第一章钢筋砼结构的力学性能

第一章钢筋砼结构的力学性能第一节钢筋砼结构的基本概念一、砼结构的一般概念二、钢筋砼的特点一、砼结构的一般概念混凝土结构(concretestructure）包括素混凝土（plainconcretestructure）结构、钢筋混凝土（reinforcedconcretestructure）结构和预应力混凝土(prestressedconcretestructure）结构。混凝土是土木建筑工程中广泛应用的一种建筑材料。混凝土材料的抗压强度较高，而抗拉强度却很低（它的抗拉强度仅是其抗压强度的1/8～1/12）。因此，素混凝土构件的应用范围非常有限，主要用于受压构件，如柱墩、基础墙等。如图1-1所示的混凝土梁。图1-1混凝土梁top素混凝土梁破坏钢筋混凝土梁破坏预应力混凝土梁破坏二、钢筋砼的特点1、钢筋和砼共同工作的基础A、钢筋(reinforcement)和混凝土(concrete)之间有着可靠的粘结力，能相互牢固地结成整体。在外荷载作用下，钢筋与相邻混凝土能够协调变形，共同受力。B、钢筋与混凝土的温度线膨胀系数(linearexpansioncoefficient)相近，钢筋为1.2×10-5℃-1，混凝土为(1.0～1.5)×10-5℃-1）。C、钢筋被混凝土所包裹，从而防止了钢筋的锈蚀，保证了结构的耐久性(durability)。2、钢筋砼结构的优点A、具有较高强度。B、耐久性较好。C、可模性好。D、抗地震性较好。E、可就地取材。3、钢筋砼结构的缺点A、自重大。B、抗裂性差。C、浇筑时需要模板(forms)。D、施工受季节限制。top第二节钢筋和砼材料的力学性能一、钢筋1、分类：按直径粗细分钢筋和钢丝两类。钢筋根据生产工艺和加工条件分热轧钢筋、冷拉钢筋和热处理钢筋三种。将钢筋在高于再结晶温度状态下，用机械方法轧制成的不同外形的钢筋，称为热轧钢筋(hotrolledsteelbars)。热轧钢筋按照外形特征可分为光圆钢筋(hotrolledplainsteelbars)和变形钢筋(deformedbars)。其中横肋斜向一个方向而成螺纹形的称为螺纹钢筋；横肋斜向不同方向而成“人”字形的称为人字形钢筋。纵肋与横肋不相交且横肋为月牙形状的称为月牙纹钢筋。图1-2钢丝根据加工方法和组成形式分碳素钢丝、刻痕钢丝、钢铰线和冷拔低碳钢丝四种。按照钢材的化学成分，分碳素钢(carbonsteel)和普通低合金钢(lowalloy-steel)两大类。二、钢筋的力学性能1.钢筋的应力应变关系钢筋的拉伸应力-应变关系曲线可分为两大类，即有明显流幅的曲线（图1-3）和无明显流幅的曲线（图1-4）。图1-3图1-4钢筋砼结构纵向钢筋一般为R235(Q235),HRB335,HRB400及KL400钢筋。R235为光圆钢筋强度,其牌号为Q235,相当于原标准Ⅰ级钢筋,公称直径d=8~20mm,以偶数2mm递增；HRB335、HRB400为钢筋牌号,其中尾部数字为强度等级,HRB335相当于原标准Ⅱ级钢筋；HRB400相当于原标准Ⅲ级钢筋,该钢筋公称直径d=6~50mm,其中d=22mm以下以2mm递减,d=22mm以上为25、28、32、36、40、50mm；KL400为余热处理钢筋的强度等级代号,钢筋级别相当于原标准的Ⅲ级钢筋,公称直径d=8~40mm,尺寸进级情况与HRB相同。2．钢筋的强度指标（1）屈服强度。（2）极限强度。钢材的极限强度（包括抗拉强度(tensilestrength)、抗压强度(compressivestrength)和抗剪强度(shearresistancestrength)3．钢筋的塑性指标（1）伸长率(ductilityrate)。可以按照下式计算：（2）截面收缩率(percentagereductionofarea)。（3）冷弯性能。如图。第三节混凝土的力学性能一、混凝土的强度二、砼的变形性能一、混凝土的强度1、立方体抗压强度立方体抗压强度是指边长为150mm的立方体试块，在20℃±３℃的温度和相对湿度在90％以上的潮湿空气中养护28d后，用标准的试验方法测得的抗压强度。混凝土强度等级是按照边长为150mm的立方体抗压强度标准值确定的。混凝土立方体抗压强度标准值是按照上述立方体抗压强度试验方法得到的具有95%保证率的抗压强度值。《公桥规》按照混凝土立方体抗压强度标准值，把混凝土结构中混凝土的强度等级分为14级，以“C+立方体抗压强度标准值”表示，即C15、C20……C70、C80。公路桥涵钢筋混凝土构件的混凝土强度等级可采用C20～C80。2、轴心抗压强度混凝土的抗压强度不仅与试件的尺寸有关，也与它的形状有关。在实际工程结构中，受压构件不是立方体而是棱柱体，所以，采用棱柱体试件（高度大于边长的试件称为棱柱体）比采用立方体试件能更好地反映混凝土的实际抗压能力。用棱柱体试件测得的抗压强度称为棱柱体抗压强度，或者称为轴心抗压强度。棱柱体试件是在与立方体试件相同的条件下制作的，试件表面不涂润滑剂，实测所得的棱柱体抗压强度比立方体抗压强度低。混凝土轴心抗压强度随着混凝土强度等级提高而增加，总的趋势是混凝土轴心抗压强度与混凝土强度等级成正比。3、轴心抗拉强度轴心受拉试件如图所示。混凝土试件在轴心拉伸下的极限抗拉强度，在结构设计中是确定混凝土抗裂度的重要指标，有时还可以通过混凝土轴心抗拉强度间接地作为衡量混凝土其他力学性能的指标，例如混凝土与钢筋之间的粘结强度等。测定方法：我国交通部颁布的标准《公路工程水泥混凝土试验规程》规定：采用150mm立方体作为标准试件进行混凝土劈裂抗拉强度测定，按照规定的试验方法操作，则混凝土劈裂抗拉强度为：top二、砼的变形性能1、在单调、短期荷载作用下的变形性能（见图）A、当σ≤0.3fcd时，σ－ε关系接近一根直线。B、随着应力的增大，当σ≈0.5fcd时曲线明显的呈弯曲状上升，ε增量大于σ增量，材料出现明显的塑性。C、当σ=σmax时，εo随混凝土强度的不同可在（1.5～2.5）×10-3间波动，构件破坏，σmax称砼的棱柱体抗压强度，下降段末端的相应应变即为混凝土的极限应变值εmax。2、砼的变形模量由砼的σ－ε呈曲线关系（如图），当混凝土的应力达到时，其相应的应变为，混凝土的总应变由弹性应变和塑性应变两部分组成，即变形模量因此在钢筋混凝土结构中，通常近似地取压应力时的变形模量作为混凝土的弹性模量。经验公式：混凝土受剪弹性模量按下式计算3、混凝土在重复荷载作用下的变形性能A、当加载应力σ较小时，经过几次加卸载变成一条直线。B、当加载较大时σfcd，则经过多次重复加荷、卸荷的过程后，将使σ—ε曲线由凸向应力轴而转为凸向应变轴，并最后导致破坏，称这种破坏为疲劳破坏，疲劳破坏时的应力称为疲劳强度（fatiguestrength）。疲劳强度与循环次数、应力正负号、砼标号有关。对于桥梁结构，要求能够承受200万次以上的反复荷载，以作为确定砼疲劳强度的标准。疲劳应力比值一般较大，所以《公桥规》上规定专门进行疲劳试验的条件。top第四节钢筋与混凝土的粘结一、钢筋与混凝土粘结的作用二、粘结力的组成三、影响粘接能力的主要因素一、钢筋与混凝土粘结的作用1、粘结力的定义在钢筋混凝土结构中，钢筋和混凝土这两种材料之所以能共同工作的基本前提是具有足够的粘结力，能承担由于变形差（相对滑移）沿钢筋与混凝土接触面上产生的剪应力，通常把这种剪应力称为钢筋和混凝土之间的粘结应力。见图。2.粘结力的作用钢筋与混凝土之间粘结的作用主要体现在下述两个方面：（l）钢筋端部的锚固。(2)裂缝间应力的传递。见图。top二、粘结力的组成1钢筋与混凝土接触面上的化学吸附作用，钢筋和混凝土之间的化学吸附作用也称胶结力。2混凝土收缩，将钢筋紧紧握裹而产生的摩擦力。3钢筋与混凝土之间机械咬合作用力。4附加咬合作用。见图。top三、影响粘接能力的主要因素1.钢筋表面形状2.混凝土强度等级3.浇注混凝土时钢筋的位置4.保护层厚度和钢筋间距5.横向钢筋及侧向压力等top第一章钢筋砼结构的力学性能思考题1-1什么是混凝土结构？1-2什么是素混凝土结构？1-3什么是钢筋混凝土结构？1-4在素混凝土结构中配置一定型式和数量的钢材以后，结构的性能将发生什么样的变化？1-5钢材的应力-应变关系曲线特征是什么？简化模式是什么？1-6何谓条件屈服强度？1-7钢材的强度指标有哪些？屈服比的实质是什么？1-8混凝土的应力-应变关系曲线的特征和主要影响因素是什么？1-9混凝土的弹性模量和变形模量是如何定义的？关系如何？1-10混凝土的弹性模量是怎样确定的？1-11混凝土结构对钢筋性能有什么要求？1-12为什么试块在承压面上抹涂润化剂后测出的抗压强度比不抹涂润化剂的高？1-13影响混凝土的抗压强度的因素有哪些？1-14伸入支座的锚固长度越长，粘结强度是否越高？为什么？1-15公路桥涵工程中对钢筋和混凝土有何特殊的要求？1-16钢筋和混凝土之间的粘结力是怎样产生的？1-17试述受压混凝土棱柱体一次加载的σ-ε曲线的特点？第二章钢筋混凝土结构的基本计算原则学习方法指导一、学习方法指示及要求1、本章没有计算内容，重点时弄懂概念，为以后的学习打下基础。2、混凝土的强度指标随着受力情况的不同而异，要了解各种强度指标物理意义。3、混凝土的标准立方体抗压强度（标号）是混凝土强度的主要指标，以此可推算出各种强度指标，要求深刻理解其含意。4、混凝土的应力应变曲线是随加载方法不同而异的，应深刻理解。5、极限状态的概念比较抽象，应反复阅读，深刻理解；并掌握其计算法则及计算公式。6、在第三节的材料强度的取值中，介绍了一些数理统计和概率论中名词，会感到陌生，这里只要搞清这些名词的物理意义即可。7、材料的设计强度和标准强度是有区别的，但它们之间存在一定关系。