鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的基本概念及材料的物理力學(xué)性能

1、,本章的主要內(nèi)容,鋼筋混凝土的基本概念 混凝土在各種受力狀態(tài)下的強(qiáng)度與變形性能 鋼筋的品種、級(jí)別及其力學(xué)性能 鋼筋和混凝土的粘結(jié),,,§1.1 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的基本概念,一、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的定義 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)：由配置受力的普通鋼筋或鋼筋骨架的混凝土制 成的結(jié)構(gòu)。 鋼筋混凝土的產(chǎn)生：將鋼筋和混凝土結(jié)合在一起共同工作，混凝土承受壓力，鋼筋承受拉力，將可以充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)。 混凝土：非均勻材料：抗壓強(qiáng)度高，抗拉強(qiáng)度

2、很低 為抗壓強(qiáng)度的（1/8~1/18）。 鋼筋：抗拉和抗壓強(qiáng)度都很高，主要承受拉力,為什么常見(jiàn)的板、梁、柱中要設(shè)置鋼筋？ 分析一些常見(jiàn)的板梁開(kāi)裂現(xiàn)象：,？,問(wèn)題,,例：一跨度為4m，跨中作用集中荷載的試驗(yàn)梁，梁截面尺寸200×300mm，混凝土為C20。如圖所示：,,,,,,,,,,,,,,4000,,,A,A,F,a),,,,,,,,200,300,A－A,b),,,,,,,,,,,4000,,,B,B,,,,,,,

3、,,,,,,,,B－B,,,,,,,,200,300,,,,,,,,,,2?10,3?16,,,,試驗(yàn)結(jié)果：,a）圖中，素砼梁極限荷載 P=8kN，由砼抗拉強(qiáng)度控制，破壞形態(tài)：脆性破壞,b）圖中，鋼筋砼梁極限荷載 P=36kN，由鋼筋受拉、砼受壓而破壞，破壞形態(tài)：延性破壞（配筋適量）善,由此可得出：鋼筋和混凝土結(jié)合的有效性：,結(jié)構(gòu)的受力性能得到改,,2、鋼筋和混凝土共同工作的原因,,優(yōu)點(diǎn)：,3、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)缺點(diǎn),,缺點(diǎn)：,

4、（2）抗裂性能差，帶裂縫工作,（3）施工受氣候條件影響，建造期長(zhǎng)。,（4）耗費(fèi)較多的模具和木料。,（5）加固和改建較困難，隔熱和隔聲性能較差。,（1）自重大,輕骨料砼。,,施加預(yù)應(yīng)力,解決方法,,解決方法,§1.2 混凝土,混凝土是用水泥、砂子和石子三種材料，經(jīng)水拌和凝固硬化后制成的人工石材。,混凝土的要求：,,和易性好,強(qiáng)度要高(重點(diǎn)),耐久性要好,經(jīng)濟(jì)上要節(jié)省,評(píng)定混凝土 品質(zhì)的主要指標(biāo),,檢測(cè)砼塌落度,一、混凝土的強(qiáng)

5、度,三個(gè)強(qiáng)度指標(biāo)：混凝土立方體抗壓強(qiáng)度,混凝土軸心抗壓強(qiáng)度（或棱柱體強(qiáng)度）和混凝土抗拉強(qiáng)度.,影響因素：材料的性質(zhì)、混凝土配合比、養(yǎng)護(hù)環(huán)境、施工方法、 試件的形狀與尺寸，試驗(yàn)方法，加載條件和試件的受力性質(zhì)。,,（1）定義：按照標(biāo)準(zhǔn)方法制作養(yǎng)護(hù)（溫度20±3℃、相對(duì)濕度不小于90%的潮濕空氣中養(yǎng)護(hù)28d）的邊長(zhǎng)150mm的立方體試件，在28d齡期用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法（試件表面不涂潤(rùn)滑劑，全截面受壓，加載速度0.15~0.25MPa/s

6、ec）測(cè)得的具有95%保證率的抗壓強(qiáng)度。,1. 混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度,----基本強(qiáng)度指標(biāo),立方體抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu,我國(guó)規(guī)范的方法：不涂潤(rùn)滑劑,壓力?試件?裂縫發(fā)展?擴(kuò)張?整個(gè)體系解體，喪失承載力,另影響強(qiáng)度的因素還有：齡期、加載速率、試塊尺寸等,單軸受力狀態(tài)下混凝土的抗壓強(qiáng)度,,（2） 影響因素,試件尺寸 (尺寸效應(yīng)),,直接受壓(標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法) 間接受壓 (試塊與承壓板之間涂有油脂或填以塑料薄片),試驗(yàn)方法,,加載速度越快

7、,強(qiáng)度越高,,,,（3） 對(duì)混凝土強(qiáng)度等級(jí)的要求,混凝土強(qiáng)度從C15~C80共分為14個(gè)等級(jí)，中間以5MPa進(jìn)級(jí)。C50以下為普通強(qiáng)度混凝土， C50及以上為高強(qiáng)度混凝土。 《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定： 鋼筋混凝土構(gòu)件不應(yīng)低于C20，當(dāng)采用HRB400、KL400級(jí)鋼筋配筋時(shí)，不應(yīng)低于C25 預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件不應(yīng)低于C40。,4. 混凝土在荷載長(zhǎng)期作用下的變形 ––– 徐變,在荷載的長(zhǎng)期作用下，混凝土的變

8、形將隨時(shí)間而增加，亦即在應(yīng)力不變的情況下，混凝土的應(yīng)變隨時(shí)間繼續(xù)增長(zhǎng)，這種現(xiàn)象被稱為徐變。,徐變定義：,,,在荷載長(zhǎng)期作用下，混凝土凝膠體中的水分逐漸壓出，水泥石逐漸發(fā)生粘性流動(dòng)，微細(xì)空隙逐漸閉合，結(jié)晶體內(nèi)部逐漸滑動(dòng)，微細(xì)裂縫逐漸發(fā)生等各種因素的綜合結(jié)果。(凝膠體的粘性流動(dòng)要持續(xù)一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間，內(nèi)部裂縫不斷產(chǎn)生和發(fā)展）,徐變產(chǎn)生的原因,,塑性變形：混凝土中結(jié)合面裂縫的擴(kuò)展延伸引起；只有當(dāng)應(yīng)力超過(guò)材料的彈性極限強(qiáng)度后才產(chǎn)生塑性變形，且具有不

9、可恢復(fù)性。,徐變：應(yīng)力不大時(shí)為混凝土內(nèi)未結(jié)晶的水泥膠體的應(yīng)力重分布所致（水泥石中的膠體具有流動(dòng)的性質(zhì)）；應(yīng)力較大時(shí)，是混凝土內(nèi)微裂縫發(fā)展的結(jié)果（裂縫促進(jìn)徐變發(fā)展）；應(yīng)力較小時(shí)就會(huì)發(fā)生，部分可恢復(fù)。,徐變和塑性變形的區(qū)別,影響混凝土徐變的因素,（1） 加載齡期： 加載齡期越老，水泥石晶體所占比重越大，膠體粘流就越小，徐變就越小。,當(dāng)應(yīng)力,時(shí)，徐變大致與應(yīng)力成正比，,產(chǎn)生線性徐變。,（2） 加載應(yīng)力大?。?時(shí)，徐變急劇增加，不

10、收斂。,產(chǎn)生非線性徐變。,時(shí)，徐變的增長(zhǎng)較應(yīng)力快，,當(dāng)應(yīng)力,當(dāng)應(yīng)力,,工程應(yīng)用,,工程應(yīng)用,預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的預(yù)加力過(guò)高危險(xiǎn),應(yīng)避免過(guò)早的施加預(yù)應(yīng)力,,（3） 周圍濕度： 混凝土周圍的濕度是影響徐變大小的主要因素之一，外界相對(duì)濕度越低，混凝土的徐變就越大。,（4） 混凝土的組成成份和配合比： 水泥用量、水灰比、水泥品種，養(yǎng)護(hù)條件等對(duì)徐變有影響，水泥用量多，水灰比大，徐變則大，水泥的活性越低，徐變

11、越大。,,徐變的作用,不利方面：引起撓度增大，造成預(yù)應(yīng)力損失。,有利方面：減少由于支座不均勻沉降產(chǎn)生的應(yīng)力；分散應(yīng)力集中，引起應(yīng)力重分布（由于徐變而使應(yīng)力集中緩和）；降低溫度應(yīng)力。,應(yīng)力重分布：某一個(gè)給定的截面在梁的不同階段受拉區(qū)與受壓區(qū)的應(yīng)力相對(duì)初始彈性分布時(shí)期的變化。,,5. 混凝土的非荷載變形 ––– 收縮,（1）定義：在混凝土凝結(jié)和硬化的物理化學(xué)過(guò)程中體積隨時(shí)間推移而減小的現(xiàn)象稱為收縮。,,,,,,,,,,,,蒸汽養(yǎng)護(hù),,常溫養(yǎng)

12、護(hù),,0,5,10,15,20,0.1,0.2,0.3,0.4,收縮(?10–3),時(shí)間 (月),,（2）收縮的原因,（3）影響收縮的主要 因素,,混凝土的組成和配比 構(gòu)件的養(yǎng)護(hù)條件、使用環(huán)境的溫度和濕度以及凡是影響混凝土中水分保持的因素 構(gòu)件的體表比：比值越小，收縮越大,,構(gòu)件未受荷之前產(chǎn)生裂縫 預(yù)應(yīng)力構(gòu)件中預(yù)應(yīng)力損失（預(yù)應(yīng)力筋和混凝土一同回縮引起預(yù)應(yīng)力損失 超靜定結(jié)構(gòu)產(chǎn)生次內(nèi)力,（4）收縮對(duì)結(jié)構(gòu)的影響,,一、鋼筋的品種

13、,普通鋼筋可選取R235（HPB235）、HRB335、 HRB400、KL400（RRB400）熱軋鋼筋 注：括號(hào)內(nèi)藍(lán)色字體的表示方法適用于《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，以下同,預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)選用鋼絞線和鋼絲，中小型構(gòu)件或豎、橫向鋼筋也可選用精軋螺紋鋼筋,預(yù)應(yīng)力筋,§1.3 鋼 筋,,,碳素鋼,普通低合金鋼,,低碳鋼（含碳量少于0.25%）,中碳鋼（含碳量0.25%~0.6%） 高碳鋼（含碳量大于0.6%),1.按化學(xué)成份分

14、,,注：由于冷加工鋼筋延性較差，目前較少使用，若在工程中采用時(shí)，應(yīng)遵守專門(mén)規(guī)程的規(guī)定。,熱軋鋼筋,,光圓鋼筋（R235（HPB235））,帶肋鋼筋(HRB335,HRB400,KL400（RRB400）),2、按鋼筋的加工方法,冷拉鋼筋 冷軋帶肋鋼筋 冷軋扭鋼筋,,熱處理鋼筋,冷加工鋼筋,,2、熱軋鋼筋按外型特征分類,,光面鋼筋,螺紋鋼筋,月牙紋鋼筋,人字紋鋼筋,光圓鋼筋（R235（HPB235））,帶肋鋼筋(HRB335,HRB4

15、00,KL400（RRB400）),,,軟鋼：有明顯屈服臺(tái)階的鋼筋(熱軋鋼筋、冷拉鋼筋),硬鋼：無(wú)明顯屈服臺(tái)階的鋼筋(高強(qiáng)碳素鋼絲、鋼絞線),3、按力學(xué)性能不同可分為,,主要物理力學(xué)指標(biāo)：,,對(duì)于有明顯屈服臺(tái)階的軟鋼取屈服強(qiáng)度 fsk 作為強(qiáng)度設(shè)計(jì)依據(jù)。,對(duì)于無(wú)明顯屈服臺(tái)階的硬鋼取條件屈服強(qiáng)度? 0.2作為強(qiáng)度設(shè)計(jì)依據(jù)。,——屈服強(qiáng)度、抗拉極限強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、冷彎性能,1、軟鋼------有明顯流服鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變曲線,二、鋼筋的強(qiáng)度和變形

16、,,,oa－彈性階段,?a－比例極限,fd－強(qiáng)化階段,?d－極限強(qiáng)度,de －頸縮階段,cf－屈服臺(tái)階,?c－屈服強(qiáng)度,－極限壓應(yīng)變,,四個(gè)受力階段,四個(gè)特征值,,,,,兩個(gè)強(qiáng)度指標(biāo)：,（1）c點(diǎn)的屈服強(qiáng)度——是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算中強(qiáng)度取值的主要依據(jù)，因?yàn)殇摻顟?yīng)力達(dá)到屈服極限后，荷載不增加，應(yīng)變繼續(xù)增大，使得鋼筋混泥土裂縫開(kāi)尺過(guò)寬，變形過(guò)大，結(jié)構(gòu)不能正常使用。,（2）d點(diǎn)的極限強(qiáng)度——材料的實(shí)際破壞強(qiáng)度，衡量鋼筋經(jīng)大變形后的抗拉能力

17、，不能作為計(jì)算依據(jù)。,,,屈強(qiáng)比：表示結(jié)構(gòu)的可靠性潛力，屈強(qiáng)比小則結(jié)構(gòu)的可靠性高，但太小鋼材利用率太低。但為了保證鋼筋的綜合強(qiáng)度性能，在檢驗(yàn)鋼筋的質(zhì)量時(shí)，仍要保證它的極限抗拉強(qiáng)度并滿足檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的要求，特別在抗震結(jié)構(gòu)中，由于構(gòu)件要進(jìn)入大變形工作，考慮到鋼筋可能受拉進(jìn)入強(qiáng)化階段。,,,（1）伸長(zhǎng)率——又稱延伸率，e點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)，用（指標(biāo)注為10倍或5倍鋼筋直徑即）表示，,兩個(gè)塑性指標(biāo)：,（2）冷彎性能——指鋼材在冷加工過(guò)程中產(chǎn)生塑性變形

18、時(shí)，對(duì)產(chǎn)生裂縫的抵抗能力。通過(guò)冷彎試驗(yàn)，檢查試件表面是否有裂紋或分層斷裂來(lái)反映塑性。,,,2．無(wú)明顯流幅鋼筋的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線,主要針對(duì)強(qiáng)度高，塑性差，脆性大的鋼筋。,條件流限（或條件屈服強(qiáng)度）——經(jīng)加載、卸載后尚存有0.2%的殘余變形時(shí)的應(yīng)力，用? 0.2表示。一般取極限強(qiáng)度的85%。,,,,,0.2%,? 0.2,? 0.2－條件屈服強(qiáng)度,,,3．鋼筋應(yīng)力—應(yīng)變曲線數(shù)學(xué)模型,（3）雙斜線模型,（2）三折線模型 （完全彈塑性加硬化

19、模型）,（1）雙直線模型（完全彈塑性模型）,,其中：,,,,,,式中：,； 時(shí)，表達(dá)式同（1）,,（2）影響因素： 初始應(yīng)力、溫度、鋼筋品種,（3） 分類：分普通松弛和低松弛（低松弛約為普通松弛值的1/3）兩類,4．鋼筋的松弛（徐舒）,（1）定義：鋼筋受力長(zhǎng)度保持不變的情況下，應(yīng)力隨時(shí)間 增長(zhǎng)而降低的現(xiàn)象。,,焊接接頭 機(jī)械連接接頭 綁扎接頭,,套筒擠壓 接頭,鐓粗直螺紋接頭,,,

20、1、鋼筋的接頭,對(duì)焊,電弧搭接焊(夾桿式電弧焊 搭疊式電弧焊),綁扎接頭的鋼筋直徑：一般不宜大于28mm 受壓構(gòu)件中的受壓鋼筋可不大于32mm,四、鋼筋的接頭、彎鉤和彎折,,,鋼筋的搭接長(zhǎng)度可見(jiàn)電子教材相關(guān)內(nèi)容(p93-94),有綁扎接頭的受力鋼筋的截面積：受拉區(qū)不超過(guò)25%；受壓區(qū)不超過(guò)50%,,普通鋼筋的焊接接頭 a)閃光接觸 b)夾桿式電弧焊 c)搭疊式電弧焊,鋼筋的綁扎搭接接頭,,（1）受拉的光面鋼筋需在端頭設(shè)半圓彎鉤

21、（2）帶肋鋼筋設(shè)直角形彎鉤 （3）彎折處鋼筋內(nèi)側(cè)彎曲直徑D不得小于20d(表1-1),2、鋼筋的彎鉤和彎折,鋼筋的彎鉤與彎折示意圖 （尺寸單位：mm） a)鋼筋135°彎鉤 b)鋼筋的彎折,五、混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)鋼筋的要求 1. 鋼筋的強(qiáng)度 · 屈強(qiáng)比小則結(jié)構(gòu)的可靠性高，但太小鋼材利用率太低。 2. 鋼筋的塑性 · 為了使鋼筋在斷裂前有足夠的變形

22、需要求鋼材有一定的塑性。鋼筋的伸長(zhǎng)率和冷彎性能是施工單位驗(yàn)收鋼筋是否合格的主要指標(biāo)。 3. 鋼筋的可焊性 · 可焊性是評(píng)定鋼筋焊接后的接頭性能的指標(biāo)。可焊性好，即要求在一定的工藝條件下鋼筋焊接后不產(chǎn)生裂紋及過(guò)大的變形。,,4. 鋼筋的耐火性 熱軋鋼筋的耐火性能最好，冷軋鋼筋其次，預(yù)應(yīng)力鋼筋最差。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意混凝土保護(hù)層厚度滿足對(duì)構(gòu)件耐火極限的要求。 5. 鋼筋與混凝土的粘結(jié)力 為了