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1、给水排水工程结构,主讲人 郝庆莉,绪论,一、开设本课程的意义 给水排水工程是关系到国计民生的重要工程。人们的衣食住行及赖以生存的生产活动，一刻也离不开水。水的利用与排放是一个系统工程，它由泵站、水池、管渠等构成。本课程就是学习这些构筑物和建筑物的结构设计基本知识。 在给水排水工程工程中，构筑物和建筑物的结构部分资金占用大、工期长，结构设计与施工的质量与给水排水工程的安全性、适用性、耐久性有着密切的关联。因此给水排水工程结构的设计与施工在整个给排水工程领域中占有重要的位置，希望通过本课程的学习，能够初步掌握结构设计的基本知识和方法。,二、给水排水工程结构的发展（一）,给水排水工程结构作为结构工程
2、的一个专门领域，在我国是解放后才形成的。 给水排水工程结构特殊性 1、给水排水的构筑物大多数是形状比较复杂的空间薄壁结构，对抗裂抗渗漏、防冻保温及防腐等有较严格的要求； 2、在荷载方面，除一般工程结构可能遇到的重力荷载、风荷载、雪荷载及水压力、土压力外，给、排水构筑物还常须考虑温度作用、混凝土收缩及地基不均匀沉陷等引起的外加变形或约束变形。,二、给水排水工程结构的发展(二),针对给水排水工程结构的特殊性，我国对给水排水工程结构的设计理论和方法，进行了系统的研究和经验积累。 在结构及构件的合理形式、荷载取值、内力计算方法、钢筋混凝土的抗裂及裂缝宽度的计算、防止和限制裂缝的构造措施、预应力混凝土水
3、池的设计计算方法、软弱地基的处理等方面，取得了丰富的研究成果和实践经验，在给水排水工程结构设计方面形成了具有自己特色的较完整的体系。,完成了给水排水工程结构设计规范（GBJ-69-84）、给水排水工程构筑物结构设计规范（GB50069-2002）、给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程、给水排水工程水塔结构设计规程等国家标准和协会标准。 在给水排水工程结构设计领域的理论更加成熟，设计方法更加完善。,三、混凝土结构的基本概念（一）,我国的给水排水工程构筑物主要采用混凝土结构。混凝土结构，是指用混凝土材料建造的构筑物或建筑物，包括素混凝土结构、钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构，但主要是钢筋混凝土结
4、构和预应力混凝土结构。不配置钢筋的素混凝土结构由于抗拉能力差，通常只用于以受压为主的基础及必须依靠自身的重量来保持稳定性的重力式支挡结构（如挡土墙、挡水墙）等。,三、混凝土结构的基本概念（二） 钢筋混凝土梁的承载力为39.42 KN ，素混凝土梁承载力为5.775 KN。,四、混凝土结构优缺点（一）,（1）合理用材。钢筋混凝土结构组合在一起，能够充分发挥各自材料的性能。 （2）耐久性好。混凝土的大气稳定性比较好，在一般的环境中，具有较好的抗腐蚀性。 （3）耐火性好。与钢结构、木结构相比混凝土具有耐火、耐高温的特性。 （4）可塑性好。混凝土构件需要浇注成型，因此可浇注成各种形状的构件和结构。给水
5、排水工程结构多数都具有比较复杂的造型，采用混凝土结构尤为适宜。,（5）整体性好。由于混凝土结构可以整体浇注，所以其整体性好，对于抵抗地震作用非常有利。 （6）便于就地取材。组成混凝土的材料砂、石、水泥容易就地取材，以降低制作成本。 四、混凝土结构优缺点（二） 混凝土结构的不足主要是： （1）结构自重大。结构的自重与地震作用成正比，结构自重大地震作用也大，造成对结构抗震的恶性循环。,（2）抗裂性差。混凝土的抗压强度高，抗拉强度低，抗拉强度基本是抗压强度的1/10。建筑工程中的一般混凝土构件多数都是带裂缝工作的。给水排水工程结构中抗裂是非常重要的问题。 （3）混凝土结构的施工工艺复杂、模板用量大、
6、工期长，施工费用高，且施工受季节性影响大，冬季施工费用高。 上述缺点随着科学技术的发展，在逐渐被克服。如采用轻骨料混凝土可以大幅度减轻结构自重，采用预应力技术可以彻底改变混凝土的抗裂性能等等。混凝土价格低性能好，目前仍然是土木工程结构中的主要材料。,五、本课程的特点（一）,两大部分：一部分为基本理论部分，即第一章到第七章，包括材性、计算原则、受弯构件抗弯、抗剪计算、受压受拉构件计算、裂缝和变形验算。另一部分为结构设计部分，即第八、九章，主要是楼盖结构和水池结构的设计。 混凝土结构课程不像其他力学课程那样有严格的逻辑关系，混凝土结构的计算理论主要依据实验研究和工程经验，每一类构件有一种计算方法，
7、本课程的计算公式多，公式的适用条件多，构件的构造要求多，同样的构件可以多种设计结果。,五、本课程的特点（二）,内容多，学时有限（总计48学时）。,六几点要求,1、按时上课，不得无故缺课，有事履行请假手续； 2、上课时，不做与本课程无关事情，更不要影响教师讲课、或者影响其他同学听课； 3、按时交作业，过期作业一般不再批改或登记成绩； 4、习题讨论课要积极主动，保证讨论课的顺利进行； 5、如有机会，可能会组织大家进行施工现场参观，希望能够服从指挥，避免事故发生； 6、有问题及时向教师反映，加强师生间的沟通。,第一章 钢筋和混凝土的力学性能,钢筋与混凝土的物理力学性能以及共同工作的特性直接影响混凝土
8、结构和构件的性能，也是混凝土结构计算理论 和设计方法的基础。本章讲述钢筋与混凝土的主要物理力学性能以及混凝土与钢筋的粘结。,1.1钢筋的物理力学性能 1.1.1、钢筋的种类（一）,1、按化学成分分类 高碳钢（ 含碳量0.61.4） 碳素钢 中碳钢（含碳量0.250.6） 低碳钢（含碳量0.25） 锰系（20MnSi. 25MnSi） 硅钒系（40Si2MnV. 45SiMnV） 普通合金钢 硅钛系（45SiMnTi） 锰硅系（40Si2Mn. 48 Si2Mn） 硅铬系（45 Si2Cr）,2、按生产工艺和用途分类 HPB 235 热轧钢筋 HRB 335 HRB 400 RRB 400 消除
9、应力钢筋 钢绞线 热处理钢筋 冷拉钢筋 冷加工钢筋 冷拔钢筋,3、按钢筋外表面形状分类 光圆钢筋：主要有HPB235（级钢筋）钢丝 月牙纹 （月牙肋） 变形钢筋 螺纹 （等高肋） （带肋钢筋） 人字纹,4、按钢筋的骨架类型分类 柔性钢筋 钢筋骨架 劲性钢筋 劲性钢筋是由各种型钢、钢轨或者用型钢与钢筋焊成骨架。劲性钢筋本身刚度很大 ，施工时模板及混凝土的重力可以由劲性钢筋本身来承担，承载能力也比较大。,1.1.2、钢筋的主要力学性能,一、钢筋的应力应变曲线 钢筋的力学性能主要指强度和变形（包括弹性变形和塑性变形）。单向拉伸试验是确定钢筋性能的主要手段。通过钢筋的拉伸试验将钢筋的拉伸应力应变（）关
10、系可分为两类：有明显流幅钢筋应力应变曲线图12(a)和无明显流幅图13(b)钢筋应力应变曲线两类。,钢筋的应力应变曲线,条件屈服强度的概念,对于有明显流幅的钢筋，一般取屈服强度作为钢筋强度设计值的依据。当构件某一截面的钢筋应力达到屈服强度后，其塑性变形将急剧增加，构件出现很大的变形和过宽的裂缝，以致不能正常使用；钢筋的极限抗拉强度不能过低，若与屈服强度过分接近是非常危险的，应该使极限抗拉强度与屈服强度之间具有足够大的差值，以保证钢筋混凝土构件在其受力钢筋屈服后，不致因钢筋很快达到极限抗拉强度被拉断造成结构的倒塌。,对无明显流幅钢筋，其比例极限相当于极限抗拉强度的0.65倍。当应力超过比例极限后
11、，钢筋逐渐表现出塑性特征，曲线逐渐弯曲，直到经历极限抗拉强度后，钢筋被拉断。由于没有屈服点，仿照有明显流幅钢筋，假想一个屈服点，并以此点的应力作为条件屈服强度。其条件是以应力应变曲线上对应于残余应变为0.2的应力值0.2作为其屈服极限，称为“条件屈服极限”。记为0.20.85b（b为国家标准规定的极限抗拉强度）。,二、钢筋的塑性性能 1、伸长率,定义：一定标距长度的钢筋试件在拉断后所残留的塑性应变称为钢筋的伸长率，通常用百分率表示 。 钢筋的伸长率反映钢筋的塑性性能，伸长率大则延性好。,钢筋拉伸率试件,2、冷弯性能,冷弯是将钢筋在常温下围绕一个规定直径为D的辊轴（弯心）弯转（图14），要求在达
12、到规定的冷弯角度时，钢筋受弯曲部位表面不发生裂纹、皱褶。冷弯试验较受力均匀的拉伸试验能更有效地揭示材质的缺陷，比伸长率试验更为严格的试验。,1.1.3 钢筋的连接,一 、钢筋的连接方式 绑扎搭接 热轧钢筋常用的连接方法有 焊接 机械连接,套筒连接形式,钢筋的连接无论何种方式，接头的受力性能都难以做到和被连接钢筋的性能完全一致，接头的存在可能使钢筋的净距减小，影响混凝土浇注振捣的密实性；钢筋保护层厚度变小，钢筋的粘结锚固受影响等等，从而接头处成为薄弱环节。在设计和施工中，对于钢筋接头必须注意：尽可能将接头布置在构件的受力较小处，并将钢筋接头适当错开，以及必要时对钢筋接头比较集中的区段采取增设构造
13、钢筋以减小接头的不利影响等等。,1.1.4混凝土结构对钢筋性能的要求,混凝土结构对钢筋性能的最基本要求是强度高和塑性好，具有良好的工作性能（即具有良好的可焊性、可加工性），具有良好的耐火性，与混凝土有良好的粘结性。 1、钢筋的强度 钢筋的强度是指钢筋的屈服强度及极限强度。钢筋的屈服强度是设计计算时的主要依据（对无明显流幅的钢筋，取它的条件屈服点）。采用高强度钢筋可以节约钢材，取得较好的经济效果。 改变成分，采用高碳或合金钢； 提高钢筋强度 生产新的钢种； 进行冷加工（冷拉或冷拔）。,2 、钢筋的塑性 钢筋的伸长率和冷弯性能是施工单位验收钢筋是否合格的主要指标。 3、钢筋的可焊性与可加工性 可焊
14、性是评定钢筋焊接后的接头性能的指标。可焊性好，即要求在一定的工艺条件下的钢筋焊接后不产生裂纹及过大的变形。可加工性是指工程中对钢筋容易进行加工制作。主要控制钢筋中的有害成分和合金元素的含量。,4、钢筋的耐火性 在各类钢筋中，热轧钢筋的耐火性能最好，冷轧钢筋其次，预应力钢筋最差。结构设计时应注意混凝土保护层厚度满足对结构耐火极限的要求。 5、钢筋与混凝土的粘结力 为了保证钢筋与混凝土共同工作，要求钢筋与混凝土之间必须有足够的粘结力。钢筋表面的形状是影响粘结力的重要因素。,1.2 混凝土的物理力学性能,1.2.1 混凝土的组成结构 通常把混凝土的结构分为三部分： 水泥凝胶 微观结构：即水泥石结构
15、晶体骨架 未水化完的水泥颗粒 凝胶孔 亚微观结构：即混凝土中的水泥砂浆结构 宏观结构 ： 即砂浆和粗骨料两组分体系,1.2.2单轴向应力状态下的混凝土强度,实际工程中的混凝土构件和结构一般处于复合应力状态，但是单向受力状态下混凝土的强度是研究复合应力状态下强度的基础和重要参数。 混凝土的强度与水泥强度、水灰比的大小有很大关系，骨料的性质、级配、混凝土的成型方法、硬化时的环境条件及混凝土的龄期等也不同程度地影响着混凝土的强度。试件的大小和形状、试验方法和加载速率也影响混凝土强度的试验结果。因此各国对单向受力下的混凝土强度都规定统一的标准试验方法。,一、混凝土的抗压强度 1、混凝土的立方体抗压强度
16、和强度等级,国家标准普通混凝土力学性能试验方法（GBJ8185）规定以边长为150mm的立方体为标准试件，在标准条件下（温度为203，湿度90%）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）测得的混凝土的抗压强度称作为立方体抗压强度，单位为N/mm2。,立方体试件的强度比较稳定，我国把立方体强度值作为评定混凝土强度基本指标，用符号fcu,k 表示。即按标准方法制作、标准条件养护、标准方法实验所测得的具有95%保证率的立方体抗压强度，作为混凝土的强度等级，用Cx表示之。混凝土结构设计规范规定的混凝土强度等级从C15C80，共14个等级，每个等级的级差为5 N/mm2。C50C80属高强度混凝土范畴。,混凝土强度的选择 钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不低于C15；采用HRB335级钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C20；预应力混凝土
