構(gòu)件(梁)，因其配筋率ρ的不同，可能出現(xiàn)適筋梁破壞，超筋梁破壞和少筋梁破壞等三種。它們的破壞特征為;

1)適筋梁破壞(配筋量適中)——受拉區(qū)鋼筋先達(dá)屈服強(qiáng)度，然后受壓區(qū)邊緣纖維混凝土的壓應(yīng)變達(dá)到其極限壓應(yīng)變。εcu值而破壞。該破壞屬延性破壞。

2)超筋梁破壞(配筋量過多)——當(dāng)受拉壓鋼筋還未達(dá)屈服強(qiáng)度，而受壓區(qū)邊緣纖維混凝土就因已達(dá)εcu值而破壞。該破壞屬脆性破壞。

3)少筋梁破壞(配筋量過少)——當(dāng)梁一開裂，受拉鋼筋立即達(dá)屈服強(qiáng)度，梁被拉為兩部分而斷裂破壞。它的極限彎矩與開裂彎矩幾乎相等，該破壞也屬脆性破壞。

(2)偏壓構(gòu)件(柱)的破壞形態(tài)有：大偏心受壓破壞和小偏心受壓破壞等兩種。它們的破壞特征為：

1)大偏心受壓破壞——遠(yuǎn)離軸向力N一側(cè)的受拉鋼筋先達(dá)屈服強(qiáng)度，然后另一側(cè)截面外邊緣纖維混凝土的壓應(yīng)變達(dá)εcu而破壞。(時(shí)，該側(cè)的受壓鋼筋也達(dá)受壓屈服強(qiáng)度)。該破壞屬延性破壞。

2)小偏心受壓破壞——靠近軸向力N一側(cè)的外邊緣纖維混凝土壓應(yīng)變先達(dá)到εcu，同時(shí)這一側(cè)的受壓鋼筋也達(dá)受壓屈服強(qiáng)度;而遠(yuǎn)離軸向力N一側(cè)的鋼筋，無論是受拉還是受壓，均未屈服而破壞。該破壞屬脆性破壞。

(二)計(jì)算基本假定

(1)截面應(yīng)變保持平面;

(2)不考慮混凝土的抗拉強(qiáng)度;

(3)混凝土受壓的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系曲線，如圖4一3所示：

式中：σc——混凝土壓應(yīng)變?yōu)?。。時(shí)的混凝土壓應(yīng)力;

fc——混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;

ε0——混凝土壓應(yīng)力剛達(dá)fc時(shí)的混凝土壓應(yīng)變;

εcu——正截面的混凝土極限壓應(yīng)變，當(dāng)處于非均勻受壓時(shí)，按式(4一1)計(jì)算，當(dāng)處于軸心受壓時(shí)取為ε0。;

fcu,k——混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值;

n——系數(shù)。

(4)縱向鋼筋的應(yīng)力，取鋼筋應(yīng)變與其彈性模量的乘積，且此值應(yīng)不大于其相應(yīng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值?？v向受拉鋼筋的極限拉應(yīng)變?nèi)?.01。

(三)受壓區(qū)混凝土的等效矩形應(yīng)力圖形

正截面破壞時(shí)受壓區(qū)混凝土的應(yīng)力圖形可簡(jiǎn)化為等效的矩形，如圖4一4所示。所謂等效，即為原應(yīng)力圖形的合力大小及其作用位置與矩形圖形的合力大小及其位置相同。

圖4-4中系數(shù)αl的取值如下：

當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)≤C50時(shí)，αl=1.0

當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)>C80時(shí)，αl=0.94;

當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)在C50與C80之間時(shí)，則按線性內(nèi)插法確定。

(四)相對(duì)界限受壓區(qū)高度ξb

所謂界限破壞是指受拉鋼筋受拉屈服與受壓區(qū)混凝土外邊緣纖維達(dá)εcu同時(shí)發(fā)生的破壞。所以其相對(duì)受壓區(qū)高度ξb是判別適筋梁和超筋梁的界限條件。

按前述計(jì)算的基本假定可得ξb的計(jì)算公式為：

對(duì)常用鋼筋可算得ξb值如下：

對(duì)HPB235級(jí)鋼筋：ξb=0.614

對(duì)HRB335級(jí)鋼筋：ξb=0.550

對(duì)HRB400級(jí)鋼筋：ξb=0.518