第一章钢筋混凝土材料

1、第一篇 钢筋砼结构,第一章 钢筋砼结构的基本概念及 材料的物理力学性能 1-1 钢筋砼结构的基本概念 一、钢筋砼 钢筋砼由钢筋和砼两种物理、力学性质 不同的材料所组成的复合材料. 其目的使它们在共同工作中能发挥 各自的优点,砼抗压强度相对较高 =10.020.1MPa （C15C30） 抗拉强度却很低 =1.272.01MPa （C15C30） 钢抗拉强度均很高 =235400 MPa,素混凝土梁：,当外荷载很小时，受拉区砼即开裂：裂性很差. 砼一旦开裂，梁瞬即脆断而破坏：脆性破坏 中性轴以上砼 未充分发挥作用 承载能力承载力小,钢筋砼梁：,矩形截面钢筋砼(C30)梁b=25cm,h=50cm

2、,设置320(HRB335). 此钢筋砼梁的承载力108.7kNm,而相应的素砼梁的承载力为16.15kNm, 钢筋砼梁的承载力是素砼梁的6.7倍. 钢筋的约束作用：裂缝宽度大大减小，抗裂性提高. 破坏自钢筋屈服开始，具有明显地征兆：塑性破坏 材料强度充分发挥 承载力较高,钢筋砼构件：梁、板受弯剪（扭）构件 柱、拱圈偏心受压构件 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。,二、钢筋与混凝土能共同工作的原因,1. 混凝土与钢筋之间有良好的粘结力; 2. 两者的温度线膨胀系数较为接近; 3钢筋被混凝土包裹，免遭锈蚀.,三、钢筋混凝土优缺点,1. 主要优点

3、 (1) 就地取材，成本低. （2）耐久性好. （3）适应性强. （4）耐火性好、整体性好、抗震性能好.,2主要缺点 自重大轻质混凝土，挖孔（薄壁） 现浇结构模板需耗用较多木材钢模、钢支架 施工受季节环境影响较大养生、防冻剂 抗裂性较差施加预应力,1-2 混凝土,混凝土内部存在着与生俱来的微裂纹； 骨料与水泥浆间的粘结强度是混凝土组成体系中最薄弱的环节； 混凝土的物理力学性能主要反映在两个方面： 强度抵抗荷载的能力 变形体积变形的能力,一、混凝土的强度混凝土的基本强度指标：立方体抗压强度、轴心抗压强度、轴心抗拉强度 1 立方体抗压强度 A、立方体抗压强度的获得标准试件:150mm边长的立方体试

4、件（每三块为一组）标准养生203的温度和相对湿度90%空气中养护28天规范试验按“试验规程”测试评定平均值、中值、无效,B、 混凝土强度的离散性 “数理统计”的方法计算具有95保证率的抗压极限强度值，作为砼立方体抗压强度标准值,C、试验方法 润滑油基本可消除端部侧向约束 不涂润滑油由于横向膨胀、摩阻， 引起“套箍”作用.,D、尺寸效应,试验表明，试件尺寸越小，测得混凝土抗压强度越高。 原因：尺寸或体积愈大，内部缺陷越多（概率越大）； 试验方式的影响（例试件承压面之间摩擦力的影响） 试件尺寸（mm） 换算系数 骨料最大粒径 100100100 0.95 26.5mm 150150150 1.00

5、 31.5mm 200200200 1.05 53mm,E、混凝土强度等级的选取,公桥规中规定混凝土强度等级分为C15C50C80等14个等级，且 钢筋混凝土构件：C20， 采用HRB400、KL400时，C25. 预应力混凝土构件：C40,2混凝土轴心抗压强度（棱柱体强度,试验表明： 20.866）；h/b不宜太大，以免偏心而降低抗压强度. “规范”规定，以150mm150mm300mm的试件为标准试件。,其标准值( ),圆柱体轴心抗压强度值 美国采用圆柱体试件：150300mm,3混凝土抗拉强度砼试件在轴心拉 伸下的极限强度,直接测试法 间接测试法 标准试件:150mm立方体或150300

6、mm圆柱体 或 根据普通强度砼与高强度砼的试验资料，轴心抗拉强度与立方体抗压强度的平均值存在如下关系：,4复合应力状态下的混凝土强度（1）双向应力状态双向受拉（第一象限）一个方向的强度基 本不随另一方向拉应力的大小而变化.双向受压（第三象限）一向的强度随着另一向压应力的增加而增加，双向受压下的混凝土强度比单向受压强度最大可提高25%.拉压组合（二、四象限）一向的强度随着 另一向应力的增加而直线下降.,（2）单向拉（压）与剪应力复合状态 拉伸破坏：抗剪强度随拉应力的增加而减小； 拉伸破坏：压应力 时，抗剪强度随压应力的增加而增加； 压缩破坏：压应力 时，抗剪强度随压应力的增加而减小.,（3）三向

7、受压状态 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：,二、混凝土的变形,影响砼变形的因素： a、加载方式（一次、反复、加载速度） b、持荷时间 (短期、长期) c、环境温度、湿度 d、试件的体表比（体积与表面积）等 混凝土的变形分两大类： 受力变形短期荷载的变形 长期荷载的变形 重复荷载的变形 体积变形混凝土收缩、温度变化引起的变形,（一）一次短期加载作用下的变形,1混凝土的应力应变关系 （1）应力应变曲线 上升段 OA段：应力较小0.3 ，弹性阶段 AB段：=(0.30.8) ，塑性、裂纹稳定发展阶段 BC段：=(0.81.0) ，塑性、裂纹非稳定发展阶段,下降段应力加速下降，曲

8、线下降坡度较陡， 混凝土表面裂缝贯通. 收敛段应力下降减缓，趋向于稳定的残余应力.,2混凝土的弹性模量、变形模量,（1）原点弹性模量 （2）切线模量 （3）割线模量,根据试验统计分析的经验公式为 其误差约为20左右。近似地认为混凝土抗拉弹性模量与抗压弹性模量相等（规范中取相等）试验统计： 受拉:受压弹性模量=0.821.12 平均0.995,剪切弹性模量 为混凝土的横向变形系数，取=0.2 ,则,k,c,c,ce,cp,h,多次重复荷载下混凝土的变形性能 疲劳破坏多次重复荷载，引起结构或材料的破坏 疲劳强度Rp重复加卸载次数不到2106就发生破 坏的最小应力 影响疲劳强度的因素材料强度等级 循

9、环特征,疲劳破坏机理： 内部微裂纹逐渐形成、发展和贯通的结果. 非脆性破坏：与静力破坏相比，混凝土疲劳破坏时具有较大 的变形能力和严重开裂现象.,（二）混凝土在长期荷载作用下的变形,徐变混凝土在常应力作用下，产生随时间而增长的变形.,1、影响徐变的因素,（1）混凝土的应力大小 试验表明应力越大，徐变变形也越大 线性徐变当应力较小时（0.5 ），徐变变形大致与应力成正比关系 . 非线性徐变当应力较大（0.5 ），徐变变形增长比应力增长要快.,（2）加载时混凝土的龄期越短，则徐变变形越大 （3）水泥用量越多，徐变越大；水灰比越大，徐变越大；（4）骨料的弹性模量愈大，骨料体积在混凝土中所占的比重 愈

10、高，则徐变愈小。 （5）养护时温度高，湿度大，徐变小 （6）尺寸越大，体表比越大，徐变越小,2、混凝土徐变的原因 （1）砼中一部分未转化为结晶体的水泥凝胶在应力的长期作用下产生变形（粘性流动）； （2）混凝土内部的微裂纹在荷载的长期作用下不断增加和扩展所. 3徐变对钢筋混凝土结构的影响 （1）产生应（内）力重分布 （2）结构变形增大 （3）在高应力状态，导致构件破坏 （4）受压构件承载力降低,（三）混凝土的收缩,收缩混凝土在空气中结硬时其体积会缩小， 这种现象称为混凝土的收缩。,1.收缩的原因 干燥失水物理收缩（可恢复） 水泥石结晶化学收缩（不可恢复）,2影响混凝土收缩的主要因素,（1）水泥的

11、用量：水泥越多，收缩越大；水灰比越大，收缩也越大 （2）骨料性质：骨料的级配好，密度大，弹性模量高，收缩小 （3）养护条件：结硬过程中，温、湿度越大，收缩越小 （4）混凝土制作方法：混凝土越密实，收缩越小 （5）使用环境：环境温、湿度大时，收缩小 （6）构件体表比：体表比大时，收缩小.,3.减小混凝土收缩的措施,选用优质骨料，砂石级配良好，减小水泥用量和水灰比. 对收缩比较敏感的结构，在靠近表面的适当部位应加配钢筋，以防止收缩裂缝的发展（例如板结构、大体积混凝土结构）. 采用膨胀水泥.,1-3 钢筋,一、钢筋的强度与变形 有明显流幅的钢筋：屈服强度 、抗拉极限强度 、 延伸率 . 特性强度较低

12、，塑性好. 以屈服强度为设计强度的取值依据. 没有明显流幅的钢筋： 条件屈服强度、抗拉极限强度、延伸率.（钢绞线、高强钢丝、精轧螺纹钢筋） 特性强度高，塑性较差 以条件屈服强度 为设计强度的取值依据.,二、热轧钢筋级别、品种,三、钢筋混凝土结构对钢筋性能要求,1强度屈服强度、抗拉极限强度、合适的屈强比 2塑性好屈强比、伸长率、冷弯 3可焊性好。 4与混凝土间粘结力好。,1-4 钢筋与混凝土之间的粘结,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。,试件端部： 钢筋应力应变为：,混凝土应力应变为：,二者之间的应变差，使它们之间产生粘结应力 .,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,4钢筋锚固长度 确定锚固长度的原则：使钢筋拉到设计强度时， 钢筋和混凝土之间的粘结力未破坏.,二、粘结机理分析,1光圆钢筋与混凝土的粘结 粘结力由三部分组成：混凝土中水泥胶体与钢筋表面的化学胶结力；钢筋与混凝土之间的摩擦力；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 由于变形钢筋表面有肋纹，表面凸出的肋与混凝土之间在受力后产生机械咬合。,三、影响粘结强度的因素,1砼强