结构设计原理 201297 chapter1

1、第1章 钢筋混凝土结构的基本概念 及材料的物理力学性能cufcuf1.11.1钢筋混凝土钢筋混凝土(reinforced concrete)(reinforced concrete)结构基本概念结构基本概念素混凝土梁素混凝土梁 破坏特征：破坏特征：一裂即断，脆性，一裂即断，脆性， 破坏无预兆；破坏无预兆；F Fmaxmax8kN8kN 破坏特征：破坏特征：裂不等于坏，裂不等于坏， 破坏有预兆；破坏有预兆；F Fmaxmax46kN46kN钢筋混凝土梁钢筋混凝土梁2 在素混凝土结构中加入少量钢筋以后，构件的承载在素混凝土结构中加入少量钢筋以后，构件的承载能力有很大提高，受力性能和破坏特征有明显改

2、善。能力有很大提高，受力性能和破坏特征有明显改善。素混凝土柱与钢筋混凝土柱素混凝土柱与钢筋混凝土柱钢筋的作用：代替混凝土受拉或协助混凝土受压钢筋的作用：代替混凝土受拉或协助混凝土受压v 混凝土结硬后与钢筋牢固地粘结在一起，混凝土结硬后与钢筋牢固地粘结在一起， 能相互传递应力，共同变形。能相互传递应力，共同变形。v 钢筋与混凝土有相近的温度线膨胀系数钢筋与混凝土有相近的温度线膨胀系数 钢钢 筋：筋： c c=1.2=1.21010-5-5-1-1 混凝土：混凝土： c c=1.0=1.01010-5 -5 1.51.51010-5-5-1-1v 混凝土可以保护钢筋不发生锈蚀。混凝土可以保护钢筋不

3、发生锈蚀。材料性能材料性能 重点：重点： 混凝土和钢筋的种类及选用混凝土和钢筋的种类及选用 原则，钢筋与混凝土的黏结原则，钢筋与混凝土的黏结 锚固问题。锚固问题。 难点：难点： 混凝土的收缩与徐变性能，混凝土的收缩与徐变性能， 混凝土的本构关系与多轴受混凝土的本构关系与多轴受 力下的强度。力下的强度。1.21.2混凝土混凝土 concrete1.2.1 1.2.1 混凝土的强度混凝土的强度( (the strength of concrete) )（1 1）混凝土立方体抗压强度）混凝土立方体抗压强度f fcucu 形状：边长为150mm的立方体 1） 试件： 温度： 203 相对湿度：90%以

4、上 养护时间：28天.2）影响因素: 试验方法（套箍作用）(图1-3) 试件尺寸 （尺寸越小,摩阻力影响越大,强度越高）。换算系数：1.05和0.95(a) Without grease (b) With grease Cubic size of side (mm)The calculating coefficient2002002001.051501501501.001001001000.95The cube strength of concrete is classified into the following grades:C15, C20, C25, C30, C35, C40, C

5、45, C50, C55, C60, C65, C70, C75, C80The “C” stands for “concrete” and the following numerals indicate the standard cube strength fcu,k (立方体抗压强度标准值)of the concrete in MPa.立方体抗压强度标准值：测得的具有95%以上保证率的抗压强度作为立方体抗压强度的标准值。（2 2）混凝土）混凝土轴心抗压强度轴心抗压强度fc ( (棱柱体强度棱柱体强度) ) 1) 1)试件试件: : 150mm150mm150mm150mm300mm300m

6、m, ,制作方法同立方体试件制作方法同立方体试件. . 2) 2)影响因素影响因素: : 试件高度试件高度h h与边长与边长b b之比之比, ,比值越大比值越大, ,轴心抗压强度越小轴心抗压强度越小. . ( (图图1-4)1-4) cu2c1c880ffc.Axiallycompressed Strength (prism compressive strength) of Concrete 测试方法(如下图） （3）Tensile Strength of Concrete ft (混凝土抗拉强度混凝土抗拉强度)1）Direct pulling test (直接拉伸试验直接拉伸试验)2） Sp

7、litting test (劈裂试验劈裂试验) Empirical formula for the tensile strength of concrete (混凝混凝土抗拉强度经验公式土抗拉强度经验公式)Direct pulling test: 55. 0395. 0cutff Splitting test: 4319. 0cutff 2tsFfAAs the working conditions between the actual concrete member and the specimen are different, in the Chinese code, the tensil

8、e strength of concrete ft is taken as 255. 0255. 0348. 0395. 088. 0ccuccutfff（4 4）复合应力状态下的混凝土强度）复合应力状态下的混凝土强度 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. 强度变化特点:双向受压；双向受拉；一向受拉、一向受压 2) 2) 三向应力三向应力 混凝土三向受压时，各个方向上的抗压强度都有混凝土三向受压时，各个方向上的抗压强度都有很大的提高。轴心抗压强度与侧压应力很大的提高。轴心抗压强度与侧压应力 2 2的关系有如的关系有如下线性经验式下线性经验式. . 混凝土强度提高

9、的原因是由于侧向约束了混凝土混凝土强度提高的原因是由于侧向约束了混凝土受压后横向变形，限制了混凝土内部裂缝的产生和发受压后横向变形，限制了混凝土内部裂缝的产生和发展，从而提高了混凝土在受压方向上的抗压强度展，从而提高了混凝土在受压方向上的抗压强度2004cccff混凝土圆柱体抗压强度三向受压状态下混凝土强度三向受压状态下混凝土强度1.2.2 deformation of Concrete (混凝土的变形混凝土的变形)1.混凝土在单调、短期加载作用下的变形性能混凝土在单调、短期加载作用下的变形性能(1) Stressstrain curve (应力应变曲线应力应变曲线)1） 上升段 OA 线性段

10、虎克定理 AB 塑性，裂纹稳定发展阶段 BC 塑性，裂纹非稳定发展阶段2） 下降段 CD3） 收敛段 DEcf0ccu 影响混凝土应力应变曲线的主要因素影响混凝土应力应变曲线的主要因素1）混凝土的强度。混凝土的强度。 上升段影响较小，下降段影响较大。强度越高，延性越上升段影响较小，下降段影响较大。强度越高，延性越差。延性是材料承受变形的能力）差。延性是材料承受变形的能力）2）应变速率。（即加载速度）应变速率。（即加载速度） 应变速率小，峰值应力应变速率小，峰值应力 降低，降低， 增大。增大。3）测试技术和试验条件测试技术和试验条件cfcu（2 2）混凝土的弹性模量，变形模量）混凝土的弹性模量，

11、变形模量 （如图）（如图） Modulus of Elasticity of Concrete 2) Tangent modulus of elasticity (切线模量切线模量)cccddE tan 3) Secant modulus of elasticity (割线模量割线模量) 弹塑性模量、变形模量弹塑性模量、变形模量peccccE1tan适用于应力较大的情况适用于应力较大的情况0taneccE1) Initial modulus of elasticity (原点弹性模量原点弹性模量)适用于应力较小的情况适用于应力较小的情况)(7 .342 . 2105MPafEcuc受拉弹性模量

12、受拉弹性模量= =受压弹性模量受压弹性模量the shear modulus of elasticity (剪切模量剪切模量) of concrete)1 (2cccEG=0.4E=0.4Ec cthe Poisson ratio (泊松比泊松比=横向应变横向应变/纵向应变纵向应变) of concrete, in Chinese code =0.2.c2.混凝土在长期荷载作用下的变形性能混凝土在长期荷载作用下的变形性能 Longterm Properties of Concrete（1）Creep of Concrete (混凝土的徐变混凝土的徐变)混凝土的混凝土的徐变徐变：是指在荷载长期作

13、用下应变随时间增长的现象：是指在荷载长期作用下应变随时间增长的现象影响徐变的因素：1）混凝土长期荷载作用下的应力 应力0.5 时，线性徐变； 0.5 0.8 ，时，非线性徐变 0.8 ，非稳定徐变,不收敛。 cfcfcfcf3）混凝土的组成成分和配合比 水泥用量越多，徐变越大；水灰比越大，徐变越大；骨料的弹性模量愈大，骨料体积在混凝土中所占的比重愈高，则徐变愈小。2）加载时混凝土的龄期 加载时混凝土的龄期越短，则徐变变形越大4）养护及使用条件下的温度与湿度 养护时温度高，湿度大，则水泥水化作用充分，徐变减小；受荷后所处环境的温度越高，湿度越低，则徐变越大5）构件尺寸、体表比（图1-17）尺寸越

14、大，体表比越大，徐变越小徐变对钢筋混凝土结构的影响：i.产生应力重分布ii. 结构变形增大。iii.在高应力状态，导致构件破坏。（2）Shrinkage of Concrete (混凝土的收缩混凝土的收缩)混凝土在空气中结硬时体积缩小的现象称为收缩混凝土在空气中结硬时体积缩小的现象称为收缩混凝土在水中或处于饱和湿度情况下结硬时体积增大的现象混凝土在水中或处于饱和湿度情况下结硬时体积增大的现象称为膨胀称为膨胀 Plastic shrinkage of concrete (混凝土的塑性收缩混凝土的塑性收缩)硬化初期水泥石在水化凝固结硬过程中产生的体积变化硬化初期水泥石在水化凝固结硬过程中产生的体积

15、变化Drying shrinkage of concrete (混凝土的干燥收缩混凝土的干燥收缩)自由水分蒸发而引起的干缩影响混凝土收缩的因素影响混凝土收缩的因素 1）Amount of cement (水泥用量水泥用量)和和. Watercement ratio(水灰比水灰比). 2）Aggregate(骨料骨料). 3）Medium ambient condition(环境条件环境条件). 4）Size of the element(构件尺寸构件尺寸). 1.steel with a clear yielding strength (mild steel)a proportional li

16、mit =Esaaelastic limitadestrain hardening stagebbupper yield strengthclower yield strength，即yield stress fyccdyield plateauefueultimatetensilestrength fu fyfo od1.31.3钢筋钢筋 steel reinforcement1.3.1 1.3.1 钢筋的强度钢筋的强度与与变形变形力学性能指标力学性能指标(1)Yielding strength(屈服强度屈服强度) yf(2)Ultimate tensile strength(极限抗拉强度极

17、限抗拉强度) suATfmaxbyfThe ratio of ultimate tensile strength to Yielding strength(强屈比强屈比) 25. 18 . 0/1/yuff(3)Percentage elongation(伸长率伸长率) 112lll (4)Coldbent Property (冷弯性能冷弯性能 图图120)2.Hardening steel without a clear yielding strength(硬钢硬钢没有明显流幅的钢筋没有明显流幅的钢筋).a0.2%0.2 fua： proportional limit ，about 0.75

18、fu定义一个名义的屈服点，该点称为定义一个名义的屈服点，该点称为条件屈服点条件屈服点。残余应变为残余应变为0.2%0.2%所对应的应力所对应的应力规范规范取取 0.20.2 =0.85 =0.85 b b 1.3.2 1.3.2 钢筋钢筋的成份、级别和品种的成份、级别和品种1.成份碳素钢：以铁为主，加少量C、Mn等。按含C量又分为低碳 钢（C0.22%），中碳钢（C=0.250.6%），高碳 钢（C0.6%）.普通低合金钢：在碳素钢成分中加入少量的合金元素，如Si、 Mn等。 2.等级 公路桥规对热轧钢筋按照强度分为五个等级，即I、II、III。 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(图1-2