国家课程课件 土木建筑 结构设计原理第一章

1、 第一章第一章 钢筋混凝土材料的力 学性能 材 料 性 能1钢筋钢筋 (1)熟悉钢筋的品种和级别。 (2)掌握钢筋的应力一应变全曲线特性及其数学模型。 (3)了解钢筋的冷加工性能以及混凝土结构对钢筋性能的要求。 2混凝土混凝土 (1)熟悉混凝土的立方体强度、轴心抗压强度、轴心抗拉强度及相互间的 关系。 (2)掌握单轴向受压下混凝土的应力一应变全曲线及其数学模型。 (3)熟悉混凝土弹性模量、变形模量的概念。 (4)了解重复荷载下混凝土的疲劳性能以及复合应力状态下混凝土强度的 概念。 (5)熟悉混凝土徐变、收缩的概念。 3钢筋与混凝土的粘结性能钢筋与混凝土的粘结性能 (1)掌握粘结的定义、粘结力的

2、组成、粘结应力的分布、粘结应力与相对 滑移的关系等概念。 (2)掌握基本锚固长度的计算以及保证可靠粘结的构造要求。 主要内容及要求主要内容及要求 材 料 性 能 第一章第一章 钢筋混凝土材料的力学性能钢筋混凝土材料的力学性能 l1.1 钢筋 l1.2 混凝土 l1.3 钢筋与混凝土之间的粘结 l1.4 保证可靠粘结的具体构造措施 l1.5 砼对钢筋的保护作用 l1.6 砼结构的环境类别 材 料 性 能 1.1 钢筋钢筋 一、钢筋成分、品种、级别一、钢筋成分、品种、级别 二、钢筋的强度和变形二、钢筋的强度和变形 三、钢筋的冷加工和热处理三、钢筋的冷加工和热处理 四、钢筋混凝土构件对钢筋的性能要求

3、四、钢筋混凝土构件对钢筋的性能要求 五、钢筋的选用原则五、钢筋的选用原则 材 料 性 能 按化学成分 碳素结构钢 （含碳量在0.8% 以下） 低碳钢含碳量0.25% 中碳钢含碳量 0.25%0.6% 高碳钢含碳量0.65%1.4% 普通低合金钢 (合金元素总含量 0.5fc 徐变最终仍收敛，但徐变系数随 ci的增大而增大。 徐变将不收敛 当c 0.8fc ，徐变发展最终导致破坏 作为混凝土的长期抗压强度。 0.8fc 定义徐变变形cr与初始应变ci的比值 为徐变系数，即 徐变的性质 材 料 性 能 徐变对结构的影响： 使构件的变形增加； 在截面中引起应力重分布； 在预应力混凝土结构中引起预应力

4、损失。 材 料 性 能 （三）（三） 混凝土在多次重复荷载下的应力应变关系混凝土在多次重复荷载下的应力应变关系 如果我们将混凝土棱柱体试块加荷使其压应力达到 某个数值，然后卸荷至零，并把这一循环多次重 复下去，就称为多次重复荷载。 我们通常把能使试件循环200万次或次数稍多时发生破 坏的压应力称为混凝土的疲劳抗压强度，用符号 表示。 f f c 材 料 性 能 材 料 性 能 多次重复荷载多次重复荷载下应力应变曲线下应力应变曲线 1. 混凝土一次加荷卸荷时：曲线与横坐标成一环 状 2. 混凝土在多次重复荷载作用下的曲线 a. 加荷应力 时，每次卸荷时，塑性变形（不可 恢复变形）逐渐减小，曲线越

5、来越闭合成一直线； b. 加荷应力 （某一应力）时，曲线由凸向应力 轴逐渐转为凸向应变轴，标志混凝土内部微裂缝 发展加剧趋近破坏。（疲劳破坏） f cf f cf 由上述a、b可以得出，曲线不同的变化过程 取决于施加应力的大小 材 料 性 能 疲劳抗压强度 f f c 能使试件循环200万次或次数稍多时发生 破坏的压应力 影响疲劳抗压强度的因素 1、荷载重复次数和砼强度等级 2、重复荷载应力变化幅度 f s f sf s max min 在相同的重复次数下，砼的疲劳强度随 增加而增大。 f s 材 料 性 能 混凝土在空气中结硬体积减小的现象。 蒸汽养护 常温养护 05101520 0.1 0

6、.2 0.3 0.4 收缩(103) 时间 (月) 四、混凝土的非受力变形 收缩 材 料 性 能 混凝土的收缩随时间发展的规律混凝土的收缩随时间发展的规律 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 混凝土开裂时应变约为(0.52.7)10-4，而收缩应 变终极值约为(25)10-4，故收缩应变如受到约 束，极易导致开裂。 材 料 性 能 混凝土收缩的影响因素混凝土收缩的影响因素 环境的温度湿度 构件断面形状及尺寸 配合比 骨料性质、水泥性质 混凝土浇筑质量、养护条件 收缩的性质 自由收缩：对结构没影响 约束收缩 来自内部的钢筋约束 来

7、自支座的外部约束 收缩对结构的影响 a. 构件未受荷之前产生裂缝； b. 预应力构件中预应力损失 （预应力筋与混凝土一同回缩 引起预应力损失）； c. 超静定结构产生内力 实际工程中，一般采用设置施工缝和构造钢筋等措施来实际工程中，一般采用设置施工缝和构造钢筋等措施来 减小收缩应力的不利影响。减小收缩应力的不利影响。 混凝土的膨胀 混凝土在水中硬结过程体积膨胀的现象 水下建筑物 材 料 性 能 1.3 钢筋与混凝土之间的粘结钢筋与混凝土之间的粘结 一、粘结的意义一、粘结的意义 二、粘结的概念二、粘结的概念 三、粘结的分类三、粘结的分类 四、粘结的机理四、粘结的机理 五、光圆钢筋与变形钢筋的粘结

8、性能五、光圆钢筋与变形钢筋的粘结性能 六、保证粘结力的措施六、保证粘结力的措施 材 料 性 能 一、粘结的意义一、粘结的意义 若梁中的钢筋与混凝土没有粘结（图 (a)），则在荷载作用下， 钢筋不受力，该梁如同素混凝土梁。 若梁中的钢筋仅设置机械锚固（图 (b)），则钢筋应力沿全长相 等，其受力犹如二铰拱，不是梁的受力状态。 结论：只有梁中的钢筋沿全长与混凝土有可靠的粘结，并在端 部有可靠的锚固，才符合梁的受力特点 钢筋与混凝土之间的粘结性能是钢筋混凝土构件必 不可少的第三个材料性能，是配筋构造的基础。 材 料 性 能 二、粘结的概念二、粘结的概念 1、轴心受拉构件端部的受力分析、轴心受拉构件端

9、部的受力分析 （轴向拉力（轴向拉力N N施加在端部的钢筋上）施加在端部的钢筋上） 材 料 性 能 端部截面钢筋应力s=N/As，混凝土应力c=0,二者存在 着很大的应变差，变形协调关系s=c 不成立； 随着距端部截面距离的增加，拉力通过粘结作用逐渐 向混凝土传递，应变差s-c逐渐减小 经过一定距离lt的粘结作用力传递后，应变差s-c=0， 变形协调关系成立，二者共同受力。 由上述分析可知由上述分析可知 钢筋与混凝土之间具有足够的粘结是保证二钢筋与混凝土之间具有足够的粘结是保证二 者共同受力、变形协调的前提。者共同受力、变形协调的前提。 材 料 性 能 2、粘结应力的概念和表达式、粘结应力的概念

10、和表达式 粘结应力的概念 单位界面面积上粘结作用力沿钢筋轴线方 向的分力，即钢筋与混凝土界面上的粘结 剪应力 粘结应力的表达式 由图钢筋隔离体的平衡可得 整理可得粘结应力 dxdAdA sssss )( 从上式我们可以看出从上式我们可以看出 钢筋应力的变化产生粘结应力钢筋应力的变化产生粘结应力 粘结应力的大小取决于二者的相对变形（滑移）粘结应力的大小取决于二者的相对变形（滑移） 材 料 性 能 三、粘结的分类三、粘结的分类 1、锚固粘结、锚固粘结 材 料 性 能 对于存在锚固粘结应力的地方，必须保证足够对于存在锚固粘结应力的地方，必须保证足够 的锚固长度，必要时采取机械锚固措施，避免的锚固长度

11、，必要时采取机械锚固措施，避免 产生脆性粘结破坏。产生脆性粘结破坏。 材 料 性 能 2、裂缝间粘结裂缝间粘结 轴心受拉构件开裂前，粘结应力仅发生在构件端部。 开裂后（见图），粘结应力发生在裂缝截面两侧 粘结应力可以减小裂缝宽度、 提高构件的刚度 材 料 性 能 四、粘结的机理四、粘结的机理 1、粘结作用的组成粘结作用的组成 （1） 水泥胶体与钢筋表面的胶结力 砼中水泥砂浆的胶结作用 当钢筋与混凝土产生相对滑动后，胶结作用即丧 失 （2） 混凝土与钢筋间的摩擦力 砼收缩紧紧握裹而产生的摩擦力 取决于握裹力和钢筋与混凝土表面的摩擦系数 （3） 机械咬合力 由于钢筋表面凸凹不平而产生的机械咬合力

12、变形钢筋可显著增加钢筋与混凝土的机械咬合作用 材 料 性 能 2、机械咬合作用的受力机理、机械咬合作用的受力机理 变形钢筋受力后，其凸出的肋对混凝土产生斜向挤压力 水平分力（轴向拉力和剪力）使产生内部斜向锥形裂缝， 径向分力（环向拉力）使产生内部径向裂缝。 材 料 性 能 3、变形钢筋的粘结破坏形态、变形钢筋的粘结破坏形态 劈裂式粘结破坏劈裂式粘结破坏 当混凝土保护层、钢筋间距较小 时，径向裂缝可发展达到构件表 面，且相互贯通，产生劈裂式粘结破坏。 剪切型粘结破坏剪切型粘结破坏 当混凝土保护层厚度较大或者配 置有横向钢筋时，径向裂缝的发 展受到限制，肋前部的混凝土在 水平分力和剪力作用下最终将

13、被 挤碎，产生所谓“刮犁式”的剪切型粘结 破坏 材 料 性 能 1、粘结强度的试验测定 平均粘结应力 s sss u l d dl d dl A dl F 4 2 4 五、粘结强度五、粘结强度 材 料 性 能 2 2、影响粘结强度的主要因素、影响粘结强度的主要因素 1）混凝土强度： 2）相对保护层厚度： 3）钢筋净间距钢筋净间距 ： 4）横向配筋横向配筋 ： 5）钢筋表面特征钢筋表面特征 和外形特征和外形特征 ： 6）受力情况受力情况 ： 混凝土的粘结强度与混凝土抗拉强度成 正比； 相对保护层c/d大，混凝土的侧 向约束作用增大，混凝土抵抗劈裂 破坏的能力也越大，粘结强度越高。 横向钢筋的存在

14、限制了径向裂缝的发展，阻 止了劈裂破坏的发生，使粘结强度得到提高。 光面钢筋表面凹凸较小，机械咬合作用 小，粘结强度低。 变形钢筋肋的相对受力面积（挤压混凝 土的面积与钢筋截面积的比值）越大，其粘 结强度越大。 若在锚固范围内存在侧压力，则可增 大钢筋与混凝土界面的摩擦力，从而提 高粘结强度； 若在锚固范围内存在剪力，则其产生 的斜裂缝会使锚固钢筋受到销栓作用而 降低粘结强度； 受反复荷载作用的钢筋，肋前肋后 的混凝土会被挤碎，导致咬合作用降低， 从而降低粘结强度。 钢筋的粘结破坏形态还与钢筋 净距s有关。 当钢筋净距较大时（s2c）， 可能是保护层劈裂； 当钢筋净距较小时（s28mm，受压钢

15、筋直 径32mm，不宜采用绑扎 搭接。直接承受动力荷 载的构件，宜采用机械 连接 材 料 性 能 控制同一连接区段纵向钢筋接头面积百分率控制同一连接区段纵向钢筋接头面积百分率 机械或焊接接头： 不宜大于50% 绑扎接头： 对梁板类及墙类构件宜25%； 对柱类构件宜50%。 同一连接区段内有搭接接 头的纵向受力钢筋截面面 积与全部纵向受力钢筋截 面面积的比值。 材 料 性 能 mmll al 300 3、绑扎搭接长度、绑扎搭接长度ll 根据位于同一连接区段内的钢筋搭接接头面根据位于同一连接区段内的钢筋搭接接头面 积百分率计算积百分率计算 纵向受拉钢 筋搭按长度 纵向受拉钢 筋锚固长度 纵向受拉钢筋搭接长 度修正系数，见下表 纵向受拉钢筋纵向受拉钢筋 纵向钢筋搭接接头面积百分率（纵向钢筋搭接接头面积百分率（%） 2550100 1.21.41.6 材 料 性 能纵向受压钢筋纵向受压钢筋绑扎搭接长度绑扎搭接长度 受压搭接长度 0.7ll ， 且在任何情况下200mm。 材 料 性 能 1.5 、砼对钢筋