钢筋混凝土截面配筋及变形的应变法

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论文字数:55855 论文编号:sb2021111010584539523 日期:2021-11-27 来源:硕博论文网
本文是一篇土木工程论文,本文的主要结论有:  (1)、在钢筋混凝土圆形截面非均匀配筋的诺谟图中,经过简单的计算求解得到无量纲弯矩,由此查图 2.19 得到内力臂系数,便可通过公式计算配筋,该法实现了圆形截面的手算配筋,避免了求解超越方程,使计算变得简单,在推导 公式过程中还考虑了因角度发生改变的钢筋重心位置,所得sa 不同,使结果更加精确,所得结果真实可信;且《规范》所给公式仅只有圆形截面的均匀配筋,若只有在一侧受力的构件内采用均匀配筋会造成钢筋的浪费,钢筋与混凝土的强度也得不到最大的利用,因此,若在仅有某一侧受力的部位采用非均匀配筋的方式配置受力钢筋,将具有更强的针对性。

第一章  绪论

1.1  钢筋混凝土的发展简况及其应用
钢筋混凝土是由钢筋和混凝土两种 不同材料所组成的。两种材料都有各自的优点,混凝土的抗压能力强于抗拉能力,与混凝土材料不同的是,钢筋的抗拉和抗压能力都很强。为了 能将两种材料的优点能够充分发挥出来,提出了将混凝土和钢筋这两种材料混合起来共同工作的思路,使两种不同性质的材料 相互配合以达到结构中受压和受拉的要求 。 其次,钢筋和混凝土两种材料的温度线膨胀系数接近 ,若发生温度变化,在温度应力的影响下钢筋和混凝土依然可以稳固的粘结在一起,共同发挥作用。除此之外,钢筋混凝土结构还有以下优点:
1、耐久性:在钢筋混凝土结构中, 混凝土会由于内部水分逐渐散发, 从而强度逐渐增强,耐久性增强;钢筋与外部不直接接触,而是具有一定厚度的混凝土保护层厚度,因此不易受到外界物质的侵蚀,保持钢筋性能。即便是钢筋混凝土处于恶劣的外界环境下,只要混凝土保护层厚度满足设计 标准,钢筋混凝土构件也能满足耐久性要求。
2、耐火性:钢筋外有一定大小的混凝土保护层厚度,对钢筋起着保护作用。若该保护层厚度满足特定环境条件下的规定 ,若发生火灾不会使钢筋因温度过高而达到熔点,造成结构整体发生破坏 ,与钢结构相比,钢筋混凝土结构的耐火性较好,若遇高温环境安全性较高。
3、整体性:钢筋混凝土结构尤其是现浇钢筋混凝土结构,由于 组成一个整体,整体性较好,在地震作用下具有较强的抵抗作用;整体性也约束了部分钢筋混凝土结构发生移动,避免结构发生破坏。
4、可模性:钢筋混凝土结构广泛应用 于生活中的方方面面,因此形状和尺寸不是完全统一的,可根据钢筋混凝土结构 的可模性将之浇制成所需的尺寸。
5、就地取材:钢筋混凝土所用的原材料 砂和石,可根据距离进行取材,避免了不必要的支出,节省造价。
6、节约钢材:钢筋混凝土结构 充分发挥了钢筋和混凝土的 性能,在条件允许的情况下可代替钢结构, 从而节省了钢材,降低造价 。
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1.2  国内外混凝土结构设计规范的发展过程及区别
随着钢筋混凝土结构在工程建设中的大量应用,我国在钢筋混凝土结构 设计标准也有不同程度的进步 。最开始由于社会不够进步,对相关 研究无法开展,因此于 1966 年颁布的《钢筋混凝土设计规范》(BJG21-66)与原苏联规范 HNTY123-55 中的内容并无太大差别 ,采用以多系数表达的极限状态设计法,但缺少预应力混凝土结构设计的内容;1974 年,在原国家建设委员会标准主管部门的组织下 颁布了《钢筋混凝土结构设计规范》TJ10-74,考虑了荷载方面以及非荷载方面等多个影响因素,在计算方法方面采取的是 综合安全系数法,采用单一安全系数表达的极限状态设计方法,增加了预应力混凝土结构设计的相关内容,开始吸收英美国家先进的标准规范内容, 同年《工业与民用建筑抗震设计规范》 TJ11-74 进入试行阶段,1987 年正式颁布,该版本所采取的抗震设计方法 从美国、苏联的设计标准中得到了一定的启发,以单水准抗震设防作为抗震设防水准,总结了国内近些年发生的主要震害经验,为后面制定与国内真实情况相符合的钢筋混凝土结构设计标准打下了基础 。
1989 年《混凝土结构设计规范》 GBJ10-89,通过国内各研究人员的不懈努力,该版本有了自己的标准,不再受他国标准的影响,在大方向上 确定了我国混凝土结构设计规范的基本模式,根据钢筋强度分项系数以及混凝土强度分项系数确定构件承载力计算公式中的各项系数,建立了结构可靠度设计体系,补充了轴向压力、轴向拉力、预应力作用下的受剪承载力的计算,填补了 TJ10-74 只适用无轴向力受剪承载力计算的空白,同时调低了箍筋受剪承载力系数,增加钢筋的用量。该版本将钢筋混凝土和预应力混凝土构件 的裂缝控制等级根据受力方式划分为三个层次,第一个层次为受拉侧混凝土不会产生拉应力的构件;第二个层次为受拉侧混凝土能够产生 但不会超过有限拉应力的构件;第三个层次为允许产生裂缝但不能超过应力极限值的构件。
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第二章  钢筋混凝土截面配筋的应变法

2.1  基本假定
在计算构件正截面承载力时,需遵守 5 个基本假定[5],分别是:
1、钢筋和混凝土的情况满足平截面假定。 平截面假定的概念具体是: 钢筋和混凝土各横截面受到外力作用后(如:受到拉力作用、受到外力挤压以及弯曲作用)不发生变形,各横截面依然垂直于杆件的轴线 。
2、钢筋和混凝土之间粘结力较好 ,摩擦力较强,两者之 间不会发生相对滑移。钢筋和混凝土之间的粘结 性能,保证了这两种材料可以共同工作。粘结力包含了水泥胶体的粘结性能、钢筋与混凝土之间的摩擦力、带肋钢筋表面与混凝土的机械咬合作用以及钢筋端部会折至一定角度,起到锚固作用,固定与混凝土之间的相对位置。
3、不考虑混凝土徐变、混凝土收缩等外部情况对结构的影响。混凝土徐变是指当荷载作用在混凝土构件上,随时间推移,变形也会随之增加,但变化过程较缓慢,这种缓慢增加的变形称为混凝土的徐变变形。相应地,混凝土收缩是指在无荷载的作用下,混凝土构件也会随着试件发生不同程度的变形,将之称为混凝土的收缩变形。
4、不考虑混凝土的抗拉强度 。当构件达到承载力极限状 态后,构件正截面会发生破坏,在破坏位置仅有一小部分混凝土可以承受外界拉力作用,但数值非常小,因此这部分抗拉强度在计算过程中可不予考虑。
5、应变、应力和轴力均以受拉为正,受压为负 。
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2.2  本构关系
2.2.1  混凝土的应力 -应变关系
根据《规范》6.2.1,可得混凝土以及钢筋的本构关系,混凝土应力-应变关系如图 2.1 所示:
图 2.1   混凝土应力-应变关系曲线
图 2.1   混凝土应力-应变关系曲线
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第三章 钢筋混凝土截面弯矩-曲率关系的应变法 ........................ 41
3.1 T 形截面内力推导方法  .................................. 42
3.2 T 形截面内力的计算公式  ................................. 43
第四章 钢筋混凝土构件的裂缝宽度控制 ................................... 71
4.1  钢筋混凝土构件产生裂缝的影响因素 [40-43] ............................ 71
4.2  裂缝宽度的计算理论  ......................... 72
第五章 结论与展望 .............................. 89
5.1  结论  ................................. 89
5.2  展望  ................................................ 90

第四章  钢筋混凝土构件的裂缝宽度控制

4.1  钢筋混凝土构件产生裂缝的影响因素 [40-43] 混凝土是一种脆性材料,抗拉强度低的特点导致了钢筋混凝土结 构在使用过程中会出现裂缝,因此只要裂缝宽度满足规范要求,该混凝土构件就可以说是安全的。
造成钢筋混凝土产生裂缝因素有[46-49]:
1、混凝土保护层厚度 、钢筋直径以及配筋率 :钢筋混凝土保护层厚度的作用之一是为了将钢筋与外部环境隔离,防止钢筋发生锈蚀 现象,从而造成构件的破坏,若保护层厚度未达到使用要求,随着构件的使用将不可避免的产生裂缝,或因在施工过程中操作不规范,导致混凝土不够密实而产生裂缝 。大量的试验研究表明,裂缝宽度与混凝土保护层厚度呈正相关的关系,但是, 混凝土保护层厚度对裂缝宽度的影响不是单一的,还会受到钢筋直径以及配筋率的影响。因此,在分析保护层厚度对裂缝宽度的影响时还应将钢筋直径及配筋率等因素考虑在内。
2、钢筋应力:钢筋应力对裂缝宽度的影响比较复杂,一直以来都没有定论,但随着科研人员的不 懈努力,形成了裂缝宽度与钢筋应力成正比的观点。
3、温度变化:第一类影响因素是混凝土在结硬过程中,水泥和水会出现水化热的现象,产生的热量使混凝土内部热量升高, 导致与外界温度产生温差,两个不同的环境下产生的温度应力可能会超过混凝土所能承受的抗拉应力,在这种因素下使混凝土产生裂缝;第二类影响因素是在对混凝土结构拆模后,若遇到外界温度降低, 由于内外界温差而产生裂缝。
4、混凝土收缩产生的裂缝:由于发生水化热现象导致混凝土内部水份减少,导致自收缩,使混凝土产生裂缝;当外部环境较为干燥时,混凝土 内外界会温度有较大区别的原因产生毛细渗透压,会使混凝土内部的水份逐渐挥发,产生裂缝;当混凝土构件厚度较大,在浇筑混凝土后由于混凝土塌落或 顶部钢筋的限制等因素导致混凝土构件产生裂缝。
图 2.3   钢筋和混凝土应变变化区域
图 2.3   钢筋和混凝土应变变化区域 
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第五章  结论与展望

5.1  结论
本论文第二章、第三章研究了从应变出发,根据受力状 况划分应变区域,由所得应变区域求解应力,再由应力求解 内力的思路,得到钢筋混凝土圆形截面非均匀配筋的诺谟图以及矩形、T 形、工字形截面的轴力-弯矩-曲率相关关系曲线大大的减少了计算的复杂性,将所需变量之间的关系清楚的展现在一副图中 ,在论文第四章验算裂缝宽度的计算中,将规范中直接求解最大裂缝宽度的方法转换为比较钢筋直径的方法同样也简化了计算。可在一定程度上为工程设计人员提供另一种计算的思路,丰富了规范中的内容。本文的主要结论有:
(1)、在钢筋混凝土圆形截面非均匀配筋的诺谟图中,经过简单的计算求解得到无量纲弯矩,由此查图 2.19 得到内力臂系数,便可通过公式计算配筋,该法实现了圆形截面的手算配筋,避免了求解超越方程,使计算变得简单,在推导 公式过程中还考虑了因角度发生改变的钢筋重心位置,所得sa 不同,使结果更加精确,所得结果真实可信;且《规范》所给公式仅只有圆形截面的均匀配筋,若只有在一侧受力的构件内采用均匀配筋会造成钢筋的浪费,钢筋与混凝土的强度也得不到最大的利用,因此,若在仅有某一侧受力的部位采用非均匀配筋的方式配置受力钢筋,将具有更强的针对性。
(2)、按照逆解法得到的在截面配筋率固定的情况下轴力-弯矩-曲率三者之间的相关关系曲线,可观察到曲线的弹性段、弹塑性段、塑性段的变化趋势;当曲线处于弹性阶段时,斜率最大,抗弯刚度也最大,中性轴基本与形心轴重合,当进入弹塑性阶段时,裂缝开始发展且达到最大值,受压区高度增大,中性轴开始远离形心轴,钢筋达到屈服极限,最后当曲线进入塑性阶段时,裂缝发展速度趋于平缓,抗弯刚度最小,但此时的延性变形能力最强。将矩形截面和 T 形截面的曲线一起进行比较,便可得到在相同条件下 T 形截面抗弯刚度强于矩形截面,但延性性能弱于矩形截面 ;在工程设计中,可利用延性系数对构件进行变形能力的判断,降低构件发生脆性破坏的概率,也可利用弯矩 -曲率曲线进行结构弹塑性稳定承载力的求解,弯矩调幅、进行弯矩内力重分布 ,且经过简单的换算便能得到在轴力固定 的情况下截面配筋率-曲率-弯矩关系曲线、弯矩-曲率-轴力以及在极限状态下的弯矩轴力相互关系 曲线,将三者之间的关系清晰的展现出来。
参考文献(略)