工程结构第一章(道桥)

1.了解钢筋混凝土的基本概念及特点2.掌握钢筋的物理性能及主要强度指标，理解混凝土及钢筋在工程实际当中的应用。3.论述钢筋与混凝土之间的黏结及相互影响第一节钢筋混凝土的基本概念及特点第二节混凝土第三节钢筋第四节钢筋与混凝土的特性本章目录基本要求第一章钢筋混凝土结构的基本概念和材料的物理力学性能第一节钢筋混凝土的基本概念及特点1.钢筋混凝土结构的基本概念2.钢筋混凝土结构的特点了解钢筋混凝土的基本概念及特点本节目录基本要求1.钢筋混凝土结构的基本概念定义：由两种力学性能完全不同的材料---钢筋和混凝土结合成整体，共同发挥作用的一种建筑材料。①混凝土的基本特性a.抗压强度高，抗拉强度低。b.一般抗拉强度只有抗压强度的1/8～1/20。c.破坏时具有明显的脆性性质。混凝土有良好的抗压强度，适用于承压为主的构件，如柱和拱。另一方面，混凝土是一种脆性材料、抗拉强度远低于抗压强度，故素混凝土不适用于制作完全受拉或部分截面受拉的结构构件。素混凝土梁与钢筋混凝土梁的对比极限状态：素砼梁：无明显变形，开裂即破坏钢筋砼梁：有明显变形，钢筋屈服，砼压碎承载能力：素砼梁：取决于混凝土的抗拉，低钢筋砼梁：取决于钢筋抗拉和砼抗压强度，高抗裂能力：配筋后略有增加，但不显著（后附素混凝土梁例子）Pcr=9.7kN150300fc=13.4N/mm2ft=1.54N/mm2ftsc=ft2500素混凝土梁跨中受拉边缘应力达到混凝土抗拉强度时，梁底将开裂，梁随即破坏，表现为脆性断裂，无明显预兆。Pcr=9.7kN150300fc=13.4N/mm2ft=1.54N/mm2ftsc=ft2500素混凝土梁Pu≈Pcrsc=ftft破坏时跨中截面受压边缘的压应力与抗拉强度相近，远未达到混凝土的抗压强度。混凝土抗压强度高的特点未得到充分利用。共同工作的基础，因为：两者之间存在较好的传递应力的能力，粘结力；两种材料的温度线膨胀系数相近；混凝土对钢筋的保护，抗火和耐久性提高。1）就地取材；2）耐久性好；3）整体性好；4）可模性好；5）耐火性好。1）自重大；2）抗裂性能差；3）现浇结构模板用量大；4）工期长等等。2、钢筋混凝土结构的特点主要优点：主要缺点：第二节混凝土一、混凝土的强度二、混凝土的变形性能掌握钢筋混凝土的抗压强度与抗拉强度知识，了解混凝土的变形性能内容。本节目录基本要求一、混凝土的强度混凝土重要的力学性能-----混凝土强度，对安全性和耐久性有直接的影响。定义：指混凝土材料达到破坏或开裂极限状态时所能够承受的压力。相关因素：材料的组成、养护条件及龄期、受力状态等1.混凝土的抗压强度1）立方体抗压强度我国规定用立方体抗压强度作为混凝土强度的基本指标。新修订《桥规》中规定以边长为150的立方体试件，按标准方法制作，在标准的环境里养护28d，采用标准试验方法进行加压，取具有95％保证率时得出的抗压强度作为混凝土强度的等级标准，称为立方体抗压强度标准值，用符号fcu,k表示。图2-1混凝土立方体试块的破坏特征a)不涂润滑剂b)涂润滑剂《混凝土结构设计规范》规定混凝土强度等级应按立方体抗压强度标准值fcu,k确定。混凝土强度C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75和C80，共14个等级。例如，C30表示立方体抗压强度标准值为30N/mm2。其中，C50～C80属高强度混凝土范畴。实际工程中如采用200mm或100mm的立方体试块，测得的立方体抗压强度分别诚意换算系数1.05和0.95。公路桥涵受力构件的混凝土强度等级选择规定：（1）钢筋混凝土构件不应低于从C20，当采用HRB400、KL400级钢筋配筋时，不应低于C25。（2）预应力混凝土构件不应低于C40.2）轴心抗压强度《混凝土结构设计规范》规定以150mm×150mm×300mm的棱柱体试件试验测得的具有95％保证率的抗压强度为混凝土轴心抗压强度标准值，用符号fck或fc表示。混凝土的抗压强度与试件的形状有关,采用棱柱体比立方体能更好地反映混凝土结构的实际抗压能力。用混凝土棱柱体试件测得的抗压强度称为轴心抗压强度。图2-2混凝土棱柱体抗压试验和破坏情况《混凝土结构设计规范》规定以上述棱柱体试件试验测得的具有95%保证率的抗压强度为混凝土轴心抗压强度标准值，用符号fck表示，下标c表示受压，k表示标准值。图2-3混凝土轴心抗压强度与立方体抗压强度的关系混凝土的抗压强度与试件形状有关，在实际工程中，一般的受压构件不是立方体而是棱柱体，即构件的高度要比截面的宽度或长度大。并且棱柱体试件高宽比越大，强度越小。考虑到实际结构构件制作、养护和受力情况等方面与试件的差别，实际构件强度与试件强度之间将存在差异，《混凝土结构设计规范》基于安全取偏低值，轴心抗压强度标准值与立方体抗压强度标准值的关系按下式确定：12,0.88ckcccukff为棱柱体抗压强度与立方体抗压强度之比，对混凝土强度等级为C50及以下的取0.76，对C80取0.82，两者之间按直线规律变化取值。1c为高强度混凝土的脆性折减系数，对C40及以下取1.00，对C80取0.87，中间按直线规律变化取值。2c0.88为考虑实际构件与试件混凝土强度之间的差异而取用的折减系数。2.混凝土的轴心抗拉强度ftft是钢筋混凝土及预应力混凝土构件的抗裂度和裂缝宽度及构件斜截面强度时的主要强度指标。2c45.0__0.55kcu,tk)645.11(395.088.0ff测试方法用浇注成型的100mm*100mm*500mm的立方体试块，通过预埋在试件轴线两端的钢筋，对试件施加压力，试件破坏时即为混凝土轴心抗拉强度。抗拉强度是混凝土的基本力学指标之一，其标准值用ftk表示，下标t表示受拉，k表示标准值。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。图2-4混凝土轴心抗拉强度和立方体抗压强度的关系F——破坏荷载；d——圆柱体直径或立方体边长；l——圆柱体长度或立方体边长。图2-5混凝土劈裂试验示意图(a)用圆柱体进行劈裂试验；(b)用立方体进行劈裂试验；(c)劈裂面中水平应力分布1—压力机上压板；2—弧形垫条及垫层各一条；3—试件；4—浇模顶面；5—浇模底面；6—压力机下压板；7—试件破裂线《规范》规定材料强度的标准值fk应具有不小于95%的保证率。3.混凝土强度标准值与设计值二、混凝土的变形性能混凝土变形的分类荷载作用下的受力变形体积变形混凝土在一次短期加载、长期加载和多次重复荷载作用下都会产生变形，这类变形称为受力变形。另外，混凝土的收缩以及温度和湿度变化也会产生变形，这类变形称为体积变形。混凝土的变形是其重要物理力学性能之一。1.混凝土的受力变形混凝土在一次短期荷载作用下应力—应变关系图2-10不同强度的混凝土的应力-应变曲线比较混凝土应力-应变曲线的形状和特征是混凝土内部结构发生变化的力学标志。随着混凝土强度的提高，尽管上升段和峰值应变的变化不很显著，但是下降段的形状有较大的差异，混凝土强度越高，下降段的坡度越陡，即应力下降相同幅度时变形越小，延性越差。混凝土在重复荷载作用下的应力～应变关系混凝土在长期荷载作用下的变形—徐变混凝土在荷载长期作用下，应力不变，其应变随时间的增长而继续增长的现象缺点：徐变会使结构（构件）的（挠度）变形增大，引起预应力损失，在长期高应力作用下，甚至会导致破坏。优点：徐变有利于结构构件产生内（应）力重分布，降低结构的受力（如支座不均匀沉降），减小大体积混凝土内的温度应力，受拉徐变可延缓收缩裂缝的出现。注意：与混凝土的收缩一样，徐变也与时间有关。因此，在测定混凝土的徐变时，应同批浇筑同样尺寸不受荷的试件，在同样环境下同时量测混凝土的收缩变形，从徐变试件的变形中扣除对比的收缩试件的变形，才可得到徐变变形。影响因素★内在因素：是混凝土的组成和配比。1）水灰比：（应力不变）水灰比越大，徐变越大；2）水泥用量：若水灰比不变，水泥用量越多，徐变越大；3）骨料弹性性质：骨料越坚硬，骨料(aggregate)的刚度（弹性模量）越大，体积比越大，水泥的徐变约束作用越大；4）骨料级配：级配越好，徐变越小；(4)混凝土的变形模量图2-14混凝土变形模量的表示方法1)混凝土的弹性模量（即原点模量）0tancE2)混凝土的变形模量1'tancceccccEEE3)混凝土的切线模量''tancE可以看出，混凝土的切线模量是一个变值，它随着混凝土应力的增大而减小。需要注意的是，混凝土不是弹性材料，所以不能用已知的混凝土应变乘以规范中所给的弹性模量值去求混凝土的应力。只有当混凝土应力很低时，它的弹性模量与变形模量值才近似相等。混凝土的弹性模量可按下式计算：22,10(/)34.72.2ccukEkNmmf4.混凝土的收缩混凝土在空气中硬化时体积会缩小，这种现象称为混凝土的收缩。收缩是混凝土在不受外力情况下体积变化产生的变形。当这种自发的变形受到外部（支座）或内部（钢筋）的约束时，将使混凝土中产生拉应力，甚至引起混凝土的开裂。混凝土收缩会使预应力混凝土构件产生预应力损失。某些对跨度比较敏感的超静定结构（如拱结构），收缩也会引起不利的内力。图2-18混凝土的收缩混凝土的收缩是随时间而增长的变形，早期收缩变形发展较快，两周可完成全部收缩的25%，一个月可完成50%，以后变形发展逐渐减慢，整个收缩过程可延续两年以上。一般情况下，最终收缩应变值约为（2~5）×10-4，混凝土开裂应变为（0.5~2.7）×10-4。影响混凝土收缩的因素有：(1)水泥的品种：水泥强度等级越高制成的混凝土收缩越大。(2)水泥的用量：水泥越多，收缩越大；水灰比越大，收缩也越大。(3)骨料的性质：骨料的弹性模量大，收缩小。(4)养护条件：在结硬过程中周围温、湿度越大，收缩越小。(5)混凝土制作方法：混凝土越密实，收缩越小。(6)使用环境：使用环境温度、湿度大时，收缩小。(7)构件的体积与表面积比值：比值大时，收缩小。一、钢筋的种类二、钢筋的强度和变形三、钢筋的接头、弯钩和弯折掌握钢筋的接头、弯钩和弯折等内容，了解钢筋的种类和强度、变形。本节目录基本要求第三节钢筋第三节钢筋按化学成分一、钢筋的种类按生产工艺分碳素钢热处理钢筋普通低合金钢冷加工（冷拉、冷轧）钢筋热轧钢筋钢丝《桥规》中推荐热轧钢筋、碳素钢丝和精轧螺纹钢筋三大类热压钢筋按外形可分为光圆钢筋带肋钢筋螺旋纹人字纹月牙纹(1)热轧钢筋热轧钢筋由低碳钢、普通低合金钢或细晶粒钢在高温状态下轧制而成。(2)碳素钢丝分光面钢丝、螺纹肋钢丝和刻痕钢丝等(3)钢绞线(S)由多根高强钢丝扭结而成，抗拉强度为1570~1960MPa。桥梁工程中常用的钢绞线有：1*2（两股）、1*3（三股）、1*7（七股）（4）精轧螺纹钢筋用于中小跨径的预应力混凝土桥梁构件（5）冷轧带肋钢筋公路混凝土桥涵的钢筋按以下规定采用：（1）钢筋混凝土及预应力混凝土构件中的普通钢筋选用：热轧R235HRB335HRB400KL400预应力混凝土构件中的箍筋应选用其中的带肋钢筋按构造要求配置的钢筋网可采用冷轧带肋钢筋。（2）预应力混凝土构件中的预应力钢筋应选用钢绞线、钢丝；中、小型构件或竖横向预应力钢筋，也可选用精轧螺纹钢筋二、钢筋的强度和变形1.钢筋的应力～应变关系图2-21有明显流幅的钢筋的应力-应变曲线对有明显流幅的钢筋，在计算承载力时以屈服点作为钢筋强度限值。有明显流幅的热轧钢筋屈服强度是按屈服下限确定的。对没有明显流幅或屈服点的预应力钢筋，一般取残余应变0.2%所对应的应力作为其条件屈服强度标准值。图2-22无明显流幅的钢筋的应力-应变曲线2.钢筋的塑性性能钢筋塑性性能以伸长率钢筋的冷弯试验α－冷弯角度A－辊轴直径D－钢筋直径和冷弯性能来表述3.钢筋的松弛与疲劳松弛：钢筋在多次重复荷载作用下，发生脆性突然断裂的现象。钢筋受力后在保持长度不变的情况下，应力随时间的增长而逐渐降低的现象。预应力混凝土结构中，预应力钢筋张拉后长度基本保持不变，将产生