混凝土结构第一章 PPT课件

第一章钢筋和混凝土的力学性能 给水排水工程结构 1 按生产工艺和力学性能的不同 钢筋分为 热轧钢筋和钢丝 钢绞线 螺纹钢筋及钢棒 热轧钢筋主要用于钢筋混凝土结构中的钢筋以及预应力混凝土结构中的非预应力钢筋 而钢丝 钢绞线 螺纹钢筋及钢棒主要用作预应力钢筋 热轧钢筋 HotRolledBar 将钢材在高温下轧制而成 按其强度的高低分为 HPB235级 HPB300级 HRB335级 HRB400级 RRB400级 HRB500级 1 1钢筋 一 钢筋的品种及分类 2 HPB235 HPB300 HotrolledPlainBars 热轧光圆钢筋 级 fyk 235N mm2 多作为箍筋和现浇楼板的受力钢筋 HRB335 HotrolledRibbedBars 热轧带肋钢筋 级 fyk 335N mm2 可作为钢筋混凝土构件的辅助受力钢筋 对于尺寸较大的构件 也有用 级钢筋作箍筋 以增强与混凝土的粘结 一 钢筋的品种及分类 3 HRB400 热轧带肋钢筋 级 fyk 400N mm2 钢筋强度较高 可作为钢筋混凝土构件的主导受力钢筋 RRB400 余热处理钢筋 级 焊接受热回火可能会降低其强度 故其应用受到一定限止 HRB500 热轧带肋钢筋 级 fyk 500N mm2 强度高 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钢筋 一 钢筋的品种及分类 4 我国预应力混凝土结构常用的钢丝有消除应力钢丝 螺旋肋钢丝 刻痕钢丝和钢绞线 消除应力钢丝是将钢筋拉拔后 经中温回火消除应力并作稳定化处理的光面钢丝 螺旋肋钢丝是将热轧的圆盘条经冷轧减小直径后 在其表面冷轧成有月牙肋的钢丝 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 钢绞线是将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 一 钢筋的品种及分类 5 2 按化学成分的不同 钢筋可分为 碳素钢 铁 碳 硅 锰 硫 磷等元素 按含碳量的高低可分为 低碳钢 C 0 25 中碳钢 C 0 25 0 6 高碳钢 C 0 6 1 4 碳素钢的力学性能与含碳量有关 含碳量越高 钢筋的强度也越高 但其塑性性能及可焊性则越差 普通低合金钢 炼钢中掺加硅 锰 钛 钒 铬等元素 按合金成份的不同 有硅系 硅钒系 硅钛系 硅锰系 硅铬系等 合金元素的掺加 可使钢筋强度提高 塑性性能也有所改善 一 钢筋的品种及分类 6 3 按表面形状的不同 钢筋可分为 光面钢筋 钢筋表面无任何刻痕 肋纹 多为小直径的 级钢筋 变形钢筋 钢筋的表面有凹凸不平的纵横肋 以增加与混凝土的粘结 一 钢筋的品种及分类 7 a 为比例极限s Esea为弹性极限b为屈服上限 不太稳定c为屈服下限 即屈服强度fye为极限抗拉强度fboa弹性阶段cd屈服阶段de强化阶段ef颈缩阶段由于热轧钢筋张拉是具有明显屈服台阶 软钢 1 1钢筋 二 钢筋的力学性能 热轧钢筋的力学性能 强度 变形 1 热轧钢筋的应力 应变曲线 8 钢筋受压时的应力 应变曲线和受拉时的基本相同 钢筋的强度设计指标对于软钢以屈服强度fy作为设计强度的取值依据 原因 钢筋屈服后会产生大的塑性变形 可将钢筋的强化作为混凝土构件的安全储备 控制钢筋的 屈强比 有利于结构的抗震 二 钢筋的力学性能 钢筋混凝土结构设计时 一般将软钢的应力 应变曲线简化为双折线 9 2 热轧钢筋的变形指标 伸长率 一定标距长度的钢筋试件在拉断后的残余伸长量与试件原标距长度的比值 越大 表明钢筋的塑性性能越好 冷弯性能 二 钢筋的力学性能 冷弯 常温下 将直径为d的钢筋绕直径为D的辊轴弯转 在达到规定的弯转角度时 钢筋外侧不出现裂纹或钢筋不发生断裂的现象 10 冷弯性能是根据冷弯直径D和冷弯角度来衡量 是检验钢筋韧性和内部质量的一种非常有效的方法 钢筋的屈服强度 抗拉强度 伸长率和冷弯性能是施工单位验收钢筋的四个主要指标 二 钢筋的力学性能 11 2 硬钢的力学性能硬钢是指张拉时没有明显屈服台阶的钢筋 受拉时的曲线如图所示 二 钢筋的力学性能 a点 比例极限 约为0 65fba点前 具有理想的弹性性能 a点后 有一定塑性变形 但没有明显的屈服点 强度设计指标 对于硬钢没有明显的屈服点 混凝土结构计算时 以条件屈服强度作为硬钢的强度取值依据 条件屈服强度 残余应变为0 2 所对应的应力 规范 取 0 85fb 12 1 1钢筋 1 强度要求 屈服强度 抗拉强度 适宜的屈强比 2 变形性能 钢筋的伸长率和冷弯性能应满足要求 3 可焊性 焊接处的强度 变形应能满足规范要求 4 与混凝土的粘结性 钢筋与混凝土之间应有足够的粘结力 以保证两者共同工作 四 混凝土结构对钢筋的要求 13 组成 混凝土是由水泥 石子 粗骨料 砂子 细骨料 和水按一定比例配合 经凝固硬化后做成的一种人造石材 砼 读音t ng 基本力学性质 混凝土内部存在裂缝和空隙 弹塑性 各向异性 水泥凝胶体 塑性性质 粗骨料 水泥结晶体构成了受力骨架 弹性性质 力学性能 强度问题 水化过程中形成的管状原纤维交织在一起 利于受压 不利于受拉 变形问题 脆性材料 1 2混凝土 一 混凝土的组成结构 14 混凝土在单向受力状态下的强度指标 是对混凝土结构进行受力分析 建立计算公式的依据 1 立方体抗压强度fcu定义 立方体抗压强度是用标准试件 在标准条件下养护28天 按标准试验方法测得 具有95 保证率的抗压强度 a 标准试件 150mm 150mm 150mm的立方体 b 标准养护条件 温度 20 3 C 相对湿度90 以上的环境下养护28天 1 2混凝土 二 混凝土强度 15 c 标准试验方法 试件表面不涂润滑剂 加载速率为0 2 0 5N mm s 二 混凝土强度 d 具有95 保证率的抗压强度 f fcu 95 5 16 立方体抗压强度 最基本的强度指标 是确定混凝土强度等级的依据 按立方体抗压强度的大小 我国规范将混凝土的强度划分为14个等级 C15 C20 C25 C30 C35 C40 C45 C80 若实测抗压强度处于两等级之间 则按较低一级采用 2 棱柱体抗压强度 轴心抗压强度fc试件尺寸的确定高宽比h b越大 摩擦力对试件中部混凝土的约束作用就越小 试件中部单向受力状态 但h b过大 试件加载时产生较大的纵向弯曲而引起测量误差 不能反映混凝土的实际受力状态 二 混凝土强度 17 根据试验资料 一般来说h b 2 3比较合适 我国采用的标准棱柱体试件尺寸150 l50 300mm 根据试验资料 混凝土的轴心抗压强度fc与立方体抗压强度fcu之间大致呈线性关系 试验室 考虑到实际构件与试件有较大差别 对上述关系予以修正 施工现场 在实际工程中 轴心抗压强度一般都是按上述关系换算求得 主要原因是因为采用立方体试件有以下优点 便于加载对中 操作简单 试验数据离散性较小 节约材料 二 混凝土强度 18 二 混凝土强度 我国采用100 100 500mm的棱柱体试件 两端预埋钢筋 钢筋位于试件轴线上 直接对拉测定混凝土的轴心抗拉强度 破坏时 裂缝产生在试件中部 试件破坏时的平均应力即为混凝土的轴心抗拉强度ft 考虑到构件和试件的差别 3 轴心抗拉强度ft轴心体抗拉强度的试验方法 1 直接受拉法 2 劈裂法 19 混凝土的变形分类 受力变形 由荷载作用引起的变形 体积变形 由于温度 湿度变化而引起的变形 1 混凝土的受力变形在荷载作用下 混凝土的变形与混凝土的组成 加载龄期 加载方式及荷载持续时间等因素有关 混凝土的受力变形包括 1 一次短期加载下的变形 2 重复荷载作用下的变形 3 长期荷载作用下的变形 1 2混凝土 三 混凝土的变形性能 20 1 混凝土在一次短期加载下的变形1 混凝土受压时的应力 应变曲线轴心受压时的应力 应变全过程可分为三个阶段 近似弹性阶段 上升曲线段 弹塑性阶段 裂缝扩展阶段 下降曲线段 裂缝失稳扩展阶段 破坏阶段 三 混凝土的变形性能 21 与峰值应力fc对应的应变 峰值应变 是混凝土的一个重要的塑性指标 试验表明 基本与混凝土强度等级无关 一般取为0 002 与 收敛点 对应的应变 极限压应变 也是混凝土的一个重要的塑性指标 试验表明 混凝土的强度等级 fcu 越高 则越小 影响混凝土应力 应变曲线的因素有混凝土强度 加载速率等 混凝土受拉时的应力 应变曲线与受压时的应力 应变曲线形状相似 受拉时 0 0001 抗拉强度ft都远远低于受压时的相应指标 受拉应力 应变曲线与受压应力 应变曲线在原点处的切线斜率是基本相同的 三 混凝土的变形性能 22 2 混凝土在长期荷载作用下的变形 徐变 1 定义 混凝土在长期荷载作用下 如果应力不变 其变形也会随时间的延长而增大的现象 三 混凝土的变形性能 23 2 徐变特点 早期增长快 后期减慢并逐渐趋于稳定 混凝土的最终徐变值约为初始瞬时应变的2 3倍 3 产生徐变的原因 外荷载作用下 水泥凝胶体产生粘性流动 蠕变 混凝土内部微裂缝的不断发展 4 影响因素 作用荷载的大小 作用荷载越大 试件截面上的应力越大 产生的徐变也越大 当时 线性徐变 当时 非线性徐变 因此 在混凝土结构正常使用阶段 应尽量避免混凝土处于高应力状态 三 混凝土的变形性能 24 加载龄期 加载时混凝土的龄期越长 徐变越小 环境湿度 相对湿度愈高 徐变愈小 水泥用量及水灰比 徐变与水泥用量及水灰比成正比5 混凝土徐变对结构的影响有利影响 徐变造成结构应力的重新分布 降低高应力 提高低应力 改善了结构内部的应力分布 不利影响 徐变会使构件的变形和裂缝宽度增加 徐变增大预应力混凝土构件中预应力钢筋的应力损失 降低预应力效果 三 混凝土的变形性能 25 2 混凝土的体积变形 温度变形和收缩变形 1 定义 因外界温度变化或混凝土内部水化热等引起的变形称为温度变形 特点 热胀冷缩因外界湿度变化或混凝土凝固结硬中干燥失水所产生的变形称为收缩变形 特点 湿胀干缩当混凝土的变形受到约束时 就会在结构内部产生应力 如果应力超过混凝土的抗拉强度 就会导致混凝土开裂 影响结构的正常使用 甚至影响结构的承载力和耐久性 温度膨胀系数为1 0 10 5 三 混凝土的变形性能 26 2 影响混凝土收缩的主要因素及防止措施水泥品种 水泥等级越高 收缩越大 在满足使用要求的前提下 尽量采用低等级水泥 水泥用量及水灰比 水泥用量与水灰比越大 收缩越大 选择骨料的颗粒级配 以减少水泥的用量 降低水灰比 混凝土的密实度 混凝土越密实 收缩越小 浇注时加强振捣 养护条件 外界相对湿度大 则收缩小 加强养护必要时 设置伸缩缝或采用膨胀混凝土 三 混凝土的变形性能 27 由于混凝土的弹塑性性质 其应力 应变关系为一曲线 不同受力阶段 应力与应变的比值是一变数 称为混凝土的变形模量 通常有三种表示方法 1 混凝土的原点切线模量 弹性模量 1 定义 混凝土应力 应变曲线原点处切线的斜率称为混凝土的弹性模量Ec 1 2混凝土及其力学性能 四 混凝土的变形模量 28 2 确定方法 按一次短期加载的试验方法确定 3 计算公式 混凝土受拉应力 应变曲线与受压应力 应变曲线在原点处的切线斜率是基本相同的 故其受拉弹性模量与受压弹性模量相同 四 混凝土的变形模量 29 混凝土即将开裂时 可取 0 5 2 混凝土的割线模量 变形模量定义 原点与曲线上任意一点割线的斜率 称为混凝土的割线模量 即 根据弹性模量和割线模量的表达式可求得 当 可取v 1 0当 可取v 0 85 当 可取v 0 4 0 7 混凝土受拉割线模量 四 混凝土的变形模量 30 3 混凝土的切线模量混凝土应力 应变曲线上任意一点切线的斜率称为混凝土的切线模量 4 混凝土的泊松比vc混凝土试件单向受压时 横向膨胀应变与纵向压缩应变的比值称为混凝土的泊松比 一般情况下可取0 2 四 混凝土的变形模量 31 给排水构筑物除要求混凝土满足强度和变形性能的要求外 还要求混凝土具有一定的抗渗性 抗冻性和抗腐蚀性 1 混凝土的抗渗性定义 混凝土抵抗压力水渗透的性能称为混凝土的抗渗性 混凝土的抗渗性用抗渗等级表示 混凝土的抗渗等级按28d龄期的标准试件测定 分为S2 S4 S6 S8 S10 S12六级 后面的数字表示混凝土所承受的水压力 如S4表示混凝土在0 4MPa 4kg cm2 的水压作用下可满足不渗水的要求 根据结构所承受的水力条件确定所需的抗渗等级 给排水工程结构常用的抗渗等级S4 S6和S8 五 混凝土的耐久性要求 32 2 混凝土的抗冻性定义 混凝土在吸水饱和状态下 抵抗多次冻融循环而不破坏 也不严重降低混凝土强度的性能 重量损失 5 强度降低 25 混凝土的抗冻性用抗冻等级来衡量 抗冻等级用28d龄期的试件按快冻法测定 分为F50 F100 F150 F200 F300 F400六级 有抗冻要求的结构应按规范的规定确定抗冻等级 抗冻混凝土必须掺加引气剂 其水泥 掺和料 外加剂 水灰比 配合比及含气量等应通过试验确定 3 混凝土的抗腐蚀性酸 碱 盐对混凝土都有不同程度的腐蚀性 措施 提高混凝土的密实性 涂刷沥青 树脂等等 五 混凝土的耐久性要求 33 钢筋和混凝土是两种力学性能不同的材料 它们可以相互结合在一起共同工作的主要原因有 1 混凝土凝结硬化后 能与钢筋牢固地粘结在一起 相互传递内力 可保证两种材料变形协调 共同受力 不致产生相对滑移 粘结力是钢筋和混凝土共同工作的基础 2 钢筋的线膨胀系数为1 2 10 5 混凝土的为 1 0 1 5 10 5 二者比较相近 因此 当环境温度变化时 钢筋与混凝土之间不会产生较大的相对变形和温度应力而使它们之间的粘结力破坏 3 混凝土是一种碱性材料 钢筋受混凝土的保护不易锈蚀 保证混凝土结构的耐久性 1 3钢筋与混凝土的共同工作 一 共同工作的条件 34 1 定义 若钢筋和混凝土有相对变形 滑移 就会在钢筋和混凝土交界面上产生沿钢筋轴线方向的相互作用力 这种力称为钢筋与混凝土的粘结力 这是钢筋与混凝土共同工作的基本条件 2 粘结力的组成 1 化学胶结力 2 摩擦力 3 机械咬合力 光面钢筋的粘结力主要由胶结力和摩擦力组成 故其粘结性较差 为保证其锚固可靠 在钢筋的末端做成弯钩或焊接横向短钢筋 变形钢筋的粘结力主要由机械咬合力组成 故其粘结性较好 钢筋末端可不作弯钩 1 3钢筋与混凝土的共同工作 二 钢筋与混凝土之间的粘结 35 3 钢筋与混凝土之间的粘结强度钢筋与混凝土的粘