鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的基本概念及材料的物理力學(xué)性能

鋼筋混凝土是由兩種力學(xué)性能不同的材料—鋼筋和混凝土結(jié)合成整體，共同發(fā)揮作用的一種建筑材料。第一章鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的基本概念及材料的物理力學(xué)性能§第一節(jié)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的基本概念1.梁：素混凝土梁鋼筋混凝土梁一：素混凝土構(gòu)件和鋼筋混凝土構(gòu)件受力和破壞形態(tài)比較：

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

由上述對比試驗(yàn)可知：鋼筋混凝土梁的承載力比素混凝土梁大大提高（14倍）；素混凝土梁破壞突然，沒有明顯預(yù)兆；而鋼筋混凝土梁則表現(xiàn)出較好的延性，破壞前有明顯預(yù)兆；設(shè)Pc為梁的破壞荷載。P<Pc時(shí)，中性軸以上受壓，以下受拉；P=Pc時(shí)，出現(xiàn)豎向裂縫并迅速發(fā)展，梁突然斷裂。發(fā)生脆性破壞。(素混凝土梁)在受拉區(qū)內(nèi)配置適量的鋼筋后，梁的破壞為：受拉鋼筋應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度→受壓區(qū)混凝土被壓壞→梁破壞以上分析說明：與素混凝土梁相比，鋼筋混凝土梁的承載能力和變形能力都有很大提高，并且鋼筋與混凝土兩種材料強(qiáng)度都能得到較充分的利用。素混凝土和鋼筋混凝土軸心受壓構(gòu)件的受力性能比較2.柱：試驗(yàn)表明，鋼筋混凝土柱與素混凝土柱相比，不僅承載力大為提高，而且受力性能也得到改善（下圖）

混凝土與鋼筋之間有良好的粘結(jié)力。鋼筋和混凝土的溫度線膨脹系數(shù)較為接近（鋼筋為1.2×10-5，混凝土為1.0×10-5～1.5×10-5）。鋼筋被混凝土包裹，免遭銹蝕。二、鋼筋與混凝土能共同工作的原因

耐久性好耐火性好整體性好可模性好取材容易三、鋼筋混凝土優(yōu)缺點(diǎn)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)

自重大抗裂性較差施工受季節(jié)環(huán)境影響較大現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)模板耗用木材較多

一：混凝土強(qiáng)度

1.立方體抗壓強(qiáng)度fcu（混凝土標(biāo)號(hào)）形狀：邊長為150mm的立方體

1）試件：溫度：20℃±3℃

相對濕度：90%以養(yǎng)護(hù)時(shí)間：28天.2）影響因素:——

實(shí)驗(yàn)方法（套箍作用）.——試件尺寸（尺寸越小,摩阻力影響越大,強(qiáng)度越高）§第二節(jié)

混凝土

1)試件:150mm×150mm×300mm,制作方法同立方體試件.2)影響因素:

試件高度h與邊長b之比,比值越大,軸心抗壓強(qiáng)度越小.3)fck與fcu的近似關(guān)系fck=0.7fcu2軸心抗壓強(qiáng)度fck(棱柱體強(qiáng)度)

1)測試方法:采用圓柱體或立方體的劈裂試件來測定.(如下圖）

劈裂試驗(yàn)3.

抗拉強(qiáng)度ftk

2)采用劈裂試驗(yàn)測抗拉強(qiáng)度的原因

采用兩端預(yù)埋鋼筋的混凝土棱柱體測試軸心抗拉強(qiáng)度時(shí)（如下圖），保持試件軸心受拉是很重要的，也是不容易完全做到的?；炷羶?nèi)部結(jié)構(gòu)不均勻，鋼筋的預(yù)埋和試件的安裝都難以對中，而偏心又對抗拉強(qiáng)度測試有很大的干擾。1)雙向應(yīng)力兩個(gè)垂直平面上作用有法向應(yīng)力,第三個(gè)平面上應(yīng)力為零.

強(qiáng)度變化特點(diǎn)4.復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度

混凝土圓柱體抗壓強(qiáng)度混凝土強(qiáng)度提高的原因是由于側(cè)向約束了混凝土受壓后橫向變形，限制了混凝土內(nèi)部裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，從而提高了混凝土在受壓方向上的抗壓強(qiáng)度3)三向應(yīng)力

混凝土三向受壓時(shí)，各個(gè)方向上的抗壓強(qiáng)度都有很大的提高（下圖）。軸心抗壓強(qiáng)度與側(cè)壓應(yīng)力

2的關(guān)系有如下線性經(jīng)驗(yàn)式三向受壓狀態(tài)下混凝土強(qiáng)度混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(MPa)

C15C20C25C30C35C40C45C50C55C60fck10.013.416.720.123.426.829.632.435.538.5ftk1.271.541.782.012.202.402.512.652.742.85混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(MPa)

C15C20C25C30C35C40C45C50C55C60fcd6.99.211.513.816.118.420.522.424.426.5ftd0.881.061.231.391.521.651.741.831.891.96設(shè)計(jì)值與標(biāo)準(zhǔn)值關(guān)系：材料分項(xiàng)系數(shù)1.451單調(diào)短期加載作用下

1)混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線（如圖）二.混凝土的變形（1）

上升段

OA線性段—虎克定理

AB塑性，裂紋穩(wěn)定發(fā)展階段

BC塑性，裂紋非穩(wěn)定發(fā)展階段（2）

下降段（3）

收斂段—混凝土的強(qiáng)度。

上升段影響較小，下降段影響較大。強(qiáng)度越高，延性越差。延性是材料承受變形的能力）—應(yīng)變速率。

應(yīng)變速率小，峰值應(yīng)力R0a降低，

0增大?！獪y試技術(shù)和實(shí)驗(yàn)條件2)影響混凝土應(yīng)變曲線的主要因素

3）混凝土的彈性模量，變形模量（如圖）切線模量：變形模量：

式中：時(shí)，時(shí)，。

根據(jù)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析Eh的經(jīng)驗(yàn)公式為:彈性特征系數(shù)原點(diǎn)彈性模量：1)徐變：混凝土在荷載長期作用下產(chǎn)生隨時(shí)間而增長的變形。2)徐變曲線2.混凝土在長期荷載作用下的變形—徐變

3)影響徐變的因素：（1）混凝土長期荷載作用下的應(yīng)力

應(yīng)力

≤0.5R0a時(shí)，線性徐變；

0.5R0a≤

≤0.8R0a，時(shí)，非線性徐變

>0.8R0a，非穩(wěn)定徐變。（2）加載時(shí)混凝土的齡期加載時(shí)混凝土的齡期越短，則徐變變形越大（3）混凝土的組成成分和配合比水泥用量越多，徐變越大；水灰比越大，徐變越大；骨料的彈性模量愈大，骨料體積在混凝土中所占的比重愈高，則徐變愈小。

尺寸越大，體表比越大，徐變越?。?）養(yǎng)護(hù)及使用條件下的溫度與濕度養(yǎng)護(hù)時(shí)溫度高，濕度大，則水泥水化作用充分，徐變減?。皇芎珊笏幁h(huán)境的溫度越高，濕度越低，則徐變越大（5）構(gòu)件尺寸、體表比（圖1-17）4)徐變對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的影響：產(chǎn)生應(yīng)力重分布結(jié)構(gòu)變形增大。在高應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致構(gòu)件破壞。1)混凝土的收縮：

混凝土在空氣中結(jié)硬時(shí)其體積會(huì)縮小的現(xiàn)象。2)混凝土收縮的特點(diǎn)：結(jié)硬初期收縮變形發(fā)展很快，兩周可完成全部收縮的25%，一個(gè)月完成50%，三個(gè)月后增長緩慢，兩年后趨于穩(wěn)定。最終收縮值約為（2～6）×10-4（圖1-18）。3.混凝土的收縮4）混凝土收縮對結(jié)構(gòu)的影響：應(yīng)力裂縫。

3)影響因素：—水泥的用量：水泥越多，收縮越大；水灰比越大，收縮也越大?！橇闲再|(zhì)：骨料的級(jí)配好，密度大，彈性模量高，收縮小?！B(yǎng)護(hù)條件：結(jié)硬過程中，溫、濕度越大，收縮越小?！炷林谱鞣椒ǎ夯炷猎矫軐?shí)，收縮越小?！褂铆h(huán)境：環(huán)境溫、濕度大時(shí)，收縮小?！獦?gòu)件體表比：體表比大時(shí)，收縮小。一、鋼筋的強(qiáng)度與變形

-

關(guān)系曲線分兩大類

1.有明顯流幅的

-

曲線（軟鋼）

§第三節(jié)

鋼筋

2.無明顯流幅的

-

曲線（圖1-20）（硬鋼）

二、鋼筋的成份、級(jí)別、品種

1.成份碳素鋼：以鐵為主，加少量C、Mn等。按含C量又分為低碳鋼（C≤0.22%），中碳鋼（C=0.25～0.6%），高碳鋼（C>0.6%）.普通低合金鋼：在碳素鋼成分中加入少量的合金元素，如Si、Mn等。

2.等級(jí)

《公路橋規(guī)》對熱軋鋼筋按照強(qiáng)度分為四個(gè)等級(jí)，即R235、HRB335、HRB400、KL400。(即標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為編號(hào),設(shè)計(jì)強(qiáng)度分別為195,280,330MPa)3.品種按外形特征分為：光圓鋼筋和變形鋼筋。變形鋼筋分為螺旋鋼筋、“人”字形鋼筋和月牙形鋼筋(下圖)三鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)對鋼筋性能要求強(qiáng)度高。塑性好?？珊感院谩Ｅc混凝土間粘結(jié)力好。一粘結(jié)力

1.粘結(jié)力：構(gòu)件中的鋼筋受到拉或壓后，混凝土與鋼筋之間存在水泥膠結(jié)力、摩擦力、機(jī)械咬合力，這些力統(tǒng)稱為粘結(jié)力。

2.粘結(jié)應(yīng)力：鋼筋與混凝土由于受變形差（相對滑移）沿鋼筋與混凝土接觸面上產(chǎn)生的剪應(yīng)力?！斓谒墓?jié)

鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)

4.鋼筋錨固長度確定錨固長度的原則：使鋼筋拉到屈服時(shí)，鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)力未破壞。

3.平均粘結(jié)應(yīng)力鋼筋被拔出或者混凝土被劈裂時(shí)的最大平均粘結(jié)應(yīng)力。二粘結(jié)機(jī)理分析1．光圓鋼筋與混凝土的粘結(jié)粘結(jié)力組成：

①混凝土中水泥膠體與鋼筋表面的化學(xué)膠結(jié)力；

②鋼筋與混凝土之間的摩擦力；

③鋼筋表面粗糙不平產(chǎn)生的機(jī)械咬合力。光圓鋼筋拔出試驗(yàn)的破壞形態(tài)是剪切破壞，破壞面是二者之間的接觸面。2．變形鋼筋與混凝土的粘結(jié)主要是變形鋼筋表面凸出的肋與混凝土之間的機(jī)械咬合作用，如圖1-25。變形鋼筋的肋對混凝土的擠壓如同一個(gè)楔，會(huì)產(chǎn)生很大的機(jī)械咬合力，從而提高了強(qiáng)變形鋼筋的粘結(jié)力。

光圓鋼筋和變形鋼筋的粘結(jié)機(jī)理的主要區(qū)別：光圓鋼筋粘結(jié)力主要自來膠結(jié)力和摩阻力