《混凝土结构设计原理》第二章-课堂笔记复习进程.doc

1、精品文档混凝土结构设计原理第二章材料的物理力学性能课堂笔记学习要点：钢筋砼的组成为非匀质的，又由于混凝土材料组成的非均匀性以及具有显著的非弹性性能，因此其力学性能与匀质弹性材料有很大的差异。对钢筋和砼材料力学性能的了解，包括其强度和变形性能，以及对二者相互作用的了解是掌握钢筋砼构件受力特点，确立计算方法，制定构造措施的基础。主要内容混凝土及其力学性能混凝土的组成、强度指标及其换算关系、变形性能、其它性能(疲劳、收缩、徐变)、钢筋及其力学性能。钢筋品种、级别和型号、力学性能及性能要求。钢筋与混凝土的粘结学习要求1、掌握混凝土的立方体抗压强度、轴心抗压强度和轴心抗拉强度的测定方法和换算关系。2、了

2、解影响硷强度的因素，掌握砼应力一应变曲线特点，理解复合应力下硷强度和变形特点。3、了解混凝土收缩、徐变现象及其影响因素；理解收缩、徐变对钢筋混凝土结构的影响。4、了解钢筋的品种级别和使用范围。掌握钢筋的应力一应变曲线的特点和强度的取值标准:，重点难点混凝土的强度及其影响因素，复合应力状态下的强度。混凝土受压应力一应变关系的特征值。混凝土的收缩与徐变及其影响因素，一、混凝土（一）混凝土的组成结构砼是由水泥石(水泥胶结料 )和骨料（石料)组成的一种内部结构复杂的复合材料。从微观看：砼是不均匀的多相材料，存在许多内部微裂缝，这与其物理力学性能有密切的关系。从宏观看：混凝土是粗骨料均匀分散在连续的砂浆

3、基材中的两相材料，可视为各向同性的。（二）混凝土的强度混凝土的强度是混凝土力学.隆能中的主要指标。在工程中常用的混凝土强度指标有：立方体抗压强度fcu轴心抗压强度fc轴心抗拉强度ft1、混凝土立方体抗压强度砼立方体抗压强度是其力学性能中最基本的指标，也是评定fc 强度等级的标准。砼强度等级是指按照标准方法制作养护的边长为150mm ，的立方体试件，在28 天龄期用标准试验方法测得的具有95%保证率的立方体抗压强度标准值。规范 根据强度范围， 从 C15C80 共划分为 14 个强度等级，级差为 5N/mm 2。以上为高强砼。混凝土立方体抗压强度的影响因素：混凝土的强度除受其组成材料的性能及其配

4、合比的影响外，还与下列因素有关：（ 1）试块尺寸：（ 2）制作养护：制作方法和养护条件（ 3）试验方法：受力条件（ 4）荷载性质 :加载速度（ 5）加载龄期：立方体混凝土强度的换算：混凝土强度的尺寸效应指试件尺寸大，测试得到的强度偏小的现象。 100mm3 和 200mm3 立方体强度与标准立方体强度之间的换算关系为：fcu1501 f cu100fcu1502f cu100精品文档精品文档小于 C50 的混凝土 ,修正系数u1=0.95。随混凝土强度的提高，修正系数u1 值有所降低。2.混凝土轴心抗压强度钢筋混凝土受压构件的尺寸，往往是高度比截面边长的很多倍，形成棱柱体夕而非立方体。在棱柱体

5、上所测得的强度称为轴心抗压强度。我国普通混凝土力学性能试验方法规定以 150*150*150 ，的棱柱体作为混凝土轴心抗压强度试验的标准试件。轴心抗压强度的试件是在与立方体试件相同条件下制作的，经测试其数值要小于立方体抗压强度。规范规定轴心抗压强度标准值与立方体抗压强度标准值的关系按下式确定：fck 0.88 c1c2 f cu， k式中： c1 一棱柱体强度与立方体强度之比，对混凝土等级为C50 及以下的取c1 =0.76，对以 C80取c1 =0.82，中间按线性规律变化。砼的抗拉强度很低，与立方抗压强度之间为非线性关系，一般只有其立方体抗压强度的1/181/8 。该比值随混凝土强度等级提

6、高而降低。在钢筋混凝土结构的强度计算中，一般不考虑砼承受拉力。但是，如果计算砼构件在砼开裂之前的承载力，或者控制混凝土构件的开裂，以及受剪、受扭、受冲切等的承载力计算都必须知道硷的抗拉强度。3.复合应力下的混凝土强度在钢筋砼构件通常处于轴向力、弯矩、剪力甚至扭矩的多种内力组合的共同作用下，因此混凝土很少是理想的单轴受力状态， 更多的是处于双向、 三向或兼有剪应力的复合受力状态 : 处于复合应力状态下的混凝土，其强度和变形都有明显的变化。对于处于复合应力状态下的混凝土，目前尚未建立起完善的强度理论，只是借助于有限的资料，推荐一些近似方法作为计算依据。(l). 混凝土双轴受力强度双轴受力下混凝土强

7、度变化曲线如图：双向受压时，砼的强度，随另一向压应力的增加而增加；当双向受拉时，混凝土一向的抗拉强度，与另一向拉应力的大小基本无关；当一向受拉、一向受压时，砼强度几乎随另一向应力的增加而呈线性降低。(2).混凝土剪压受力强度构件受剪或受扭时常遇到剪应力和正应力，共同作用下的复合受力情况。精品文档精品文档砼抗剪强度随拉应力增大而减小，随压应力增大而增大，且当压应力在0.6fc 左右时，强度达到最大。压应力继续增大，则因内裂缝发展阴显，抗剪强度将随压应力增大而减小。（三）混凝土的变形变形性能是砼的又一重要力学性能 .，由于钢筋砼计算理论与计算公式的建立都与硷的变形有关，因而研究砼的变形性能，对于掌

8、握硷结构的设计非常重要。混凝土的变形可分为两类：受力变形：由荷载产生，如单调短期加载、多次重复加载以及荷载长期作用下的变形。体积变形：与受力无关，如混凝土收缩,膨胀以及由于温度变化所产生的变形等。1、混凝土在一次短期加荷时的变形性能所谓一次短期加荷，是指荷载从零开始单调增加直至试件破坏。这种加载也叫做单调加载。(1) 混凝土的应力一应变关系曲线测定砼受压应力应变关系曲线，通常是采用标准菱形柱体试件，在试件的四个侧面设置仪表，量测其纵向应变，根据记录的加载数量及量测的应变，作出应变曲线。典型的硷应力应变曲线如下图所示。混凝土应力一应变曲线的测定1）混凝土应力应变曲线的特点从混凝土的应力一应变曲线

9、可以看出：图形是一条曲线，这说明砼是一种弹塑性材料，只有当应力很小时，才可将其视为弹性材料;曲线分为上升段和下降段， 说明混凝土在破坏过程中， 承载力有一个从增大到减小的过程， 当混凝土的压应力达到最大时 . 并不意味着它立即破坏，而可能是应变最大时破坏。2)混凝土强度对应力应变曲线的影响不同强度砼对应力应变曲线上升段的影响不大，压应力峰值对应的应变值大致约为住0.002。对于下降段，强度对应力应变曲线有较大的影响。砼强度越高，应力下降越剧烈，即延性越差。3)应变速度对应力应变曲线的影响右图为强度相同的混凝土在不同应变速度下的应力应变曲线。从图中可以看出，随着应变速度的降低，最大应力值也逐渐减

10、小，但达到最大应力值的应变增加了，由于徐变的影响，使曲线的下降段比较缓慢。精品文档精品文档4)约束条件对应力应变曲线的影响横向钢筋的约束作用对曲线有较明显的影响，随着配箍量的增加及箍筋的加密，混凝土应力应变峰值不仅有所提高，而且应变峰值的增大，及曲线下降段的节降减缓都比较明显。精品文档精品文档(2) 混凝土受压时纵向应变与横向应变关系砼在一次短期加压时，除纵向产生压缩应变外，还要产生横向膨胀应变，横向应变与纵向应变的比值称为横向变形系数，也称混凝土的泊松比。1)混凝土的横向变形系数2)混凝土的体积应变与应力的关系（ 3）混凝土的弹性模量、变形模量和剪切模量精品文档精品文档2、混凝土在重复荷载作

11、用下的变形在重复荷载作用下，混凝土的强度和变形都有着重要的变化二混凝土在重复荷载作用下的破坏，称为疲劳破坏。在重复荷载作用下，使混凝土的应力应变图形由保持直线而变为凸向应变轴方向的界限应力值，称为混凝土的疲劳极限强度。 试验证明， 混凝土的疲劳强度低于轴心抗压强度。 在工程中 .对于承受重复荷载的构件，必须对混凝土的强度进行疲劳验算。3、混凝土在长期荷载作用下的变形混凝土在荷载的长期作用下，其变形随时间而不断增长的现象称为徐变。1）徐变对结构的有利影响为：有利于结构内力重分布降低结构的受力减小大体积硅温度应力可延缓收缩裂缝出现可调整应力集中区应力2）徐变对结构的不利影响为：使结构或构件的变形增

12、大引起预应力损失在长期高应力作用下，甚至会导致破坏（ 1）砼的徐变曲线在应力作用瞬间，首先产生瞬时弹性应变 e，t0 为加荷时的龄期，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70%80% ，以后逐渐缓慢，2 一 3 年后趋于稳定。卸载时产生瞬时弹性恢复应变e1。由于混凝土弹性模量随时间增大，故 e1 小于加载时的瞬时弹性应变 e.再经过一段时间后，还有一部分应变 e2 可以恢复，称为弹性后效或徐变恢复，但仍有不可恢复的残留永久应变 cr1。混凝土强度对徐变的影响高强混凝土的密实性好，在相同的 /fc 比值下，徐变比普通混凝土小得多。但由于高强混凝土承受

13、较高的应力值，初始变形较大，故两者总变形接近。此外，高强混凝土线性徐变的范围可达0.65fc，长期强度约为精品文档精品文档0.85fc ，也比普通混凝土大一些。（ 2）影响混凝土徐变的因素内在因素是砼的组成和配比，骨料的弹性模量越大、水灰比越小，徐变就越小。环境影响包括养护和使用条件。受荷前养护温、湿度越高，水泥水化作用越充分，徐变就越小。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。1）初始应力对徐变的影响当初始应力水平 i 0.5，徐变值与初应力基本上成正比，也即徐变系数为常数，这种徐变称为线性徐变。当初应力 i 在 (0.50.8)fc 范围

14、时，徐变最终虽仍收敛，但最终徐变与初应力 i 不成比例，即徐变系数随氏增大而增大，这种徐变称为非线性徐变。当初应力 ifc 时，砼内部微裂缝的发展已处于不稳定的状态。徐变的发展将不收敛。最终导致砼的破坏，因此将0.8fc 为砼的长期抗压强度。2）加载龄期对徐变的影响加荷时混凝土的龄期越早，徐变也越大。4、混凝土的体积变形砼的收缩、膨胀和温度变化引起的变形，称为体积变形。因与外荷载无关，故也称为非荷载变形砼在空气中结硬体积收缩，在水中结硬则体积膨胀:膨胀比收缩要小得多且对结构有利，故不考虑。当这种自发的变形受到外部 (支座 )或内部（钢筋）的约束时，将使混凝土产生拉应力，甚至引起混凝土的开裂混凝

15、土收缩会使预应力混凝土构件产生预应力损失，某些对跨度比较敏感的超静定结构(拱结构 .)，收缩也会引起不利的内力。（ 1）混凝土的收缩砼在空气中硬化时体积会缩小，这种现象称为混凝土的收缩。混凝土的收缩是随时间而增长的变形.早期收缩变形发展较快，两周可完成全部收缩的25%，一个月可完成 50%，以后变形发展逐渐减慢，整个收缩过程可延续两年以上。一般情况下，最终收缩应变慎约为：（ 25）*10 -4 ，混凝土开裂应变为： （0.52.7） *10 -4（ 2）收缩的影响因素主要与温度、湿度、构件断面形状及尺寸、配合比、骨料性质、水泥性质、硷浇筑质量及养护条件等许多因素有关。1）水泥用量多、水灰比越大

16、，收缩越大。2）骨料弹性模量高、级配好，收缩就小。3）干燥失水及高温环境，收缩大。4）小尺寸构件收缩大，大尺寸构件收缩小。5）高强混凝土收缩大。二、钢筋（一）钢筋的品种、型号和等级在钢筋混凝土结构中，所采用的钢筋类型可分为：按刚度大小可分为：柔性钢筋、劲性钢筋。按化学成分不同分：碳素钢、普通低合金钢。按生产工艺可分为：热扎钢筋、冷加工钢筋、热处理钢筋、预应力钢丝、钢绞线。1、柔性钢筋 (即普通钢筋 )包括钢筋和钢丝，是主要的钢筋形式。2、钢筋按其外形可分为光圆钢筋和变形钢筋。光圆钢筋直径一般不小于6 毫米，为 620mm。变形钢筋的公称直径通常在10mm 以上，有螺纹形、人纹字形和月牙纹等，可

17、提高粘结强度。钢丝直径小于6mm。钢丝可分为光面碳素钢丝、螺旋肋钢丝和刻痕钢丝。3、劲性钢筋劲性钢筋由型钢 (角钢、槽钢、工字钢、钢轨等 )组成。在浇灌混凝土时，将型钢放进混凝土中，称为劲性钢筋混凝土。4、钢筋的化学成分精品文档精品文档钢筋的力学性能主要取决于它的化学成分 :其主要成分是铁元素，此外还有少量的碳、硅、锰、硫、磷、氧、氮等元素。增加含碳量可提高强度，但塑性和可焊性降低。锰、硷元素可提高强度，并保持一定的塑性。硫、磷、氧、氮是有害元素，其含量超过一定限度时，钢材塑性明显降低，磷使钢材冷脆，硫使钢材热脆，且焊接质量也不易保证。5 热轧钢筋热轧钢筋是低碳钢、普通低合金钢在高温下轧制而成

18、的。热轧钢筋为软钢，其应力一应变曲线有明显的屈服点和流幅，伸长率较大。根据力学指标的高低，分为HPB235 级， HRB335 级， HRB400 级和 RRB400 四沙种类 ;钢筋编号中的数字为屈服强度标准值。其中HPB235 为低碳素钢，强度较低，但有良好的塑性:后三种均为低合金钢。6、冷加工钢筋钢筋冷加工的目的:提高强度，节约钢材：钢筋的冷拉 :冷拉是将热扎钢筋在常温下强力拉伸至超过屈服点的强化阶段，使钢筋屈服强度提高，塑性降低的冷加工方法;冷拉只提高钢筋的抗拉强度，不能提高抗压强度:钢筋的冷拔 :冷拔是用强力使钢筋通过比自身直径小的硬质合金拔丝模的冷加工方法。冷拨不仅能提高钢筋的抗拉

19、强度，而且能提高抗压强度。7、热处理钢筋热处理钢筋是将特定强度的热扎钢筋再通过加热、 然后余热淬火和中温回火等调质工艺处理制成的钢筋二热处理后的钢筋强度能得到较大的提高，而塑性降低并不多。热处理钢筋为硬钢，其应力应变曲线没有明显的屈服点，伸长率较小，质地硬脆。热处理钢筋是一种理想的预应力钢筋。（二）钢筋的力学性能1、钢筋在单向拉伸下的力学性能钢筋的力学性能有强度和变形等。单向拉伸试验是确定钢筋性能的的主要手段看到，钢筋的拉伸应力一应变关系曲线可分为两类：有明显流幅的和没有明显流幅的。（ 1）有明显流幅的钢筋(软钢 )的应力一应变关系: 经过钢筋的拉伸试验可以1）有明显流幅钢筋拉伸时的典型的应力

20、一应变曲线：软钢的标准强度以屈服强度为取值依据因为钢筋屈服后将出现很大的不可恢复的塑性变形，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。使构件产生很2）无明显流幅的钢筋(硬钢 )的应力一应变关系 点 :比例极限，约为0.65fu 点前：关系为线弹性。 点后：关系为非线性。特点：没有明显的屈服台阶，塑性变形小，破坏为脆性。强度设计指标：条件屈服强度，即残余应变为 0.2%所对应的应力。 规范取 0.2=0.85fu 。3）钢筋的主要力学性能指标屈服强度：是钢筋强度的主要取值依据。屈强比：是钢筋屈服强度与极限强度的比值，反映钢筋强度储备。精品文档精品文档

21、伸长率：钢筋拉断时的应变，是反映钢筋塑性性能的指标。冷弯角度：是检验钢筋塑性性能的另一项指标。弹性模量： 是反映钢筋塑性性能的指标伸长率大的钢筋，拉断时的应变大，拉断前有足够预兆，延性较好。均匀伸长率：（ 2）钢筋的冷弯性能冷弯性能是检验钢筋塑性性能的另一项指标。为使钢筋在加工、使用时不开裂、弯断或脆断，可对钢筋试件进行冷弯试验。如右图，要求钢筋弯绕一辊轴弯心而不产生裂缝、鳞落或断裂现象二弯转角度愈大、弯心直径D 愈小。 钢筋的塑性就愈好。冷弯试验较受力均匀的拉伸试验更能有效地揭示材质的缺陷，冷弯性能是衡量钢筋力学性能的一项综合指标。2、钢筋的蠕变和松弛钢筋在高应力作用下，随时间增长其应变继续

22、增加的现象称为蠕变: 钢筋受力后，若保持长度不变，则其应力随时间增长而降低的现象称为松弛。预应力钢筋在张拉后其长度基本保持不变，会产生松弛现象，从而引起预应力损失。松弛随时间的增长而增大，它与钢筋初始应力的大小、钢材品种和温度等因素有关，通常初始应力大，应力松弛也大。为减小松弛应力损失，可采用超张拉工艺。3、钢筋的疲劳疲劳破坏是指钢筋在承受重复、周期动荷载作用下，经过一定次数后，从塑性破坏变成突然断裂的破坏现象 .二钢筋的疲劳强度低于钢筋在静荷载下的极限强度 .夕在外力作用下，钢筋产生疲劳断裂是由于钢筋内部或外表的缺陷引起了应力集中，弱晶粒发生滑移，产生疲劳裂纹，最后断裂。影响钢筋疲劳强度的因

23、素很多，如应力的幅度、最小应力值的大、钢筋外表面的几何形状、钢筋直径、钢筋等级和试验方法等。（三）混凝土结构对钢筋性能的要求用于混凝土结构的钢筋，一般应能满足下列要求：1、强度高：用量少，可获得较好的经济效益。2、具有适当的屈强比。3、塑性好：具有一定变形能力，不发生脆性破坏。4、焊接性能好：焊接后不产生过大变形和裂缝，接头性能良好。5、粘结性能好：保证钢筋在砼中能充分发挥作用。(四 )混凝土结构对钢筋使用的基本要求1 、常用钢筋的直径精品文档精品文档钢丝 :2.5、 3、 4、 5、 5.5mm。钢筋 :6、 8、10、 12、14、 16、 18、 20、 22、 25、 28、 30、

24、32、 35、 40mm。2、钢筋的选用目前我国用于混凝土结构的钢筋主要有热轧钢筋、热处理钢筋、预应力钢丝和钢绞线四种。在钢筋混凝土结构中主要使用热轧钢筋，在预应力混凝土结构中这四种钢筋均会用到。普通钢筋混凝土结构常用钢筋品种：l、 11、111 级钢筋，其中：l 级钢筋用于板的受力钢筋和其它非受为钢筋11、 111 级筋用作梁、柱、墙等主要构件的受力筋3、钢筋的弯钩弯钩是加强钢筋在混凝土中锚固作用的有效措施，一般光圆受力钢筋均应在末端做出弯钩，但下列钢筋的末端可以不做弯钩： 变形钢筋： 表面经过处理焊接骨架和焊接钢筋网中的光圆钢筋绑扎骨架中的受压光圆钢筋：变形钢筋 : 表面经过处理焊接骨架和

25、焊接钢筋网中的光圆钢筋绑扎骨架中的受压光圆钢筋:制作半圆弯钩时，其弯钩内径不宜过小，一般应不小于2. 5d，以防止弯钩内的砼压碎。4、钢筋的接头接头方法有绑扎和焊接两种工程中宜优先采用后者。接头位置不要过分集中，而应相互错开。绑扎接头：在钢筋搭接处用钢丝绑扎而成，主要靠钢筋与硷的粘结来传递钢筋的内力。为保证接头强度可靠，在接头处的钢筋应有足够搭接长度。焊接接头：可缩短接头长度，节约材料，质量也好。方法有闪光对焊和贴缝焊两种，前者由两根钢筋对头接触电焊而成，后者则需要一定搭接长度。三、钢筋与混凝土之间的粘结（一）粘结力的作用和组成1、粘结力的作用钢筋和混凝土之间的粘结是这两种材料共同工作的保证，

26、使之能共同承受外力、共同变形、抵抗相互间的滑移 :而钢筋能否可靠的锚固在混凝土中则直接影响到这两种材料的共同工作， 从而关系到结构和构件的安全和材料强度的充分利用。2、粘结力的组成钢筋与砼之间的粘结力主要由以下三方面所组成：(l) 化学胶着力：砼凝结时，水泥胶凝体的化学作用，使钢筋和砼在接触面上产生的吸附胶着作用。(2) 摩阻力 :由于混凝土凝结时收缩，握裹住钢筋，当钢筋和混凝土间出现相对滑动的趋势，则此接触面上将出现摩阻力。(3) 机械咬合力：钢筋表面粗糙不平或变形钢筋凸起的肋纹与混凝土的咬合力。（二）粘结力的分类和测定粘结按其在构件中作用的性质可分为两类。1、钢筋锚固端的粘结应力(锚固粘结

27、 )梁的钢筋伸入支座，或支座负筋在跨间切断时，必须有足够的锚固长度，通过这段长度上粘结力的积累，才能使钢筋中建立起所需发挥的拉力。在工程设计中的许多构造问题，例如受力钢筋的锚固和搭接，钢筋从理论切断点的延伸，吊环、预埋件的锚固等都取决于钢筋和混凝土的这种粘结。经拉拨 (拨出 )试验测定，粘接应力的分布呈曲线形，从拨力一边的混凝土端面开始迅速增长，在靠近端面的一定距离处达到峰值。其后逐渐衰减。钢筋埋入长度愈长，拨出力就愈大 ;但埋入长度过长则过长部分的粘结力很小，甚至为零，说明过长部分的钢筋不起作用故受拉钢筋在支座或节点中应有足够的锚固长度，以保证钢筋在砼中有可靠的锚固。2、钢筋中部的粘结应力(

28、局部粘结 )精品文档精品文档这种局部粘结是指在开裂构件两侧， 钢筋和砼接触面上的粘结应力。 可通过模拟弯矩作用下的一段梁构件进行试验。当弯矩较小时，受拉钢筋与其附近的硷变形相同，钢筋和砼虽然粘结在一起，但它们之间并不存在粘结应力。当弯矩增加至混凝土开裂，则开裂截面处砼退出工作，且向裂缝两侧回缩:。由于钢筋和砼粘结在一起，混凝土的回缩则受到钢筋的约束，这样，在钢筋和砼之间产生的剪力即为粘结力。在两裂缝之间，由于粘结力的存在，使钢筋应力发生变化， 钢筋应力的变化反映了裂缝间砼参与工作的程度:裂缝附近局部粘结应力的大小，影响两裂缝的间距大小、裂缝的宽度，并且影响到受弯构件的强度。（三）粘结力的破坏机理1、光