水工钢筋混凝土结构课件第一章

第一章钢筋筋混凝土材料料的力学性能能钢筋的品种和和力学性能混凝土的物理理力学性能钢筋与混凝土土的粘结一、钢筋的品品种和力学性性能1.钢筋的品种热轧钢筋HPB235HRB335、HRB400、RRB400热处理钢筋冷加工钢筋钢丝冷拔钢筋冷轧钢筋冷拉钢筋钢筋碳素钢丝、刻刻痕钢丝、钢钢绞线A.按加工工艺分分类B.按化学成分分分类碳素钢低合金钢（合合金含量不超超过3.5%）钢筋由含碳量不同同分为高碳钢、中碳碳钢、低碳钢钢低碳钢：（含碳量<0.25%）强度低、塑性性好中碳钢：（0.25%≤≤含碳量≤0.6%）高碳钢：（含碳量>0.6%）强度高、塑性性差低合金钢：碳素钢基础上上加入少量合金元素而成，强度高、塑性性好C.按表面形状不不同分类光面钢筋:光滑的外表面面，多为小直直径的Ⅰ级钢筋。变形钢筋:外表有凹凸不不平的纵横肋肋，以增加与与砼的粘结。。钢筋月牙肋——纹路与肋不相相交，不易产产生应力集中中，粘结强度度略低于等高高肋钢筋。等高肋——（螺旋纹、人人字纹）与钢筋砼粘结结力好，纹路路与肋相交，，易产生应力力集中。钢筋混凝土结结构材料的力力学性能常用钢筋形式式多股钢绞线钢筋混凝土结结构材料的力力学性能D.热轧钢筋★HPB235（Q235）以符号“φ”表示光圆钢筋，低低碳钢，质量量稳定，塑性性及焊接性能能很好，但强强度稍低。多多作为现浇楼楼板受力钢筋筋和箍筋。

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HRB335（20Mnsi）以符号“”表示，

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HRB400以符号“”表示，

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RRB400以符号“”表示。HRB335、HRB400、RRB400都属于变形带肋钢筋，强度较高，塑性和可焊性性能较好，与与混凝土之间间的粘结性能能也较好，在在工程中应用用较广。第一个字母是钢筋的加工工艺的英文缩写，

H——为热轧、R为余热处理；第二个字母是钢筋的表面形状的英文缩写，

P——为光圆、R为变形带肋；第三个字母是钢筋（Bar）的英文缩写缩写；数字表示钢筋的强度标准值（单位：N/mm2）。※符号及数字的含义：2.钢筋的力学性性能热轧钢筋的－曲线oa－弹性阶段b－屈服强度fy（受拉强度限限值）bc—流幅cd－强化阶段de－颈缩阶段a－比例极限d－抗拉强度A.软钢的力学性性能软钢：有明显屈服点点的钢筋，如如热轧Ⅰ~Ⅳ级钢筋。屈服强度：是钢筋强度的的设计依据，在混凝土中中的钢筋，应应力达到屈服服强度，荷载载不增加，应应变继续增大大，裂缝开展展过宽，构件件变形过大，，结构不能正正常使用。伸长率：钢筋拉断时应应变，反映钢钢筋塑性性能的指标。伸长长率大的钢筋筋，拉断前有有足够预兆，，延性较好。。弯曲试验：钢筋围绕直径径为D的钢辊弯转α角而不发生裂裂纹，是反映映钢筋塑性性能的另一指标。。D越小，α越大，冷弯性性能越好。钢筋混凝土结结构材料的力力学性能★含碳量高，屈服强度和抗拉强度高，伸长率小小，流幅缩短短。钢筋混凝土结结构材料的力力学性能硬钢的－曲线硬钢没有明确确的屈服台阶阶（流幅），，所以计算中中以“协定流限”作为强度标标准以0.2表示，一般0.2相当于抗拉极极限强度70%~90%。B.硬钢的力学性性能如热处理钢筋及高强钢丝。a点：比例极限协定流限（条条件屈服强度度）：强度设计指标标，指经加载及卸卸载后尚存有有0.2%永久残余变形形时的应力。。钢筋混凝土结结构材料的力力学性能～曲线形式：有明显流幅的的：分为弹性、屈服、、强化和破坏等四个阶段。。无明显流幅的的：没有明显显的屈服阶段。注：钢筋受压压和受拉时的的应力-应变曲线几乎乎相同～的曲线简化：屈服前：完全弹性的；屈服后：完全塑性的。★强度指标A.有明显流幅的的钢筋：以下屈服点对应的强度作为设计强度度的依据，因因为，钢筋屈屈服后的塑性性变形导致构构件产生不可可恢复的变形形和不可闭合合的裂缝，以以至不能使用用。B.无明显流幅的的钢筋：以残余应变为0.2%时所对应的应应力值作为钢筋条件屈服强度度。钢筋混凝土结结构材料的力力学性能C.冷加工钢筋的的力学性能钢筋混凝土结结构材料的力力学性能冷拉钢筋将钢筋拉伸超过其屈服强度，，放松，经一一段时间之后后，钢筋会获获得比原来屈屈服强度更高的屈服强度值值。冷拉加工的目目的改变钢材内部部结构，提高钢材强度度，节约钢材材。钢筋冷拉后的的－曲线冷拉后，屈服强度提高高了，流幅缩短短，伸长率降降低（塑性下降），钢材性质质变硬变脆。。冷拉后，抗拉强度提高高但抗压强度没有有提高，计算仍取用用原来的抗压压强度。特性：冷拔：将钢筋强力拔拔过硬合金模（直径小于钢钢筋）。温度的影响：：高温时恢复到到原状态，先先焊后拉。特性：冷拔钢筋没有屈服点和流幅幅；冷拔可同同时提高抗拉、压压强度（强度提高，塑塑性降低）。4.钢筋的焊接性性能工程中常采用用焊接方式接接长钢筋；钢钢筋的焊接性性能与钢筋的的化学成分有关，不同品品种的钢筋应应采用不同的的焊接方法。。常用的焊接方方法有:电弧焊、闪光对焊、电渣压力焊。3.钢筋的疲劳重复荷载作用下，钢筋在低应力下产生的断裂称为钢筋的疲劳；在规定的应力幅度内，经规定次数的重复荷载后，发生疲劳破坏的最大应力值称为疲劳强度。

试验方法：钢筋埋入混凝土中重复受拉或受弯与单根钢筋的轴拉疲劳。

影响因素：应力特征值，荷载重复次数，钢筋强度。钢筋混凝土结结构材料的力力学性能5.混凝土结构对对钢筋的要求求强度：钢筋有足够的的强度和适宜的强屈比(极限强度与屈屈服强度的比比值)；变形能力：钢筋的伸长率和冷弯性能均应达到规规范要求；可焊性：焊接处的强度度、变形应能能满足规范要要求；与混凝土的粘粘结性：钢筋与混凝土土之间应有足足够的粘结力，以保证两者者共同工作。。钢筋混凝土结结构材料的力力学性能二、混凝土的物理理力学性能混凝土是各向向不均匀、内内部存在裂缝和空隙的多相复合材材料；压力主主要由其中的的骨料传递，，水泥凝胶体体起粘结和扩扩散压力的作作用。1.单向受力状态态下的混凝土土强度a.立方体抗压强强度fcu在标准条件下下养护28天的标准试件件（150×150×150mm），在压力机机按标准加载载方式进行试试验，所测得得的具有95%保证率的承载载强度为立方体抗压强强度。温度为20±3℃、相对湿度不不小于95%涂润滑剂试验情况:压力试件裂缝发展扩张丧失承载力影响强度的因因素：龄期、加载载速率、试块块尺寸等涂刷刷润滑剂来来消除试件与与压力机间的的摩擦力，测测得的抗压强强度较低；我我国规范的方方法：不涂润滑剂。承压板试块摩擦力不涂润滑剂强度大于PP钢筋混凝土结结构材料的力力学性能不同尺寸的试试件，测得的的立方体抗压压强度是不同同的，当采用用非标准试件件进行试验，，其结果应按按下述强度换换算方法进行行换算。标准试块：150×150×150mm（强度换算系系数为1.00）非标试块：100×100×100mm（强度换算系系数为0.95）200×200×200mm（强度换算系系数为1.05）试件的立方体体抗压强度与与其龄期是有有关系的，一一般而言，龄龄期长，试件件的立方体抗抗压强度就高高；某些工程程因建设周期期长，混凝土土浇注至其受受载的时间远远超过28天，此时可按按混凝土的后后期强度进行行设计。钢筋混凝土结结构材料的力力学性能立方体抗压强强度是区分混混凝土强度等等级的指标，，我国规范混混凝土的强度度等级有：C10，C15，C20，C25，C30，C35，C40，C50，C60，C70，C80如果实测到的的混凝土立方方体抗压强度度处于两等级级之间，则混混凝土的强度度等级按较低的一级级采用。表示混凝土Concrete立方体抗压强度钢筋混凝土结结构材料的力力学性能★水利水电工程程用砼分11个强度等级，即C10、C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60，级差为5N/mm2。b.棱柱体抗压强强度fc（轴心抗压强强度）因构件长度远远大于其截面面尺寸，立方方体强度不能能很好地反映映构件中混凝凝土的受力状状态；规范采采用高宽比h／b不同棱柱体试试件的抗压强强度来衡量。。h／b过小时，加荷板与与混凝土表面面间摩擦力会会约束混凝土土的变形，但但h／b过大则会在试件加加载时由于产产生较大的附附加偏心而引引起测量误差差，而当棱柱柱体的h／b取2时可基本上消消除上述两方方面的影响。。我国标准棱棱柱体尺寸为为150×l50×300mm。标准试块：150×150×300mm（强度换算系系数为1.00）非标准试块：：100×100×300mm（强度换算系系数为0.95）200×200×400mm（强度换算系系数为1.05）钢筋混凝土结结构材料的力力学性能由于承压板对对试件的约束束，立方体抗抗压强度大于于棱柱体抗压压强度，且有有：fc=0.76fcu考虑到构件和试件的的区别，取fc=0.67fcu（水工规范））。国外一般采用用圆柱体试件件（d=150,h=300），有fc=0.79fcu圆柱体抗压强度承压板试块PP钢筋混凝土结结构材料的力力学性能棱柱体抗拉强强度是混凝土土的基本强度度指标，它远远小于混凝土土的立方体抗抗压强度。一一般条件下，，其值相当于于棱柱体抗压压强度的1／9～1／18。测量棱柱体抗抗拉强度：(1)直接受拉法；(2)劈裂法。A.直接受拉时的的棱柱体抗拉拉强度：c.轴心抗拉强度度ft试验结果：ft=0.26fcu2/3考虑到构件和和试件的区别别，尺寸效应应，加荷速度度等的影响，，取ft=0.225fcu2/3。钢筋混凝土结结构材料的力力学性能B.劈裂受拉时的的抗拉强度：：轴心受拉试验验对中困难，常采用用立方体或圆圆柱体劈裂试验测定砼的抗拉拉强度。我国根据100mm立方体的劈裂与抗压试验验结果对比有有：fts=0.19fcu3/4钢筋混凝土结结构材料的力力学性能立方体试件通通过垫条施加加线载荷P，垂直截面上除除垫条附近外外，产生均匀匀拉应力，当当拉应力达到ft时，试件对半半劈裂。实际结构中，，砼很少处于于单向受力状状态。更多的的是处于双向或三向受力状态。2.复合应力状态态下的混凝土土强度☼双轴应力状态态双向受压强度大于单向受压强强度，即一向强度随另另一向压应力力的增加而增增加。钢筋混凝土结结构材料的力力学性能在σ2方向压应力为为55％－60％的混凝土抗抗压强度时，，混凝土σ1方向抗压强度度可达到最大大值，约提高30％。最大强度发生生在σ1／σ2约等于2或0.5时在双向受拉区，其强度与与单向受拉时时差别不大，即一向抗拉强度度基本上与另另一向拉应力力的大小无关关。在一轴受压一轴受拉状态下，抗压压强度或抗拉拉强度均随另另一方向拉应应力或压应力力的增加而减减小。钢筋混凝土结结构材料的力力学性能混凝土两向应应力下的强度度可按下列公公式进行近似似计算：两向受压两向受拉一拉一压a双向压应力之之比工程应用：约束混凝土钢管砼密配螺旋箍筋筋目前研究混凝凝土三向受力力状态下的强强度，多集中中于三向受压状态下混凝土的强强度问题。混混凝土一向抗抗压强度随另另两向压应力力的增加而增加。☼三向受压时的的混凝土强度度无侧向约束时时的单轴抗压压强度有侧向约束时时的抗压强度度混凝土在三向向受压状态下下的极限强度度可用下式表表示1=f*C1=f*Cr

----侧向约束压应力rr混凝土在三向向受压时，不不仅其强度得得到很大的提提高，同时混混凝土的变形形能力也有较较好的改善；；k为侧压效应系系数，通常取取4.0。☼构件受剪或受受扭时常遇到到剪应力t和正应力s共同作用下的的复合受力情情况。☼砼的抗剪强度度：随拉应力增大而减减小，随压应力增大而增增大；当压应力在0.6fc左右时，抗剪剪强度达到最最大，压应力继续增增大，内裂缝缝发展明显，，抗剪强度随随压应力的增增大而减小。。3.混凝土的变形形性能混凝土的变形形：(1)受力变形；(2)环境条件变形形。（一）混凝土土的受力变形形混凝土的受力力变形：(1)一次短期加载载下的变形；；(2)重复加载下的的变形；(3)长期加载下的的变形。A．混凝土在一一次短期加载载下的变形性性能混凝土完整的的应力－应变变曲线大致可可由三阶段组组成。①近似直线段（（近似弹性阶阶段）②上升曲线段（（弹塑性＋裂裂缝扩展阶段段）③下降曲线段（（裂缝失稳扩扩展＋破坏阶阶段）影响应力—应变曲线的因因素有混凝土土强度、加载载速度等。应力小于fc的20%∼30%时（a点），应力应变关关系接近直线。当应力，呈现塑性。应力增大到到fc的80%左右（b点），应变增增长更快。应力达到fc（c点）时，试件表表面出现纵向向裂缝，试件件开始破坏。。达到的最大大应力σo称为砼棱柱体抗压强强度fc，相应的应变为为εo一般为0.002左右。εcu最大压应变(MPa)fco0(10-3)abcd225201510546810加载速度快砼强度提高加载速度慢砼强度降低作用是：加载至峰值应力后，吸收试验机的变形能，测出下降段PP★影响应力—应变曲线形状状因素砼强度低，曲线平坦坦；强度高，曲线陡，εcu小；加载速度快，最大应力力提高，曲线线陡；加载速速度慢，曲线线平缓，εcu增大。图1-9不同强度的混混凝土的－曲线εcu越大，表示混混凝土的塑性性变形能力越大，也就是延性性(指构件最终破破坏之前经受受非弹性变形形的能力)越好。混凝土的强度度等级越高，上升段长，峰点越高，峰值应变也也有所增大；下降段越陡。εcu最大压应变B.混凝土在重复复荷载下的变变形性能因混凝土是弹弹塑性材料，，当进行加载载后再卸载，，其部分应变变立即或经过过一段时间后后恢复（弹性应变）），而另一部分应应变则不能恢恢复（残余应变）），一次加载、卸卸载循环中混混凝土的应力力－应变曲线线形成一闭合合环。在较高应力水水平下对混凝凝土施加重复复荷载，其应应力—应变曲线环逐逐渐靠近，退退化成一条直直线，再经过过数次的重复复加载，应力力—应变关系曲线线由“凸”向应力轴变为为“凸”向应变轴且不再形成闭合合环；最终混凝土土试件因裂缝过宽或变形过大而破坏。pe重复荷载下的应力-应变曲线破坏fcf321疲劳强度<fc因重复荷载作作用引起的破破坏称之为疲劳破坏,混凝土的疲劳劳破坏强度与与其上应力最小值与最大大值的比值r和荷载的重复次次数有直接关系。。0c<0.5fc，线性徐变；c>0.5fc

，非线性徐变。P弹变徐回t0t1t弹变e徐变cr永久变形总变形最终徐变C.混凝土长期荷荷载作用下的的变形性能现象：荷载长时间持持续作用下，，尽管混凝土土上的应力不不变，其变形形也会随时间间的延长而增增大（徐变）。原因：1.胶凝体的粘性性流动；2.混凝土内部微裂缝的不断断发展。影响因素：1.应力：c<0.5fc，线性徐变；；0.5fc<c<0.8fc，非线性徐变变；c>0.8fc，混凝土破坏坏；2.龄期：加荷时混凝凝土的龄期越越早，徐变越越大；3.环境湿度：湿度愈大，，徐变愈小；；4.水泥用量及水水灰比：徐变与水泥用用量及水灰比比成正比；部分徐变可恢恢复（弹性徐徐回）；大部部分徐变不可可恢复（残余余变形）。徐变对混凝土土结构的影响响有利：徐变造成结构构内力的重新新分布，降低低高应力，提提高低应力，改善善了结构的内内力分布；徐变改善钢筋筋与混凝土之之间的应力分分布，使结构构最终内力分布和和材料的利用用趋向合理。。不利：徐变降低构件件的刚度，加加大构件的变变形；徐变增大预应应力混凝土构构件中预应力力钢筋的应力力损失，降低预应应力效果；徐变对构件中中的裂缝有增增大作用。PAsPAss1c1Ps2Ass2P拆去，钢筋受压，混凝土受拉.徐变：s，c在实际工程中中，需要通过过对结构构件件的内力分析析以及对混凝凝土徐变性质质的认识，来来利用或控制制徐变对结构构的影响。（二）混凝土土的温度变形形和干缩变形形现象：因外界温度度变化及内部部水化热等产产生的温度变变形；因外界湿度变变化及凝固结结硬中失水等等产生的变形形。原因：1.固体材料的热热胀冷缩；2.水泥凝胶体失失水后转换为为水泥石的体体积缩小。影响因素：1.水泥品种：等等级越高，收收缩越大2.水泥用量：水水泥用量与水水灰比越大，，收缩越大3.骨料：骨料越越硬，收缩越越小4.其他：养护条条件、环境条条件、体积与与表面积比。。收缩对混凝土土结构的影响响：在结构中产生生温度或干缩缩拉应力；AssAss收缩：钢筋受压，混凝土受拉As导致混凝土开开裂，影响结结构承载能力力和耐久性。。cccecp01b.变形模量（割线模量）应变系数，受压时，为0.4~1.0；受拉破坏时，为1.04.混凝土的弹性性模量、泊松比、剪切模量1）.混凝土的弹性性模量a.原点切线模量量（弹性模量）：拉压相同同混凝土弹性模模量的测试方方法（150×150×300标准试件）c/fcc0.5加、卸5~10次载PP低应力高应力2）混凝土的泊松松比混凝土拉、压压应变的比值值称为其泊松比;压力较小时泊泊松比为0.12～0.18，接近破坏时时达0.5以上，一般可可取1/6。3）剪切模量混凝土剪切模模量是将混凝凝土视为弹性性材料，按弹弹性理论求出出(当n取为1/6时，混凝土剪剪切模量为0.43Ec)：5.混凝土的重力力密度混凝土的重力力密度与所采采用的骨料的的重力密度及及混凝土的密密实度有关，，可按下列数数值采用：骨料为一般重重力密度岩石石的混凝土，，取23kN／m3（人工振捣）；24kN／m3（机械振捣））。骨料为大重力力密度岩石的的混凝土，在在上述数值上上再增加1.0kN／m3。钢筋混凝土的的重力密度一一般取为25kN／m3。三、钢筋与混混凝土的粘结结1.钢筋与混凝土土之间的粘结结力光圆钢筋粘附力摩擦力机械咬合力有滑移时粘附力即消失钢筋受力较大时粘结力主要由此二部分组成变形钢筋粘附力摩擦力机械咬合力主要作用作用：保证力的相互互传递，是两两者共同工作作的基础。（钢筋表面不平、微锈时可显著提高咬合力）PP★影响粘结力的的主要因素◆砼强度：粘结强度随砼砼强度的提高高而增加，但并不与立方方体强度fcu成正比，而与抗拉强强度ft成正比。◆保护层厚度：变形钢筋，粘粘结强度主要要取决于劈裂裂破坏。相对对保护层厚度度c/d越大，砼抵抗抗劈裂破坏的的能力也越大大，粘结强度度越高。◆受力情况：受压钢筋由于于直径增大会会增加对砼的的挤压，从而而使摩擦作用用增加。◆钢筋表面和外外形特征：●光面钢筋表面面凹凸较小，，机械咬合作作用小，粘结结强度低。●月牙肋和螺纹纹肋变形钢筋筋，机械咬合合作用大，粘粘结强度高。。光面钢筋τb峰值随P增加，由加荷荷端移至自由由端，τb图形长度（有效埋长）达达到自由端。。变形钢筋τb峰值始终在加加荷端附近，，有效埋长增增加缓慢，粘结力力大于光面钢钢筋。粘结力峰值关于机械咬合合力◆光圆钢筋——咬合力来自表表面的粗糙不不平。◆变形钢筋——变形钢筋的横横肋对混凝土土的挤压如同同一个楔，会会产生很大的的机械咬合力力，从而提高高了变形钢筋筋的粘结能力力粘结破坏形式式变形钢筋的粘粘结破坏：＊横肋挤压混凝凝土使钢筋周周围混凝土开开裂滑移变形形加快，＊肋间混凝土剪剪切强度不够够，发生“刮刮梨式”拔拔出破坏。图钢筋横肋对混混凝土的挤压压力1-钢筋筋凸凸肋肋上上的的挤挤压压力力；；2-内部部裂裂缝缝钢筋筋即即将将拔拔出出时时的的极限限状状态态对应应的的平均均粘粘结结应应力力，称称为为粘结结强强度度。光面面钢钢筋筋的的粘粘结结破破坏坏：钢钢筋筋从从混混凝凝土土中中拔拔出出时时，，表表面面有有明明显显的的纵纵向向摩摩擦擦痕痕迹迹。。2钢筋筋的的锚锚固固与与接接头头1)钢筋筋的的锚锚固固锚固固长长度度la，它它可可根根据据钢钢筋筋应应力力达达到到屈屈服服强强度度时时，，钢钢筋筋才才被被拔拔动动的的条条件件确确定定，，由由钢钢筋筋的的受受力力平平衡衡条条件件得得fyAs=laτbula=fyAs/（τbu）=fyd/（4τb）可知知，，钢筋筋强强度度越越高高，，直直径径越越粗粗，，混混凝凝土土强强度度越越低低，，则则要要求求锚锚固固长长度度越越长长。。对于于受受压压钢钢筋筋，，由由于于钢钢筋筋受受压压时时会会侧侧向向鼓鼓胀胀，，对对混混凝凝土土产产生生挤挤压压，，增增加加了了粘粘结结力力，，所所以以它它的的锚锚固固长长度度可可以以短短些些。。钢筋筋弯弯钩钩的的形形式式与与尺尺寸寸钢筋筋机机械械锚锚固固的的形形式式机械械锚锚固固的的形形式式可可以以提提高高钢钢筋筋的的锚锚固固力力，，减减少少锚锚固固长长度度。。受力力的的光面面钢钢筋筋末端端必必须须做做成成半半圆圆