混凝土結(jié)構(gòu)原理之材料力學(xué)性能

緒論

以混凝土為主要材料制作的結(jié)構(gòu)稱為混凝土結(jié)構(gòu)。它包括素混凝土結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)和各種其他形式的加筋混凝土結(jié)構(gòu)。素混凝土結(jié)構(gòu)是指不配置任何鋼材的混凝土結(jié)構(gòu)，常用于路面和一些非承重結(jié)構(gòu)。預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)是在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件中配置了預(yù)應(yīng)力鋼筋并施加預(yù)應(yīng)力的結(jié)構(gòu)。

（a）素混凝土梁；（b）鋼筋混凝土梁由于混凝土抗拉強度很低，在不大的荷載作用下，梁下部受拉區(qū)邊緣的混凝土即出現(xiàn)裂縫，而受拉區(qū)混凝土一旦開裂，裂縫迅速發(fā)展，梁瞬時斷裂而破壞。此時受壓區(qū)混凝土的抗壓強度還遠遠沒有充分利用，梁的承載力很低。如果在梁的底部受拉區(qū)配置抗拉強度較高的鋼筋，形成鋼筋混凝土梁，當(dāng)荷載增加到一定值時，梁的受拉區(qū)仍會開裂，但鋼筋可以代替混凝土承受拉力，裂縫不會迅速發(fā)展，梁的承載能力還會繼續(xù)提高。如果配筋適當(dāng)，梁可以在較大的荷載作用下才被破壞，破壞時鋼筋的應(yīng)力可以達到屈服強度，受壓區(qū)混凝土的抗壓強度也能得到充分利用。而且在破壞前，裂縫充分發(fā)展，梁的變形迅速增大，有明顯的破壞預(yù)兆。在混凝土適當(dāng)?shù)奈恢门渲靡欢ㄐ问胶蛿?shù)量的鋼筋形成鋼筋混凝土構(gòu)件后，可以收到下列效果：(1)結(jié)構(gòu)的承載能力有很大的提高；(2)結(jié)構(gòu)的受力性能得到顯著的改善鋼筋和混凝土是兩種物理力學(xué)性能很不相同的材料，它們能夠有效地結(jié)合在一起共同工作的主要原因是：(1)混凝土硬化后，鋼筋和混凝土之間存在粘結(jié)力，使兩者之間能傳遞力和變形。粘結(jié)力是使這兩種不同性質(zhì)的材料能夠共同工作的基礎(chǔ)。(2)鋼筋和混凝土兩種材料的線膨脹系數(shù)接近，鋼筋為1.2×10-5/℃，混凝土為(1.0～1.5)×l0-5/℃，所以當(dāng)溫度變化時，鋼筋和混凝土的粘結(jié)力不會因兩者之間過大的相對變形而破壞。(3)混凝土對鋼筋具有良好的保護作用，能夠保證結(jié)構(gòu)的耐久性，使鋼筋與混凝土長期可靠地工作。0.2鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)缺點

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與其他結(jié)構(gòu)相比具有下列優(yōu)點：

(1)就地取材。

(2)節(jié)約鋼材。

(3)耐久性好。

(4)耐火性好。

(5)可模性好。

(6)整體性好。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)也具有下述主要缺點：

(1)自重大

(2)抗裂性差。0.3混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用及發(fā)展簡況

應(yīng)用相當(dāng)廣泛，朝輕質(zhì)高強的方向發(fā)展鋼筋混凝土是由鋼筋和混凝土兩種性質(zhì)不相同的材料組成的，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力性能與鋼筋和混凝土兩種材料的力學(xué)性能密切相關(guān)。

1。1鋼筋

1。1。1鋼筋的品種、級別和形式

（1）按化學(xué)成分：碳素鋼和普通低合金鋼

第1章混凝土結(jié)構(gòu)用材料的力學(xué)性能（2）根據(jù)加工工藝：A.熱軋鋼筋：在高溫下直接由碳素鋼、普通低合金鋼軋制成型；B.熱處理鋼：將熱軋鋼經(jīng)過調(diào)質(zhì)（加熱、淬火和回火）處理后制成目的主要是提高強度，而塑性降低不多；C.鋼絲：包括光面鋼絲、消除應(yīng)力鋼絲、螺旋肋鋼絲、刻痕鋼絲和鋼絞線等（定義見書）。(3）根據(jù)鋼筋外形：A.光圓鋼筋：表面是光滑的；（HPB235）B.變形鋼筋：表面有肋（如月牙肋等）（HRB335、HRB400、RRB400）；（4）根據(jù)力學(xué)特性：A.軟鋼：在應(yīng)力應(yīng)變圖上有明顯屈服臺階，如普通熱軋低碳鋼和低合金鋼；B.硬鋼：在應(yīng)力應(yīng)變圖上無屈服臺階，如中、高強鋼絲和鋼絞線；2．鋼筋的彈性模量ES（見表1.2）彈性模量：材料在單向受拉或受壓狀態(tài)下其應(yīng)力應(yīng)變呈線性關(guān)系時，截面上正應(yīng)力和正應(yīng)變的比值。3．反映鋼筋塑性性能的指標(biāo)：伸長率和冷彎性能塑性（或延性）：指鋼材受力屈服后，能產(chǎn)生顯著的殘余變形而不立即斷裂的性質(zhì)。伸長率：冷彎性能：鋼材在冷加工產(chǎn)生塑性變形時，對產(chǎn)生裂縫的抵抗能力4.鋼筋的冷加工（常溫下加工）目的：提高鋼材的屈服強度，但同時鋼材的塑性降低。冷加工方法：（1）冷拉：在常溫下將鋼筋拉伸至屈服，然后卸載且再拉伸，可使屈服強度提高；時效硬化：在常溫下將鋼筋拉伸至屈服后卸載，經(jīng)過一段時間后再拉伸，可使屈服強度和極限抗拉強度提高。（2）冷拔：在常溫下將鋼筋拔過比其自身直徑還小的硬質(zhì)合金拔絲模拉伸至屈服；（3）冷軋：將熱軋圓盤條經(jīng)冷拔或冷拉工藝減小直徑后，在鋼筋表面軋出月牙紋的鋼筋。5．鋼筋的選用原則(1).較高的強度；(2).良好的塑性；(3).良好的可焊性；(4).較強的耐火性；(5).鋼筋與混凝土良好的粘結(jié)力。6．設(shè)計時如何選用鋼筋（1）鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中的非預(yù)應(yīng)力鋼筋，宜選用熱軋鋼筋，且宜優(yōu)先采用HRB400和HRB335級鋼筋，也可采用HPB235和RRB400級熱軋鋼。（2）預(yù)應(yīng)力鋼筋宜采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線、中高強鋼絲，也可采用熱處理鋼筋。（3）應(yīng)盡量選用強度較高、塑性較好、價格較低的鋼材。1-2混凝土的物理力學(xué)性能·混凝土的組成：混凝土=水泥+細骨料（砂）+粗骨料（碎石或鵝卵石）+水+外加劑·抗壓強度的測定：讓混凝土試件均勻受壓，它在即將破壞前所能承受的最大壓應(yīng)力即為其極限抗壓強度。·影響抗壓強度的因素：組成材料、施工方法、試件尺寸、加荷方法、加荷速度等因素。尺寸效應(yīng)：當(dāng)試件的尺寸越小，試塊與壓力機加壓板之間摩擦力作用的影響就愈大，量測所得的極限強度值越高，反之愈低，這種現(xiàn)象稱為“尺寸效應(yīng)”。一、砼強度的分類（一）單向受力狀態(tài)下的混凝土強度1.混凝土的抗壓強度（單位：N/mm2或稱MPa）（1）混凝土的立方體抗壓強度的確定方法：標(biāo)準試件：150mm×150mm×150mm的立方體；標(biāo)準制作條件：在溫度（20±3）0C和相對濕度90%以上的環(huán)境下養(yǎng)護28天；標(biāo)準試驗方法：試件表面不涂潤滑劑、均勻加載和勻速加“靜”載的主要作用：混凝土強度的基本指標(biāo)和評定混凝土強度等級的標(biāo)準。（2）混凝土的軸心抗壓強度（N/mm2）

確定方法：

標(biāo)準試件：高寬比為2~3，尺150mm×150mm×300mm的棱柱體；（其余同的確定方法）；

與的關(guān)系：公式（1.3）

主要作用:受壓構(gòu)件的強度計算。

2.混凝土的軸心抗拉強度

確定方法：軸心受拉試驗和劈裂試驗（自學(xué)）；

由表1.3可知，混凝土軸心抗拉強度約為抗壓強度的1/10；

與的關(guān)系:公式1.6

(二).復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下混凝土的強度1.關(guān)于雙向應(yīng)力狀態(tài)下的強度變化規(guī)律·雙向受壓時，混凝土抗壓強度大于單向；·雙向受拉時，混凝土抗拉強度接近于單向；·一向受壓和受拉時，其抗拉（壓）強度均低于相應(yīng)的單向強度；·由于剪應(yīng)力的存在，混凝土抗壓強度低于單向；·由于壓應(yīng)力的存在，混凝土抗剪強度有限增加。2.關(guān)于三向受壓狀態(tài)下的強度變化規(guī)律結(jié)論：三向受壓狀態(tài)下的混凝土抗壓強度大于雙向和單向。注:實際工程中均采用單向強度，但要考慮復(fù)合應(yīng)力情況，從構(gòu)造上加以調(diào)整。二.混凝土的變形變形的分類：受力變形(荷載產(chǎn)生)、非受力變形（收縮、溫差即濕差產(chǎn)生）。1.一次短期加載下混凝土的變形（1）混凝土受壓時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線實際試驗曲線如圖，其規(guī)律為：a.應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為曲線，上升段中僅有一小段直線；b.應(yīng)力峰值對應(yīng)的應(yīng)變約為0.002（基本與等級無關(guān)）；c.混凝土強度高時其延性越差。（2）《規(guī)范》采用的混應(yīng)力-應(yīng)變曲線該曲線分為兩個部分，上升部分為拋物線段，另外一部分為水平直線段。當(dāng)≤時(1.8)當(dāng)＜≤時(1.9)3．橫向希變形混凝土柜受壓時狹在產(chǎn)生趙縱向變罰形的同川時還會陶產(chǎn)生橫瓜向變形性，橫向拳應(yīng)變與易縱向應(yīng)幼變之比憂稱為泊餡松比系盞數(shù)舊。詠規(guī)范取葬=0.艷2。2.荷載鋒長期作用貍下混凝土愈的變形性擾能（1）徐喊變：在長岡期不變的脈荷載作用菌下，變形仙隨時間而叫增長。（2）影橡響徐變的厲因素：應(yīng)禾力（荷載陜）大小；摔加載時的援齡期；材性、工作凱環(huán)境等；（3）徐執(zhí)變對結(jié)構(gòu)令的影響（屬多數(shù)情況篇為不利影錄響）A使結(jié)役構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)色力重分布純：B仙使預(yù)應(yīng)括力產(chǎn)生漸損失。3.混凝鳥土在荷載耗重復(fù)作用國下的變形傲（疲勞變擋形）疲勞破中壞：荷答載重復(fù)妻作用引蟲起的破容壞；（4）調(diào)混凝土材的彈性言模量和續(xù)變形摸鉤量A.彈性菊模量鋼（偷切線模量箏）：取混渡凝土棱柱耕體受壓應(yīng)罵力-應(yīng)變并曲線的原點撓切線的斜化率作為寧。（復(fù)表1.4鞠）B變束形模量何（挨割線模箱量）：鞏應(yīng)力-篩應(yīng)變曲蔥線上原漁點至任帖一點割痰線的斜衣率，稱臂為任意裕點的變暫形模量舍，它反府映塑性聞階段的的應(yīng)力應(yīng)職變關(guān)系膽。二者關(guān)僅系：娘（膠為日彈性系黎數(shù)，等慌于彈性藥應(yīng)變與獸總應(yīng)變中的皂比值）（5）驅(qū).混凝飯土的收決縮與膨耕脹。影響：搬產(chǎn)生裂襖縫，導(dǎo)縫致預(yù)應(yīng)悲力損失埋。（影襪響因素悅見書）（6）混招凝土的溫臘度變形（妄熱脹冷縮罰）（自學(xué)戲）3.設(shè)計班時如何選堪用混凝土撞（1）壁鋼筋混凝查土結(jié)構(gòu)的稱混凝土強偉度等級不回應(yīng)低于C侍15；立（2）當(dāng)猾采用HR喉B335憶級鋼筋時灘，不宜低享于C20桂；

（3糊）當(dāng)采用狐HRB4妄00和R柳RB40觀0級鋼筋幻玉以及對承帽受重復(fù)荷恩載的構(gòu)件嚇，蚊不拒得低于C防20；餓（4）預(yù)冰應(yīng)力混凝臂土結(jié)構(gòu)的所混凝土強衡度等級不太應(yīng)低于于腫C30；念（5）征當(dāng)采用鋼寒絲、鋼絞斜線、熱扎輸鋼筋作預(yù)從應(yīng)力鋼筋啄時，不宜廢低于啊C喘40?！?.暢3混凝砍土與鋼刺筋的粘木結(jié)粘結(jié)的意澤義：確保謀混凝土與精鋼筋能共面同工作。二.粘挑結(jié)力的狗組成1.膠鑰結(jié)力；叉2摩擦困力；3庸機械咬能合力；玻4端部返錨固；三.粘夠結(jié)強度丘（公式狹1.1窄9）影響粘結(jié)陣強度的因難素（自學(xué)獲）四.鋼筋朋的錨固與姓搭接（保跡證鋼筋與兼混凝土間全的粘結(jié)）鋼筋在支次座內(nèi)的錨彼固長度：疤（寇1.20跨）鋼筋與咱鋼筋的斥搭接長卷度:當(dāng)(1.貨21)保證粘接涼的構(gòu)造措稅施：見書須.注（1陣）機械語錨固的惹形式麗末端帶嚇彎鉤；街末端與描鋼板穿采孔塞焊演；末端應(yīng)與短鋼型筋雙面涉巾焊；（2）堵鋼筋綁刊扎搭接豆接頭連崇接區(qū)段穗的長度得為1.搏3倍搭靠接長度組，凡搭艷接接頭練