建筑結(jié)構(gòu)概述與鋼筋混凝土材料簡介第一頁，共66頁。國家大劇院

工程外部圍護結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼，是半橢圓球形，東西長軸212.2m，南北短軸143.64m，總高度46.285m。內(nèi)設(shè)歌劇院（2416席）、音樂廳（2017席）及戲劇院（1040席）及公共大廳等。屋面采用鈦金屬板，整個網(wǎng)殼外環(huán)繞人工湖（35500m2）,各種通道及入口均設(shè)在水下。設(shè)計為法國巴黎機場公司安德魯建筑師，北京市建筑設(shè)計研究院參與主體設(shè)計，整體結(jié)構(gòu)用鋼量達6750t，195kg/m。第二頁，共66頁。第三頁，共66頁。第四頁，共66頁。第五頁，共66頁。第六頁，共66頁。1A1.1.1建筑結(jié)構(gòu)的分類及應(yīng)用概況

1、按所用材料不同，可分為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)。2、按結(jié)構(gòu)受力特點分類，可分為混合結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)、排架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)及其它。第七頁，共66頁?？蚣?剪力墻結(jié)構(gòu)框架-剪力墻結(jié)構(gòu)排架結(jié)構(gòu)單層廠房第八頁，共66頁。筒體結(jié)構(gòu)上海金茂大廈是88層，建筑高度420.5m，建筑面積28.9萬平方米，于1998年8月28日竣工。鋼筋混凝土核心筒，外框鋼骨混凝土及鋼柱。第九頁，共66頁。按建筑物層數(shù)分類：高層、多層、低層自左向右：臺北101大樓、芝加哥席爾斯大樓、吉隆坡雙子星大樓、上海金茂大廈、香港國際金融中心、紐約帝國大廈第十頁，共66頁。1、按所用材料不同分類（1）鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)其主要優(yōu)點為強度高、整體性好、耐久性與抗震性好，并具有良好可塑性等。但是缺點是自重大，施工時費工費料。第十一頁，共66頁。（2）砌體則是目前建筑結(jié)構(gòu)材料中的另一主要材料。（3）磚石砌體就地取材、成本低廉、耐久性較好。缺點是砌筑勞動強度較大，結(jié)構(gòu)自重大，構(gòu)件強度不高等，其適應(yīng)范圍受到一定的限制，目前大部分用于多層民用建筑中，少量用于工業(yè)建筑中。第十二頁，共66頁。（4）鋼結(jié)構(gòu)是繼鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)之后具有發(fā)展前景的建筑材料，也是目前主要的建筑結(jié)構(gòu)材料之一。（5）木結(jié)構(gòu)建筑受木材生長周期長及開伐木材對環(huán)境帶來影響等因素，現(xiàn)在很少作為建筑結(jié)構(gòu)材料。第十三頁，共66頁。2、按結(jié)構(gòu)受力特點分類可分為：混合結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)、排架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)及其它。第十四頁，共66頁?；旌辖Y(jié)構(gòu)是由砌體和鋼筋混凝土材料共同承受外加荷載的結(jié)構(gòu)；框架結(jié)構(gòu)是由梁、柱構(gòu)件構(gòu)成承重骨架，梁柱連接方式一般為剛接，局部也可能采用鉸接。剪力墻結(jié)構(gòu)是由整片的鋼筋混凝土墻體和鋼筋混凝土樓（屋）蓋組成。第十五頁，共66頁。筒體結(jié)構(gòu)是由鋼筋混凝土墻或密集柱圍成的一個抗側(cè)剛度很大的結(jié)構(gòu)，猶如一個嵌固在基礎(chǔ)上的豎向懸臂構(gòu)件。人們對建筑物提出的多樣性要求，使得建筑結(jié)構(gòu)的形式也日益多樣化。第十六頁，共66頁。1A1.1.2建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展簡況

建筑結(jié)構(gòu)材料方面建筑結(jié)構(gòu)計算理論方面建筑結(jié)構(gòu)的施工工藝第十七頁，共66頁。建筑結(jié)構(gòu)材料方面古代建筑結(jié)構(gòu)主要以木結(jié)構(gòu)、磚石結(jié)構(gòu)為主，而近代建筑結(jié)構(gòu)則以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為主。隨著生產(chǎn)力的發(fā)展以及科研工作的開展，計算理論得到了很大的提高，新型結(jié)構(gòu)材料也不斷涌現(xiàn)。第十八頁，共66頁。建筑結(jié)構(gòu)計算理論方面從過去完全憑經(jīng)驗建造房屋到后來采用一些簡單的近似計算；從二十世紀40年代到50年代中期的破壞階段設(shè)計方法到采用極限狀態(tài)設(shè)計方法。在建筑結(jié)構(gòu)中已采用以概率論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計法，使結(jié)構(gòu)計算理論更趨完善。第十九頁，共66頁。建筑結(jié)構(gòu)的施工工藝

工業(yè)廠房及多層住宅正在向工業(yè)化方向發(fā)展，建筑構(gòu)件的定型化、標準化大大加快建筑結(jié)構(gòu)工業(yè)化進程。在高層建筑中，施工方法也有了很大的改進，大模板滑模等施工方法已得到大量的推廣與應(yīng)用。第二十頁，共66頁。建筑結(jié)構(gòu)是一門綜合性較強的應(yīng)用科學(xué)，其發(fā)展涉及到數(shù)學(xué)、力學(xué)、材料及施工技術(shù)等科學(xué)。隨著我國生產(chǎn)力的提高及結(jié)構(gòu)材料研究的發(fā)展，計算理論的進一步完善以及施工技術(shù)、施工工藝的不斷改進，建筑結(jié)構(gòu)科學(xué)將會發(fā)展到更高的階段。第二十一頁，共66頁。1A1.1.3本課程的內(nèi)容

本課程由鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)三部分內(nèi)容組成。其中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)又包括鋼筋混凝土基本構(gòu)件及鋼筋混凝土房屋結(jié)構(gòu)。第二十二頁，共66頁。1A1.1.4鋼筋混凝土的一般概念及特點

鋼筋混凝土的一般概念鋼筋混凝土是由鋼筋和混凝土兩種力學(xué)性能完全不同的材料組成的結(jié)構(gòu)材料。鋼筋是一種抗拉和抗壓能力都很強的材料，混凝土是一種抗壓能力強而抗拉能力卻相對較弱的脆性材料。第二十三頁，共66頁。素混凝土梁鋼筋混凝土梁：受拉區(qū)配220鋼筋FF=13.4KN截面開裂并破壞Fcr=15KN截面開裂;Fu=87KN截面破壞。200300Fft200300220梁的承載力大大提高，梁的受力性能改善。第二十四頁，共66頁。鋼筋和混凝土這兩種性質(zhì)不同的材料之所以能有效地結(jié)合在一起而共同工作，主要是因為二者存有粘結(jié)力、混凝土保護層以及兩種材料的溫度線膨脹系數(shù)接近等因素。第二十五頁，共66頁。2、鋼筋混凝土的特點

(1)強度較高：(2)鋼材用量少：(3)耐久性好：(4)耐火性好：(5)可模性好：(6)整體性好：(7)材料來源廣泛，便于就地取材：第二十六頁，共66頁。1A1.1.5-7鋼筋混凝土材料1A1.1.5鋼筋的主要力學(xué)性能1A1.1.6混凝土主要力學(xué)性能

1A1.1.7鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)

第二十七頁，共66頁。1A1.1.5鋼筋的主要力學(xué)性能

1、鋼筋的強度和變形

2、鋼筋的成分、級別、品種3、鋼筋的冷拉和冷拔4、鋼筋的形式5、建筑結(jié)構(gòu)對鋼筋的要求

第二十八頁，共66頁。1、鋼筋的強度和變形

建筑結(jié)構(gòu)用的鋼筋，一般可分為兩類：有明顯流幅的鋼筋（也稱軟鋼）和沒有明顯流幅的鋼筋（也稱硬鋼）。這兩類鋼筋拉伸試驗的典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖1-2及圖1-3所示。第二十九頁，共66頁。se鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Stress-StrainRelation

◆一、有明顯流幅的鋼筋Rebarwithyieldpointa’為比例極限proportionallimits=Esea’a為彈性極限elasticlimitade為強化段strainhardeningstagebb為屈服上限upperyieldstrengthc為屈服下限，即屈服強度fyloweryieldstrengthcdcd為屈服臺階yieldplateauefue為極限抗拉強度fu

ultimatetensilestrengthfyf圖1－2第三十頁，共66頁?！舳?、無明顯流幅鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

Rebarwithoutyieldpointa點：比例極限，約為0.65fua點前：應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為線彈性a點后：應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為非線性，有一定塑性變形，且沒有明顯的屈服點強度設(shè)計指標——條件屈服點(Equivalentyieldpoint)殘余應(yīng)變?yōu)?.2%所對應(yīng)的應(yīng)力《規(guī)范》取s0.2=0.85fu第三十一頁，共66頁。對有明顯流幅鋼筋有兩個強度指標：一是屈服臺階的下限點c點所對應(yīng)的應(yīng)力稱為鋼筋屈服強度，它是作為鋼筋混凝土構(gòu)件計算時鋼筋的強度限值，即鋼筋強度設(shè)計指標。另一個強度指標是d點的鋼筋極限強度，這是鋼筋所能達到的最大強度，而極限強度與屈服強度之比（強屈比）作為鋼筋強度的安全儲備。第三十二頁，共66頁。鋼筋的塑性變形能力。反映鋼筋塑性性能的基本指標是伸長率和冷彎性能。鋼筋拉斷后的伸長值與原長的比率稱為伸長率ε。冷彎是將直徑為d的鋼筋繞某一規(guī)定直徑為D的鋼輥（gǔn）進行彎曲，在達到規(guī)定的冷彎角度（180）時鋼筋不發(fā)生裂紋、鱗落或斷裂，就表示合格。第三十三頁，共66頁。高強度碳素鋼絲類的應(yīng)力-應(yīng)變曲線沒有明顯的屈服臺階（流幅），其強度很高，但伸長率小，塑性較差，破壞時呈脆性。對該類鋼筋通常取相應(yīng)于殘余應(yīng)變?yōu)?.2％的應(yīng)力0.85作為假想屈服點（或稱條件屈服點），其值約為0.85倍抗拉強度值。第三十四頁，共66頁。2、鋼筋的成分、級別、品種

鋼筋的化學(xué)成分主要是鐵元素，還有少量的碳、錳、硅、釩、鈦等合金元素以及其它的有害元素如磷、硫等。建筑上鋼筋可分為兩大類：碳素鋼和普通低合金鋼，圖1-4為各級鋼筋和碳素鋼絲的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。第三十五頁，共66頁。

圖1-4各級鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線第三十六頁，共66頁。熱處理鋼筋，是普通低合金鋼筋通過加熱、淬火、回火等調(diào)質(zhì)熱處理工藝，以改變其力學(xué)性能，從而獲得在塑性降低不多的情況下，強度卻大大提高，熱處理鋼筋其強度高、變形性能好，很適宜作預(yù)應(yīng)力鋼筋。第三十七頁，共66頁。3、鋼筋的冷拉和冷拔

冷拉冷拉是將鋼筋拉至超過屈服強度，即強化階段中的某一應(yīng)力值，如圖1-5所示冷拉只能提高鋼筋的抗拉強度，不宜作為受壓鋼筋。第三十八頁，共66頁。冷拉后的鋼筋沒有明顯的屈服階段，如B圖。冷拉卸載后經(jīng)過一段時間的停滯，再對其張拉，會重新恢復(fù)屈服階段而呈現(xiàn)出屈服強度提高的應(yīng)力應(yīng)變圖形；這種現(xiàn)象被稱為冷做硬化現(xiàn)象；冷拉僅提高鋼筋的抗拉強度，不提高其抗壓強度；冷拉工藝不改變鋼筋的強度級別。0σεAB冷拉第三十九頁，共66頁。冷拔冷拔是將直徑為6-8的Ⅰ級熱軋鋼筋用強力拔過比其直徑要小的硬質(zhì)合金拔絲的模具，在模具中鋼筋除了受拉外還受到很大的側(cè)向擠壓力，從而使鋼筋在長度和直徑兩個方向都產(chǎn)生塑性變形，截面積減小，長度增加，如圖1-6a所示?！兑?guī)范》把冷拔低碳鋼絲分為甲乙兩級。甲級質(zhì)量要求較嚴，可作預(yù)應(yīng)力筋，但需逐盤進行抗拉強度、伸長率及彎曲試驗；乙級只作分批檢驗，一般用作架立筋、焊接網(wǎng)片和骨架等構(gòu)造鋼筋用。冷拔鋼筋可同時提高抗拉及抗壓強度。第四十頁，共66頁。冷拔是指將光圓鋼筋以強力拉拽使其通過小直徑的硬質(zhì)合金模具，使其截面減小而長度增長；冷拔后的鋼筋的強度會大大提高；冷拔后鋼筋的塑性會降低；冷拔后的鋼筋與之前的鋼筋不屬于同一種鋼筋。0σε冷拔第四十一頁，共66頁。4、鋼筋的形式

建筑結(jié)構(gòu)所采用的鋼筋可以分為柔性鋼筋及勁性鋼筋兩類。柔性鋼筋也就是建筑結(jié)構(gòu)上用的普通鋼筋，目前常用的外形有光面、螺紋、人字紋及月牙紋等，如圖1-7所示。除光面鋼筋以外，后幾種型式的鋼筋統(tǒng)稱為變形鋼筋。一般將鋼筋的直徑在6mm以下的稱為鋼絲，直徑在6mm及以上的稱為鋼筋。勁性鋼筋是指各種型鋼、鋼軌或者用鋼板焊成的骨架。由于勁性鋼筋本身剛度大，施工時模板及混凝土的重力可以由勁性鋼筋本身來承受，可提高施工進度,簡化施工工藝。第四十二頁，共66頁。圖1-7熱軋鋼筋、中高強鋼絲和鋼絞線、熱處

理鋼筋和冷加工鋼筋

第四十三頁，共66頁。5、建筑結(jié)構(gòu)對鋼筋的要求

強度要求：強度指鋼筋的屈服強度和極限強度。鋼筋的屈服強度是結(jié)構(gòu)設(shè)計計算時鋼筋強度取值的主要依據(jù)。塑性要求：鋼筋的塑性就是要求鋼筋在拉斷前有足夠的變形能力，使鋼筋混凝土梁在即將破壞前能給人們以預(yù)告信號。可焊性要求：在正常的工藝條件下要求鋼筋焊接后不產(chǎn)生裂紋及過大變形，保證焊接后的接頭性能良好。與混凝土的粘結(jié)力鋼筋的屈服強度、極限強度、伸長率和冷彎都是施工單位驗收鋼筋是否合格的四個主要指標。

第四十四頁，共66頁。1A1.1.6混凝土主要力學(xué)性能

1、混凝土的強度

2、混凝土的變形

第四十五頁，共66頁。1、混凝土的強度（1）、混凝土立方體抗壓強度及強度等級（2）、混凝土軸心抗壓強度（3）、混凝土軸心抗拉強度（4）、復(fù)合應(yīng)力下的混凝土的強度第四十六頁，共66頁。（1）、混凝土立方體抗壓強度及強度等級混凝土強度等級應(yīng)按立方體抗壓強度標準確定。我國《規(guī)范》規(guī)定的標準測試方法是：以150×150×150mm3的立方體試件，在于28d齡期用標準試驗方法測得的具有95％保證率的抗壓強度（單位為MPa）作為混凝土立方體抗壓強度標準值。第四十七頁，共66頁。（2）、混凝土軸心抗壓強度

混凝土軸心抗壓強度也稱棱柱體抗壓強度（圖1-9），一般用h/b=3的棱柱體抗壓強度來代表混凝土單向均勻受壓時的抗壓強度。第四十八頁，共66頁。圖1-9圖1-8第四十九頁，共66頁。（3）

混凝土軸心抗拉強度

混凝土軸心抗拉強度通常采用100×100×500mm3的棱柱體，兩端設(shè)有螺紋鋼筋（圖1-10a），在試驗機上受拉，當(dāng)試件拉裂時測得的平均拉應(yīng)力即為混凝土的軸心抗拉強度?；炷恋妮S心抗拉強度是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)計算中計算抗裂度的重要指標，第五十頁，共66頁。圖1-10混凝土軸心受拉試件（a）軸心受拉試件；（b）劈裂試件第五十一頁，共66頁。圖1—11混凝土三向受壓強度第五十二頁，共66頁。（4）復(fù)合應(yīng)力下的混凝土的強度

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件中的混凝土大多處在復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)，如鋼筋混凝土柱子，當(dāng)柱子縱向受壓時，橫向箍筋對柱混凝土起側(cè)向約束作用，使其混凝土強度比單向受壓時有較大提高。并隨側(cè)向壓力的增大而增大。第五十三頁，共66頁。2、混凝土的變形

（1）混凝土的受力變形（2）混凝土的收縮與膨脹變形第五十四頁，共66頁。（1）混凝土的受力變形

a、混凝土單向受壓時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線混凝土在單向荷載作用下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1－12所示，它是分析構(gòu)件各個階段受力狀態(tài)、變形、強度的重要依據(jù)，試驗表明：混凝土完整的應(yīng)力－應(yīng)變曲線應(yīng)包括兩個部分，即上升段和下降段。第五十五頁，共66頁。圖1-12混凝土應(yīng)力—應(yīng)變曲線

第五十六頁，共66頁。b.混凝土彈性模量與變形模量

混凝土彈性模量：混凝土的彈性模量是根據(jù)混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線，取曲線的原點的切線斜率，叫做混凝土彈性模量，也稱混凝土原點彈性模量。如圖1-13所示?；炷恋淖冃文Ａ浚夯炷恋淖冃文Ａ渴窃诨炷恋膽?yīng)力-應(yīng)變曲線上取得一點，作曲線原點的直線，此直線的斜率定義為混凝土的變形模量（也稱混凝土的割線模量）。如圖1-13所示。

第五十七頁，共66頁。圖1-13混凝土彈性模量與變形模量的表示

第五十八頁，共66頁。c.混凝土的徐變混凝土在荷載長期作用下，即使應(yīng)力維持不變，它的應(yīng)變也會隨時間繼續(xù)增長，這種現(xiàn)象稱為混凝土的徐變。圖1-14混凝土徐變與時間和關(guān)系第五十九頁，共66頁。2、混凝土的收縮與膨脹變形

混凝土在硬結(jié)過程中，體積會發(fā)生變化。當(dāng)混凝土在空氣中硬結(jié)時，體積會收縮；而在水中硬結(jié)時，體積會膨脹。圖1-15混凝土收縮隨時間的關(guān)系第六十頁，共66頁。混凝土的收縮主要與下列因素有關(guān)：（1）水泥品種方面