混凝土结构设计原理-材料及性能.ppt

1、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,1-1 钢筋混凝土结构的基本概念,例：一跨度为4m，跨中作用集中荷载的简支梁，梁截面尺寸200300mm，混凝土为C20。如图所示：,4000,A,A,F,a),200,300,AA,b),4000,B,B,BB,200,300,210,316,将素混凝土梁和配置钢筋的梁进行荷载试验：,a) 素砼梁 极限荷载 P=8kN 由砼抗拉强度控制 破坏形态：脆性,b) 钢筋砼梁 极限荷载 P=36kN 由钢筋受拉、砼受压而破坏 破坏形态：延性,由此得出钢筋和混凝土结合的有效性：, 大大提高结构的承载力, 结构的受力性能得到改善,1. 混凝土与钢筋之

2、间有可靠的粘结力，二者在荷载作用下能协调地共同受力、共同变形。,2. 二者的温度线膨胀系数相近，不会由于温度变化产生较大的温度应力而破坏粘结力。,钢筋 st = 1.2 105,混凝土 ct =( 1.0 1.5 ) 105,3. 呈碱性的混凝土可以保护钢筋免遭锈蚀，使钢筋混凝土结构具有较好的耐久性。,钢筋与混凝土长期共同工作的三条件,1-2 混凝土,混凝土的性质： 非匀质、各向异性、离散性、抗压强度高的弹塑性材料。其破坏是由于内部微裂缝引起的。 一、砼的强度 Concrete Strength 1 立方体抗压强度 Cube Compressive Strength,用标准制作方式制成的150

3、150150mm的立方体试块，在28天龄期，用标准试验方法测得具有95保证率的抗压强度标准值。,常用等级：C15，C20， C25，C30， C35， C40， C45，C55， C60，C65 ，C70， C75， C80 一般将C50以下称为普通砼，C50及以上称为高强砼,混凝土强度等级：, 套箍作用 立方体抗压强度试验，试块的受力状态，加压板与砼接触面间产生摩阻力形成环箍效应。 端部砼单元体处于三向受压，由于试块高度小，中部砼也受到较大的侧向约束，处于三向受压，强度提高。 尺寸效应 尺寸大，中部侧向约束小，强度值偏低。 尺寸小，中部侧向约束大，强度值偏高。 尺寸不标准时应加以修正。 非标

4、准试件修正系数 100100100 0.95 200200200 1.05, 加荷速度的影响 加荷速度越快，强度值越高； 加荷速度越慢，强度值越低。 一般每秒钟压应力增量为 fcuC30 0.30.5MPa/s fcuC30 0.50.8MPa/s,2 轴心抗压强度 fc（棱柱体抗压强度）,为消除端部套箍约束的影响,3 轴心抗拉强度 Tensile Strength,混凝土的轴心抗拉强度可以采用直接轴心受拉的试验方法来测定，但由于试验比较困难，目前国内外主要采用圆柱体或立方体的劈裂试验来间接测试混凝土的轴心抗拉强度。,也可以用圆柱体进行劈拉试验,砼的抗拉强度很低，,随混凝土强度等级的提高，抗拉

5、强度的增长慢于抗压强度的增长。,双向受压，抗压强度提高，最多可达1.27 左右； 双向受拉，抗拉强度影响不大； 一向受拉，另一向受压，抗压强度要降低。,4 砼在多轴应力状态下的强度,混凝土的抗压强度由于剪应力的存在而降低。 混凝土的抗剪强度：随拉应力增大而减小 随压应力增大而增大 当压应力在0.6fc左右时，抗剪强度达到最大， 压应力0.6fc 后，则由于内裂缝发展明显，抗剪强度将随压应力的增大而减小。, 正应力和剪应力共同作用下：,砼三轴受压,工程应用：约束混凝土,钢管砼,密排螺旋箍筋,二、砼的变形 Concrete Deformations,受力变形 体积变形,1 短期荷载作用下混凝土的应

6、力应变关系, 近似呈直线 ， 明显呈曲线 ， 增加更快。 时， 当 试件破坏,延性指标,砼强度对 曲线的影响（图111） 加荷速度对 曲线的影响,砼强度等级降低,加荷速度降低,侧向约束强,k,c,c,ce,cp,h,原点弹性模量：,变形模量 or 割线模量,的测定： 采用棱柱体试件，加荷速度0.20.3MPa/s，重复510次 加载至,2 长期荷载作用下-混凝土的徐变 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。 混凝土的徐变特性主要与时间参数有关。,凝胶体的粘性流动 微裂缝的发展 水分逐渐压出,徐变的原因：,徐变系数 稳定后的最终徐变系数,应力大小,线性徐变 初应力 c0

7、.5fc ，徐变与初应力呈正比。,非线性徐变,当c 0.8fc ，发散，徐变发展最终导致破坏。,作为混凝土的长期抗压强度。,0.8fc,徐变的影响因素：,影响因素 内在因素是混凝土的组成和配比。骨料(aggregate)的刚度（弹性模量）越大，体积比越大，徐变就越小。水灰比越小，徐变也越小。 环境影响包括养护和使用条件。受荷前养护(curing)的温湿度越高，水泥水化作用越充分，徐变就越小。采用蒸汽养护可使徐变减少（2035）%。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。,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损失。,

8、轴心受压柱 的应力重分布,混凝土在空气中结硬体积减小的现象。,3 收缩：,收缩的性质,自由收缩,约束收缩,来自内部的钢筋约束,来自支座的外部约束,收缩对结构的影响,自由收缩一般不会引起拉应力，故不会开裂,约束收缩产生收缩应力甚至开裂,1-3 钢 筋,根据钢筋受拉应力应变曲线的特点， 分为有明显屈服点的钢筋软钢； 无明显屈服点的钢筋硬钢。,钢筋的 曲线,1 钢筋的力学性能,oa弹性阶段,a比例极限,s屈服强度,cd强化阶段,b极限抗拉强度,de 颈缩阶段,有明显屈服点的钢筋,伸长率,有明显屈服点的钢筋四个检验指标： 屈服强度s 极限抗拉强度b 伸长率 冷弯性能 以屈服强度作为钢筋强度的取值依据

9、屈强比0.8,钢筋的冷弯性能 用规定的弯曲直径和弯曲角度，冷弯后不得有裂纹、金属光泽改变、起层等现象产生。 D=35d 弯曲角度 光圆钢筋 180 带肋钢筋 90 135,无明显屈服点的钢筋,a点：比例极限，约为0.65 b 条件屈服强度 0.2残余应变为0.2%时所对应的应力 强度设计指标条件屈服点 规范取s0.2 =0.85 b,0.2%, 0.2,b,a,2 钢材的品种,热轧钢筋 有明显流幅，软钢 消除应力钢丝 钢绞线 精轧螺纹钢 无明显流幅，硬钢 热处理钢筋 冷轧带肋钢筋,钢绞线,常用钢筋形式,刻痕钢丝,HRB400 (20MnSiV 20MnSiNb 20MnTi) 级 带肋 KL4

10、00 (K20MnSi) 新III级 （变形）,R235 (Q235) I级 光圆,HRB335 (20MnSi) 级,II,III,热轧钢筋（直径大于6mm）,注：钢筋名称前面的数字表示平均含碳量万分之数 按钢材含碳量多少分为 低碳钢 含碳量25 中碳钢 2660 高碳钢 60 土建结构用钢：低、中碳钢,钢筋的蠕变、松弛和疲劳,钢筋在高应力作用下，随时间增长其应变继续增加的现象为蠕变。 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。 钢筋的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，从塑性破坏的性质转变成脆性突然断裂的现象。,钢筋的选用,在普通钢筋混

11、凝土结构中，宜选R235、HRB335、HRB400、KL400、LL550钢筋。 在预应力结构中选用消除应力钢丝、钢绞线、精轧螺纹钢筋、LL650、LL800。,1）强度：要求钢筋有足够的强度和适宜的强屈比(极限强度与屈服强度的比值)。例如，对抗震等级为一、二级的框架结构，其纵向受力钢筋的实际强屈比不应小于1.25。 2）塑性：要求钢筋应有足够的变形能力。 3）可焊性：要求钢筋焊接后不产生裂缝和过大的变形，焊接接头性能良好。 4）与混凝土的粘结力：要求钢筋与混凝土之间有足够的粘结力，以保证两者共同工作。,3 混凝土结构对钢筋性能的要求,粘结和锚固是钢筋和混凝土形成整体、共同工作的基础 粘结力

12、主要由三部分组成： （）胶结力钢筋与混凝土接触面上的化学吸附作用力。一般很小，仅在受力阶段的局部无滑移区域起作用，当接触面发生相对滑移时，该力即消失。 （）摩阻力混凝土收缩握裹钢筋而产生。 （）咬合力钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的机械咬合作用力。,1-4 钢筋与混凝土的粘结,粘结应力钢筋与砼由于相对滑移在二者接触面上 产生的剪应力。 拔出试验：测定的分布,钢筋与混凝土之间粘结应力示意图 （a）锚固粘结应力 （b）裂缝间的局部粘结应力,影响粘结强度的因素 影响钢筋与混凝土粘结强度的因素很多，主要有混凝土强度、保护层厚度及钢筋净间距、横向配筋及侧向压应力，以及浇筑混凝土时钢筋的位置等。 .光圆

13、钢筋及变形钢筋的粘结强度都随混凝土强度等级的提高而提高，但不与立方体强度成正比。 .钢筋表面粗糙度：变形钢筋能够提高粘结强度。 .砼保护层厚度或钢筋间的净距对粘结强度也有重要影响。 .横向钢筋可以限制混凝土内部裂缝的发展，提高粘结强度。 .在直接支撑的支座处，横向压应力约束了混凝土的横向变形，可以提高粘结强度。 .浇筑混凝土时钢筋所处的位置，混凝土是否松散，也会影响粘结强度。,钢筋的锚固与搭接 保证粘结的构造措施 (1)对不同等级的混凝土和钢筋，要保证最小搭接长度和锚固长度； (2)为了保证混凝土与钢筋之间有足够的粘结，必须满足钢筋最小间距和混凝土保护层最小厚度的要求； (3)在钢筋的搭接接头内应加密箍筋； (4)为了保证足够的粘结，在光圆钢筋端部应设置弯钩； (5)对大深度混凝土构件应分层浇筑或二次浇捣； (6)一般除了重锈钢筋外，可不必除锈。,基本锚固长度,钢筋的搭接 钢筋搭接的原则是：接头应设置在受力较小处，同一根钢筋上应尽量少设接头，机械连接接头能产生较牢固的连接力，应优先采用机械连接。,受拉钢筋绑扎搭接接头的搭接长度计算公式：,式中，为受拉钢筋搭接长度修正系数，它与同一连接区内搭接钢筋的截面面积有关，详见规范。