钢筋混凝土结构的基本概念及材料的物理力学性能

钢筋混凝土是由两种力学性能不同的材料—钢筋和混凝土结合成整体，共同发挥作用的一种建筑材料。第一章钢筋混凝土结构的基本概念及材料的物理力学性能§第一节钢筋混凝土结构的基本概念1.梁：素混凝土梁钢筋混凝土梁一：素混凝土构件和钢筋混凝土构件受力和破坏形态比较：

素混凝土梁L=1500mm120200C20P钢筋混凝土梁L=1500mm1202002f14C20PP=4.4kNP=62.5kN

由上述对比试验可知：钢筋混凝土梁的承载力比素混凝土梁大大提高（14倍）；素混凝土梁破坏突然，没有明显预兆；而钢筋混凝土梁则表现出较好的延性，破坏前有明显预兆；设Pc为梁的破坏荷载。P<Pc时，中性轴以上受压，以下受拉；P=Pc时，出现竖向裂缝并迅速发展，梁突然断裂。发生脆性破坏。(素混凝土梁)在受拉区内配置适量的钢筋后，梁的破坏为：受拉钢筋应力达到屈服强度→受压区混凝土被压坏→梁破坏以上分析说明：与素混凝土梁相比，钢筋混凝土梁的承载能力和变形能力都有很大提高，并且钢筋与混凝土两种材料强度都能得到较充分的利用。素混凝土和钢筋混凝土轴心受压构件的受力性能比较2.柱：试验表明，钢筋混凝土柱与素混凝土柱相比，不仅承载力大为提高，而且受力性能也得到改善（下图）

混凝土与钢筋之间有良好的粘结力。钢筋和混凝土的温度线膨胀系数较为接近（钢筋为1.2×10-5，混凝土为1.0×10-5～1.5×10-5）。钢筋被混凝土包裹，免遭锈蚀。二、钢筋与混凝土能共同工作的原因

耐久性好耐火性好整体性好可模性好取材容易三、钢筋混凝土优缺点缺点优点

自重大抗裂性较差施工受季节环境影响较大现浇结构模板耗用木材较多

一：混凝土强度

1.立方体抗压强度fcu（混凝土标号）形状：边长为150mm的立方体

1）试件：温度：20℃±3℃

相对湿度：90%以养护时间：28天.2）影响因素:——

实验方法（套箍作用）.——试件尺寸（尺寸越小,摩阻力影响越大,强度越高）§第二节

混凝土

1)试件:150mm×150mm×300mm,制作方法同立方体试件.2)影响因素:

试件高度h与边长b之比,比值越大,轴心抗压强度越小.3)fck与fcu的近似关系fck=0.7fcu2轴心抗压强度fck(棱柱体强度)

1)测试方法:采用圆柱体或立方体的劈裂试件来测定.(如下图）

劈裂试验3.

抗拉强度ftk

2)采用劈裂试验测抗拉强度的原因

采用两端预埋钢筋的混凝土棱柱体测试轴心抗拉强度时（如下图），保持试件轴心受拉是很重要的，也是不容易完全做到的。混凝土内部结构不均匀，钢筋的预埋和试件的安装都难以对中，而偏心又对抗拉强度测试有很大的干扰。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4.复合应力状态下的强度

混凝土圆柱体抗压强度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展，从而提高了混凝土在受压方向上的抗压强度3)三向应力

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（下图）。轴心抗压强度与侧压应力

2的关系有如下线性经验式三向受压状态下混凝土强度混凝土强度标准值(MPa)

C15C20C25C30C35C40C45C50C55C60fck10.013.416.720.123.426.829.632.435.538.5ftk1.271.541.782.012.202.402.512.652.742.85混凝土强度设计值(MPa)

C15C20C25C30C35C40C45C50C55C60fcd6.99.211.513.816.118.420.522.424.426.5ftd0.881.061.231.391.521.651.741.831.891.96设计值与标准值关系：材料分项系数1.451单调短期加载作用下

1)混凝土应力应变曲线（如图）二.混凝土的变形（1）

上升段

OA线性段—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（3）

收敛段—混凝土的强度。

上升段影响较小，下降段影响较大。强度越高，延性越差。延性是材料承受变形的能力）—应变速率。

应变速率小，峰值应力R0a降低，

0增大。—测试技术和实验条件2)影响混凝土应变曲线的主要因素

3）混凝土的弹性模量，变形模量（如图）切线模量：变形模量：

式中：时，时，。

根据试验统计分析Eh的经验公式为:弹性特征系数原点弹性模量：1)徐变：混凝土在荷载长期作用下产生随时间而增长的变形。2)徐变曲线2.混凝土在长期荷载作用下的变形—徐变

3)影响徐变的因素：（1）混凝土长期荷载作用下的应力

应力

≤0.5R0a时，线性徐变；

0.5R0a≤

≤0.8R0a，时，非线性徐变

>0.8R0a，非稳定徐变。（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（3）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。

尺寸越大，体表比越大，徐变越小（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）4)徐变对钢筋混凝土结构的影响：产生应力重分布结构变形增大。在高应力状态，导致构件破坏。1)混凝土的收缩：

混凝土在空气中结硬时其体积会缩小的现象。2)混凝土收缩的特点：结硬初期收缩变形发展很快，两周可完成全部收缩的25%，一个月完成50%，三个月后增长缓慢，两年后趋于稳定。最终收缩值约为（2～6）×10-4（图1-18）。3.混凝土的收缩4）混凝土收缩对结构的影响：应力裂缝。

3)影响因素：—水泥的用量：水泥越多，收缩越大；水灰比越大，收缩也越大。—骨料性质：骨料的级配好，密度大，弹性模量高，收缩小。—养护条件：结硬过程中，温、湿度越大，收缩越小。—混凝土制作方法：混凝土越密实，收缩越小。—使用环境：环境温、湿度大时，收缩小。—构件体表比：体表比大时，收缩小。一、钢筋的强度与变形

-

关系曲线分两大类

1.有明显流幅的

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曲线（软钢）

§第三节

钢筋

2.无明显流幅的

-

曲线（图1-20）（硬钢）

二、钢筋的成份、级别、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（C≤0.22%），中碳钢（C=0.25～0.6%），高碳钢（C>0.6%）.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四个等级，即R235、HRB335、HRB400、KL400。(即标准强度为编号,设计强度分别为195,280,330MPa)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(下图)三钢筋混凝土结构对钢筋性能要求强度高。塑性好。可焊性好。与混凝土间粘结力好。一粘结力

1.粘结力：构件中的钢筋受到拉或压后，混凝土与钢筋之间存在水泥胶结力、摩擦力、机械咬合力，这些力统称为粘结力。

2.粘结应力：钢筋与混凝土由于受变形差（相对滑移）沿钢筋与混凝土接触面上产生的剪应力。§第四节

钢筋与混凝土之间的粘结

4.钢筋锚固长度确定锚固长度的原则：使钢筋拉到屈服时，钢筋和混凝土之间的粘结力未破坏。

3.平均粘结应力钢筋被拔出或者混凝土被劈裂时的最大平均粘结应力。二粘结机理分析1．光圆钢筋与混凝土的粘结粘结力组成：

①混凝土中水泥胶体与钢筋表面的化学胶结力；

②钢筋与混凝土之间的摩擦力；

③钢筋表面粗糙不平产生的机械咬合力。光圆钢筋拔出试验的破坏形态是剪切破坏，破坏面是二者之间的接触面。2．变形钢筋与混凝土的粘结主要是变形钢筋表面凸出的肋与混凝土之间的机械咬合作用，如图1-25。变形钢筋的肋对混凝土的挤压如同一个楔，会产生很大的机械咬合力，从而提高了强变形钢筋的粘结力。

光圆钢筋和变形钢筋的粘结机理的主要区别：光圆钢筋粘结力主要自来胶结力和摩阻力