新编混凝土结构设计规范学习讲座.pptx

第一部分第一部分概况概况一、修订过程新规范修订历时4年多（1997-2001）召开了全体修订组会议7次大型专题研讨会15次小型研讨会40次协调会8次可靠度讨论会4次经历：初稿征求意见稿（共征求116个单位，征得意见1089条）送审稿试设计2000年11月召开全国审查会对审查意见进行专题讨论形成第二次送审稿反馈意见426条形成报批稿（部分成员参加）新规范共11章454条7个附录其中强制性条文17条,占3.7%主编单位中国建筑科学研究院参编单位17个成员27人（另有5人列席）二、修订原则（2J03/1p32J03/1p3）国内统一国际接轨补充完善安全高强国内协调统一修订时，我国有5本混凝土结构设计规范房建：GBJ10-89（国标）铁路：TB100023-99（00.2.1实施）公路：JTJ023-85水工：SL/T191-96港工：JTJ267-98面临工程市场化，必须打破部门垄断，与此相适应，高校脱离行业管理，教学改革成立大的土木工程专业；要求混凝土结构设计规范尽可能走向统一（需要较长的过程）。与国际接轨l市场化还意味着经济国际化、全球化，面临加入WTO，要求规范尽可能与国际接轨。补充完善l这是长期的需要，随着认识的深入而逐渐进步。l本次修订时：新增加的内容约占15%，有重大修订的1/3，保持或基本保持的1/2。安全高强l这是最基本的要求，但随着经济的发展可适当提高可靠度水平。四、试设计（2J03/1p42J03/1p4）对常用对常用5 5种类型共种类型共8 8个工程进行了试设计对比个工程进行了试设计对比1、单按新荷载规范住宅、办公室楼面活载厨房、厕所、食堂楼面活载风、雪荷载当永久荷载为主时2.0kN/m22.550年一遇组合中G=1.35民用板梁用钢量+78%工业楼板用钢量+6%2、按新荷载规范及新混凝土结构规范总用钢量+10%受弯构件梁、板配筋增加明显；受压构件柱、墙配筋增加不明显，因为其配筋主要取决于构造要求而不是计算结果。试设计时未计入为控制温度-收缩间接裂缝而增加的构造钢筋，否则总用钢量增加可达到+15%或更多材料成本上浮可控制在5%左右措施：采用高强材料，尤其是强度价格比较高的级钢筋（HRB400）及高强度低松弛钢丝、钢绞线做主导受力钢筋，并适当提高混凝土强度等级。应该了解：钢筋级比级强度提高70%，价格仅提高17%，约4：1；混凝土从C15到C50，强度价格提高率之比相当（各地有差异）。l例如箍筋受剪承载力设计值l现1.5下降至1.25。若箍筋仍用级，强度从310下降至300，箍筋用量即费用增加24%；若箍筋改用级，强度从310上升至360，箍筋用量增加3.3%，费用增加11%；若箍筋原来用级，现在改用细直径级，强度从210上升至360，箍筋用量及费用均不增反降。l因此，除非构造配筋，钢筋原来用级，尽可能改用级；原来用级，尽可能改用级或级；尽可能用提高混凝土强度等级来满足截面尺寸限制条件。这样对控制造价有利。同时应该加强对正常使用极限状态的验算。五、强制性条文q强制性规范750本15万条q建设工程质量管理条例（国务院279号令）q工程建设标准强制性条文（2001年3月）q新规范强制性条文17条P10未经技术鉴定或设计许可，不得改变结构用途和使用环境1p10建筑结构的三个安全等级（根据破坏后果的严重程度）1p16、19砼和钢筋的材料强度标准值及设计值4p28预应力作为荷载效应考虑时的分项系数1p113保护层厚度1p119最小配筋率1p162、163锚筋、吊环2p165、166、169、172、178、193抗震6q今后趋势建筑法规、规范技术性条文、企业标准第二部分第二部分 新规范主要修订内容简介新规范主要修订内容简介（分若干问题介绍）一、材料及强度(第4章)（一）混凝土1、混凝土强度等级fcuk取消C7.5、C10增加C65、C70、C75、C80从C15到C80以5N/mm2为级差共分为14个强度等级。2、强度标准值（保证率不低于95%）fck fc平均=1fcu平均 fck=0.8812 fcuk0.88构件与试件强度比值1 试件摩阻力影响系数C501 =0.76（原规范）C801=0.822 脆性影响系数C502 =1.0（原规范）C802=0.87ftk3、强度设计值目的：适当提高混凝土结构的安全度并逐步与国际混凝土结构安全度接近（RC构件特别是受压构件的安全度比国外偏低较多）。（二）钢筋原规范中钢筋品种存在的问题：（1）强度偏低（比国外低一个强度等级，用量增加导致费用提高、施工困难、工作量加大）（2）细钢筋热轧的长期缺乏规模生产，自行冷加工的质量不稳定。需求有上升趋势。（3）级钢推广慢（4）预应力钢筋用冷拉钢筋延性差新规范（1）钢筋混凝土用1990年代以来，冶金部门利用我国的钒资源优势，生产出质量高价格低的Hotrolled,Ribbed,Bar热轧钢筋HRB400新级主导HRB335辅助HRB235辅助RRB400余热处理钢筋fyk与冶标一致，分400、335、235三档，相应地fy=360、300、210：（2）预应力混凝土用q钢丝光面Plain后张法钢筋束螺旋肋Helix先张法刻痕Indented（三面刻痕）q钢绞线Strand1317q热处理钢筋HeatTreatedpHISHT预应力筋的强度标准值fptk是具有95%保证率的抗拉强度值，有1570、1670、1860等5种规格。其设计值取条件屈服点除以分项系数：设计值提高了约4%，是考虑到冶金系统采用了国际标准，质量提高新规范表中不同直径与不同fptk配套。现在据说对所有直径，5种fptk都有。新规范未列入冷加工钢筋（质量不稳定，其它品种有供应）。贰、耐久性设计(3.4)l耐久性能是混凝土结构应满足的基本性能之一,与混凝土结构的安全性和适用性有着密切的关系。混凝土结构设计规范GBJ10-89中关于耐久性能的设计规定是隐含在相关条款之中的。随着对耐久性问题重视程度的提高,新修订的混凝土结构设计规范GB50010中增加了耐久性设计的专门规定。l为了便于有关技术人员了解混凝土结构的耐久性问题和理解耐久性设计的规定,介绍下面三个问题:l(1)混凝土结构的耐久性问题;l(2)延长混凝土结构使用年限的措施;l(3)混凝土结构耐久性设计方法及相应规定一、混凝土结构的耐久性问题l混凝土结构的耐久性问题可分成钢材问题和混凝土问题两大类。钢材问题主要指钢筋的锈蚀,此外还有钢筋的氢脆、应力腐蚀、疲劳、低温脆断等问题;混凝土问题可分成:碱骨料反应和环境作用问题,环境作用可分成化学物质侵蚀、冻融损伤、机械物理损伤等。1.钢筋的锈蚀问题l钢筋锈蚀是混凝土结构最常见和量最大的耐久性问题。l新成型混凝土的孔隙溶液中含有氢氧化钙,pH值较高,呈碱性。在这种情况下,钢筋表面可形成钝化膜,钢筋处于钝化状态。钝化膜对钢筋起到保护作用,处于钝化状态的钢筋不会锈蚀。当钝化膜遭到破坏时,钢筋则具备锈蚀的条件。l在下列三种情况下钢筋表面的钝化膜可遭到破坏:混凝土碳化(中性化)、混凝土遭受氯污染和环境中缺氧。l二氧化碳、二氧化硫等气体及其他酸性物质可通过混凝土的孔隙进入混凝土的内部,与混凝土孔隙溶液中的氢氧化钙发生化学反应,使溶液的pH值降低,钢筋出现脱钝现象。如果有足够的氧和水,钢筋就可以锈蚀。钢筋锈蚀产物的体积膨胀,将保护层混凝土胀裂,继而剥落。l氯污染可分成内掺型和外侵型。内掺型是指混凝土成型时使用了含氯的原材料,如海砂、海水或含氯的外加剂等。外侵型是指环境中的氯离子通过构件表面侵入到硬化的混凝土内部,达到钢筋表面。外侵型氯污染常见于使用含氯原材料的工业环境、海洋环境、盐渍土与含氯地下水的环境和使用化冰盐的环境等。游离的氯离子使钢筋表面的钝化膜破坏,使钢筋具备了锈蚀条件。l有资料表明:钝化膜保持完好需要相当于0.20.3.mA/m2的氧流量。如果氧流量低于此值,钝化膜厚度会逐步减小直至完全消失,导致钢筋非常缓慢地锈蚀。此种情况常见于水中或土中的混凝土构件。l除了上述几种情况外,杂散电流会加速钢筋的锈蚀速度。因为钢筋的锈蚀过程本身就是一个电化学过程,在杂散电流的影响下,钢筋的电位发生变化,钢筋锈蚀速度加快。电线杆、绝缘不好的与直流或交流电有接触的构件上可看到这种现象。2.钢筋的其他问题 l除了锈蚀问题外,钢筋还有氢脆、低温冷脆、应力腐蚀和疲劳等问题。l氢脆是指氢原子进入钢筋的内部,使钢筋局部产生较高的内应力,产生脆断。这种破坏现象常见于使用铝制套管的预应力钢材的施工阶段。在水泥水化过程中,与铝制品会产生一定量的氢,氢原子进入钢筋的内部的可能性增大,加上预应力钢材张拉应力较高,有可能产生氢脆破坏。但是混凝土完全硬化后,进入钢材内部的氢原子会被逐渐地释放出来,使钢材产生氢脆破坏的可能性降低。l低温冷脆是钢结构常见的问题。北方室外的钢结构,如桥梁、钢储仓等,有出现低温冷脆破坏的事例。钢筋混凝土结构也会出现低温冷脆的问题,主要出现在钢筋搭接不合理和出现应力集中的部位。l应力腐蚀破坏是钢材在高应力状态下的腐蚀断裂破坏。应力会使钢材中的电位产生变化,加上环境的作用使腐蚀速度加快,特别是腐蚀达到一定程度,由于钢材处于高应力状态而产生脆断。l钢材的疲劳破坏也属于耐久性问题,由于以往研究得相对较多,这里不再介绍。3.混凝土的冻融破坏 l关于混凝土冻融破坏的机理有多种理论,有珂林斯(A.R.Colilins)于1944年提出的水的离析成层理论,鲍尔斯于1945年提出的冰压力和溶液迁移压力理论和随后与海尔姆斯提出的渗透压力理论,瑞典学者1975年提出的临界饱水理论以及我国吴中伟院士提出的孔结构理论。迄今为止,国内外尚未得到统一的结论。l总的来说,在环境温度下降和升高的作用下,混凝土孔隙中的溶液冻结与融化会使混凝土产生冻融破坏。这种破坏是混凝土微观结构损伤的逐渐积累造成的宏观破坏。破坏的前期是混凝土强度降低,弹性模量降低,接着是混凝土由表及里的剥落。l我国部分地区室外混凝土结构存在冻融损伤问题,北方问题更为明显,特别是与环境水接触较多的结构和构件问题相对严重,如电厂的通风冷却塔、水厂的水池、建筑物外露的阳台、水工结构、港工结构等。l当混凝土孔隙溶液中含有一定量的氯离子时,混凝土的冻融破坏加剧。一般称之为盐冻。海港工程、使用化冰盐的混凝土高速公路、城市立交桥和停车场等均有这类问题。4.化学物质的侵蚀 l化学物质的侵蚀是混凝土结构耐久性中最为复杂的问题。复杂的原因是在于化学物质的种类多,随机性强,对混凝土的作用效应不易准确确定。但归纳起来,化学物质的侵蚀可分成酸侵蚀、碱侵蚀和硫酸盐侵蚀三大类。l酸性物质对混凝土中的水泥水化物有侵蚀作用,使其中的氢氧化钙变成可溶性的钙盐,使混凝土丧失强度。典型的酸性物质侵蚀的损伤特征为:混凝土呈黄色,水泥水化物剥落,粗骨料外露或剥落。l工业污染、酸雨、酸性地下水及酸性土壤等均可对混凝土构成酸侵蚀。l固体的碱对混凝土的侵蚀作用较小,而熔融状的碱或碱的浓溶液对水泥的水化物有侵蚀作用。其侵蚀作用主要有化学侵蚀和结晶侵蚀。化学侵蚀是碱溶液与水泥水化物之间产生化学反应,生成胶结力不强且易为碱液浸析的产物。结晶侵蚀是由碱溶液渗入混凝土的孔隙,形成具有膨胀力的结晶体,使混凝土被胀裂并逐渐剥落。l在混凝土结构中,化学侵蚀最广泛的形式是硫酸盐侵蚀。硫酸盐一般是指硫酸钠和硫酸镁等。硫酸盐通常存在于地下水和土壤中,硫酸盐是海水中主要的化学成分之一。一些工业厂房中硫酸盐侵蚀也比较严重。l硫酸盐溶液与水泥水化物中的氢氧化钙及水化铝酸钙发生化学反应,生成石膏和硫铝酸钙,产生体积膨胀,使混凝土被胀裂并逐渐剥落。5.碱骨料反应 l碱骨料反应是指水泥水化过程中释放出来的碱金属与骨料中的碱活性成分发生化学反应造成的混凝土破坏。破坏形式主要有两种：碱一硅酸反应和碱一碳酸盐反应。l碱一硅酸反应是指碱性溶液与骨料中的硅酸类物质发生反应,形成凝胶体。这种凝胶体是组分不定的透明的碱一硅混合物,会与混凝土中的氢氧化钙及其他水泥水化物中的钙离子反应生成一种白色不透明的钙硅或碱一钙一硅混合物。这种混合物吸水后体积膨胀,使周围的水泥石受到较大的应力而产生裂缝。由多个这样的膨胀体产生的应力会互相作用,使裂缝连通加宽。通常,膨胀的反应生成物围绕着活性骨料形成一道白色的边缘,在开裂前,混凝土表面会起皮。l碱一碳酸盐反应是水泥水化物中的碱与骨料中的碳酸盐发生反应。骨料中的陶土矿和结晶状岩石的存在会影响这些反应的速度。6.其他损伤 l除了上述问题外,混凝土还会有机械物理损伤、大气侵蚀、生物侵蚀、溶蚀等问题。l机械物理损伤包括磨损、空蚀、冲撞等。l一般建筑的混凝土地面和楼梯可出现磨损,更为典型的是混凝土路面和机场跑道,含泥砂量较大的水流也会磨损混凝土。l沿混凝土表面高速流动的气体或水流会产生负压区,在负压区的混凝土会产生空蚀破坏,破坏的特征是成片的混凝土受拉破坏。l在工业建筑中和道桥上经常出现冲撞损伤。l大气侵蚀作用除了酸雨、空气污染的损伤外,长期的雨水冲淋和风沙影响也会造成混凝土的损伤。l长期浸泡在流动的水中的混凝土,其氢氧化钙等有效成分会被水溶解并带走,使混凝土的强度减低,随后产生破坏。l生物损伤常见于海洋环境和城市排污工程。7.耐久性问题的特点 l混凝土结构耐久性问题具有以下三个特点：l(1)多数损伤发展的速度较慢,往往需要若干年甚至几十年的时间,这就是称这些问题为耐久性问题的原因。l(2)耐久性问题是多种因素共同影响的结果。如北方的海洋混凝土工程,有混凝土碳化钢筋锈蚀问题,也有氯离子侵蚀和冻融问题,还有海水冲击和海砂磨损等问题,当然还有化学物质侵蚀和生物侵蚀的问题。l(3)大多数损伤是由构件表面开始的,所以有人称耐久性问题是混凝土结构的皮肤病。二、延长混凝土结构使用年限的措施 l延长混凝土结构使用年限的措施较多,应根据实际情况采取行之有效的措施。避免水分侵袭、提高混凝土的抗渗透性和合理的使用与维护是延长混凝土结构使用年限的带有普遍意义的措施。1.避免水分的侵袭 l大多数混凝土结构的耐久性问题都与水有关。l在干燥环境中,即使保护层混凝土完全碳化,钢筋也不会锈蚀。l水是氯离子及其他有害化学物质进入混凝土内部的载体。在构件表面湿润时,溶于水中的有害化学物质随水进入构件表层。在干燥的周期,混凝土中的部分水分蒸发,有害物质却留在混凝土中。混凝土含水率较高时,有害化学物质从构件表面向内部扩散的速度快;混凝土含水率低时,扩散速度慢。l含有等量氯离子的混凝土构件,在干燥的环境中,钢筋锈蚀速度慢,在潮湿的环境中,钢筋锈蚀速度快。l干燥的混凝土冻融破坏和碱骨料反应的速度极慢。l因此延长混凝土结构使用年限的首要措施是解决环境水的问题。l解决环境水问题的主要措施是减少水分与构件接触的构造措施和排水措施。构件表面涂刷防水涂料、设置装饰层、防雨水挑檐、防溅隔板以及檐口的滴水等都可起到防止水与构件接触的作用。尽快排水可避免水分侵入混凝土内部较深和很快干燥,减少其影响深度和作用时间。2.减小混凝土的渗透性l减小混凝土的渗透性主要是使混凝土内部贯通的毛细孔的直径减小、数量减少,使有害物质扩散的速度减慢。提高混凝土的强度等级、降低混凝土拌和物的水灰比、确保振捣密实、使用合适的掺合料和外加剂等都可以减小混凝土的渗透性。在施工时,将混凝土表面压光可将毛细孔阻断,是一种经济有效的减小混凝土渗透性的措施。3.使用与维护l通常认为,设计质量与施工质量是决定混凝土结构耐久性的主要因素。实际上,结构的使用方也是决定结构耐久性的主要方面,从某种意义上讲,使用方的作用更为重要。l使用方在对混凝土结构耐久性方面起到的作用有三种,其一为不随便改变结构的用途,其二为避免对结构或构件造成人为的损伤,其三为定期检查与维修。l在我国混凝土结构耐久性状况调查时发现,随便改变结构的用途造成结构寿命缩短的事例相当多。如某港口储仓，原设计存储袋装食糖,后改为散装化肥;化肥含氯,散装则使化肥的细小颗粒四处飞扬。用途改变了却没有相应的防护措施,使用34年后,混凝土构件钢筋锈蚀,保护层混凝土胀裂。l结构的改造等容易造成构件的损伤,如在构件上开口凿洞,有些甚至将钢筋凿断,这些都会影响结构的使用寿命。l定期检查可以尽早发现结构存在的问题,及时的维修可将存在的问题尽快地解决,避免劣化的发展。定期的检查与及时的维修是延长结构使用寿命的重要措施。l除了上述带有普遍意义的措施外,在特定条件下采取特殊的措施也是十分必要的。如限制混凝土中的碱含量、使用环氧涂层钢筋等。三、混凝土结构的耐久性设计及耐久性规定混凝土结构设计规范GB50010在耐久性规定中首先阐明了混凝土结构耐久性设计工作的特点一一根据环境类别和设计使用年限进行设计。1.耐久性设计工作的特点l混凝土结构的耐久性设计所要解决的主要问题是环境作用与材料抵抗环境作用能力的问题。耐久性设计时应根据环境类别采取相应的对策。例如,在有碱活性骨料的地区,限制混凝土中的碱含量是设计工作中必不可少的措施;在有人为侵蚀性化学物质的工业建筑中,选择合适的防腐涂料,避免混凝土直接暴露在侵蚀性物质之中是保证结构使用年限的关键问题。衡量材料抵抗环境作用能力的主要指标是时间,其具体的体现是结构的设计使用年限。对设计使用年限为100年的混凝土的要求肯定与对临时性结构的混凝土要求不同。根据环境类别和设计使用年限的设计方法是耐久性设计有别于承载能力等设计的关键。2.耐久性设计方法l目前,关于混凝土结构耐久性的设计方法有两种方法,其一是宏观控制的方法,其二为极限状态设计方法。l宏观控制是将具有代表性的环境不严格定量地进行区分,根据环境类别和设计使用年限,对结构混凝土提出相应的限制要求,保证其耐久性能。这种方法的优点是易于理解、便于操作,缺点是不能准确定量。混凝土结构设计规范GB50010采取了这种划分方法，将混凝土结构的环境分为五类：室内正常环境、室外环境或类似室外环境、氯侵蚀环境、海洋环境和化学物质侵蚀环境。l这种划分方法与欧洲规范的划分方法基本一致。在对结构混凝土提出要求时,将试验研究结果、混凝土耐久性长期观测结果与混凝土结构耐久性调查的情况结合起来,根据使用环境的宏观情况和设计使用年限情况,使要求具体化,使之能满足耐久性要求。一类室内正常环境二a类室内潮湿环境，露天的、与水土接触的环境（非寒冷地区）二b类露天的、与水土接触的环境（寒冷地区）三类使用除冰盐的环境，寒冷地区水位变动区，滨海室外四类海水环境五类侵蚀性物质影响的环境l极限状态的设计方法是将上述分类加上侵蚀性指标细化,如室内环境根据常年温度、湿度、通风情况阳光照射情况等定量细化。材料抵抗环境作用的能力要通过试验研究、长期观测和现场调研统计得到的计算公式的验算来体现。以混凝土碳化造成的钢筋锈蚀问题为例来说明这种方法。先计算碳化深度达到钢筋表面所需要的时间t1,在计算时要考虑混凝土的孔隙结构、氢氧化钙的含量、环境中的二氧化碳含量、空气温度与湿度等因素。然后,计算钢筋锈蚀达到允许锈蚀极限状态的时间t2,在计算时要考虑混凝土的孔隙结构、保护层厚度、空气温度与湿度和钢筋直径等因素。令t1+t2大于设计使用年限,则满足耐久性要求。l从目前的情况来看,按极限状态方法进行设计的条件还不够成熟。3.相应规定的说明l混凝土结构设计规范GB50010对设计使用年限为50年,处于一类、二类和三类环境中的结构混凝土作出规定。主要包括混凝土强度等级、水灰比、水泥用量、混凝土中氯离子含量、混凝土中的碱含量、保护层厚度等。l大量的材料性能的研究表明：水灰比、水泥用量、水泥品种决定了混凝土的渗透性能。考虑到结构设计人员的习惯,混凝土结构设计规范GB50010对混凝土强度等级作出规定。这是因为混凝土强度等级可综合反映水灰比、水泥等级和水泥用量的情况。l一般情况下,水泥用量太少不利于混凝土的耐久性。但近年来研究表明,水泥用量太大未必是好事。水泥用量大,水泥水化热量大,混凝土收缩量大,易产生裂缝。有害物质容易通过裂缝侵入混凝土内部。l对于混凝土中氯离子含量的限定,与目前国内相应标准的规定基本一致。所不同的是混凝土结构设计规范GB50010规定的是硬化混凝土中的氯离子含量,包括拌合物中掺加的氯离子和从外部侵入的氯离子。特别应当指出的是,预应力混凝土拌合物中不得掺加氯化物。考虑到水泥、砂和水中多少会有些氯离子,规范的限值未定为零。l对于四类和五类环境中的混凝土结构,混凝土结构设计规范GB50010未作出具体的规定,设计工作可参考港工混凝土结构设计规范和工业建筑防腐蚀设计规范的规定。l对于设计使用100年,处于一类环境的混凝土结构,混凝土结构设计规范GB50010作出了专门的规定。这些规定包括混凝土强度等级、氯离子含量、骨料、混凝土碱含量、保护层厚度、表面防护措施等。特别是提到定期维护的要求。l根据国内混凝土结构耐久性的调查,我国有使用了7080年的正常室内环境的混凝土结构构件,这些构件基本没有问题,即使碳化深度超过保护层厚度,钢筋也不锈蚀或锈蚀量较小。这些构件的混凝土强度等级一般不到C15。因此,适当提高混凝土强度等级、对氯离子含量、碱含量予以限制、规定了定期维修的措施,一类环境设计使用年限100年是可以得到保证的。l但是,室外构件使用年限100年是不容易保证的。调查情况表明,即使是民用建筑的室外构件,一般使用寿命也只有3040年。这些构件主要为阳台、雨罩和挑檐等。避免直接受到雨水冲淋、避免构件积水或积雪,增加面层等防护措施,能够延长构件的使用寿命。更为重要的是定期的检查与维护。l至于结构混凝土抗渗和抗冻性能的设计,可参考有关标准的规定。二、耐久性(小结)1、耐久性问题的严重性2、环境类别一类室内正常环境二a类室内潮湿环境，露天的、与水土接触的环境（非寒冷地区）二b类露天的、与水土接触的环境（寒冷地区）三类使用除冰盐的环境，寒冷地区水位变动区，滨海室外四类海水环境五类侵蚀性物质影响的环境3、混凝土的耐久性要求提出了水灰比、水泥用量、强度等级、氯离子含量、碱含量等限制。4、结构设计的问题q不积水、潮气能散发q恶劣环境慎用薄肋型结构q保护层厚度q表面保护q环氧涂层钢筋（3类环境宜用）三、结构分析(第5章)1、如何看待“结构分析”一章2、内力分析方法q线弹性分析方法q考虑塑性内力重分布弯矩调幅法（连续梁、刚架）q塑性极限分析方法塑性铰线法、条带法（板）q非线性分析方法有限元法（板、壳及实体结构）q试验分析方法（复杂体型结构、新型结构）3、混凝土的多轴强度与本构关系（附录C）增补结构分析的原因（Why）l在混凝土结构工程的设计过程中,结构在各种荷载作用下的力学效应分析和其构件的构造设计或性能验算,是不可或缺、且相互影响的两大部分。对于保证结构的安全使用而言,前者的重要性决不亚于后者。l我国混凝土结构设计规范GBJ10-89和解放后相继颁发的同类规范或规程中,绝大部分的篇幅和条款都是针对构件的截面承载力、变形和裂缝的计算方法的具体规定以及提供的相关材料性能指标和构造措施等,有关结构分析的内容极少。只在个别条款中提到一些原则性的指示,例如连续梁(板)考虑塑性内力重分布分析方法的应用和限制。俄国(包括前苏联)历来的混凝土结构设计规范也是如此。l反观欧美等国家的混凝土结构设计规范中,结构分析的内容都占有重要的地位和相当大的篇幅,且常独立成章。除了列出对结构分析的一般性原则指示外,还按不同类型的结构体系,如框架、双向板、深梁、墙、壳体等给出具体的计算方法,甚至给定确切的计算参数(如弯矩系数)值。显然,这类规范对于统一结构的分析方法、提高设计质量、保证结构安全,并对推行或鼓励采用先进的分析方法等起着有益的作用。l如今,我国的国民经济高速地发展着,基本建设事业方兴未艾,混凝土结构的应用范围和规模不断扩大,结构设计中常常出现一些新的情况。例如:许多结构,尤其是高层建筑和大型公共建筑的结构体形不规则,受力状况复杂,结构分析的难度较大;结构的类型、布置和构造出现新的方案;电子计算机的运算能力空前增强、促使计算方法的革新,且电算日益普及,更多地取代手算;有些重大结构工程要求进行非线性全过程分析;某些结构分析方法的应用范围尚有争议等。因此,在结构设计时合理地选择分析方法:确定力学模型和所需参数值;检验计算结果的可靠性和准确度等,成为提高设计质量、确保结构安全的重要环节。所以,结构分析部分应在设计规范中占有相应的位置。此外,我国在多年规模宏大的结构工程建设中积累的丰富经验,也可在规范中加以反映。结构分析的基本要求（How）l结构设计要保证建筑物的安全使用,对结构分析的基本要求就是:依据设定的结构方案和布置、确定合理的计算模型和分析方法、采用可能的不利荷载(作用)状况、通过分析运算,提交准确可靠的结构作用效应。l因此,结构分析中所采用的各种简化或近似假设、数学运算方法等都应有理论的或试验的验证,或者有工程经验确认其可靠性;所确定的力学计算模型应符合结构的实际受力状况,并有相应的构造措施作保证;取用的各种参数值,如构件尺寸、荷载(作用)和材料的性能指标等应与结构的实际工作条件一致;还应概念清楚、易于应用、便于校核和纠错。l每一种结构分析方法都必定用到三类基本方程,即力学平衡条件、变形协调(几何)条件和本构(物理)关系。由于各类分析方法的基本原理和数学运算过程的差别很大,对此三类方程可有不同的处理方式。其中,结构的整体、或其中任一部分的力学平衡条件都必须满足;结构的变形、包括边界条件、支座和节点的约束条件、截面变形条件等、若难以严格地满足,可在宏观上近似地满足;材料或各种计算单元的本构关系,则应选取合理的模型、尽可能地符合或接近钢筋混凝土的实际性能。l结构分析时应用电子计算机进行运算的情况日益普及。这是确保计算的准确性、节约工时、加速设计进程、解决复杂结构的疑难分析问题的十分有效的手段,是结构分析技术发展的必然趋势,今后必将更多、更广泛地取代工程师的手算。设计人员进行结构的电算分析时,只需按照程序规定的要求,输入原始数据和操作运行,随即可获得结构分析的全部结果。但是,他们对于繁复的大量运算过程和中间数值并不清楚,如果电算程序本身存在问题、甚至错误,或者输入的任一数据因格式、符号、单位或数值有误,都将失之毫厘、差之千里,引起谬误的计算结果,且很难及时发现。l为了保证结构分析的正确,设计中采用的商用电算程序或自编的程序都必须经过严格的考核和验证,所依据的分析方法和确定的技术条件都应符合设计规范的要求。设计人员在选定电算程序、进行运算之前,应认真阅读程序说明书,全面、准确地理解程序中采用的分析方法、基本假设、近似性和适用条件等,检查是否适合设计对象;在运算时,应严格按照程序的要求输入数据和获取计算结果;完成运算后,应采取有效方法对每一份电算结果进行必要的判断和校核,确认其合理、可靠后方可用于工程设计。结构分析的方法分类（What）l混凝土结构的设计,除了应遵循本规范外,还有一些相关的设计规范或规程,对于特定的结构类型或受力条件、给出了结构分析的详细要求和规定,可予参照执行。l钢筋混凝土结构是由两种性质迥异的材料组合而成。其中,钢材(筋)的性质接近理想弹塑性,而混凝土的拉、压强度相差悬殊、应力-应变关系为非线性变化,超过强度峰值点后还有应力下降段。因此,任何一个设计合理的钢筋混凝土结构在荷载作用下,必经历一复杂的受力破坏过程:开始时出现短暂的弹性阶段;随后进入混凝土受拉开裂和出现少量塑性变形的使用阶段:至钢筋屈服后,结构局部形成塑性饺,发生塑性内力重分布阶段;最终达到结构的承载能力极限状态;其后,还有变形继续增大、但承载力逐渐下降的阶段。可见,混凝土结构的内力和变形是一个不断变化的非线性过程,其变化幅度主要取决于结构体系的类型和布置、各部分的配筋数量和构造、以及材料的力学性能等因素而有很大差别。l结构分析方法可基于混凝土结构的不同受力阶段。有的方法可用于一切受力阶段、多数方法则只适用于个别阶段。工程中现用的结构分析方法、按其力学原理和其针对的受力阶段可分为五类,各类方法的特点、适用条件和应用范围扼要说明如下:1.线弹性分析方法 l这类方法假设混凝土结构的材料和构件均为匀质的线弹性体,故二、三维结构分析中所需的刚度矩阵或柔度矩阵、弹性模量E和泊松比、或杆系结构分析中所需的杆件截面刚度(EI)均取为常值,不随荷载或材料应力值而变化。因而,在确定的荷载(作用)状况下,结构分析有唯一解,其内(应)力和变形均随荷载值按比例增减。l线弹性分析法是最基本和最成熟的结构分析方法,也是其他类分析方法的基础和特例。线弹性分析法可应用于一切形式的二、三维结构和杆系结构体系。一些体形和受力复杂的特殊结构,当没有简捷可靠的专门分析方法时也常采用。至今,国内外已建成的混凝土结构中,大部分都按此类方法进行分析并设计。l线弹性分析法当然是以结构的弹性阶段的受力特点为依据建立的,但也可应用于对混凝土结构其他各受力阶段的分析。超静定结构的试验表明:在受拉钢筋屈服、所在截面及其附近区段形成塑性饺之前,由于混凝土受拉开裂和受压塑性变形等原因使构件(截面)刚度减小,各部分相对刚度发生变化而引起的结构内力重分布的幅度不大,实际内力分布与线弹性法计算值的差别约在工程的允许范围以内。因而在验算混凝土结构的正常使用极限状态时,仍可采用线弹性分析的结果。l按承载能力极限状态设计超静定结构时,采用线弹性分析所得的构件(截面)内力,以及按此内力用规范的截面极限状态法计算配筋,逻辑上似有矛盾。但是,从理论上分析、试验也有验证,虽然混凝土结构在使用阶段和塑性内力重分布阶段的内力都与线弹性法的计算值有出入,而在实现内力充分重分布、形成破坏机构时,其最终的内力分布取决于各截面的极限弯矩值,仍与线弹性分析一致。故线弹性分析法也适用于结构承载能力极限状态的验算,同样可保证结构的安全,且实用上简易可行。结构工程的无数实例,足以证实其可靠性。l当然,其条件是构件(截面有足够的塑性转动能力,能保证结构的内力充分重分布,还需符合正常使用极限状态的要求。混凝土结构在使用阶段因为混凝土开裂、刚度减小而变形增大,内力重分布又影响其他部分的混凝土开裂,必要时应作验算。2.考虑塑性内力重分布的分析方法 l超静定结构在达到承载能力极限状态之前,总要发生程度不等的塑性内力重分布,最终的内力分布主要取决于各构件(截面)的配筋和极限弯矩值。主动地利用混凝土结构的这一特点、确定其设计内力值,具有简化计算、节约钢材、调整布筋、方便施工等优点。l考虑塑性内力重分布的结构分析方法有多种,比较简便、且应用最多的是弯矩调幅法:首先用线弹性法分析各种荷载状况下的结构内力,获得各控制截面的最不利弯矩后,对构件的支座截面弯矩进行调幅处理、并确定相应的跨中弯矩。这一分析方法已在我国应用多年,取得较好的技术经济效益,且有专门的设计规程可敷设计时采用。弯矩调幅法最适宜应用于连续梁、连续单向板和框架等结构。其他类结构,例如框架一剪力墙、双向板等也可用同样的原理进行内力调幅处理。l此类方法是针对结构的承载能力极限状态所建立。为保证结构在极限状态时实现设计内力值,各构件(截面)必须具有足够的塑性转动能力,构件的选材和配筋率等应满足一定要求。l此外,结构在使用阶段的内力分布显然不同于设计值,一些控制截面附近将提早出现裂缝。一般情况下,对弯矩调幅值加以限制,就可满足结构的正常使用性能,必要时才进行专门的验算,所需结构内力可按线弹性法分析。l有些结构不允许出现裂缝,或直接承受动荷载作用,或处于严重的侵蚀环境等情况下,为保证其安全性,不宜采用此类分析方法。3.塑性极限分析方法 l此类方法假设结构的材料或构件为刚塑性或弹塑性体,应用塑性理论中的上限解、下限解和解答唯一性等基本定理,验算结构的极限承载力,或求解结构承载能力极限状态时的内力,但不能用于结构使用阶段的分析。此类方法在欧美称为塑性分析法、在俄国则称为极限平衡法。l塑性极限分析法最常应用于双向板的设计。我国多使用塑性铰线法(上限解),欧美还使用条带法(下限解)。此法还可应用于连续梁和框架等结构的分析和设计。我国按塑性极限分析设计双向板已有数十年的工程经验,证明结构安全可靠,且计算和构造均简便易行,但也需注意满足结构在使用阶段的性能要求。l板柱体系的实用分析法l布置规则（连续多跨，跨度接近），竖向活、恒载比值不大时，板内力变化范围较小，可采用弯矩系数法直接计算两个方向柱上板带和跨中板带各控制截面（支座和跨中）的弯矩设计值。系数主要依据板的弹性内力分布，并考虑内力重分布，参考已有试验结果和工程经验而确定。l布置不太规则时，竖载下可用等代框架法进行近似分析：两个方向都等代为梁-柱框架进行计算，再将等代梁控制截面（支座和跨中）弯矩向柱上板带和跨中板带分配，弯矩分配系数亦是参照弹性分析结果和工程经验确定的。4.非线性分析方法 l以钢筋混凝土的材料、构件(截面)、或各种计算单元的实际力学性能为依据,导出相应的非线性本构关系,并建立变形协调条件和力学平衡方程后,可准确地分析结构从开始受力、直至承载力极限状态,甚至其后的承载力下降段的各种作用效应的变化全过程。必要时还可考虑结构的几何非线性的作用效应和随时间、环境条件变化的各种作用效应。l显然,非线性分析能应用于一切类型和形式的结构体系,又适用于结构受力全过程的各个阶段。有些体形复杂和受力特殊的结构体系,其他类分析方法难以准确求解,只有非线性分析可给出满意的结果。混凝土结构的非线性分析采用了日趋成熟而多样的有限元方法,充分地利用高速发展的计算机技术,成为一种强有力的计算手段,可快速、准确地给出结构的全方位的作用效应,在实际的工程设计中起了重要作用,已经成为先进分析方法的发展方向,且不同程度地纳入国外的一些主要设计规范。l但是,非线性分析法比较复杂,计算工作量很大,所需的钢筋混凝土各种非线性本构关系尚不够完善,至今使用范围仍有限,目前主要应用于重要的大型结构工程,如水坝、核电站结构等以及在特殊作用如地震、核爆炸、温度等情况下的结构分析。5.试验分析方法 l各种结构、特别是体形和受力复杂的结构,可用钢筋混凝土、弹性材料、或其他材料制作成结构的整体或其一部分的模型,进行荷载或其他作用的试验,测定其内(应)力分布、变形和裂缝的发展,确定其破坏形态和极限承载能力等。以此为依据,可判断结构的安全性和使用阶段的性能、验证或修正计算方法、测定计算所需的参数值、修改初步设计、改进构造措施等,完成结构分析所需解决的问题。试验方法对验算结构的正常使用极限状态和承载能力极限状态均可适用。l上述的五类结构分析方法中,又各有多种具体的计算方法,有解析解或数值解、精确解或近似解。在结构设计时,应根据建筑物的重要性和使用要求、结构体系的特点、荷载(作用)状况、要求的计算精度等加以选择,有时还取决于手头的分析手段,如计算程序、手册、图表等。q单轴受压-曲线q单轴受拉-曲线q双轴强度q三轴抗压强度q多轴应力状态下的破坏准则（用oct、oct表示）q混凝土本构关系（非线性正交异性模型或其他本构模型）混凝土的多轴强度与本构关系四、正截面受弯承载力计算l理论体系相对较为完备，不变。本次修订一是为了适应混凝土强度等级提高带来的变化：混凝土应力-应变关系曲线上升段逐渐趋近于直线，相应于峰值应力的应变有所增加，下降段变陡。二是为了提高安全度，以及与国际规范接轨。l参照CEB-FIPMC90规范处理如下：1、受压区混凝土-关系2、受压区矩形应力图形取消了fcmC50C60C70C8011.00.980.960.9410.80.780.760.744、任意位置的钢筋应力si（近似公式）3、相对界限受压区高度b5、双筋矩形截面承载力公式五、正截面受压承载力计算（一）轴心受压钢箍柱螺旋筋柱0.9用于保持与偏心受压构件正截面承载力计算具有相近的可靠度，用于考虑对高强度混凝土约束作用的降低。其余完全相同。（二）偏心受压（矩形截面）（二）偏心受压（矩形截面）1、承载力公式同样取消fcm，改用1 fcea附加偏心矩，取20mm或h/30两者中的较大值。2 2、二阶效应问题、二阶效应问题二阶效应是指杆件轴力在产生了侧向位移和杆件挠曲变形的结构中引起的附加内力。偏心受压构件均应考虑。p 效应将增大柱端截面的弯矩p 效应将增大柱中间截面的弯矩二阶效应计算本属于结构分析的内容，但计算侧移与挠度时所用的杆件实际刚度不是弹性刚度，所以手算极为复杂。因