土木工程混凝土结构设计电子教案

《混凝土结构》课程

电子教案

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建筑工程系力学与结构教研室

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第 1 章 绪 论

（一）本章教学基本要求

（1）掌握钢筋混凝土的基本概念、优缺点、课程特点；

（2）了解本课程的内容、任务和学习方法，了解其在国内外应用和发展情况。 （二）重点与难点

重点：钢筋混凝土的概念、优缺点，本课程的特点及要解决的问题； 难点：本课程的特点及要解决的问题。 1.1 混凝土结构的一般概念

教学内容：混凝土结构的定义与分类；配筋的作用与要求；钢筋混凝土结构的优缺点

1.2 混凝土结构的发展概况

教学内容：混凝土结构的发展与应用概况 1.3 学习本课程要注意的问题

教学内容：学习本课程时应注意的三个方面的问题

1.1 混凝土结构的一般概念

1.1.1 混凝土结构的定义和分类

1.定义:以混凝土为主制作的结构统称为混凝土结

1. 定义:以混凝土为主制成的结构称为混凝土结构。

2. 分类：钢筋混凝土结构、预应力混凝土结构、素混凝土结构。 钢筋混凝土结构——由配置受力的普通钢筋、钢筋网或钢筋骨架的混凝土制成的结构称为钢筋混凝土结构；

预应力混凝土结构——由配置受力的预应力钢筋通过张拉或其他方法建立预加应力的混凝土制成的结构称为预应力混凝土结构；

素混凝土结构——由无筋或不配置受力钢筋的混凝土制成的结构称为素混凝土结构。

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图1-1 简支梁受力破坏示意图

1.1.2 配筋的作用与要求

1. 试验介绍 图1-1 (a )，(b)分别表示素混凝土简支梁和钢筋混凝土简支梁的破坏和受力情况。

(1) 素混凝土简支梁

图1-1 (a)所示的素混凝土梁在外加集中力和梁的自身重力作用下，梁截面的上部受压，下部受拉。由于混凝土的抗拉性能很差，只要梁的跨中附近截面的受拉边缘混凝土一开裂，梁就突然断裂，破坏前变形很小，没有预兆，属于脆性破坏类型。

(2) 钢筋混凝土简支梁

为了改变这种情况，在截面受拉区域的外侧配置适量的钢筋构成钢筋混凝土梁，见图1-1 (b)。

钢筋主要承受梁中和轴以下受拉区的拉力，混凝土主要承受中和轴以上受

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压区的压力。由于钢筋的抗拉能力和混凝土的抗压能力都很大，即使受拉区的混凝土开裂后梁还能继续承受相当大的荷载，直到受拉钢筋达到屈服强度，此后荷载还可略有增加，当受压区混凝土被压碎，梁才破坏。破坏前，变形较大，有明显预兆，属于延性破坏类型。

可见，与素混凝土梁相比，钢筋混凝土梁的承载能力和变形能力都有很大提高，并且钢筋与混凝土两种材料的强度都能得到较充分的利用。 (3) 钢筋混凝土受压柱

如图1-1 (C)所示，在轴心受压的柱子中通常也配置抗压强度较高的钢筋协助混凝土承受压力，以提高柱子的承载能力和变形能力。由于钢筋的抗压强度比混凝土的高，所以柱子的截面尺寸可以小些。另外，配置了钢筋还能改善受压构件破坏时的脆性，并可以承受偶然因素产生的拉力。

2、 钢筋和混凝土协同工作的主要原因 (1) 粘结力

混凝土硬化后与钢筋之间有良好的粘结力，从面可靠地结合在一起，共同变

形、共同受力。

(2) 钢筋和混凝土两种材料的温度线胀系数相近 钢筋: 1.2 310-5／℃

混凝土: 1.0～1.5310-5／℃

当温度变化时，钢筋与混凝土之间不会产生由温度引起的较大的相对变形造成的粘结破坏。

(3) 防锈

混凝土包裹钢筋，防止钢筋锈蚀，耐久性好。

3、在设计和施工中，钢筋的端部要留有一定的锚固长度，有的还要做弯钩，以保证可靠地锚固，防止钢筋受力后被拔出或产生较大的滑移；钢筋的布置和数量应由计算和构造要求确定。

1.1.3 钢筋混凝土结构的优缺点

1. 钢筋混凝土结构的主要优点：

(1) 取材容易：混凝土所用的砂、石一般易于就地取材。另外，还可有效利用矿渣、粉煤灰等工业废料。

(2) 合理用材：钢筋混凝土结构合理地发挥了钢筋和混凝土两种材料的性能，与钢结构相比，可以降低造价。

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(3) 耐久性：密实的混凝土有较高的强度，同时由于钢筋被混凝土包裹，不易锈蚀，维修费用也很少，所以钢筋混凝土结构的耐久性比较好。

(4) 耐火性：混凝土包裹在钢筋外面，火灾时钢筋不会很快达到软化温度而导致结构整体破坏。与裸露的木结构、钢结构相比耐火性要好。

(5) 可模性：根据需要，可以较容易地浇筑成各种形状和尺寸的钢筋混凝土结构。

(6) 整体性：整浇或装配整体式钢筋混凝土结构有很好的整体性，有利于抗震、抵抗振动和爆炸冲击波。

2. 钢筋混凝土结构也存在一些缺点:

(1) 自身重力较大: 这对大跨度结构、高层建筑结构以及抗震不利，也给运输和施工吊装带来困难。

(2) 抗裂性较差: 受拉和受弯等构件在正常使用时往往带裂缝工作，对一些不允许出现裂缝或对裂缝宽度有严格限制的结构，要满足这些要求就需要提高工程造价。

(3) 隔热隔声性能也较差。

针对这些缺点，可采用轻质高强混凝土及预应力混凝土以减轻自重，改善钢筋混凝土结构的抗裂性能。

1.2 混凝土结构的发展与应用概况

混凝土结构使用至今已约有150年的历史。与钢、木和砌体结构相比，由于 它在物理力学性能及材料来源等方面有许多优点，所以其发展速度很快，应用也 最广泛。

随着高强度钢筋、高强度高性能混凝土（强度达到100N/mm2）以及高性能外 加剂和混合材料的研制使用，高强高性能混凝土的应用范围不断扩大，钢纤维混 凝土和聚合物混凝土的研究和应用有了很大发展。还有，轻质混凝土、加气混凝 土、陶粒混凝土以及利用工业废渣的“绿色混凝土”，不但改善了混凝土的性能， 而且对节能和保护环境具有重要的意义。此外，防射线、耐磨、耐腐蚀、防渗透、 保温等特殊需要的混凝土以及智能型混凝土及其结构也正在研究中。

混凝土结构的应用范围也在不断地扩大，已从工业与民用建筑、交通设施、水 利水电建筑和基础工程扩大到了近海工程、海底建筑、地下建筑、核电站安全壳等领域，甚至已开始构思和实验用于月面建筑。随着轻质高强材料的使用，在大跨度、高层建筑中的混凝土结构越来越多。

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我国是使用混凝土结构最多的国家，在高层建筑和多层框架中大多采用混凝土结构。在民用建筑中也采用了定型化、标准化的装配式钢筋混凝土构件。已建成的88层的上海金茂大厦，高420.5m,是我国目前最高的高层建筑。电视塔、水塔、水池、冷却塔、烟囱、贮罐、筒仓等特殊构筑物也普遍采用了钢筋混凝土和预应力混凝土，上海电视塔高468m，其高度为亚洲第一。此外，在大跨度的公共钢筋混凝土桁架、门式刚架、拱、薄壳等结构形式也有广泛应用。

在铁路、公路、城市的立交桥、高架桥、地铁隧道，以及水利港口等交通工程中用钢筋混凝土建造的水闸、水电站、船坞和码头已是星罗棋布。正在兴建的长江三峡水利枢纽工程，大坝高186m，坝体混凝土用量达1527万m3，是世界上最大的水利工程。

近年来，我国在混凝土基本理论与设计方法、结构可靠度与荷载分析、工业化建筑体系、结构抗震与有限元方法、电子计算机在混凝土结构中的应用以及现代化测试技术等方面的研究也取得了很多新的成果，某些方面已达到或接近国际水平。钢筋混凝土结构的设计和研究向更完善更科学的方向发展。

此外，在混凝土结构设计理论和设计方法方面通过大量研究，取得了很大成绩。新颁布的《混凝土结构设计规范》 (GB50010-2002)积累了半个世纪以来丰富的工程实践经验和最新的科研成果，把我国混凝土结构设计方法提高到了当前的国际水平，它将在工程设计中发挥指导作用。

1.3 学习本课程要注意的问题

混凝土结构课程通常按内容的性质可分为“混凝土结构设计原理”和“混凝土结构设计”两部分。前者主要讲述各种混凝土基本构件的受力性能、截面设计计算方法和构造等混凝土结构的基本理论，属于专业基础课内容。后者主要讲述梁板结构、单层厂房、多层和高层房屋等的结构设计，属于专业课内容。通过本课程的学习，并通过课程设计和毕业设计等实践性教学环节，使学生初步具有运用这些理论知识正确进行混凝土结构设计和解决实际技术问题的能力。

学习本课程时，建议注意下面一些问题： 1.加强实验、实践性教学环节并注意扩大知识面

混凝土结构的基本理论相当于钢筋混凝土及预应力混凝土的材料力学，它是以实验为基础的，因此除课堂学习以外，还要加强实验的教学环节，以进一步理解学习内容和训练实验的基本技能。当有条件时，可进行简支梁正截面受弯承载力、简支梁斜截面受剪承载力、偏心受压短柱正截面受压承载力的实验。

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混凝土结构课程的实践性很强，因此要加强课程作业、课程设计和毕业设计等实践性教学环节的学习，并在学习过程中逐步熟悉和正确运用我国颁布的一些设计规范和设计规程。诸如：

《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB 50068）、《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2001）、《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）、《建筑抗震设计规范》（ GB50011-2001）、《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程》(JGJ3-91)等。

混凝土结构是一门发展很快的学科，学习时要多注意它的新动向和新成就，以扩大知识面。

2.突出重点，并注意难点的学习

本课程的内容多、符号多、计算公式多、构造规定也多，学习时要遵循教学大纲的要求，贯彻“少而精”的原则，突出重点内容的学习。例如，第4章是上册中的重点内容，把它学好了，就为后面各章的学习打下了好的基础。对学习中的难点要找出它的根源，以利于化解。例如，上册第5章中的抵抗弯矩图常是难点，如果知道了画抵抗弯矩图的目的在于弯起、截断梁内纵向受力钢筋，难点也就基本上化解了。

3.深刻理解重要的概念，熟练掌握设计计算的基本功，切忌死记硬背 教学大纲中对要求深刻理解的一些重要概念作了具体的规定。注意，深刻理解往往不是一步到位的，而是随着学习内容的展开和深入，逐步加深的。例如，学习上册中的第9章和下册中的第12章后就要回过头来，加深对适筋梁正截面受弯三个受力阶段的理解。

要求熟练掌握的设计计算内容也在教学大纲中有明确的规定，它们是本课程的基本功。熟练掌握是指正确、快捷。为此，本教材各章后面给出的习题是要求认真完成的。应该是先复习教学内容，搞懂例题后再做习题，切忌边做题边看例题。习题的正确答案往往不是唯一的，这也是本课程与一般的数学、力学课程所不同的。

对构造规定，也要着眼于理解，切忌死记硬背。事实上，不理解的东西也是难以记住的。当然，对常识性的构造规定是应该知道的。

本章小结：

本章主要学习了钢筋混凝土的基本概念、优缺点、课程特点以及本课程的内容、任务和学习方法，并了解钢筋混凝土结构在国内外应用和发展情况。其中重点要求

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掌握钢筋混凝土的概念、优缺点，本课程的特点及要解决的问题；难点是本课程的特点及要解决的问题。

思考题：

1.1 钢筋混凝土梁破坏时有哪些特点？钢筋和混凝土是如何共同工作的？ 1.2 钢筋混凝土结构有哪些优点和缺点？

1.3 本课程主要包括哪些内容？学习本课程要注意哪些问题？

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第 2 章 混凝土结构材料的物理力学性能

本 章 提 要

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。

2.1 混凝土的物理力学性能

2.1.1 混凝土的组成结构

普通混凝土是由水泥、砂、石材料用水拌合硬化后形成的人工石材，是多相复合材料。通常把混凝土的结构分为三种基本类型：微观结构即水泥石结构；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。 微观结构（水泥石结构）由水泥凝胶、晶体骨架、未水化完的水泥颗粒和凝胶孔组成，其物理力学性能取决于水泥的化学矿物成分、粉磨细度、水灰比和凝结硬化条件等。混凝土的宏观结构与亚微观结构有许多共同点，可以把水泥砂浆看作基相，粗骨料分布在砂浆中，砂浆与粗骨料的界面是结合的薄弱面。骨料的分布以及骨料与基相之间在界面的结合强度也是重要的影响因素。

浇注混凝土时的泌水作用会引起沉缩，硬化过程中由于水泥浆水化造成的化学收缩和干缩受到骨料的限制，会在不同层次的界面引起结合破坏，形成随机分布的界面裂缝。

混凝土中的砂、石、水泥胶体组成了弹性骨架，主要承受外力，并使混凝土具有弹性变形的特点。而水泥胶体中的凝胶、孔隙和界面初始微裂缝等，在外力作用下使混凝土产生塑性变形。另一方面，混凝土中的孔隙、界面微裂缝等缺陷又往往是混凝土受力破坏的起源。

由于水泥胶体的硬化过程需要多年才能完成，所以混凝土的强度和变形也随时间逐渐增长。

2.1.2 单轴向应力状态下的混凝土强度

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混凝土的强度与水泥强度等级、水灰比有很大关系；骨料的性质、混凝土的级配、混凝土成型方法、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。因此各国对各种单向受力下的混凝土强度都规定了统一的标准试验方法。 1.混凝土的抗压强度

(1) 混凝土的立方体抗压强度和强度等级

立方体试件的强度比较稳定，所以我国把立方体强度值作为混凝土强度的基本指标，并把立方体抗压强度作为评定混凝土强度等级的标准。

1) 测定的方法

我国国家标准《普通混凝土力学性能试验方法》(GBJ81-85)规定以边长为150mm的立方体为标准试件，标准立方体试件在(20±3)℃的温度和相对湿度90％以上的潮湿空气中养护28d，按照标准试验方法测得的抗压强度作为混凝土的立方体抗压强度，单位为N/mm2。

2) 立方体抗压强度标准值fcu,k

《混凝土结构设计规范》规定用上述标准试验方法测得的具有95％保证率的立方体抗压强度作为混凝土的立方体抗压强度标准值，用符号fcu,k表示。

3) 强度等级的划分及有关规定

《混凝土结构设计规范》规定混凝土强度等级应按立方体抗压强度标准值fcu,k

确定。混凝土强度等级划分有C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75和C80，共14个等级。例如，C30表示立方体抗压强度标准值为30N /mm2。其中，C50～C80属高强度混凝土范畴。

《混凝土结构设计规范》规定，钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不应低于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应低于C30；当采用钢绞线、钢丝、热处理钢筋作预应力钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C40o

4) 试验方法对立方体抗压强度的影响 图2-1 试件在试验机上单向受压时，竖向缩短，横向扩张，由于混凝土与压力机垫板弹性模量与横向变形系数不同，压力机垫板的横向变形明显小于混凝土的横向变形，所以垫板通过接触面上的摩擦力约束混凝土试块的横向变形，就象在试件上下端各加了一个套箍，致使混凝土破坏时形成两个对顶的角锥形破坏面，抗压强度比没有约束的情况要高。

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如果在试件上下表面涂一些润滑剂，这时试件与压力机垫板间的摩擦力大大减小，其横向变形几乎不受约束，受压时没有“套箍”作用的影响，试件将沿着平行于力的作用方向产生几条裂缝而破坏，测得的抗压强度就低。

我国规定的标准试验方法是不涂润滑剂的。 5) 加载速度对立方体强度的影响

加载速度越快，测得的强度越高。通常规定加载速度为：混凝土强度等级低于C30时，取每秒钟0.3～0.5N/mm2；混凝土强度等级高于或等于C30时，取每秒钟0.5～0.8N/mm2。

6) 龄期对立方体强度的影响 图2-2 混凝土的立方体抗压强度随着成型后混凝土的龄期逐渐增长，增长速度开始较快，后来逐渐缓慢，强度增长过程往往要延续几年，在潮湿环境中往往延续更长。

7) 几点说明

① 施工单位按图纸规定的强度等级制作混凝土, 现场用同样的混凝土制作一定量的试块, 以检验其立方体抗压强度是否满足要求；

② 立方体抗压强度是在实验室条件下取得的抗压强度（标准养护试块）； ③ 结构实体的环境条件与实验室标养试块不同，标养试块立方体强度不能真实反应结构实体混凝土的抗压强度，必须增加同条件养护试块立方体强度予以判定结构实体的强度；

④ 不同尺寸试件的“尺寸效应” :

fcu(200)31.05 = fcu(150) =fcu(100)30.95

(2) 混凝土的轴心抗压强度 fc

混凝土的抗压强度与试件的形状有关，采用棱柱体比立方体能更好地反映混凝土结构的实际抗压能力。用混凝土棱柱体试件测得的抗压强度称轴心抗压强。 1) 测定的方法 图2-3

我国《普通混凝土力学性能试验方法》规定以150mm3150mm3300mm的棱柱体作为混凝土轴心抗压强度试验的标准试件。棱柱体试件与立方体试件的制作条件相同，试件上下表面不涂润滑剂。棱柱体试件的抗压强度都比立方体的强度值小，并且棱柱体试件高宽比越大，强度越小。

2) 轴心抗压强度标准值fck

《混凝土结构设计规范》规定以150mm3150mm3300mm的棱柱体试件试验测得的具有95％保证率的抗压强度为混凝土轴心抗压强度标准值，用符号fck表示。 3) 轴心抗压强度标准值与立方体抗压强度标准值的关系 图2-4

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图2-4是根据我国所做的混凝土棱柱体与立方体抗压强度对比试验的结果。《混凝土结构设计规范》基于安全取偏低值，轴心抗压强度标准值与立方体抗压强度标准值的关系按下式确定：

fck＝0.88αc1αc2fcu,k (2-1) 式中：

αc1——为棱柱体强度与立方体强度之比，对混凝土强度等级为C50及以下的取αα

c1

= 0.76，对C80取αc1 = 0.82，在此之间按直线规律变化取值。 αc2——为高强度混凝土的脆性折减系数，对C40及以下取α

c2

=1.00,对C80取

c2

=0.87,中间按直线规律变化取值。

0.88——为考虑实际构件与试件混凝土强度之间的差异而取用的折减系数。 国外常采用混凝土圆柱体试件来确定混凝土轴心抗压强度。例如美国、日本和

欧洲混凝土协会(CEB)系采用直径6英寸(152mm)、高12英寸(305mm)的圆柱体标准试件的抗压强度作为轴心抗压强度的指标，记作fc′。

混凝土轴心 f′=0.79 f

c

cu,k

(2-2)

2. 混凝土的轴心抗拉强度ft

抗拉强度是混凝土的基本力学指标之一，也可用它间接地衡量混凝土的冲切强度等其他力学性能。

(1)测定的方法 图2-5 可以采用直接轴心受拉的试验方法来测定。但是，由于混凝土内部的不均匀性，加之安装试件的偏差等原因，准确测定抗拉强度是很困难的。所以，国内外也常用如图2-5所示的圆柱体或立方体的劈裂试验来间接测试混凝土的轴心抗拉强度。根据弹性理论，劈拉强度ft,s可按下式计算：

圆柱体 ft,s＝2F/(πdη) (2-3) 立方体 ft,s＝2P/πa2

试验表明，劈裂抗拉强度略大于直接受拉强度，劈拉试件的大小对试验结果也有一定影响。轴心抗拉强度只有立方抗压强度的1/17～1/8，混凝土强度等级愈高，这个比值愈小。

(2) 轴心抗拉强度ftk与立方体抗压强度fcu,k的关系 图2-6 ftk＝0.8830.395 fcu,k0.55(1-1.645?) 0.45 3 ?2 (2-4)

2.1.3 复合应力状态下的混凝土强度

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实际混凝土结构构件大多是处于复合应力状态，例如框架梁、柱既受到柱轴向力作用，又受到弯矩和剪力的作用。节点区混凝土受力状态一般更为复杂。同时，研究复合应力状态下混凝土的强度，对于认识混凝土的强度理论也有重要的意义。

1. 双向应力状态下混凝土的强度 图2-7 在两个平面作用着法向应力ζl和ζ2，第三个平面上应力为零的双向应力状态下，不同混凝土强度的二向破坏包络图如图2-7所示，图中ζ0是单轴向受力状态下的混凝土强度。一旦超出包络线就意味着材料发生破坏。

(1) 双向受拉: 图中第一象限为双向受拉区，ζl、ζ2相互影响不大，双向受拉强度均接近于单向受拉强度。

(2) 双向受压: 第三象限为双向受压区，大体上一向的强度随另一向压力的增加而增加，混凝土双向受压强度比单向受压强度最多可提高27％。

(3) 拉--压状态：第二、四象限为拉--压应力状态，此时混凝土的强度均低于单向拉伸或压缩时的强度。

2. 法向应力与剪应力组合混凝土的强度 图2-8

压应力低时，抗剪强度随压应力的增大而增大；当压应力约超过0.6 fc′时，抗剪强度随压应力的增大而减小。也就是说由于存在剪应力，混凝土的抗压强度要低于单向抗压强度。

另外，还可以看出，抗剪强度随着拉应力的增大而减小，也就是说剪应力的存在也会使抗拉强度降低。

3. 三向受压状态下混凝土的强度

混凝土在三向受压的情况下，由于受到侧向压力的约束作用，最大主压应力轴的抗压强度fcc′(ζl)有较大程度的增长，其变化规律随两侧向压应力（ζ2，ζ3）的比值和大小而不同。常规的三轴受压是在圆柱体周围加液压，在两侧向等压(ζ2=ζ3= fL＞0)的情况下进行的。由试验得到的经验公式为：

fcc′＝ fc′+(4.5～7.0)fL （2-5） 式中 fcc′—— 有侧向压力约束试件的轴心抗压强度；

fc′—— 无侧向压力约束试件的轴心抗压强度； fL —— 侧向约束压应力。

公式中，fL前的数字为侧向应力系数，平均值为5.6,当侧向压应力较低时得到的系数值较高。

常见工程范例：钢管混凝土柱、螺旋箍筋柱、密排侧向箍筋柱。—— 可提供侧向约束, 以提高混凝土的抗压强度和延性。

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2.1.4 混 凝 土 的 变 形

变形是混凝土的一个重要力学性能。包括受力变形和体积变形。

受力变形: 混凝土在一次短期加载、荷载长期作用和多次重复荷载作用下产生的变形，这类变形称为受力变形。

体积变形: 混凝土由于硬化过程中的收缩以及温度和湿度变化所产生的变形，这类变形称为体积变形。

1.一次短期加载下混凝土的变形性能

(1)混凝土受压时的应力--应变关系（ζ-ε关系曲线

一次短期加载是指荷载从零开始单调增加至试件破坏，也称单调加载。 在普通试验机上获得有下降段的应力--应变曲线是比较困难的。若采用有伺服装置能控制下降段应变速度的特殊试验机，就可以测量出具有真实下降段的应力--应变全曲线。我国采用棱柱体试件测定一次短期加载下混凝土受压应力--应变全曲线。可以看到，这条曲线包括上升段和下降段两个部分：

1) 上升段（OC），又可分为三段：

OA段 (ζ≤0.3fc ～ 0.4fc )：从加载至A点为第1阶段，混凝土的变形主要是弹性变形，应力一应变关系接近直线，称A点为比例极限点；

AB段 (ζ＝0.3fc～0.8fc )：超过A点，进人裂缝稳定扩展的第2阶段，混凝土的变形为弹塑性变形，临界点B的应力可以作为长期抗压强度的依据；

BC段 (ζ＝0.8fc～1.0fc)：裂缝快速发展的不稳定状态直至峰点C，这一阶段为第3阶段，这时的峰值应力ζ

图2-9混凝土棱柱体受压应力--应变曲线

2) 下降段（CE）：

在峰值应力以后，裂缝迅速发展，试件的平均应力强度下降，应力--应变曲线

max

通常作为混凝土棱柱体的抗压强度fc，相应的应变称

为峰值应变ε0，其值在0.0015～0.0025之间波动，通常取ε0=0.002。

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向下弯曲，直到凹向发生改变，曲线出现“拐点（D）”。超过“拐点”，曲线开始凸向应变轴，此段曲线中曲率最大的一点E称为“收敛点”。从收敛点E开始以后的曲线称为收敛段，这时贯通的主裂缝已很宽，对无侧向约束的混凝土，收敛段EF已失去结构意义。

3) 不同强度的混凝土的ζ-ε关系曲线比较 图2-10 ① 混凝土强度等级高，其峰值应变ε0增加不多； ② 上升段曲线相似；

③ 下降段区别较大：强度等级低，下降段平缓，应力下降慢；强度等级高的混凝土，下降段较陡，应力下降很快。（等级高的混凝土，受压时的延性不如等级低的混凝土）

图2-10 不同强度的混凝土的应力--应变曲线比较

4) 加载速度对混凝土强度试验值的影响

① 加载慢，最大应力值有所减小，相应于最大应力值时的应变增加； ② 加载快，最大应力值有所增大，相应于最大应力值时的应变减小；

(2) 混凝土单轴向受压应力--应变曲线的数学模型 1）美国 E.Hognestad 建议的模型

模型的上升段为二次抛物线,下降段为斜直线。

上升段： （2-6） 下降段： （2-7）

式中 fc——峰值应力（棱柱体极限抗压强度）；

ε。——相应于峰值应力时的应变，取ε。=0.002； εu——极限压应变，取εu =0.0038。

图2-11 Hognestad 建议的应力--应变曲线

2）德国Rusch建议的模型

该模型形式较简单，模型的上升段也采用二次抛物线,下降段则采用水平直线。

上升段： （2-8） 下降段： （2-9） 式中 ε。=0.002；εu =0.0035。

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图2-12 Rusch建议的应力--应变曲线

(3) 三向受压状态下混凝土的变形特点

混凝土试件横向受到约束时，可以提高其抗压强度，也可以提高其延性。 三向受压下混凝土圆柱体的轴向应力--应变曲线可以由周围用液体压力加以约束的圆柱体进行加压试验得到。随着侧向压力的增加，试件的强度和延性都有显著提高。

工程上可以通过设置密排螺旋筋或箍筋来约束混凝土，改善钢筋混凝土结构的受力性能。

图2-13 混凝土圆柱体三向受压试验时轴向应力--应变曲线

图2-14 用螺旋筋约束的混凝土圆柱体的应力--应变曲线 (4) 混凝土的变形模量

与弹性材料不同，混凝土受压应力--应变关系是一条曲线，在不同的应力阶段，应力与应变之比的变形模量是一个变数。混凝土的变形模量有如下三种表示方法。

图2-15 混凝土变形模量的表示方法

1) 混凝土的弹性模量（即原点模量）

在应力--应变曲线的原点（图中的O点）作一切线，其斜率为混凝土的原点模量，称为弹性模量，以Ec表示。

Ec＝tgαo （2-10） 式中 αo——混凝土应力--应变曲线在原点处的切线与横坐标的夹角。

弹性模量的测试方法：对标准尺寸150mm3150mm3300mm的棱柱体试件，先加载至ζ=0.5fc，然后卸载至零，再重复加载卸载5 ～10次。由于混凝土不是弹性材料，每次卸载至应力为零时，存在残余变形，随着加载次数增加，应力--应变曲线渐趋稳定并基本上趋于直线。该直线的斜率即定为混凝土的弹性模量。

16

2) 混凝土的变形模量

连接图2-15中O点至曲线任一点应力为ζc处割线的斜率，称为任意点割线模量或称变形模量。由于总变形εc中包含弹性变形ε

Ec′＝tgα

3)混凝土的切线模量

在混凝土应力--应变曲线上某一应力ζc处作一切线，其应力增量与应变增量之比值称为相应于应力ζc时混凝土的切线模量。

Ec′′＝tgα （2-12） 混凝土的切线模量也是一个变值，它随着混凝土的应力增大而减小。

注意：混凝土不是弹性材料，所以不能用已知的混凝土应变乘以规范中所给的弹性模量值去求混凝土的应力。只有当混凝土应力很低时，它的弹性模量与变形模量值才近似相等。混凝土的弹性模量可按下式计算

(kN/mm2) （2-13） (5) 混凝土轴向受拉时的应力--应变关系

曲线形状与受压时相似，具有上升段和下降段。试验测试表明，在试件加载的初期，变形与应力呈线性增长，至峰值应力的40％～50％达比例极限，加载至峰值应力的76％～83％时，曲线出现临界点（即裂缝不稳定扩展的起点），到达峰值应力时对应的应变只有75310-6 ～115310-6。曲线下降段的坡度随混凝土强度的提高而更陡峭。受拉弹性模量与受压弹性模量值基本相同。

图2-16 不同强度的混凝土拉伸应力--应变全曲线

2. 荷载长期作用下混凝土的变形性能(徐变) （1）徐变的概念

结构或材料承受的荷载或应力不变，而应变或变形随时间增长的现象称为徐变。混凝土的徐变特性主要与时间参数有关。

1) 加荷瞬时变形ε的应变为瞬时应变ε

ela

ela

和塑性变形ε

pla

两部分，由此

（2-11）

所确定的模量也可称为弹塑性模量。它的表达式为：

1

混凝土的变形模量是个变值，它随应力大小而不同。

当对棱柱体试件加载，应力达到（0.1～1.0）fc某一值时，其加载瞬间产生

ela

。

cr

2) 混凝土的徐变ε

17

若保持荷载不变，随着加载作用时间的增加，应变也将继续增长，这就是混凝土的徐变ε

图2-17 混凝土的徐变（应变与时间的关系曲线）

(2) 线性徐变和非线性徐变

混凝土的徐变与混凝土的应力大小有着密切的关系。应力越大徐变也越大，随着混凝土应力的增加，混凝土徐变将发生不同的情况:

图2-18 压应力与徐变的关系

1) 线性徐变

当混凝土应力ζc≤0.5fc时，徐变与应力成正比，曲线接近等间距分布，这种情况称为线性徐变。

2) 非线性徐变

当混凝土应力ζc＞0.5fc时，徐变变形与应力不成正比，徐变变形比应力增长要快，称为非线性徐变。在非线性徐变范围内，当加载应力过高时，徐变变形急剧增加不再收敛，呈非稳定徐变的现象，可能造成混凝土的破坏。混凝土构件在使用期间，应当避免经常处于不变的高应力状态。

一般地, 混凝土长期抗压强度取(0.75～0.8)fc。 (3) 产生徐变的主要原因

1) 水泥胶体的塑性变形。加载时混凝土的龄期越早，徐变越大。 2) 混凝土内部微裂缝的持续发展。 (4) 影响徐变的因素

1) 内在因素──混凝土组成成分

水泥用量越多，徐变越大；水灰比越大，徐变也越大。骨料弹性性质也明显地影响徐变值，一般，骨料越坚硬，弹性模量越高，对水泥石徐变的约束作用越大，混凝土的徐变越小。

cr

。一般，徐变开始增长较快，以后逐渐减慢，经过较长时间后就

逐渐趋于稳定。徐变应变值约为瞬时应变的1-4倍。

18

图2-20 骨料对徐变的影响

2) 环境因素──养护及使用时的温度、湿度

养护时温度高、湿度大，水泥水化作用充分，徐变越小；而使用受到荷载作用后所处的环境温度越高、湿度越低，则徐变越大。

3) 应力条件──混凝土的应力大小 混凝土的应力越大徐变也越大。

(5) 徐变对混凝土结构和构件的工作性能的影响

由于混凝土的徐变，会使构件的变形增加，在钢筋混凝土截面中引起应力重分布。在预应力混凝土结构中会造成预应力损失。

3. 混凝土在荷载重复作用下的变形（疲劳变形）

混凝土的疲劳是在荷载重复作用下产生的。混凝土在荷载重复作用下引起的破坏称为疲劳破坏。疲劳现象大量存在于工程结构中，钢筋混凝土吊车梁受到重复荷载的作用，钢筋混凝土道桥受到车辆振动的影响以及港口海岸的混凝土结构受到波浪冲击而损伤等都属于疲劳破坏现象。疲劳破坏的特征是裂缝小而变形大。

(1) 混凝土在荷载重复作用下的应力--应变曲线

1）ζ1或ζ2＜fcf时: 对混凝土棱柱体试件，一次加载应力ζ1或ζ2小于混凝土疲劳强度fcf时，其加载卸载应力--应变曲线OAB形成了一个环状。而在多次加载、卸载作用下，应力--应变环会越来越密合，经过多次重复，这个曲线就密合成一条直线。

2）ζ3＞fcf时: 开始，混凝土应力--应变曲线凸向应力轴，在重复荷载过程中逐渐变成直线，再经过多次重复加卸载后，其应力--应变曲线由凸向应力轴而逐渐凸向应变轴，以致加卸载不能形成封闭环，这标志着混凝土内部微裂缝的发展加剧趋近破坏。随着重复荷载次数的增加，应力--应变曲线倾角不断减小，至荷载重复到某一定次数时，混凝土试件会因严重开裂或变形过大而导致破坏。

图2-21 混凝土在重复荷载作用下的应力--应变曲线

(2) 混凝土的疲劳强度fcf 1) 测定方法

混凝土的疲劳强度用疲劳试验测定。疲劳试验采用100mm3l00mm3300mm或150mm3150mm3450mm的棱柱体，把能使棱柱体试件承受200万次或其以上循环荷载

19

而发生破坏的压应力值称为混凝土的疲劳抗压强度。

2) 疲劳应力比值ρ

fc

fc

混凝土的疲劳强度与重复作用时应力变化的幅度有关。在相同的重复次数下，疲劳强度随着疲劳应力比值的减小而增大。疲劳应力比值ρ

ρ

式中 ζ

f

c,min

fc

按下式计算：

=ζf

c,min/ ζf

c,max （2-14）

、ζf

c,max表示截面同一纤维上的混凝土最小应力及最大应力。

4. 混凝土的收缩与膨胀

混凝土凝结硬化时，在空气中体积收缩，在水中体积膨胀。通常，收缩值比膨胀值大很多。混凝土的收缩值随着时间而增长，蒸汽养护混凝土的收缩值要小于常温养护下的收缩值。

图2-22 混凝土的收缩

养护不好以及混凝土构件的四周受约束从而阻止混凝土收缩时，会使混凝土构件表面或水泥地面上出现收缩裂缝。

影响混凝土收缩的因素有：

(1) 水泥的品种：水泥强度等级越高制成的混凝土收缩越大。 (2) 水泥的用量：水泥越多，收缩越大；水灰比越大，收缩也越大。 (3) 骨料的性质：骨料的弹性模量大，收缩小。

(4) 养护条件：在结硬过程中周围温、湿度越大，收缩越小。 (5) 混凝土制作方法：混凝土越密实，收缩越小。 (6) 使用环境：使用环境温度、湿度大时，收缩小。 (7) 构件的体积与表面积比值：比值大时，收缩小。

2.2 钢筋的物理力学性能

2.2.1 钢筋的品种和级别

1. 钢材按化学成分分类

混凝土结构中使用的钢材按化学成分，可分为碳素钢及普通低合金钢两大类。

(1) 碳素钢

除含有铁元素外还含有少量的碳、硅、锰、硫、磷等元素。根据含碳量的多

20

少，碳素钢又可分为低碳钢（含碳量＜0.25％＝、中碳钢（含碳量0. 25％～0.6％）和高碳钢（含碳量0.6％～1.4％），含碳量越高强度越高，但是塑性和可焊性会降低。

(2) 普通低合金钢

除碳素钢中已有的成分外，再加入少量的硅、锰、钛、钒、铬等合金元素，可有效地提高钢材的强度和改善钢材的其他性能。目前我国普通低合金钢按加入元素种类有以下几种体系：锰系（20MnSi,25MnSi）、硅钒系(40Si2MnV、45SiMnV )、硅钛系(45Si2MnTi)、硅锰系(40Si2Mn,48Si2Mn)、硅铬系(45Si2Cr)。

2. 钢筋的品种和级别

《混凝土结构设计规范》规定，用于钢筋混凝土结构的国产普通钢筋可使用热轧钢筋。用于预应力混凝土结构的国产预应力钢筋可使用消除应力钢丝、螺旋肋钢丝、刻痕钢丝、钢绞线，也可使用热处理钢筋。

(1) 热轧钢筋

热轧钢筋是低碳钢、普通低合金钢在高温状态下轧制而成。热轧钢筋为软钢，其应力应变曲线有明显的屈服点和流幅，断裂时有“颈缩”现象，伸长率比较大。 热轧钢筋根据其力学指标的高低，分为以下四个种类：

HPB235级 （Ⅰ级，符号θ） HRB335级 （Ⅱ级，符号θ） HRB400级 （Ⅲ级，符号θ）

RRB400级 （余热处理Ⅲ级，符号θ）

Ⅰ级钢筋的强度最低，Ⅱ级钢筋的次之，Ⅲ级钢筋的最高。钢筋混凝土结构中的纵向受力钢筋宜优先采用HRB400级钢筋。

(2) 预应力钢筋 1) 消除应力钢丝

消除应力钢丝是将钢筋拉拔后，校直，经中温回火消除应力并稳定化处理的光面钢丝。

2) 螺旋肋钢丝

螺旋肋钢丝是以普通低碳钢或低合金钢热轧的圆盘条为母材，经冷轧减径后在其表面冷轧成二面或三面有月牙肋的钢筋。

光面钢丝和螺旋肋钢丝按直径可分为θ4、θ5、θ6、θ7、θ8、θ9六个级别。

3) 刻痕钢丝

21

刻痕钢丝是在光面钢丝的表面上进行机械刻痕处理，以增加与混凝土的粘结能力，分θⅠ5、θⅠ7两种。

4) 钢绞线

钢绞线是由多根高强钢丝捻制在一起经过低温回火处理清除内应力后而制成，分为2股、3股和7股三种。

5) 热处理钢筋

热处理钢筋是将特定强度的热轧钢筋再通过加热、淬火和回火等调质工艺处理的钢筋。热处理后钢筋强度能得到较大幅度的提高，而塑性降低并不多。热处理钢筋是硬钢。其应力应变曲线没有明显的屈服点，伸长率小，质地硬脆。热处理钢筋有40Si2Mn、48Si2Mn和45Si2Cr三种。

3. 钢筋的冷加工方法

冷拉或冷拔的冷加工方法可以提高热轧钢筋的强度。

1) 冷拉: 钢筋的冷拉应力值必须超过钢筋的屈服强度。冷拉后，经过一段时间钢筋的屈服点比原来的屈服点有所提高，这种现象称为时效硬化。钢筋经过冷拉和时效硬化以后，能提高屈服强度、节约钢材，但冷拉后钢筋的塑性（伸长率）有所降低。为了保证钢筋在强度提高的同时又具有一定的塑性，冷拉时应同时控制应力和控制应变。

2) 冷拔: 冷拔钢筋是将钢筋用强力拔过比它本身直径还小的硬质合金拔丝模，这时钢筋同时受到纵向拉力和横向压力的作用，截面变小而长度拔长。经过几次冷拔，钢丝的强度比原来有很大提高，但塑性降低很多。

冷拉只能提高钢筋的抗拉强度，冷拔则可同时提高抗拉及抗压强度。冷加工钢筋应用时可参照相应的行业标准。

4. 钢筋的形式

钢筋的形式有光圆和带肋两类，带肋钢筋又分等高肋和月牙肋两种。Ⅰ级钢筋是光圆钢筋，Ⅱ级、Ⅲ级钢筋是带肋的，统称为变形钢筋。钢丝的外形通常为光圆，也有在表面刻痕的。

图2-23 钢筋的形式

2.2.2 钢筋的强度和变形

22

钢筋的强度和变形性能可以用拉伸试验得到的应力--应变曲线来说明。 钢筋的应力--应变曲线，有的有明显的流幅（例如热轧低碳钢筋HPB235级和热轧低合金钢筋HRB335级、HRB400级、RRB400级）；有的则没有明显的流幅（例如预应力钢丝、钢绞线和热处理钢筋）。

1. 有明显流幅的钢筋的强度和变形 (1) 应力--应变曲线(ζ-ε曲线)

1) OA段 —— 弹性阶段：应力与应变成比例变化，与A点对应的应力称为比例极限或弹性极限。

2) AC段 —— 屈服阶段：过A点后，应力基本不增加而应变急剧增长，曲线接近水平线。B点到C点的水平距离的大小称为流幅或屈服台阶。B′点称为屈服上限，B点称为屈服下限，有明显流幅的热轧钢筋屈服强度是按屈服下限确定的。

3) CD段 —— 强化阶段：过C点以后，应力又继续上升，说明钢筋的抗拉能力又有所提高。随着曲线上升到最高点D,相应的应力称为钢筋的极限强度。

4) DE段 —— 颈缩阶段：过了D点，试件薄弱处的截面将会突然显著缩小，发生局部颈缩，变形迅速增加，应力随之下降，达到E点时试件被拉断。

图2-24 有明显流幅钢筋的应力一应变曲线

(2) 强度指标

1) 屈服强度fy: 有明显流幅的钢筋的应力到达屈服点后，会产生很大的塑性变形，使钢筋混凝土构件出现很大的变形和过宽的裂缝，以致不能使用，所以对有明显流幅的钢筋，在计算承载力时以屈服强度作为钢筋强度限值。

2) 极限强度ft: 在抗震结构设计中，要求结构在罕遇地震下“裂而不倒”, 钢筋应力可考虑进入强化段, 要求极限强度ft≥1.25屈服强度fy。

(3) 塑性指标

钢筋除了要有足够的强度外，还应具有一定的塑性变形能力。通常用伸长率和冷弯性能两个指标衡量钢筋的塑性。

1）伸长率：钢筋拉断后（例如，图2-24中的E点）的伸长值与原长的比率称为伸长率。伸长率越大塑性越好。国家标准规定了各种钢筋所必须达到的伸长率的最小值（比如，δ

100

、δ

10

和δ5分别表示标距 L=100d，L=l0d和L=5d时伸长率的最小

值），有关参数可参照相应的国家标准。

2) 冷弯性能: 冷弯是将直径为d的钢筋绕直径为D的弯芯弯曲到规定的角度后

23

无裂纹断裂及起层现象，则表示合格。弯芯的直径D越小，弯转角越大，说明钢筋的塑性越好。国家标准规定了各种钢筋冷弯时相应的弯芯直径及弯转角，有关参数可参照相应的国家标准。

2．无明显流幅的钢筋的强度和变形 (1) 应力--应变曲线(ζ-ε曲线)

对没有明显流幅或屈服点的预应力钢丝、钢绞线和热处理钢筋，为了与钢筋国家标准相一致，《混凝土结构设计规范》中也规定在构件承载力设计时，取极限抗拉强度ζb的85％作为条件屈服点，如图2-25所示。

图2-25 无明显流幅钢筋的应力一应变曲线

(2) 强度指标: 极限抗拉强度ζb (3) 塑性指标: 伸长率和冷弯性能。

2.2.3 钢筋应力--应变曲线的数学模型

常用的钢筋应力--变曲线模型有以下几种。 1. 描述完全弹塑性的双直线模型 图2-26(a)

双直线模型适用于流幅较长的低强度钢材。模型将钢筋的应力一应变曲线简化为图2-26(a)所示的两段直线。OB段为完全弹性阶段，B点为屈服下限，相应的应力及应变为fy和εy，OB段的斜率即为弹性模量ES。BC为完全塑性阶段，C点为应力强化的起点，对应的应变为ε

s,h

，过C点后，即认为钢筋变形过大不能正常使用。

双直线模型的数学表达式如下：

当εs≤εy时， ζs = Esεs ( Es = fy/εy ) （2-15） 当εy≤εs≤ε

s,h

时， ζs = fy （2-16）

2. 描述完全弹塑性加硬化的三折线模型 图2-26(b)

三折线模型适用于流幅较短的软钢。如图2-26 (b)所示，图中OB及BC直线段分别为完全弹性和塑性阶段。C点为硬化的起点，CD为硬化阶段。到达D点时即认为钢筋破坏，受拉应力达到极限值fs,u，相应的应变为ε达形式如下：

当εs≤εy，εy≤εs≤εs,h时，表达式同式（2-15）和（2-16）；

当εs,h≤εs≤εs,u时， fs = fy + (εs - εs,h)tgζ′ (2-17)

tgζ′= 0.01 Es (2-18)

s,u

。三折线模型的数学表

24

3. 描述弹塑性的双斜线模型 图2-26(c)

双斜线模型可以描述没有明显流幅的高强钢筋或钢丝的应力--应变曲线。如图2-26(c)所示，B点为条件屈服点，C点的应力达到极限值fs,u,相应的应变为ε双斜线模型数学表达式如下：

当εs≤εy时， ζs = Esεs ( Es = fy/εy ) （2-19） 当εy≤εs≤ε

s,u

s,u

,

时， ζs = fy + (εs - εy) tgζ′′ （2-20）

s,u

式中 tgζ′′= Es′′= (fs,u- fy)/( ε

-εy) （2-21）

图2-26 钢筋应力--应变曲线的数学模型

(a) 双直线 (b) 三折线 (c) 双斜线

2.2.4 钢 筋 的 疲 劳

1. 钢筋的疲劳定义

钢筋的疲劳是指钢筋在承受重复、周期性的荷载作用下，经过一定次数后，突然脆性断裂的现象。

2. 钢筋疲劳断裂的原因

一般认为是由于钢筋内部和外部的缺陷，在这些薄弱处容易引起应力集中。应力过高，钢材晶粒滑移，产生疲劳裂纹，应力重复作用次数增加，裂纹扩展，从而造成断裂。

3. 钢筋的疲劳强度

钢筋的疲劳强度是指在某一规定应力幅度内，经受一定次数循环荷载后发生疲劳破坏的最大应力值。由于承受重复性荷载的作用，钢筋的疲劳强度低于其在静荷载作用下的极限强度。

(1) 测定方法

钢筋的疲劳强度用疲劳试验测定。有两种方法：一种是直接进行单根原状钢筋轴拉试验；另一种是将钢筋埋人混凝土中使其重复受拉或受弯的试验。我国采用直接做单根钢筋轴拉试验的方法。

(2) 疲劳应力比值ρf

25

ρ =ζ

式中 ζ

fmin

ffmin/ ζ

f

max

、ζ

fmax表示截面同一纤维上钢筋最小应力及最大应力。

对预应力钢筋，当ρf≥0.9时可不进行疲劳强度验算。 (3) 循环荷载的次数

我国要求满足循环次数为200万次，即对不同的疲劳应力比值满足循环次数为200万次条件下的钢筋最大应力值为钢筋的疲劳强度。

2.2.5 混凝土结构对钢筋性能的要求

1. 强度

指钢筋的屈服强度及极限强度。屈服强度是设计的主要依据（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。 2. 塑性

指钢筋的伸长率和冷弯性能。保证钢筋在断裂前有足够的变形，能给出构件将要破坏的预告信号，同时要保证钢筋冷弯的要求。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. 可焊性

可焊性是评定钢筋焊接后的接头性能的指标。要求钢筋焊接后不产生裂纹及过大的变形。

4. 耐火性

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构件耐火极限的要求。

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。钢筋表面的形状是影响粘结力的重要因素。

2.3 混凝土与钢筋的粘结

2.3.1 粘 结 的 意 义

1. 粘结的意义

钢筋和混凝土能共同工作，除了二者具有相近的线膨胀系数外，更主要的是由于混凝土硬化后，钢筋与混凝土之间产生了良好的粘结力。为了保证钢筋不被从混

26

凝土中拔出或压出，还要求钢筋有良好的锚固。

粘结和锚固是钢筋和混凝土形成整体、共同工作的基础。 2. 粘结应力

钢筋混凝土受力后会沿钢筋和混凝土接触面上产生剪应力，通常把这种剪应力称为粘结应力。根据受力性质的不同，钢筋与混凝土之间的粘结应力可分为裂缝间的局部粘结应力和钢筋端部的锚固粘结应力两种:

图2-27 钢筋和混凝土之间的粘结应力

(a) 锚固粘结应力 (b) 裂缝间的局部粘结应力

(1) 裂缝间的局部粘结应力

在相邻两个开裂截面之间产生的，钢筋应力的变化受到粘结应力的影响，粘结应力使相邻两个裂缝之间混凝土参与受拉。局部粘结应力的丧失会影响构件的刚度的降低和裂缝的开展。

(2) 钢筋端部的锚固粘结应力

钢筋伸进支座或在连续梁中承担负弯矩的上部钢筋在跨中截断时，需要延伸一段长度，即锚固长度。要使钢筋承受所需的拉力，就要求受拉钢筋有足够的锚固长度以积累足够的粘结力，否则，将发生锚固破坏。

2.3.2 粘 结 力 的 组 成

1. 粘结力的组成

钢筋与混凝土的粘结作用主要由三部分所组成：

(1)钢筋与混凝土接触面上的化学吸附作用力（胶结力）。 (2)混凝土收缩握裹钢筋而产生摩阻力。

(3)钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的机械咬合作用力（咬合力）。 2. 光圆钢筋和变形钢筋的粘结机理的主要差别

光面钢筋粘结力主要来自胶结力和摩阻力，而变形钢筋的粘结力主要来自机械咬合作用（图2-28）。二者的差别，可以用钉入木料中的普通钉和螺丝钉的差别来理解。

27

图2-28 变形钢筋和混凝土的机械咬合作用

2.3.3 粘 结 强 度

钢筋的粘结强度通常采用直接拔出试验来测定，为了反映弯矩的作用，也用梁式试件进行弯曲拔出试验。

由直接拔出试验，钢筋和混凝土之间的平均粘结应力η可表示为

η＝N/πdη （2-22） 式中 N —— 钢筋的拉力； d —— 钢筋的直径； l —— 粘结长度。

图2-29 测定粘结强度的二种拔出试验

(a) 直接拔出试验 (b) 弯曲拔出试验

2.3.4 影响粘结强度的因素

主要影响因素有混凝土强度、保护层厚度及钢筋净间距、横向配筋及侧向压应力，以及浇筑混疑土时钢筋的位置等。

(l) 混凝土强度：光圆钢筋及变形钢筋的粘绍强度都随混凝土强度等级的提高而提高。

图2-30 不同强度混凝土的粘结应力和相对滑移关系

(2) 保护层厚度：钢筋外围的混凝土保护层太薄，可能使外围混凝土因产生径向劈裂而使粘结强度降低。增大保护层厚度，保持一定的钢筋间距，可以提高外围混凝土的抗劈裂能力，有利于粘结强度的充分发挥。

(3) 钢筋净间距：混凝土构件截面上有多根钢筋并列在一排时，钢筋间的净距对粘结强度有重要影响，钢筋净间距过小，外围混凝土将发生水平劈裂，形成贯穿整个梁宽的劈裂裂缝，造成整个混凝土保护层剥落，粘结强度显著降低。一排钢筋的根数越多，净间距越小，粘结强度降低的就越多。

(4) 横向配筋：横向钢筋（如梁中的箍筋）可以限制混凝土内部裂缝的发展，提高粘结强度。横向钢筋还可以限制到达构件表面的裂缝宽度，从而提高粘结强

28

度。

(5) 侧向压应力：在直接支承的支座处，如梁的简支端，钢筋的锚固区受到来自支座的横向压应力，横向压应力约束了混凝土的横向变形，使钢筋与混凝土间抵抗滑动的摩阻力增大，因而可以提高粘结强度。

(6) 浇筑混疑土时钢筋的位置：浇筑混凝土时，深度过大（超过300mm），钢筋底面的混凝土会出现沉淀收缩和离析泌水，气泡逸出，使混凝土与水平放置的钢筋之间产生强度较低的疏松空隙层，从而会削弱钢筋与混凝土的粘结作用。

另外，钢筋表面形状对粘结强度也有影响，变形钢筋的粘结强度大于光圆钢筋。

2.2.5 钢筋的锚固与搭接

1. 保证粘结的构造措施

《混凝土结构设计规范》采用不进行粘结计算，用构造措施来保证混凝土与钢筋粘结。保证粘结的构造措施有如下几个方面：

(1) 保证最小搭接长度和锚固长度；

(2) 满足钢筋最小间距和混凝土保护层最小厚度的要求； (3) 钢筋的搭接接头范围内应加密箍筋； (4) 钢筋端部应设置弯钩。

(5) 在浇注大深度混凝土构件时，应分层浇注或二次浇捣。 (6) 一般除重锈钢筋外，可不必除锈。 2．基本锚固长度

《混凝土结构设计规范》规定纵向受拉钢筋的锚固长度作为钢筋的基本锚固长度La ，它与钢筋强度、混凝土抗拉强度、钢筋直径及外形有关，可按式(5-27)计算:

La = α(fy/ft)d

式中 La —— 受拉钢筋的锚固长度；

fy —— 钢筋抗拉强度设计值；

ft —— 混凝土轴心抗拉强度设计值；当混凝土强度等级高于C40时，

按C40取值；

d —— 钢筋的公称直径；

α—— 锚固钢筋的外形系数，详见表5-1

钢筋的锚固可采用机械锚固的形式，主要有弯钩、贴焊钢筋及焊锚板等。采

29

用机械锚固可以减少锚固长度。锚固长度修正系数（折减系数）为0.7。 3. 钢筋的搭接

钢筋长度不够时，或需要采用施工缝或后浇带等构造措施时，钢筋就需要搭接。搭接是指将两根钢筋的端头在一定长度内并放，并采用适当的连接将一根钢筋的力传给另一根钢筋。

(1) 钢筋搭接的原则: ①接头应设置在受力较小处；②同一根钢筋上应尽量少设接头；③机械连接接头能产生较牢固的连接力，所以应优先采用机械连接。

(2) 搭接长度

受拉钢筋绑扎搭接接头的搭接长度按下式计算：

L1＝δLa （2-23） 式中，δ为受拉钢筋搭接长度修正系数，它与同一连接区段内搭接钢筋的截面面积有关，详见表5-3。

对于受压钢筋的搭接接头及焊接骨架的搭接，也应满足相应的构造要求，以 保证力的传递。

思 考 题

2.1 混凝土的立方抗压强度fcu.k,轴心抗压强度fck和抗拉强度fk是如何确定的？为

什么fck低于fcu,k? ftk 与fcu,k有何关系？fck与fcu,k有何关系？

2.2 混凝土的强度等级是根据什么确定的？我国新《规范》规定的混凝土强度

等级有哪些？

2.3 某方形钢筋混凝土短柱浇筑后发现混凝土强度不足，根据约束混凝土原理

如何加固该柱？

2.4 单向受力状态下，混凝土的强度与哪些因素有关？混凝土轴心受压应力一

应变曲线有何特点？常用的表示应力一应变关系的数学模型有哪几种？

2.5 混凝土的变形模量和弹性模量是怎样确定的？

2.6 什么是混凝土的疲劳破坏？疲劳破坏时应力一应变曲线有何特点？ 2.7 什么是混凝土的徐变？徐变对混凝土构件有何影响？通常认为影响徐变

的主要因素有哪些？如何减少徐变？

2.8 混凝土收缩对钢筋混凝土构件有何影响？收缩与哪些因素有关？如何减

少收缩？

2.9 软钢和硬钢的应力一应变曲线有何不同？二者的强度取值有何不同？我

国新《规范》中将钢筋按强度分为哪些类型？了解钢筋的应力一应变曲线

30

的数学模型。

2.10 钢筋有哪些形式？钢筋冷加工的方法有哪几种？冷拉和冷拔后钢筋的力

学性能有何变化？

2.11 钢筋混凝土结构对钢筋的性能有哪些要求？

2.12 什么是钢筋和混凝土之间的粘结力？影响钢筋和混凝土粘结强度的主要

因素有哪些？为保证钢筋和混凝土之间有足够的粘结力要采取哪些措施？

31

第 3 章 按近似概率理论的极限状态设计法

本 章 提 要

我国现行的建筑结构设计方法是：以概率理论为基础的极限状态设计方法，以可靠指标度量结构构件的可靠度，采用以分项系数的设计表达式进行设计。因此，本章内容围绕结构设计的总目标，对结构的功能要求、结构的极限状态、结构上的作用、荷载的代表值、各种作用的效应及结构的抗力和满足结构设计可靠度要求的材料强度分项系数及荷载分项系数等均提出了明确的要求，最终使读者明确以概率理论为基础的各种极限状态表达方法，并以此作为结构设计的依据。

3.1 极 限 状 态

3.1.1 结构上的作用、作用效应和结构抗力

1. 结构上的作用

使结构产生内力或变形的原因称为“作用”，分直接作用和间接作用两种。 (1) 直接作用：荷载

(2) 间接作用：混凝土的收缩、温度变化、基础的差异沉降、地震等。间接作用不仅与外界因素有关，还与结构本身的特性有关。例如，地震对结构物的作用，不仅与地震加速度有关，还与结构自身的动力特性有关，所以不能把地震作用称为“地震荷载”。

2. 作用效应

结构上的作用使结构产生的内力（如弯矩、剪力、轴向力、扭矩等）、变形、裂缝等统称为作用效应或荷载效应。荷载与荷载效应之间通常按某种关系相联系。

S ＝ C 2 Q │ │ └─ 荷载 │ └─── 荷载效应系数

└──── 荷载效应 3. 荷载的分类

按作用时间的长短和性质，荷载可分为三类：

1)永久荷载 在结构设计使用期间，其值不随时间而变化，或其变化与平均

32

值相比可以忽略不计，或其变化是单调的并能趋于限值的荷载。例如，结构的自身重力、土压力、预应力等荷载，永久荷载又称恒荷载。

2)可变荷载 在结构设计使用期内其值随时间而变化，其变化与平均值相比不可忽略的荷载。例如，楼面活荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载等，可变荷载又称活荷载。

3)偶然荷载 在结构设计使用期内不一定出现，一旦出现，其值很大且持续时间很短的荷载。例如，爆炸力、撞击力等。

4. 荷载的标准值

具有一定概率（一般为95%）的最大荷载值称为荷载标准值。荷载标准值是荷载的基本代表值。对于结构自重可以根据结构的设计尺寸和材料的重力密度确定；可变荷载标准值由设计使用年限内最大荷载概率分布的某个分位值确定。

3.1.2 结构的功能要求

1. 结构的安全等级

我国根据建筑结构破坏时可能产生的后果严重与否，分为三个安全等级： 一级——破坏后果很严重、重要的建筑物； 二级——破坏后果严重、一般的建筑物； 三级——破坏后果不严重、次要建筑物。

对人员比较集中使用频繁的影剧院、体育馆等，安全等级宜按一级设计；建筑物中梁、柱等各类构件的安全等级一般应与整个建筑物的安全等级相同。

2. 结构的设计使用年限

结构的设计使用年限，是指设计的结构或结构构件不需进行大修即可按其预定目的使用的时期。一般建筑结构的设计使用年限可为50年。各类工程结构的设计使用年限是不应统一的。例如，桥梁应比房屋的设计使用年限长，大坝的设计使用年限更长。

注意：结构的设计使用年限虽与其使用寿命有联系，但不等同。超过设计使用年限的结构并不是不能使用，而是指它的可靠度降低了。

3. 建筑结构的功能

设计的结构和结构构件在规定的设计使用年限内，在正常维护条件下，应能保持其使用功能，而不需进行大修加固。应该满足的功能要求可概括为：

(1)安全性 建筑结构应能承受正常施工和正常使用时可能出现的各种荷载

33

和变形，在偶然事件（如地震、爆炸等）发生时和发生后保持必需的整体稳定性，不致发生倒塌。

(2)适用性 结构在正常使用过程中应具有良好的工作性。例如，不产生影响使用的过大变形或振幅，不发生足以让使用者不安的过宽的裂缝等。

(3)耐久性 结构在正常维护条件下应有足够的耐久性，完好使用到设计规定的年限，即设计使用年限。例如，混凝土不发生严重风化、腐蚀、脱落，钢筋不发生锈蚀等。

3.1.3 结构功能的极限状态

能完成预定的各项功能时，结构处于有效状态；反之，则处于失效状态，有效状态和失效状态的分界，称为极限状态，是结构开始失效的标志。极限状态可分为二类。

1. 承载能力极限状态

结构或构件达到最大承载能力或者达到不适于继续承载的变形状态，称为承载能力极限状态。超过承载能力极限状态后，结构或构件就不能满足安全性的要求。如：

(1) 材料强度不够而破坏； (2) 因疲劳而破坏；

(3) 产生过大的塑性变形而不能继续承载； (4) 结构或构件丧失稳定； (5) 结构转变为机动体系。 2. 正常使用极限状态

结构或构件达到正常使用或耐久性能中某项规定限度的状态称为正常使用极限状态。超过了正常使用极限状态，结构或构件就不能保证适用性和耐久性的功能要求。

例如：结构或构件出现影响正常使用的过大变形、过宽裂缝、局部损坏和振动。

结构或构件按承载能力极限状态进行计算后，还应该按正常使用极限状态进行验算。

3.1.4 极 限 状 态 方 程

34

1. 承载能力极限状态函数

结构的极限状态可以用极限状态函数来表达。承载能力极限状态函数可表示为

Z = R – S （3-1）

式中 S —— 表示荷载效应，它代表由各种荷载分别产生的荷载效应的总和；

R —— 表示结构构件抗力。

2. 结构状态

根据S、R的取值不同，Z值可能出现三种情况： Z = R-S ＞0 时, 结构处于可靠状态； Z = R-S ＝0 时, 结构处于极限状态。 Z = R-S ＜0 时, 结构处于失效状态；

图3-1 极限状态方程取值示意图

3．功能函数

结构设计中经常考虑的不仅是结构的承载能力，多数场合还需要考虑结构对变形或开裂等的抵抗能力，也就是说要考虑结构的适用性和耐久性的要求。由此，上述的极限状态方程可推广为

Z = g(x1，x2，?，xn) （3-2） 式中，g(?)是函数记号，在这里称为功能函数。g(?)由所研究的结构功能而定，可以是承载能力，也可以是变形或裂缝宽度等。x1，x2，?，xn 为影响该结构功能的各种荷载效应以及材料强度、构件的几何尺寸等。

3.2 按近似概率的极限状态设计法

3.2.1 结 构 的 可 靠 度

结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的能力称为结构的可靠性（规定时间是指结构的设计使用年限，规定条件，是指正常设计、正常施工、正常使用和维护的条件，不包括非正常的，例如人为的错误等）。

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结构的可靠度是结构可靠性的概率度量，即结构在设计工作寿命内，在正常 条件下，完成预定功能的概率。因此，结构的可靠度是用可靠概率Ps来描述的。

3.2.2 可靠指标与失效概率

1. 结构的失效概率

结构在规定的时间和条件下不能完成预定功能的概率Pf, Pf为失效概率。

Ps + Pf = 1.0

2. 失效概率Pf的计算方法 (1) S和R的概率密度曲线

设构件的荷载效应S、抗力R，都是服从正态分布的随机变量且二者为线性关系。S、R的平均值分别为μS、μR，标准差分别为ζS、ζR， S和R的概率密度曲线如图3一2所示。

图3-2 R，S的概率密度分布曲线

按照结构设计的要求，显然μR应该大于μS。从图中的概率密度曲线可以看到，在多数情况下构件的抗力R大于荷载效应S。但是，由于离散性，在S、R的概率密度曲线的重叠区（阴影部分），仍有可能出现构件的抗力R小于荷载效应S的情况。重叠区的大小与μS、μR以及ζS、ζR有关。所以，加大平均值之差μR-μS，减小标准差ζS和ζR可以使重叠的范围减小，失效概率降低。

(2) Z的概率密度分布曲线

同前，若令Z=R–S，Z也应该是服从正态分布的随机变量。图3一3表示Z的概率密度分布曲线。

图3-3 可靠指标与失效概率关系示意图

图中的阴影部分表示出现Z＜0事件的概率，也就是构件失效的概率Pf，计算失效概率Pf比较麻烦，故改用一种可靠指标的计算方法。 (3) 可靠指标β

从图3-3可以看到，阴影部分的面积与μZ和ζZ的大小有关：增大μZ，曲线右移，阴影面积将减少；减小ζZ，曲线变得高而窄，阴影面积也将减少。如果将曲线

36

对称轴至纵轴的距离表示成ζZ的倍数，取

μZ = βζZ （3-6）

则 β=μZ/ζZ = (μR-μS)/ (3-7) 可以看出β大，则失效概率小。所以，β和失效概率一样可作为衡量结构可靠度的一个指标，称为可靠指标。

(4) β与失效概率Pf的对应关系

3. 目标可靠指标[β]

《建筑结构可靠度设计统一标准》根据结构的安全等级和破坏类型，规定了按承载能力极限状态设计时的目标可靠指标[β]，见表3-3。

β ≥ [β]

结构和结构构件的破坏类型分为延性破坏和脆性破坏两类。延性破坏有明显的预兆，可及时采取补救措施，所以目标可靠指标可定得稍低些。脆性破坏常常 是突发性破坏，破坏前没有明显的预兆，所以目标可靠指标就应该定得高一些。

用可靠指标β进行结构设计和可靠度校核，可以较全面地考虑可靠度影响因素的客观变异性，使结构满足预期的可靠度要求。

3.3 实用设计表达式

3.3.1 分 项 系 数

37

对于一般常见的工程结构，采用可靠指标进行设计工作量大，有时会遇到统计资料不足而无法进行的困难。考虑到多年来的设计习惯和实用上的简便，《建筑结构设计统一标准》提出了便于实际使用的设计表达式，称为实用设计表达式。

例如，永久荷载和可变荷载组合下的设计表达式为 μR /γR ≥γGμG +γQμ(1) 抗力分项系数 —— γR (2) 永久荷载分项系数 ——γG (3) 可变荷载分项系数 ——γQ

3.3.2 承载能力极限状态设计表达式

1. 承载能力极限状态设计简单表达式

Q

（3-8）

γ0S ≤ R （3-22） Sk ─→ γsSk ─→ γ0S ≤ R ←─ Rk /γR ←─ Rk 荷载效应 荷载效应 荷载效应 承载能力 结构抗力 结构抗力

标准值 设计值 组合值 设计值 设计值 标准值

式中 γ0——结构构件的重要性系数。

2. 荷载效应组合的设计值S

实际上荷载效应中的荷载有永久荷载和可变荷载，并且可变荷载不止一个，多个可变荷载也不一定会同时发生，例如，高层建筑各楼层可变荷载全部满载且遇到最大风荷载的可能性就不大。为此，考虑到两个或两个以上可变荷载同时出现的可能性较小，引入荷载组合值系数对其标准值折减。按承载能力极限状态设计时，应考虑作用效应的基本组合，必要时尚应考虑作用效应的偶然组合。

对于基本组合，荷载效应组合的设计值S应从由可变荷载效应控制的组合和由永久荷载效应控制的两组组合中取最不利值确定:

(1) 对由可变荷载效应控制的组合，其承载能力极限状态设计表达式一般形式为

(3-24)

(2) 对由永久荷载效应控制的组合，其承载能力极限状态设计表达式的一般形式为

38

（3-25）

式中 γ

0

—— 结构构件的重要性系数，与安全等级对应。对安全等级为一级

或设计使用年限为100年及以上的结构构件不应小于1.1；对二级或设计使用年限为50年的结构构件不应小于1.0；对三级或设计使用年限为5年及以下的结构构件不应小于0.9；在抗震设计中，不考虑结构构件的重要性系数；

γG—— 永久荷载的分项系数。当永久荷载效应对结构不利时，对由可变

荷载效应控制的组合γ

γ

、γ

G

= 1.2；由永久荷载效应控制的组合γ、γ

一般取1.4；

G

=

1.35。当永久荷载效应对结构有利时，取γG =1.0；

Q1

Qi

—— 可变荷载的分项系数。γ

Q1Qi

SGk、SQ1k、SQik— 分别为永久荷载、第一种可变荷载、其他可变荷载效应的标准值，

如荷载引起的弯矩、剪力、轴力和变形等；

ψ

ci

—— 可变荷载的组合值系数。

以上不等式右侧为结构承载力，用承载力函数R（?）表示，表明其为混凝土和钢筋强度标准值（fck、fsk）、分项系数（γc、γs）、几何尺寸标准值（ak）以及其他参数的函数。

3. 一般排架和框架结构的简化表达式

对于一般常遇的排架结构和框架结构，为了计算方便，可变荷载的影响大小可不予区分，并采用相同的组合值系数。对由可变荷载效应控制的组合，其设计表达式可以简化表达为

（3-28）

对由永久荷载效应控制的组合，其承载力极限状态设计表达式仍为（3-25）。

3.3.3 正常使用极限状态设计表达式

按正常使用极限状态设计，主要是验算构件的变形和抗裂度或裂缝宽度。 按正常使用极限状态设计时，变形过大或裂缝过宽虽影响正常使用，但危害程度不及承载力引起的结构破坏造成的损失那么大，所以可适当降低对可靠度的要求。计算时取荷载标准值，不需乘分项系数，也不考虑结构重要性系数γ0。

1. 正常使用极限状态设计简单表达式

39

Sk ≤ Rk

2. 可变荷载的准永久值系数和频遇值系数

在正常使用状态下，可变荷载作用时间的长短对于变形和裂缝的大小显然是有影响的。可变荷载的最大值并非长期作用于结构之上，所以应按其在设计基准期内作用时间的长短和可变荷载超越总时间或超越次数，对其标准值进行折减。《建筑结构可靠度设计统一标准》采用一个小于1的准永久值系数和频遇值系数来考虑这种折减。

(1) 准永久值系数， 是根据在设计基准期内荷载达到和超过该值的总持续时间与设计基准期内总持续时间的比值而确定。

(2) 频遇值系数，是根据在设计基准期间可变荷载超越的总时间或超越的次数来确定的。

3. 可变荷载的准永久值和频遇值

准永久值 = 可变荷载标准值3准永久值系数(ψq) 频遇值 = 可变荷载标准值3频遇值系数(ψf) 4. 可变荷载的代表值

可变荷载有四种代表值，即标准值、组合值、准永久值和频遇值。其中标准值称为基本代表值，其他代表值可由基本代表值乘以相应的系数得到。各类可变荷载和相应的组合值系数、准永久值系数、频遇值系数可在荷载规范中查到。

2. 荷载效应组合的标准值Sk

根据实际设计的需要，常须区分荷载的短期作用（标准组合、频遇组合）和荷载的长期作用（准永久组合）下构件的变形大小和裂缝宽度验算。所以，《建筑结构可靠度设计统一标准》规定按不同的设计目的，分别选用荷载的标准组合、频遇组合和荷载的准永久组合。

(1) 荷载的标准组合

标准组合主要用于当一个极限状态被超越时将产生严重的永久性损害的情况。按荷载的标准组合时，荷载效应组合的标准值Sk应按下式计算

（3一26）

(2) 荷载的频遇组合

频遇组合主要用于当一个极限状态被超越时将产生局部损害、较大变形或短暂振动的情况。按荷载的频遇组合时，荷载效应组合的标准值Sk应按下式计算

（3一27）

(3) 荷载的准永久组合

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