鋼筋混凝土結構的基本概念及材料的物理力學性能

鋼筋混凝土是由兩種力學性能不同的材料—鋼筋和混凝土結合成整體，共同發(fā)揮作用的一種建筑材料。第一章鋼筋混凝土結構的基本概念及材料的物理力學性能§第一節(jié)鋼筋混凝土結構的基本概念1.梁：素混凝土梁鋼筋混凝土梁一：素混凝土構件和鋼筋混凝土構件受力和破壞形態(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，破壞前有明顯預兆；設Pc為梁的破壞荷載。P<Pc時，中性軸以上受壓，以下受拉；P=Pc時，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)內配置適量的鋼筋后，梁的破壞為：受拉鋼筋應力達到屈服強度→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件的受力性能比較2.柱：試驗表明，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)缺點缺點優(yōu)點

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

一：混凝土強度

1.立方體抗壓強度fcu（混凝土標號）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)護時間：28天.2）影響因素:——

實驗方法（套箍作用）.——試件尺寸（尺寸越小,摩阻力影響越大,強度越高）§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,軸心抗壓強度越小.3)fck與fcu的近似關系fck=0.7fcu2軸心抗壓強度fck(棱柱體強度)

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3.

抗拉強度ftk

2)采用劈裂試驗測抗拉強度的原因

采用兩端預埋鋼筋的混凝土棱柱體測試軸心抗拉強度時（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。混凝土內部結構不均勻，鋼筋的預埋和試件的安裝都難以對中，而偏心又對抗拉強度測試有很大的干擾。1)雙向應力兩個垂直平面上作用有法向應力,第三個平面上應力為零.

強度變化特點4.復合應力狀態(tài)下的強度

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

混凝土三向受壓時，各個方向上的抗壓強度都有很大的提高（下圖）。軸心抗壓強度與側壓應力

2的關系有如下線性經(jīng)驗式三向受壓狀態(tài)下混凝土強度混凝土強度標準值(MPa)

C15C20C25C30C35C40C45C50C55C60fck10.013.416.720.123.426.829.632.435.538.5ftk1.271.541.782.012.202.402.512.652.742.85混凝土強度設計值(MPa)

C15C20C25C30C35C40C45C50C55C60fcd6.99.211.513.816.118.420.522.424.426.5ftd0.881.061.231.391.521.651.741.831.891.96設計值與標準值關系：材料分項系數(shù)1.451單調短期加載作用下

1)混凝土應力應變曲線（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—混凝土的強度。

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

應變速率小，峰值應力R0a降低，

0增大?！獪y試技術和實驗條件2)影響混凝土應變曲線的主要因素

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，時，。

根據(jù)試驗統(tǒng)計分析Eh的經(jīng)驗公式為:彈性特征系數(shù)原點彈性模量：1)徐變：混凝土在荷載長期作用下產(chǎn)生隨時間而增長的變形。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力

應力

≤0.5R0a時，線性徐變；

0.5R0a≤

≤0.8R0a，時，非線性徐變

>0.8R0a，非穩(wěn)定徐變。（2）加載時混凝土的齡期加載時混凝土的齡期越短，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，徐變越小（4）養(yǎng)護及使用條件下的溫度與濕度養(yǎng)護時溫度高，濕度大，則水泥水化作用充分，徐變減??；受荷后所處環(huán)境的溫度越高，濕度越低，則徐變越大（5）構件尺寸、體表比（圖1-17）4)徐變對鋼筋混凝土結構的影響：產(chǎn)生應力重分布結構變形增大。在高應力狀態(tài)，導致構件破壞。1)混凝土的收縮：

混凝土在空氣中結硬時其體積會縮小的現(xiàn)象。2)混凝土收縮的特點：結硬初期收縮變形發(fā)展很快，兩周可完成全部收縮的25%，一個月完成50%，三個月后增長緩慢，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）混凝土收縮對結構的影響：應力裂縫。

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|：骨料的級配好，密度大，彈性模量高，收縮小。—養(yǎng)護條件：結硬過程中，溫、濕度越大，收縮越小?！炷林谱鞣椒ǎ夯炷猎矫軐崳湛s越小。—使用環(huán)境：環(huán)境溫、濕度大時，收縮小?！獦嫾w表比：體表比大時，收縮小。一、鋼筋的強度與變形

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關系曲線分兩大類

1.有明顯流幅的

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曲線（軟鋼）

§第三節(jié)

鋼筋

2.無明顯流幅的

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曲線（圖1-20）（硬鋼）

二、鋼筋的成份、級別、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

《公路橋規(guī)》對熱軋鋼筋按照強度分為四個等級，即R235、HRB335、HRB400、KL400。(即標準強度為編號,設計強度分別為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)三鋼筋混凝土結構對鋼筋性能要求強度高。塑性好?？珊感院?。與混凝土間粘結力好。一粘結力

1.粘結力：構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力、摩擦力、機械咬合力，這些力統(tǒng)稱為粘結力。

2.粘結應力：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)生的剪應力?！斓谒墓?jié)

鋼筋與混凝土之間的粘結

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

3.平均粘結應力鋼筋被拔出或者混凝土被劈裂時的最大平均粘結應力。二粘結機理分析1．光圓鋼筋與混凝土的粘結粘結力組成：

①混凝土中水泥膠體與鋼筋表面的化學膠結力；

②鋼筋與混凝土之間的摩擦力；

③鋼筋表面粗糙不平產(chǎn)生的機械咬合力。光圓鋼筋拔出試驗的破壞形態(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主要是變形鋼筋表面凸出的肋與混凝土之間的機械咬合作用，如圖1-25。變形鋼筋的肋對混凝土的擠壓如同一個楔，會產(chǎn)生很大的機械咬合力，從而提高了強變形鋼筋的粘結力。

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