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第三章钢筋混凝土结构材料设计指标 第七讲 能力训练7 第八讲 能力训练8 一 钢筋的品种和级别按化学成分 碳素钢 又细分为低碳钢 中碳钢 高碳钢 随含碳量的增加 强度提高 塑性及可焊性降低 普通低合金钢 还加入少量合金元素 且含量不超过5 3 1钢筋 热轧钢筋分为HPB235级 HRB335级 HRB400级 RRB400级 屈服强度fyk 标准值 钢材废品限值 保证率97 73 HPB235级 fyk 235N mm2 为光圆钢筋HRB335级 fyk 335N mm2 为变形钢筋HRB400级 fyk 400N mm2 为变形钢筋RRB400级 fyk 400N mm2 为余热处理钢筋随强度的提高 塑性降低 按加工工艺分 规范 采用的分类方式 热轧钢筋 中高强钢丝和钢绞线 热处理钢筋和冷加工钢筋 3 1钢筋 HPB235级 级 钢筋多为光圆钢筋 多作为现浇楼板的受力钢筋和箍筋 HRB335级 级 和HRB400级 级 钢筋强度较高 多作为钢筋混凝土构件的受力钢筋 尺寸较大的构件 也有用 级钢筋作箍筋以增强与混凝土的粘结 外形制作成月牙肋或等高肋的变形钢筋 RRB400级 级 钢筋强度太高 不适宜作为钢筋混凝土构件中的配筋 一般冷拉后作预应力筋 延伸率d5 25 16 14 10 直径8 40 3 1钢筋 钢丝 中强钢丝的强度为800 1200MPa 高强钢丝 钢绞线的为1470 1860MPa 延伸率d10 6 d100 3 5 4 钢丝的直径3 9mm 外形有光面 刻痕和螺旋肋三种 另有二股 三股和七股钢绞线 外接圆直径9 5 15 2mm 中高强钢丝和钢绞线均用于预应力混凝土结构 热处理钢筋是将 级钢筋通过加热 淬火 强度提高 塑性降低 和回火 不降低强度的前提下 改善塑性 韧性 等调质工艺处理 使强度得到较大幅度的提高 而延伸率降低不多 用于预应力混凝土结构 冷加工钢筋是由热轧钢筋和盘条经冷拉 冷拔 冷轧 冷扭加工后而成 冷加工的目的是为了提高钢筋的强度 节约钢材 但经冷加工后 钢筋的延伸率降低 近年来 冷加工钢筋的品种很多 应根据专门规程使用 3 1钢筋 二 钢筋的力学性能分为有明显屈服点的钢筋 软钢 和无明显屈服点的钢筋 硬钢 有明显屈服点的钢筋 如低碳钢 合金钢 ef为颈缩阶段 3 1钢筋 几个指标 强度指标 极限强度 屈服强度屈服强度 是钢筋强度的设计依据 因为钢筋屈服后将发生很大的塑性变形 且卸载时这部分变形不可恢复 这会使钢筋混凝土构件产生很大的变形和不可闭合的裂缝 屈服上限与加载速度有关 不太稳定 一般取屈服下限作为屈服强度 变形指标 延伸率 冷弯性能 有些国家还要求反弯性能 延伸率 钢筋拉断后的伸长值与原长的比率 是反映钢筋塑性性能的指标 延伸率大的钢筋 在拉断前有足够预兆 延性较好 近年国际采用均匀伸长率 冷弯性能 将直径为d的钢筋浇过直径为D的弯芯弯成一定角度 而不发生断裂 裂缝或起层 弯芯直径D越小 弯转角越大 钢筋的塑性越好 屈强比 钢筋极限强度与屈服强度的比值 反映钢筋的强度储备 fy fu 0 6 0 7 3 1钢筋 无明显屈服点的钢筋 如高碳钢 a点 比例极限 约为0 65fua点前 应力 应变关系为线弹性a点后 应力 应变关系为非线性 有一定塑性变形 且没有明显的屈服点强度设计指标 条件屈服点残余应变为0 2 所对应的应力 规范 取s0 2 0 85fu 3 1钢筋 三 钢筋的设计指标 强度标准值与强度设计值 材料强度标准值 取具有95 保证率的材料强度值为该值强度特征值 钢筋强度设计值 钢筋强度标准值 钢筋材料分项系数 s 普通钢筋的强度标准值 强度设计值及弹性模量 3 1钢筋 3 1钢筋 本章目录 一 混凝土的组成结构普通混凝土 水泥 砂 石 水人工石材 是多相复合材料通常把混凝土的结构分为三种类型 微观结构 水泥石结构 包括水泥凝胶 晶体骨架 未水化完的水泥颗粒和凝胶孔组成 亚微观结构 水泥砂浆结构 宏观结构 砂浆和粗骨料两组分体系 注意 在荷载的作用下 微裂缝的扩展对混凝土的强度有着极为重要的影响 请看混凝土的组成 3 2混凝土 二 混凝土的强度混凝土结构中 主要是利用它的抗压强度 因此抗压强度是混凝土力学性能中最主要和最基本的指标 请看混凝土立方体抗压强度测定实验 1分45秒 3 2混凝土 标准试件和非标准试件之间的强度换算关系 美国 日本 国际标准化组织等采用圆柱体标准试块直径为6英寸 高为12英寸或直径为150mm 高为300mm 式中0 95和1 05为修正系数 对于不超过C50的混凝土时采用 随着混凝土强度的提高 修正系数有所变化 3 2混凝土 2 轴心抗压强度fc 按标准方法制作的100mm l00mm 300mm或150mm 150mm 450mm的棱柱体试件 在温度为20土3 和相对湿度为90 以上的条件下养护28d 用标准试验方法测得的具有95 保证率的抗压强度 对于同一混凝土 棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度 请看混凝土轴心抗压强度测定实验 2分 轴心抗压强度标准值和立方体抗压强度标准值的换算关系为 fcu k立方体强度标准值即为混凝土强度等级fcu 3 2混凝土 3 轴心抗拉强度ft 混凝土的轴心抗拉强度可以采用直接轴心受拉的试验方法来测定 但由于试验比较困难 目前国内外主要采用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 轴心受拉的试验 3 2混凝土 混凝土结构设计规范 规定轴心抗拉强度标准值与立方体抗压强度标准值的换算关系为 劈裂试验 请看混凝土抗拉强度测定实验 3分30秒 提高混凝土抗拉强度的有效办法是使骨料级配均匀和增加混凝土的密实性 3 2混凝土 三 混凝土的设计指标 强度标准值与强度设计值 混凝土强度设计值 混凝土强度标准值 砼材料分项系数 c 材料强度标准值 取具有95 保证率的材料强度值为该值强度特征值 混凝土的强度标准值 强度设计值及弹性模量 3 2混凝土 3 2混凝土 3 2混凝土 作业 思考题 四 混凝土破坏机理 立方体试件与棱柱体试件的破坏形态 请看混凝土破坏机理 4分 fc fcu 3 2混凝土 在混凝土的凝固硬化过程中 由于水泥石收缩 骨料下沉以及温度变化等原因 在骨料和水泥石的界面上形成一些不规则的微裂缝 混凝土的破坏就是由于微裂缝的发展造成的 混凝土微裂缝的发展将导致横向变形增大 若对横向变形加以约束 就可以限制微裂缝的发展 从而可提高混凝土的抗压强度 为什么横向变形受到约束时 混凝土的抗压强度就可以提高呢 3 2混凝土 约束混凝土概念的提出约束混凝土 通过配置螺旋箍筋 密排箍筋 来约束混凝土的横向变形 从而提高混凝土抗压强度和变形能力 变形能力的提高对于抗震结构十分重要 螺旋箍筋约束混凝土 3 2混凝土 由图可以看出 混凝土的强度等级越高 曲线中线弹性段越长 脆性越显著 下降段越陡高强混凝土的脆性为什么那么大呢 高强混凝土中 砂浆与骨料的粘结很强 密实性好 微裂缝很少 最后的破坏往往是骨料破坏 延性 混凝土耐受变形的能力或混凝土后期变形能力 混凝土的延性 3 2混凝土 五 混凝土的收缩与徐变 1 混凝土的收缩 混凝土在空气中硬化时体积会缩小 这种现象称为混凝土的收缩 收缩是混凝土在不受外力情况下体积变化产生的变形 混凝土的收缩随时间而增长 两周可完成全部收缩的25 一个月可完成50 整个收缩过程可延续两年以上 3 2混凝土 3 2混凝土 混凝土收缩的不利影响 受到约束时将产生拉应力 引起混凝土的开裂 会使预应力混凝土构件产生预应力损失 对跨度比较敏感的超静定结构 会引起不利的内力混凝土开裂时应变约为 0 00005 0 00027 而收缩应变终极值约为 0 0002 0 0005 故收缩应变如受到约束 极易导致开裂 3 2混凝土 影响因素 1 水泥的品种 水泥强度等级越高 混凝土收缩越大 2 水泥的用量 水泥用量多 水灰比越大 收缩越大 3 骨料的性质 骨料弹性模量高 级配好 收缩就小 4 养护条件 干燥失水及高温环境 收缩大 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 湿度越大 收缩越小 7 构件的体积与表面积比值 比值大时 收缩小 实际工程中 一般采用设置施工缝等来减小收缩应力的不利影响 3 2混凝土 2 混凝土的徐变 随荷载作用时间的延续 变形不断增长 前4个月徐变增长较快 6个月可达最终徐变的 70 80 以后增长逐渐缓慢 2 3年后趋于稳定 瞬时恢复 弹性后效 残余应变 收缩应变 徐变应变 瞬时应变 混凝土在压应力长期作用下 其压应变随时间的增加会不断增长 这种现象称为徐变 3 2混凝土 影响因素内在因素是混凝土的组成和配比 骨料的刚度 弹性模量 越大 体积比越大 徐变就越小 水灰比越小 徐变也越小 环境影响包括养护和使用条件 受荷前养护的温湿度越高 水泥水化作用月充分 徐变就越小 采用蒸汽养护可使徐变减少 20 35 受荷后构件所处的环境温度越高 相对湿度越小 徐变就越大 应力条件是指初应力水平si fc和加荷时混凝土的龄期t0 它们影响徐变的非常主要的因素 3 2混凝土 水泥凝胶体粘性流动和内部微裂缝的扩展 产生的主要原因 混凝土徐变对结构的影响 徐变会使结构的变形增大 引起预应力损失 在长期高应力作用下 甚至会导致破坏 徐变有利于结构构件产生内 应 力重分布 减少支座不均匀沉降引起的应力和温度应力 在局部应力集中区 徐变可调整应力分布 3 2混凝土 1 强度 要求钢筋有足够的强度和适宜的强屈比 极限强度与屈服强度的比值 例如 对抗震等级为一 二级的框架结构 其纵向受力钢筋的实际强屈比不应小于1 25 2 塑性 要求钢筋应有足够的变形能力 3 可焊性 要求钢筋焊接后不产生裂缝和过大的变形 焊接接头性能良好 4 与混凝土的粘结力 要求钢筋与混凝土之间有足够的粘结力 此外 钢筋的锚固和有关的构造要求 以保证两者共同工作 对于寒冷地区还应考虑低温性能 六 混凝土结构对钢筋性能的要求 本章目录 3 2混凝土 宏观结构 亚微观结构 微观结构 干缩 孔隙 凝胶体 混凝土组成结构 晶体骨架 由未水化颗粒组成 承受外力 具有弹性变形特点 塑性变形 在外力作用下由凝胶 孔隙 微裂缝产生 破坏起源 孔隙 微裂缝等原因造成 PH值 由于水泥石中的氢氧化钙存在 混凝土偏碱性 由于水泥凝胶体的硬化过程需要若干年才能完成 所以 混凝土的强度 变形也会在较长时间内发生变化 强度逐渐增长 变形逐渐加大 均匀延伸率 最大力作用下的总伸长率 包括残余应变和弹性应变 反映了钢筋真实的变形能力 冷拉 无时效 经时效 K点的选择 应力控制和应变控制 温度的影响 温度达700 C时恢复到冷拉前的状态 先焊后拉 特性 只提高抗拉强度 不提高抗压强度 强度提高 塑性下降 冷拔 经过冷拔后钢筋没有明显的屈服点和流幅 冷拔既能提高抗拉强度又能提高抗压强度 我国规范的方法 不涂润滑剂 1 钢筋混凝土的组成 钢筋 混凝土 混凝土 现代主要的人造工程结构材料 2 两种材料的基本力学特性 钢筋 抗拉与抗压强度较高 破坏时表现出较好的延性 混凝土 抗压强度高 抗拉强度远低于其抗压强度 之比约为10 破坏时具有明显的脆性性质 一 钢筋与混凝土能共同工作的原因 3 3钢筋与混凝土的共同工作 4 关于钢筋混凝土梁与素混凝土梁的比较试验 1 试验情况介绍 同条件下的对比试验 请看素混凝梁实验 40秒 请看钢筋混凝土梁实验 2分 3 配筋的基本原则 使钢筋在结构中处于受拉 使混凝土在结构中处于受压 素混凝土梁 承载力低 一开裂即告破坏 破坏前无预兆 为脆性 钢筋混凝土梁 承载力高 混凝土开裂后 其承担的拉应力转移到钢筋 2 试验结果小结 3 3钢筋与混凝土的共同工作 钢筋和混凝土之间存在有良好的粘结力 在荷载作用下 可以保证两种材料协调变形 共同受力 钢筋与混凝土具有基本相同的温度线膨胀系数 钢材为1 2 10 5 混凝土为 1 0 1 5 10 5 因此当温度变化时 两种材料不会产生过大的变形差而导致两者间的粘结力破坏 5 钢筋与混凝土能共同工作的原因 钢筋 材 和混凝土两种材料的物理力学性能很不相同 他们可以结合在一起共同工作 是因为 3 3钢筋与混凝土的共同工作 二 钢筋与混凝土粘结力组成 钢筋与混凝土的粘结作用由三部分组成 混凝土中水泥胶体与钢筋表面的胶结力 混凝土因收缩将钢筋握紧而产生的两者间的摩擦力 机械咬合力 对于光面钢筋 表面轻度锈蚀有利于增加摩擦力 但摩擦作用也很有限 由于光面钢筋表面的自然凹凸程度很小 机械咬合作用也不大 因此 光面钢筋与混凝土的粘结强度是较低的 为保证光面钢筋的锚固 通常需在钢筋端部弯钩 弯折或加焊短钢筋以阻止钢筋与混凝土间产生较大的相对滑动 3 3钢筋与混凝土的共同工作 钢筋弯钩形式有三种 分别为半圆弯钩 直弯钩及斜弯钩 3 3钢筋与混凝土的共同工作 将钢筋表面轧制出肋形成带肋钢筋 即变形钢筋 可显著增加钢筋与混凝土的机械咬合作用 从而大大增加了粘结强度 对与强度较高的钢筋 均需作成变形钢筋 以保证钢筋与混凝土间具有足够的粘结强度使钢筋的强度得以充分发挥 3 3钢筋与混凝土的共同工作 三 钢筋的锚固与连接 1 钢筋的锚固 为保证构件内的钢筋能很好的受力 当钢筋伸入支座或在切断时 必须伸入一个长度 依靠这个长度上的粘结力把钢筋锚固在混凝土