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建筑结构与选型,Building Structure and Structural Form Selection,建筑结构与选型是建筑学专业的专业基础课程之一，实践性强，建筑结构类型与建筑方案在设计过程中关系十分密切。本课程的主要目的和任务是：通过学习使建筑专业学生能掌握一般建筑结构的基本原理；掌握一般建筑结构的基本构造措施；对于功能复杂、技术先进的大型建筑设计,也略具初步的结构知识。在建筑设计过程中能够具有结构总体知识并进行正确的结构选型，对所设计建筑的结构体系、结构布置及结构形式有所了解，并在建筑设计的基础上能对常用的、简单的基本建筑的结构设计和计算有所理解。,目录,绪论建筑结构设计基本原理钢筋混凝土材料的力学性能钢筋混凝土受弯构件钢筋混凝土受压构件预应力混凝土结构的基本知识混凝土平面楼盖钢筋混凝土单层厂房多层与高层混凝土结构,目录,砌体结构 钢结构设计 建筑抗震设计基本知识 大跨度结构选型,1.绪 论,1.绪 论,1.建筑结构与建筑的关系2.建筑结构的分类及应用概况3.本课程的任务,1.绪 论,1.1 建筑结构与建筑的关系1.1.1 建筑结构与建筑的关系 强度、适用和美观是建筑的三个基本要素。适用指该建筑的实用功能；美观是建筑物能使那些接触它的人产生一种美学感受；强度是建筑物存在的能力。满足强度所需要的建筑物部分是建筑结构。建筑结构是形成一定空间及造型，并具有承受人为和自然界施加于建筑物的各种荷载作用，使建筑物得以安全使用的骨架。是建筑三大构成要素中建筑技术的组成内容，是保证房屋安全的重要手段。建筑结构的形式是为了满足建筑功能要求，为创造建筑的美而服务。建筑结构与建筑设计是两个既相互独立又紧密联系的专业工种。为使建筑作品达到一定的境界，必须了解其结构组成的有关内容，需要一种将建筑物看作结构体的直觉，需要建筑与结构方面的知,1.绪 论,识，以及区分建筑的结构部分和非结构部分的技能，这些都依赖于对结构功能要求的认识。1.1.2 建筑结构选型的原则 在建筑设计中，空间组合和建筑造型的主要环节是选择最佳结构方案，即结构选型。结构选型应遵循以下原则：（1）适应建筑功能的要求 对于有些公共建筑，其功能有视听要求，如：体育馆为保证较好的观看视觉效果，比赛大厅内不能设柱，必须采用大跨度结构；大型超市为满足购物的需要，室内空间具有流动性和灵活性，所以应采用框架结构。（2）满足建筑造型的需要 对于建筑造型复杂、平面和立面特别不规则的建筑结构选型，要,1.绪 论,按实际需要在适当部位设置防震缝，形成较多有规则的结构单元。（3）充分发挥结构自身优势 每种结构形式都有各自的特点和不足，有其各自的适用范围，所以要结合建筑设计的具体情况进行结构选型。（4）考虑材料和施工条件 由于材料和施工技术的不同，其结构形式也不同。例如：砌体结构所用材料多为就地取材，施工简单，适用于低层、多层建筑。当钢材供应紧缺或钢材加工、施工技术不完善时，不可大量采用钢结构。（5）尽可能降低造价 当几种结构形式都有可能满足建筑设计条件时，经济条件就是决定因素，尽量采用能降低工程造价的结构形式。,1.绪 论,1.2 建筑结构的分类及应用概况1.2.1 建筑结构的分类（1）按材料分类 1.混凝土结构 以混凝土材料为主，并根据需要配置和添加钢筋、钢筋网、预应力筋，作为主要承重材料的结构，均可称为混凝土结构，主要有：a.素混凝土结构（Plain Concrete）主要用于基础垫层等受压为主的结构中。b.钢筋混凝土结构（Reinforced Concrete）充分利用材料性能，优点明显，也有一定缺点。c.预应力混凝土结构（Prestressed Concrete）2.砌体结构,1.绪 论,由块体（砖、石材、砌块）和砂浆砌筑而成的墙、柱作为建筑物主要受力构件的结构称为砌体结构。主要优点：1）取材方便，造价低廉；2）具有良好的耐火性及耐久性；3）具有良好的保温、隔热、隔音性能，节能效果好；4）施工简单，技术容易掌握和普及，也不需要特殊的设备。主要缺点：自重大，强度低，整体性差，砌筑劳动强度大。3.钢结构 以钢材为主要承重骨架制作的结构称为钢结构。,1.绪 论,主要优点：1）材料强度高，自重轻，塑性和韧性好，材质均匀；2）便于工厂生产和机械化施工，便于拆卸，施工工期短；3）具有优越的抗震性能；4）无污染、可再生、节能、安全，符合建筑可持续发展原则。主要缺点：易腐蚀，需经常维护，故维护费用较高；钢结构的耐火性差，当温度达到250时，钢结构的材质将会发生较大变化；当温度达到600时，结构会瞬间崩溃，完全丧失承载能力。,1.绪 论,4.木结构 指全部或大部分用木材制作的结构。主要优点：易于就地取材，制作简单。主要缺点：易燃、易腐蚀、变形大，并且木材使用受到国家严格限制。,1.绪 论,5.组合结构 指钢与混凝土共同承受荷载的结构。按其组成方式可分为：a.钢骨混凝土结构（Steel Reinforced Concrete）b.钢管混凝土结构（Concrete Filled Steel Tubular）c.组合楼板（Composite Slab）,1.绪 论,6.混合结构 指在结构的不同部分采用不同材料组成的构件所形成的结构体系。（2）按结构体系分类 1.混合结构 指楼、屋盖一般采用钢筋混凝土结构构件，墙体及基础采用砌体结构而形成的结构。2.排架结构 由屋面梁或屋架、柱和基础组成，主要用于单层工业厂房中，其屋架与柱顶为铰接，柱与基础顶面为固接（教材图1-4）。3.框架结构 采用梁、柱等杆件刚接组成空间体系作为建筑物承重骨架的结构。,1.绪 论,4.剪力墙结构 利用墙体构成的承受水平作用和竖向作用的结构称为剪力墙结构。5.框架-剪力墙结构 在框架结构中适当布置一定数量的剪力墙构成以框架和剪力墙共同承受水平和竖向荷载作用的结构称为框架剪力墙结构。6.筒体结构 利用竖向筒体组成的承受水平和竖向作用的高层建筑结构为筒体结构。根据布置及组成方式不同，筒体结构又可分为框筒结构、筒中筒结构和束筒结构。,广州白云宾馆,1.绪 论,西尔斯大厦,位于芝加哥，钢结构，1974年建成,高443米，是目前美国最高建筑物，由SOM建筑设计事务所设计，大厦的造型有如 9个高低不一的方形空心筒子集束在一起。,1.绪 论,（3）按建筑物层数分类 1.高层建筑 高层建筑混凝土结构技术规程将10层及以上或高度超过28m的混凝土结构定义为高层建筑；高层民用建筑设计防火规范和高层民用建筑钢结构技术规程规定10层及以上的居住建筑或24m以上的其他民用建筑称为高层建筑。40层及以上或超过100m的建筑称为超高层建筑。也有人将12层左右的高层建筑称为小高层以区别多层和高层。2.多层建筑 层数在49层的建筑称为多层建筑。3.低层建筑 层数在13层的建筑称为低层建筑。,1998年在马来西亚吉隆坡建成的彼得罗纳斯大厦（Petronas Tower），88层，高452m，为当时世界最高的建筑。,1.绪 论,1.2.2 建筑结构的发展简况（1）材料方面 古代：砖、木结构 近代：钢筋混凝土结构和钢结构（2）计算理论 古代：近似计算 近代：20世纪40年代：考虑砼塑性性能的破坏阶段，计算方法采用了单一的安全系数；50年代：极限状态计算，规定了极限状态，有三个系数，荷载、材料系数和工作条件系数；现在：以概率论为基础的极限状态计算法。（3）施工方面,1.绪 论,1.3 本课程的任务1.3.1 课程的内容 建筑材料的力学性能、结构设计方法、钢筋混凝土结构构件的设计计算，砌体结构的设计计算、刚结构构件和连接的设计计算，多高层房屋结构和抗震设计基本知识，大跨度结构受力特点及类型。1.3.2.课程的目的 具备结构总体知识，对所设计建筑的结构体系、结构布置及结构形成有一定了解，并在建筑设计的基础上能对常用、简单的结构进行计算。对于功能复杂、计算先进的大型建筑设计也具有初步的结构知识。1.3.3.课程的特点,1.绪 论,（1）建筑结构的计算方法，绝大部分是建立在实验的基础上。目前尚无完善的理论，应十分注重试验和各公式的适用条件和范围。（2）内力分析和变形计算的理论来自结构力学，但考虑到结构的实际，又建立了一套自身的计算方法，应注意他们的联系和区别。（3）本课程除了进行构件的强度和变形计算外，还要解决结构设计问题（包括结构方案、构件选型、材料选择和构造要求等），综合性和实践性很强。（4）设计成果多样性，要综合安全适用、经济合理等因素。（5）遵循国家规范和规程，明确构造措施的目的，牢记一些基本构造要求。,2.建筑结构设计基本原理,2.建筑结构设计基本原理,1.结构的组成与结构的功能2.结构上的荷载3.概率极限状态设计方法4.极限状态设计表达式,2.1 结构的组成与结构的功能2.1.1 结构的组成与功能（1）组成 结构是由板、梁、柱、墙、基础等基本构件按某一规则组成的骨架。（2）功能安全性 正常使用和施工时能承受各种可能出现的作用。在设计规定的偶然事件发生时及发生后，结构仍能保持必须的整体稳定性。适用性 在正常使用时具有良好的工作性能。不发生影响使用的变形和裂缝。耐久性 在正常使用和维护下，在规定的时间内（一般为50年）、规定的条件下，完成预定功能的能力。,2.建筑结构设计基本原理,设计基准期 设计规定的一个期限，在这期限内，结构或构件只需进行正常的维护即可达到预期目的的使用。2.1.2 结构的安全等级 根据建筑物的重要性的不同、一旦发生破坏对人民生命财产的危害程度以及对社会的影响的不同，建筑结构可靠度设计统一标准,2.建筑结构设计基本原理,（GB50068-2001）将建筑结构分为三级。一级建筑 破坏后果很严重的重要建筑物二级建筑 破坏后果严重的一般建筑物三级建筑 破坏后果不严重的次要建筑物2.2 结构上的荷载2.2.1 结构上的作用、作用效应及抗力（1）结构上的作用 结构上的作用指作用于结构上的集中或分布荷载及引起结构外加变形和约束变形的原因。分为直接作用和间接作用。直接作用 以力的形式直接施加于结构上，如自重等。间接作用 以变形形式施加于结构上，如地震振动、地基不均匀沉降、混凝土的收缩、徐变、温度变化等。,2.建筑结构设计基本原理,（2）作用效应 由作用引起的结构或构件的反应称为作用效应。如结构产生的内力、变形、裂缝。（3）结构的抗力 结构或构件承受作用效应的能力称为结构抗力。构件制作完成后，结构的抗力是一定的，而作用效应可能是变化的，结构抗力的大小取决于材料的力学性能、构件的几何参数及计算模式的精确性。2.2.2 结构上的荷载（1）荷载的分类 1.按时间的变异分类 建筑结构荷载规范（GB500092001）将结构上的荷载按作用时间的长短和性质分为下列三类：,2.建筑结构设计基本原理,永久荷载 在设计基准期内，其值不随时间变化，或者其变化与平均值相比可忽略不计的荷载，如结构自重、土压力、预应力等，永久荷载也称为恒载。可变荷载 在设计基准期内，其值随时间变化，且其变化值与平均值相比不可忽略的荷载，如楼面活荷载、屋面活荷载和积灰荷载、风荷载、雪荷载及吊车荷载等，可变荷载也称为活载。偶然荷载 在结构使用期间不一定出现，而一旦出现，其量值很大 且持续时间较短的荷载。如爆炸力、撞击力等。2.按空间位置的变异分类固定荷载 在结构空间位置上具有固定分布的荷载。如结构自重楼面上的固定设备荷载等。可动荷载 在结构空间位置上的一定范围内可以任意分布的荷载。,2.建筑结构设计基本原理,3.按结构的反应分类静态荷载 对结构不产生加速度，或其加速度可以忽略不计的荷载。动态荷载 对结构或构件产生不可忽略的加速度的荷载。（2）荷载的代表值 结构设计时，根据各种设计要求所采用的不同的荷载数值称为荷载代表值。对于永久荷载以标准值作为代表值；对可变荷载根据不同的设计要求采用不同的代表值，如标准值、组合值、频遇值、准永久值。1.荷载的标准值 所谓荷载标准值，是指结构在设计基准期(50年)内，正常情况下可能出现的最大荷载值，它是结构设计时采用的荷载基本代表值。而其他的代表值都可由标准值乘以相应的系数后得出，通常要求荷载标,2.建筑结构设计基本原理,准值应具有95%的保证率。永久荷载标准值 对结构构件的自重，可按结构构件的设计尺寸与材料单位体积的自重计算确定。GB50009-2001荷载规范附录A给出了常用材料和构件的自重，设计时可直接查用。可变荷载标准值 荷载规范中已给出，设计时可直接查用。2.可变荷载准永久值 不同的可变荷载在结构上的变化情况不一样。可变荷载中在设计基准期内，其超越的总时间约为设计基准期一半的荷载值称为该可变荷载的准永久值。3.可变荷载组合值,Q,f(Q),95%,5%,50,Qk,Qm,图：2-1荷载的标准值QK,2.建筑结构设计基本原理,当结构承受两种或两种以上可变荷载时，由于所有可变荷载同时达到各自最大值的可能性极小，因此除主导的可变荷载外，其它伴随的可变荷载均应乘以一个小于1的组合系数作为可变荷载的组合值。4.可变荷载的频遇值 在设计基准期内其超越的总时间为规定的较小比率或超越频率为规定的荷载值。5.荷载组合 当结构上同时作用几种可变荷载时，应根据可能同时出现的荷载，按承载力极限状态和正常使用极限状态荷载效应的基本组合、标准组合、频遇组合或准永久组合分别进行荷载（效应）组合，并应取各自的最不利的效应组合进行设计。对于需要进行地震作用计算的结构，尚应考虑地震作用效应与其它荷载效应的组合。,2.建筑结构设计基本原理,2.3 概率极限状态设计方法2.3.1 结构的极限状态 所谓结构的极限状态就是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，而进入失效状态。极限状态是区分结构工作状态可靠或失效的标志。极限状态可分为两类：承载能力极限状态和正常使用极限状态。（1）承载能力极限状态 指对应于结构或结构构件达到最大的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，应认为超过了承载能力极限状态：整个结构或结构的一部分，作为刚体失去平衡(如倾覆等)；,2.建筑结构设计基本原理,结构构件或连接因为超过材料强度而破坏(包括疲劳破坏)，或因过度变形而不适于继续承载；结构转变为机动体系；结构或结构构件丧失稳定(如压屈等)；这一极限状态关系到结构全部或部分破坏或倒塌，会导致人员伤亡或严重经济损失。因此对所有结构和构件都必须按承载力极限状态进行计算，并保证具有足够的可靠度。（2）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的限值。当结构或结构构件出现下列状态之一时，应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；,2.建筑结构设计基本原理,影响正常使用或耐久性能的局部损坏(包括裂缝)；影响正常使用的振动；影响正常使用的其它特定状态。按正常使用极限状态设计时，应验算结构构件的变形、抗裂度或裂缝宽度、地基变形、房屋侧移等。超过正常使用极限状态，会使结构或构件不能正常工作，使结构的耐久性受影响。2.3.2 极限状态方程 影响结构功能的因素划分为两类，作用效应S和结构抗力R，有：Z=g（R,S）=R-S其中Z为结构的功能函数，当Z=0时为极限状态，称为极限状态方程。当Z0时，则RS，结构处于可靠状态；当Z=0 时，则R=S，结构处于极限状态；,2.建筑结构设计基本原理,当Z0时，则RS，结构处于失效状态。当结构按极限状态设计时，应符合下列要求：Z=g（S，R）=R-S02.3.3 结构的可靠度和失效概率 结构的可靠度 结构和结构构件在规定的时间内，规定的条件下完成预定功能的概率，称为结构的可靠度。结构的作用效应小于结构抗力时，结构处于可靠工作状态。记为Ps。失效概率 一般把不满足功能要求的概率称为结构的失效概率。记为Pf。结构的可靠概率也称结构可靠度，结构的可靠度是结构可靠性的概率度量。由于可靠概率和失效概率是互补的，即Pf+Ps=1。因此，结构的可靠性也可用结构的失效概率来度量。,2.建筑结构设计基本原理,2.3.4 结构的可靠指标 可靠指标也是度量结构可靠性的一种数值指标，它与失效概率Pf 之间是有对应的关系。表2-1 值与Pf的对应关系 从上表可以看出，可靠度指标与失效概率Pf成反比，因此被称为“可靠指标”。2.3.5 目标可靠指标 目标可靠指标 指结构构件设计时预先给定的可靠指标，用表,2.建筑结构设计基本原理,示。统一标准规定：由建筑物的重要性、延性破坏还是脆性破坏来确定。见表2-2表2-2 不同安全等级的目标可靠指标2.4 极限状态设计表达式 用可靠度指标设计计算结构的可靠度，即科学又合理，设计概念明确。但在一般的设计中，要正确统计R、S的变化规律十分困难，计算也相当复杂。因此，统一标准以概率极限状态设计方法为基础给出了承载能力极限状态和正常使用极限状态的实用表达式。,2.建筑结构设计基本原理,2.4.1 承载力极限状态设计表达式 对于承载能力极限状态，结构构件应按荷载效应的基本组合或偶然组合，采用下列极限状态设计表达式：其中，为结构构件的重要性系数，对安全等级为一级或设计年限为100年及以上的结构构件为1.1，对安全等级为二级或设计使用年限为50年的结构构件为1.0，对安全等级为三级或设计使用年限为5年的结构构件为0.9。S为荷载效应组合设计值，R为结构构件抗力设计值。（1）基本组合 由可变荷载效应控制的组合：由永久荷载效应控制的组合：注：基本组合中的设计值仅适用于荷载与荷载效应为线形的情况；当起控制作用的可变荷载无法明显判断时，轮次以各可变荷载效应为，选其中最不利的荷载效应组合；当考虑以竖向的永久荷载效应控制的组合时，参与组合的可变荷载仅限于竖向荷载。,2.建筑结构设计基本原理,对于一般排架、框架结构，基本组合可采用简化规则：由可变荷载效应控制的组合：由永久荷载效应控制的组合不变。（2）偶然组合 荷载效应的组合设计值应按下列规定确定：偶然荷载的代表值不乘分项系数，与偶然荷载同时出现的其他荷载可根据观测资料和工程经验采用适当的代表值。2.4.2 正常使用极限状态设计表达式 对于正常使用极限状态，应分别按荷载效应的标准组合、频遇组合或准永久组合进行设计，使变形、裂缝等荷载效应的设计值符合下列的要求：SdC,2.建筑结构设计基本原理,其中，Sd变形、裂缝等荷载效应组合的设计值；C设计对变形、裂缝等规定的相应限值。标准组合：频遇组合：准永久组合：对正常使用极限状态的设计包括两方面：裂缝控制验算和受弯构件的挠度验算。对裂缝控制验算，先选用相对应的裂缝控制等级：一级：严格要求不出现裂缝；控制：荷载效应标准组合时，构件受拉边缘混凝土不产生拉应力；二级：一般不要求出现裂缝；控制：按标准组合时，构件受拉边缘混凝土拉应力不大于砼轴心抗拉强度标准值；按荷载效应准永久组合计算时，构件受拉边缘混凝土不宜产生拉应力；,2.建筑结构设计基本原理,三级：允许出现裂缝；控制：裂缝宽度不大于允许值。对受弯构件的挠度验算，计算受弯构件的最大挠度时，应按荷载效应的标准组合并考虑荷载长期作用的影响，计算值不超过规范规定的挠度限制。,2.建筑结构设计基本原理,3.钢筋混凝土材料的力学性能,3.钢筋混凝土材料的力学性能,1.结构材料基本要求2.混凝土结构的基本概念3.钢筋混凝土钢筋与混凝土之间的粘结与锚固,3.1 结构材料基本要求3.1.1 结构材料力学性能的基本要求（1）强度 强度是材料抵抗破坏能力的指标。1.弹性极限强度 弹性阶段的最大应力称为弹性极限应力或弹性极限强度，弹性阶段应力与应变的比值称为弹性模量。2.屈服强度 塑性材料和脆性材料，塑性材料在应力超出弹性极限应力后，应力不再有明显增加，而是小范围内波动，但应变急剧加大，这种现象称为屈服，材料应力-应变曲线上这个阶段称为屈服阶段，也称流动阶段。一般以屈服阶段最小应力作为屈服强度。,3.钢筋混凝土材料的力学性能,3.极限强度 试件所能承受的最大荷载与初始截面的比值称为最大名义应力，也称为材料的极限强度。4.疲劳强度 结构构件在变幅循环荷载作用下，当达到一定的循环次数时，会发生脆性破坏，且破坏应力远低于屈服应力，这种破坏称为疲劳破坏。在规定的荷载循环次数和荷载变化幅度下，材料能够承担的最大动态应力称为材料的疲劳强度。（2）弹性与塑性 1.弹性模量 弹性模量是反映材料受力时抵抗弹性变形的能力，即材料的刚度。其值等于应力与应变的比值：,3.钢筋混凝土材料的力学性能,材料在外力作用下产生变形，当外力去除后，有一部分变形不能恢复，这种性质称为材料的塑性。材料塑性性能是决定结构或构件是否安全可靠的重要参数之一，可以通过伸长率、断面收缩率或冷弯性能来确定材料的塑性。（3）冲击韧性 冲击韧性是指钢材抗冲击而不破坏的能力。是强度和塑性的组合指标。与内在质量、宏观缺陷和微观组成有关，并受温度影响。（4）徐变和应力松弛 徐变是指在恒定温度和应力条件下，构件或材料的变形随时间增加而增大的现象。混凝土具有徐变的特性，钢材在高温下也会出现徐变特性。应力松弛是指在恒定温度和应变条件下，构件或材料的应力随时,3.钢筋混凝土材料的力学性能,间的增加而减小的现象。对于预应力钢筋混凝土结构，应力松弛将会引起预应力损失，降低构件的承载力。3.1.2 其他要求（1）协同工作性能 钢材的可焊性、钢筋和混凝土协同工作及砌块和砂浆之间的粘结性能。（2）耐久性 指材料长久在各种环境因素作用下不变质、不破坏，长期保持良好的物理力学性质。如抗冻性、抗风化性、耐腐蚀性等。（3）可加工性（4）取材便利，价格合理，经济实用,3.钢筋混凝土材料的力学性能,3.2 混凝土结构的基本概念3.2.1 混凝土结构的分类 以混凝土为主要材料制作的结构称为混凝土结构。包括素混凝土结构、钢筋混凝土结构、型钢混凝土结构、钢管混凝土结构和预应力混凝土结构等。（1）素混凝土结构 承载力低、呈脆性，主要用于以受压为主的基础或基础垫层、柱墩、室外地坪和一些非承重结构。（2）钢筋混凝土结构 用圆钢筋作为配筋的普通混凝土结构。钢筋和混凝土两种材料结合在一起共同工作，使混凝土主要承受压力，钢筋主要承受拉力。,3.钢筋混凝土材料的力学性能,（3）型钢混凝土结构 又称钢骨混凝土结构。指用型钢或钢板焊成的钢骨架作为配筋的钢筋混凝土结构。承载能力大、抗震性能好，耗钢量较多，可在高层、大跨或抗震要求较高的工程中应用。（4）钢管混凝土结构 指将混凝土浇捣于钢管内形成的结构。构件连接较复杂，维护费用多，承载力高。（5）预应力混凝土结构 指在结构构件制作时，在其受拉部位人为的预先施加压应力的混凝土结构。素混凝土梁在荷载作用下，梁的受拉边缘混凝土一旦开裂，梁立即破坏。混凝土抗压强度得不到充分利用。钢筋混凝土梁在荷载作用,3.钢筋混凝土材料的力学性能,下，受拉区混凝土仍然开裂，开裂后梁中和轴一下的拉力主要由钢筋承受，中和轴以上受压区的压应力由混凝土承担，裂缝不会沿截面的高度迅速开展，试件不会随即发生断裂破坏。裂缝的数量和宽度随荷载增大而增大，直到钢筋屈服。抗压强度得到充分利用，破坏前呈现出明显的破坏征兆。提高了结构的承载能力并改善了结构的受力性能。3.2.2 钢筋混凝土的优点（1）易于就地取材,3.钢筋混凝土材料的力学性能,3.钢筋混凝土材料的力学性能,（2）材料利用合理，节约钢材（3）耐久、耐火性好，维护费用低（4）可模性好（5）整体性好，刚度大,具备必要的延性，防振性和防辐射性较好3.2.3 钢筋混凝土的缺点（1）自重大，不利于抗震，不利于大跨、高层结构 可采用T形、工形、箱形等更合理的构件截面形式，轻质高强混 凝土、预应力混凝土。（2）抗裂性差，影响耐久性和美观 预应力混凝土结构（3）施工复杂，工序多，工期长，受季节、天气影响大 钢模、飞模、滑模等；早强、免振自密实混凝土等,3.钢筋混凝土材料的力学性能,（4）修复、加强、补强比较困难 碳纤维布加固混凝土结构技术3.3 钢筋3.3.1 钢筋的成分、级别、分类和品种（1）成分 钢筋的主要成分为铁、还有少量的碳、锰、硅、钒、钛及一些有害元素如磷、硫等。钢材的强度随含碳量的增加而增加，但其塑性性能及可焊性随之降低。锰、硅、钒、钛等少量合金元素可是钢材的强度、塑性等综合性能提高。（2）分类 按化学成分可分为碳素钢和普通低合金钢两大类。含碳量小于0.25%的碳素钢称为低碳钢或软钢，含碳量大于0.6%的碳素钢称为高,3.钢筋混凝土材料的力学性能,碳钢或硬钢。合金钢可分为低合金钢（合金元素总含量小于5.0%）、中合金钢（合金元素总含量5.0%10%）和高合金钢。（3）级别和品种 1.热轧钢筋 热轧钢筋用普通低碳钢和普通低合金钢制成。常用种类、代号和直径见下表：20表示含碳量为0.2%，其余合金元素的含量在1.5%以下，k为控制的意思,3.钢筋混凝土材料的力学性能,表中，HPB235为热轧光面钢筋，HRB335和HRB400为热轧变形钢筋，RRB400是余热处理钢筋。2.中高强钢丝和钢绞线 中高强钢丝直径为410mm，捻成钢绞线后也不超过15.2mm。钢丝外形有光面、刻痕、月牙肋及螺旋肋几种；钢绞线为绳状，由2股、3股或7股钢丝捻成。抗拉强度高很高，但没有明显的屈服点和屈服平台，伸长率很小。通常用做预应力钢筋混凝土结构。3.热处理钢筋 预应力混凝土结构中也可采用热处理钢筋。由强度很高的热轧钢,3.钢筋混凝土材料的力学性能,2.混凝土结构用材料的性能,筋，如40Si2Mn(d=6)、48Si2Mn(d=8.2)和45Si2Cr(d=10)等，通过加热、淬火和回火等调质工艺处理制成的。热处理钢筋又称调质钢筋。4.冷加工钢筋 冷加工是指在常温下采用某种工艺对热轧钢筋进行加工。常用的加工工艺有冷拉、冷拔、冷轧和冷轧扭四种。冷加工后强度提高，伸长率降低，除冷拉钢筋外都不具有明显的屈服点和屈服平台。a.冷拉钢筋 冷拉是使热轧钢筋的冷拉应力值先超过屈服强度，然后卸载以提高钢筋的抗拉强度。分为控制应力和控制应变两种工艺方法。概念：时效硬化，冷拉控制应力，冷拉率 b.冷拔钢筋 冷拔是将钢筋用强力从直径较小的硬质合金拔丝模拔出使它产生,3.钢筋混凝土材料的力学性能,3.钢筋混凝土材料的力学性能,塑性变形，拔成较细直径的钢丝，以提高其强度的冷加工方法。冷拔后塑性却有较大的降低。c.冷轧带肋钢筋 以低碳钢筋或低合金钢筋为原料，在常温下进行轧制而成的表面带有纵肋和月牙纹横肋的钢筋。极限强度同冷拔低碳钢丝，但伸长率明显提高，可以改善构件在正常使用阶段的受力性能。d.冷轧扭钢筋 以热轧光面钢筋为原料，按规定工艺参数经钢筋冷轧扭机一次加工轧扁扭曲呈连续螺旋状的冷强化钢筋。3.3.2 钢筋的主要力学性能（1）强度和变形 1.应力应变曲线,3.钢筋混凝土材料的力学性能,软刚和硬刚钢筋的强度和变形性能主要由单向拉伸测得的应力应变曲线来表征。试验表明，钢筋的拉伸应力-应变曲线可分为两类：有明显的流幅的钢筋，没有明显流幅的钢筋。2.比例极限 有明显流幅的钢筋应力-应变曲线，轴向拉伸时，在达到比例极限,3.钢筋混凝土材料的力学性能,a点之前，材料处于弹性阶段，软钢应力与应变的比值为常数，即为钢筋的弹性模量Es，a为应力应变成比例的极限状态，它所对应的应力称为比例极限。3.屈服极限 当应力达到b点后，材料开始屈服，b点称屈服的上限点，过点后，应力与应变曲线出现上下波动，形成一个明显的屈服台阶，屈服台阶的下限c点所对应的应力称为“屈服强度”。4.极限强度 当钢筋屈服塑流到一定程度，即到达点c以后，曲线开始上升，抗拉能力有所提高，最高点d的应力称为钢筋的极限强度，cd段称为钢筋的强化阶段。过了d点以后，钢筋在薄弱处的断面将显著缩小，发生颈缩现象，变形迅速增加，应力随之下降，直到试件被拉断。,3.钢筋混凝土材料的力学性能,5.疲劳强度 一般把钢材承受 次反复荷载时发生破坏的应力称为疲劳强度。钢筋强度用标准值和设计值表示。具有95%以上保证率的屈服强度作为钢筋的强度标准值fyk。钢筋强度设计值fy等于钢筋强度标准值除以材料的分项系数（热轧钢筋统一取1.10）。通常为简化计算过程，忽略从比例极限到屈服点之间钢筋微小的塑性应变，不利用应力强化阶段。（2）塑性性能 1.伸长率 伸长率即钢筋拉断后的伸长值与原长的比率：,3.钢筋混凝土材料的力学性能,式中伸长率（%）；l试件受力前的标距长度（有5d、10d、100d）l1试件拉断后的标距长度。伸长率越大的钢筋塑性越好，即拉伸前有足够的伸长，使构件的破坏有预兆；反之构件的破坏具有突发性而呈现脆性。2.冷弯性能 为了使钢筋在加工成型时不发生断裂，要求钢筋具有一定的冷弯性能。冷弯性能是指在常温下，材料承受弯曲变形的能力。冷弯是将直径为d的钢筋绕某一规定直径为D的钢辊进行弯曲，在达到规定的冷弯角度（180度）时钢筋无裂纹、鳞落或断裂，就表示合格。冷弯试验可以暴露材料内部的某些缺陷。对于重要结构和需要弯曲成形的钢材，冷弯性能必须合格。3.3.3 钢筋的选用原则,3.钢筋混凝土材料的力学性能,（1）钢筋混凝土结构中的钢筋和预应力混凝土结构中的非预应力钢筋宜优先采用HRB400和HRB335级钢筋；（2）预应力钢筋宜采用预应力钢绞线、中高强钢丝，也可以采用热处理钢筋。3.4 混凝土 混凝土是由水泥、水、粗骨料和细骨料经过人工搅拌、入模、浇捣、养护和硬化后形成的人工石。各组成成分的比例对混凝土强度和变形性能有重要的影响；搅拌、捣实和养护都会直接影响混凝土最终的物理力学性能。3.4.1 混凝土的强度（1）抗压强度 抗压强度是混凝土力学性能的重要指标，也是强度分级的标准和,3.钢筋混凝土材料的力学性能,施工中控制质量的重要依据。通过抗压强度可以推断其他力学指标。根据试件的不同，分为立方体抗压强度和棱柱体抗压强度（圆柱体抗压强度）。1.立方体抗压强度 混凝土的强度等级是用立方体抗压强度标准值来划分的。立方体抗压强度标准值指边长150mm立方体标准试件，在标准条件下（203，90%湿度）养护28天，用标准试验方法（加载速度0.150.3N/mm2/s，两端不涂润滑剂）测得的具有95%保证率的抗压强度，用符号fcu,k表示。fcu,k与平均值和标准差的关系为：试件边长采用100mm和200mm时应乘以修正系数0.95和1.05来换算成标准尺寸的强度。,3.钢筋混凝土材料的力学性能,混凝土强度等级可划分为：C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80。C代表混凝土，后面的数字即为混凝土立方体抗压强度标准值。2.轴心抗压强度fck 实际结构和构件多为棱柱体，因此采用棱柱体试件能更好的反应混凝土的实际抗压能力，用棱柱体的抗压强度作为轴心抗压强度，又称为棱柱体抗压强度，用fck 表示。试验方法规定采用150 x150 x300的棱柱体作为标准试件，按照标准试验方法测得的强度，称为混凝土轴心抗压强度。代表混凝土的均匀、单轴抗压强度：其中，0.88试件与实际结构的差异修正系数；棱柱体抗压强度与立方体抗压强度的比值，C50以下取0.76，C80取0.82，其间线性插值。,3.钢筋混凝土材料的力学性能,混凝土脆性折减系数，C40取1.0，C80取0.87，其间线性插值。（2）抗拉强度ftk 钢筋混凝土构件的抗裂性、抗剪、抗冲切和抗扭均与混凝土的抗拉强度有关。抗拉强度的试验方法主要有直接拉伸试验、劈裂试验和弯曲抗折试验。直接拉伸试验的试件为100 x100 x500的柱体，两端埋有伸出长度为150的变形钢筋（d=16mm），钢筋位于试件轴线上。试验机夹紧两端伸出的钢筋，对试件施加拉力，破坏是裂缝产生在试件的中部，此时的平衡破坏应力为轴心抗拉强度ftk。轴心受拉试验由于两端所埋设的钢筋不易对中，实测数据偏差较大，目前国内普遍采用立方体试件做劈拉试验来代替。在图示加载,3.钢筋混凝土材料的力学性能,下，当拉应力达到混凝土的抗拉强度时，试件被劈成两半。混凝土抗压和抗拉强度设计值与其对应标准值之间的关系为：,3.钢筋混凝土材料的力学性能,（3）混凝土在复合应力作用下的强度 1.双向受力强度 试件在两个方向受到法向应力的作用，双向受拉强度接近于单向受拉；分别为拉和压时混凝土强度均低于单向拉伸或压缩的强度；双向受压强度比单向受压强度高。2.三向受压强度 三向受压时，各个方向的抗压强度都有所提高。3.4.2 混凝土的变形 混凝土的变形分为受力变形（一次短期荷载下、长期荷载下和多次重复荷载下）和非受力变形（体积收缩、膨胀和温度变形）。（1）混凝土的受力变形 1.应力应变曲线,3.钢筋混凝土材料的力学性能,应力应变曲线也称作本构关系。强度等级越高，线弹性段越长，峰值应变也有所增大。混凝土强度越高破坏时脆性越显著，下降段越陡。峰值应力fc所对应的应变0约为0.002左右，应力小于0.3fck时混凝土处于弹性阶段，混凝土内部几乎没有裂缝，0.30.8 fck之间，混凝土内部裂缝发展，但能保持稳定，大于0.8 fck混凝土内部裂缝发展很快，塑性变形显著增大，体积应变由压缩转为扩张。,0,fck,0.3fck,3.钢筋混凝土材料的力学性能,0.8 fck 为临界点，作为长期受压强度的依据。峰值点后有两个反弯，第一个点的应变取为极限压应变，规范取其值为0.0033。受拉应力应变曲线与受压时相似，但极限拉应力只有极限压应力的1/201/8，极限拉应变也只有极限压应变的1/20左右。且曲线只有上升段。2.混凝土的弹性模量 混凝土的本构曲线是非线性的。目前规范中弹性模量采用下属方法确定：采用棱柱体试件，取应力上限为0.5fc重复加载510次后，自原点至曲线上0.5fc对应点的连线斜率作为弹性模量。,3.钢筋混凝土材料的力学性能,泊松比为0.2，剪切模量Gc=0.4Ec。3.混凝土的徐变 混凝土在长期不变荷载作用下，沿作用力方向随时间产生的塑性变形称为混凝土的徐变。产生原因：水泥石中的凝胶体产生粘性流动，向毛细管内迁移，或者凝胶体中的吸附水或结晶水向内部毛细孔迁移渗透所致。徐变使试件在长期荷载作用下的变形增加；使柱的偏心距增大；引起试件或结构的内部应力重分布；引起预应力混凝土结构中的预应力损失。影响徐变的因素：水灰比、龄期、温度和湿度、材料配比；徐变大小还与集料级配、粗集料最大粒径、养护条件、受荷种类、试件尺寸及试验时的温度等有关。此外，混凝土的应力条件也是影响徐变的重要因素。加荷时龄期,3.钢筋混凝土材料的力学性能,越长，徐变越小，应力越大，徐变越大。当初始应力水平 0.5时，徐变值与初应力基本上成正比，这种徐变称为线性徐变。当初应力在(0.50.8)fc 范围时，徐变最终虽仍收敛，但最终徐变与初应力不成比例，这种徐变称为非线性徐变。当初应力大于0.8fc时，混凝土内部微裂缝的发展已处于不稳定的状态，徐变的发展将不收敛，最终导致混凝土的破坏。因此将0.8fc作为混凝土的长期抗压强度。（2）混凝土的非受力变形 1.收缩与膨胀 混凝土在空气中硬化时体积会缩小，这种现象称为混凝土的收缩。混凝土在水中或处于饱和湿度情况下硬化时体积增大的现象称为膨胀，但其值较小，对混凝土影响不大。混凝土收缩的原因主要有两个：化学收缩和干缩变形。混凝土在硬化过程中，由于水泥水化产物的体积小于反应物（水泥与水）的体,3.钢筋混凝土材料的力学性能,积，导致混凝土在硬化时产生收缩，称为化学收缩。2.温度变形 温度变化时，混凝土的体积同样也有热胀冷缩的性质。大体积混凝土工程，硬化初期，内部水化热造成较大内外部温差，产生极大的温度应力，导致混凝土表面开裂。3.4.3 混凝土的选用原则 规范规定：钢筋混凝土结构中混凝土的强度等级不得低于C15；当采用HRB335级钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C20；当采用HRB400和RRB400级钢筋以及承受重复荷载的构件，混凝土强度等级不得低于C20。预应力混凝土结构的混凝土强度等级不宜低于C30；当采用预应力钢丝、钢绞线、热处理钢筋作预应力钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C40。垫层、地面混凝土和填充用混凝土可采用C10。,3.钢筋混凝土材料的力学性能,3.5 钢筋与混凝土间的粘结与锚固 钢筋与混凝土协同工作的三个条件：良好的粘结力；非常接近的温度线