钢筋混凝土结构的基本概念及材料的物理力学性能.ppt

第一篇 钢筋混凝土结构 第一章 钢筋混凝土结构的基本概念 及材料的物理力学性能 第一节 钢筋混凝土结构的基本概念 一、钢筋混凝土（Reinforced Concrete，简称 RC）结构的基本概念 钢筋混凝土结构由钢筋和混凝土两种不同 物理力学性能的材料组成的一种人工材料，它 充分了发挥钢筋和混凝土各自的优点： 1、混凝土：抗拉强度ft （tensile strength） 较低，抗压强度fc较（compressive strength）高 ； 2、钢筋：抗压强度、抗拉强度均很高。 1、梁（Beam、Girder）： 1F1F1Fc As 裂缝 M c AS a) b) c) ASsS s s s 受拉区 中性轴 中性轴 F Fc：梁的破坏荷载 F Fc时，出现数条 竖向裂缝并向上发 展，中性轴上移， 混凝土受压区面积 不断减少，梁塑性 破坏。 FFc时,中和轴以 上受压,以下受拉 F = Fc时，出现竖 向裂缝并迅速发展 ，梁突然断裂。发 生脆性破坏。 素混凝土梁 钢筋混凝土梁 在受拉区内配置适量的钢筋后（即所谓 的适筋梁（ideally reinforced beam），梁 的破坏过程为： 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，且钢筋 与混凝土两种材料强度都能得到较充分的利用 。 受拉钢筋应力达到屈服强度 受压区混凝土被压坏 梁破坏 2、柱（Column）： 试验表明，钢筋混凝土柱与素混凝土柱相 比，承载力大为提高，受力性能也得到改善： 素混和钢混轴心受压构件受力性能比较 二、钢筋与混凝土能共同工作的条件 1、两者之间有可靠的粘结力； 2、线膨胀系数大致相同，不会因温度发生 变化而影响粘结力，即不发生错动； （混凝土线膨胀系数：1.01.510-5 /， 钢筋线膨胀系数：1.210-5/） 3、钢筋外面有一个良好的保护层，钢筋被 混凝土所包裹，从而防止钢筋的锈蚀，保证结 构的耐久性。 耐久性好 耐火性好 整体性好 可塑性好 抗震性好 取材容易 自重大，跨越能力 小 抗裂性较差 施工受季节环境影 响较大（冬、雨） 耗用大量模板、支 撑材料 维修困难 三、钢筋混凝土材料的特点 优点 缺点 第二节 混凝土（Concrete） 一、混凝土的内部结构 混凝土的构成：水泥、石子、砂、水、外 加剂、细掺料等。 1、固体：集料，水泥石决定混凝土材料 的强度。 2、液体：水泥胶体带有一定塑性，具有 流动性，在一两年后才能变成固体，是引起徐 变的主要原因。 3、孔隙：混凝土结硬、收缩形成。 二、工程上对混凝土的要求 1、和易性（也称工作性：粘聚性，饱水 性，流动性）； 2、强度； 3、耐久性； 4、经济性。 混凝土的化学成分在土木工程材料 课中已经学习过，此处不赘述，本课程主要 掌握混凝土的力学性能。 三、混凝土的强度（Strength） 混凝土的抗压强度比抗拉强度大很多8 18倍，因此混凝土主要用于抗压，而拉力主 要是由抗拉强度很高的钢筋承担，所以混凝土 的抗压强度是最重要的强度指标。 混凝土的强度等级与水泥强度等级、集料 性质、级配、水灰比等有关。 是用三标试件，即： （1） 标准尺寸： 150mm150mm150mm； （2） 标准温度和相对湿度： 202，相对湿度95%以上； （3） 养护28d，依照标准制作及试验方法 测得的抗压强度值。 1、立方体抗压强度fcu （Cube Crushing Strength） 混凝土立方体抗压强度与试验方法有着 密切的关系： 立方体抗压强度试件立方体抗压强度试件 a a) )立方体试件的受力立方体试件的受力 b b) )承压板与试件表面之间未涂润滑剂时承压板与试件表面之间未涂润滑剂时 c c) )承压板与试件表面之间涂润滑剂时承压板与试件表面之间涂润滑剂时 2 、轴轴心抗压压强度fc（Axial Compressive Strength）（又称棱柱体抗压压强度） 混凝土的抗压强度不仅与试件的尺寸有关 ，也与其形状有关。 在实际工程中，受压构件一般都是棱柱体 ，采用棱柱体试件比立方体试件能更好地反映 混凝土的实际抗压能力。 （1）影响因素： 试件高度h与边长b之比，比值越大，轴心 抗压强度越小；（如P7图1-4），但当h /b3后 ， fc / fcu不再变化。 （2）试件: 150mm150mm300mm，制作方法同立方 体试件。 3、轴轴心抗拉强度 ft （Axial Tensile Strength ） （1）测试方法:采用圆柱体或立方体的劈 裂试件测得劈裂抗拉强度fts（split tensile strength ） 。 劈裂试验（劈裂试验（ split tensile test split tensile test） F （2）采用劈裂试验测抗拉强度的原因 采用两端预埋钢筋测试轴心抗拉强度时， 保持试件轴心受拉很重要但很难做到，钢筋预 埋和试件安装难以对中，对测试干扰很大。 混凝土抗拉强度试验试件混凝土抗拉强度试验试件 4、复合应应力（Combined Stress）状态态下的强 度（了解） 强度变化特点强度变化特点 （1）双向 应力： 两个垂直平 面上作用有法 向应力，第三 个平面上应力 为零。 1.25 1.16 混凝土圆柱体抗压强度 混凝土强度提高的原因是由于侧向约束了 混凝土受压后的横向变形，限制了其内部裂缝 的产生和发展。 （2）三向应力 混凝土三向受压时，各方向上的抗压强度都 有很大的提高（如图）。轴心抗压强度与侧压 应力2的关系有如下线性经验公式： 侧压应力值 混凝土的变形性能比较复杂，研究表明： 在荷载作用下，混凝土会产生非线性的弹塑性 变形。 混凝土的变形性能与混凝土的组成、龄期 、荷载的大小和持续时间、加荷速度以及荷载 循环次数有关。 还与体积收缩和膨胀变形有关。 四、混凝土的变形（Deformation） 由上分析可以看出： 混凝土的变形可分为两类： 1、是由于受力而产生的变形； 2、是由收缩和温度湿度变化而产生的变形。 受力变形：短期荷载作用，长期荷载 作用，多次重复作用等。 体积变形：收缩变形，温度变形等。 混凝土 的变形 1、单调短期加载作用下的变形 （1） 混凝土应力应变曲线 （如图） OA：弹性工作阶段 AB：塑性工作阶段 BC：完全塑性工作阶段 CD、CE：下降段 收敛段 cu （2） 影响混凝土应变曲线的主要因素 混凝土强度，应变速率，测试技术及试验 条件。 强度等级不同的混凝土的应力应变曲线强度等级不同的混凝土的应力应变曲线 2、混凝土在长期荷载作用下的变形 徐变（Creep ） （1） 徐变：混凝土在荷载长期不变作 用下产生随时间而增长的变形。 （2） 徐变曲线（Curve of Creep）： （3）徐变原因： 较小时，水泥胶体向水泥结晶体（水泥 石）发展时应力重分布。 较大时，混凝土中的内部微裂缝在荷载 作用下不断发展和增长，而导致应变的增 长。 （4）影响徐变的因素： 持续作用应力大小，持续作用应力越 大，徐变越大。 0.5fc时，徐变与应力成正比，即线性徐变 ，最主要的特点是收敛; 0.6fc时，收敛性越来越差; 0.8fc时，徐变时间曲线发散，最终导致混 凝土破坏。 t（d） 0.8fc 混凝土的龄期，龄期越长，硬结程度越好， 徐变就越小，反之越大； 加荷时混凝土龄期对徐变大小的影响加荷时混凝土龄期对徐变大小的影响 水泥用量越多，水灰比越大，密实性越差， 徐变越大； 环境越干燥，徐变越大因此要加强养护。 结构尺寸越小，徐变 越大，混凝土集料强 度和弹性模量越高， 徐变越小； 构件尺寸对徐变的影响构件尺寸对徐变的影响 （5）徐变对构件受力性能的影响：（ 主要是不利的方面） 有利：会造成应力重分布，更好地利用 钢筋；可使温差、湿差造成的内 力降低。 不利：会使混凝土变形加大，造成预应 力损失，计算复杂，尚在研究。 钢筋的徐变小，因此可以在混凝土中配 置一定数量的钢筋来减小混凝土的收缩、徐变 ，但是不能多配，因为钢筋会加大混凝土的“ 强制拉应力”，造成混凝土结构损坏。 3、混凝土的收缩（Shrinkage）和膨胀（ Expansion）变形 混凝土在空气中结硬时，体积会收缩；当在 水中结硬时，体积膨胀。 这种变形与荷载无关，是一种非正常变形， 由于这种变形而产生的裂缝，即为非正常裂缝， 对于预应力混凝土，它还会造成预应力损失，但 如果构件处于自由状态，它不会产生裂缝。 （1）收缩的原因： 初期：水泥石在水化凝固结硬过程中的体积 收缩。 后期：混凝土内自由水分蒸发，体积收缩。 混凝土的收缩变形与时间关系混凝土的收缩变形与时间关系 （2）收缩的规律：开始收缩的很快， 而后越来越慢，两年左右稳定。 （3）影响收缩的主要因素： 水泥用量越高，水灰比越大，收缩越大； 级配越好，集料密度大，弹性模量越高，收 缩越小； 温度越低，相对湿度越小，收缩越大； 体表比越小，收缩越大。 （4）防止收缩裂缝的办法： 水泥用量及水灰比适当，加强混凝土振捣 和养护减小收缩。 设置伸缩缝，分段施工或设诱发缝。 4、混凝土弹性模量（ Modulus of Elastic ） 、变形模量 （ Modulus of Deformation） 原点弹性模量Ec 切线模量Ec =d/d 变形（割线）模量Ec =c/c 公路桥规给定的计算弹性模量的公式为： 计算剪切模量的公式为： 一般取混凝土的泊松比c= 0.2，则有： Gc=0.4Ec 。 第三节 钢筋（Steel/Reinforcement/Bar） 一、钢筋的成份、级别、品种 1、钢筋的原材料：主要是碳素钢、普通低 合金钢。 （1） 碳素钢：以铁为主，加少量Si、Mn 、P、S等。 低碳钢（C0.25%） 中碳钢（C=0.25 %0.6%） 高碳钢（C=0.6 %1.4% ） 按含碳量又分为： （2） 普通低合金钢（common low metal alloy steel）：在碳素钢成分中加入少量的合金 元素（3%） ，如Si、Mn、V、Ti等。 2、现行钢筋按强度等级分类： 品 种 强度等级代号 符 号 外形强度级别 光圆 钢筋 R235 带肋 钢筋 HRB335 HRB400 KL400 3、品种 按外形特征分为：光圆钢筋和变形钢筋。 变形钢筋分为：螺旋钢筋、“人”字形钢筋 和月牙形钢筋。 光圆钢筋光圆钢筋 螺纹钢筋螺纹钢筋人字形钢筋人字形钢筋月牙形钢筋月牙形钢筋 变变 形形 钢钢 筋筋 月牙形钢筋 二、钢筋的主要力学性能 1、-关系曲线分两大类 （1） 有明显流幅的-曲线（软钢） 弹性工作阶段 屈服阶段 强化阶段 局部变形阶 段（颈缩） 屈服上限 屈服下限 （2） 无明显流幅的-曲线（硬钢） 残余应变为0.2%时的应力 三、钢筋混凝土结构对钢筋性能要求 强度高； 塑性好； 可焊性好； 与混凝土之间的粘结力好。 第四节 钢筋与混凝土之间的粘结 一、粘结力 1、粘结力：构件中的钢筋受到拉或压后 ，混凝土与钢筋之间存在水泥胶结力、摩擦力 、机械咬合力，这些力统称为粘结力。 2、粘结应力：钢筋与混凝土由于受变形 差（相对滑移）沿钢筋与混凝土接触面上产 生的剪应力。 光圆钢筋的拔出试验光圆钢筋的拔出试验 a a) )试验示意图试验示意图 b b) )粘结应力分布图粘结应力分布图 c c) )钢筋应力分布图钢筋应力分布图 d d) )钢筋隔离体受力钢筋隔离体受力 3、平均粘结应力 钢筋被拔出或者混凝土被劈裂时的最大 平均粘结应力。 l d 二、粘结机理（mechanism）分析 1、光圆钢筋与混凝土的粘结力组成： （1） 水泥浆凝结与钢筋表面间的胶着力； （2） 混凝土收缩将钢筋裹紧而产生摩阻力； （3） 钢筋表面凹凸不平与混凝土之间发生机 械咬合力。 光圆钢筋拔出试验的破坏形态是剪切破 坏，破坏面是二者之间的接触面。 2、变形钢筋与混凝土的粘结 （1）粘结作用 主要是变形钢筋表面凸出的肋与混凝土之 间的机械咬合作用，如图： 变形钢筋的肋对混凝土的挤压如同一 个楔，会产生很大的机械咬合力，从而提高 了变形钢筋的粘结力。 （2）变形钢筋的两种破坏形式 剪切型粘结破坏 变形钢筋外围混凝土较厚，或有环向箍筋 约束混凝土变形，则纵向劈裂裂缝的发展受到 抑制，钢筋连同肋纹间的破碎混凝土逐渐由混 凝土中被拔出，破坏面为带肋钢筋肋的外径形 成的一个圆柱面，如图： 带肋钢筋的剪切型粘结破坏带肋钢筋的剪切型粘结破坏 劈裂型粘结破坏 若变形钢筋外围混凝土较薄（如保护层厚 度不足或钢筋净间距过小），又未配置箍筋约 束混凝土变形，则径向裂缝很容易发展到试件 表面形成沿纵向钢筋的裂缝，使钢筋附近的混 凝土保护层逐渐劈裂而破坏，这种破坏具有一 定的延性特征。 F 3、光圆钢筋和变形钢筋的粘结机理的 主要区别： （1）光圆钢筋粘结力主要自 来胶结力和摩阻力； （2）变形钢筋的粘结力主要 来自机械咬合作用。 三、影响粘结强度的因素 1、混凝土强度等级 混凝土强度等级越高，粘结强度越高， 但增加速度会逐级减慢； 2、浇注混凝土时钢筋所处位置 水平位置钢筋比竖向位置钢筋粘结强度 显著要低； 3、钢筋之间净距 如净距不足容易产生劈裂形粘结破坏； 钢筋净距过小钢筋净距过小 产生的粘结破坏产生的粘结破坏 ( (尺寸单位：尺寸单位：mm)mm) a a）试验装置）试验装置 b b）破坏图形）破坏图形 钢筋净距对粘结强度及钢筋应力的影响钢筋净距对粘结强度及钢筋应力的影响 4、钢筋周围混凝土的厚度 混凝土净保护层厚度应不小于钢筋直径， 且不小于混凝土保护层最小