第01章 钢筋混凝土结构的基本概念及材料的物理力学性能

第一篇钢筋混凝土结构第一章钢筋混凝土结构的基本概念及材料的物理力学性能第一节钢筋混凝土结构的基本概念一、钢筋混凝土（ReinforcedConcrete，简称RC）结构的基本概念钢筋混凝土结构由钢筋和混凝土两种不同物理力学性能的材料组成的一种人工材料，它充分了发挥钢筋和混凝土各自的优点：1、混凝土：抗拉强度ft（tensilestrength）较低，抗压强度fc较（compressivestrength）高；2、钢筋：抗压强度、抗拉强度均很高。1、梁（Beam、Girder）：1F1Fc受拉区M1ctF1=F1FcF1F1FcAs裂缝McASa)b)c)ASsSsss受拉区中性轴中性轴FFc：梁的破坏荷载FFc时，出现数条竖向裂缝并向上发展，中性轴上移，混凝土受压区面积不断减少，梁塑性破坏。FFc时,中和轴以上受压,以下受拉F=Fc时，出现竖向裂缝并迅速发展，梁突然断裂。发生脆性破坏。素混凝土梁钢筋混凝土梁在受拉区内配置适量的钢筋后（即所谓的适筋梁（ideallyreinforcedbeam）），梁的破坏过程为：可见，与素混凝土梁相比，钢筋混凝土梁的承载能力和变形能力都有很大提高，且钢筋与混凝土两种材料强度都能得到较充分的利用。受拉钢筋应力达到屈服强度受压区混凝土被压坏梁破坏2、柱（Column）：试验表明，钢筋混凝土柱与素混凝土柱相比，承载力大为提高，受力性能也得到改善：素混和钢混轴心受压构件受力性能比较钢筋混凝土柱素混凝土柱(应变）二、钢筋与混凝土能共同工作的条件1、两者之间有可靠的粘结力；2、线膨胀系数大致相同，不会因温度发生变化而影响粘结力，即不发生错动；（混凝土线膨胀系数：1.0～1.5×10-5/℃，钢筋线膨胀系数：1.2×10-5/℃）3、钢筋外面有一个良好的保护层，钢筋被混凝土所包裹，从而防止钢筋的锈蚀，保证结构的耐久性。耐久性好耐火性好整体性好可塑性好抗震性好取材容易自重大，跨越能力小抗裂性较差施工受季节环境影响较大（冬、雨）耗用大量模板、支撑材料维修困难三、钢筋混凝土材料的特点优点缺点第二节混凝土（Concrete）一、混凝土的内部结构混凝土的构成：水泥、石子、砂、水、外加剂、细掺料等。1、固体：集料，水泥石决定混凝土材料的强度。2、液体：水泥胶体带有一定塑性，具有流动性，在一两年后才能变成固体，是引起徐变的主要原因。3、孔隙：混凝土结硬、收缩形成。二、工程上对混凝土的要求1、和易性（也称工作性：粘聚性，饱水性，流动性）；2、强度；3、耐久性；4、经济性。混凝土的化学成分在《土木工程材料》课中已经学习过，此处不赘述，本课程主要掌握混凝土的力学性能。三、混凝土的强度（Strength）★混凝土的抗压强度比抗拉强度大很多[8～18倍]，因此混凝土主要用于抗压，而拉力主要是由抗拉强度很高的钢筋承担，所以混凝土的抗压强度是最重要的强度指标。混凝土的强度等级与水泥强度等级、集料性质、级配、水灰比等有关。是用三标试件，即：（1）标准尺寸：150mm×150mm×150mm；（2）标准温度和相对湿度：20℃±2℃，相对湿度95%以上；（3）养护28d，依照标准制作及试验方法测得的抗压强度值。1、立方体抗压强度fcu（CubeCrushingStrength）压应力线拉应力线摩擦力横向变形实际压应力假定均匀压应力上承压板拉压水平应力混凝土立方体抗压强度与试验方法有着密切的关系：立方体抗压强度试件a)立方体试件的受力b)承压板与试件表面之间未涂润滑剂时c)承压板与试件表面之间涂润滑剂时2、轴心抗压强度fc（AxialCompressiveStrength）（又称棱柱体抗压强度）混凝土的抗压强度不仅与试件的尺寸有关，也与其形状有关。在实际工程中，受压构件一般都是棱柱体，采用棱柱体试件比立方体试件能更好地反映混凝土的实际抗压能力。（1）影响因素：试件高度h与边长b之比，比值越大，轴心抗压强度越小；（如P7图1-4），但当h/b≥3后，fc/fcu不再变化。（2）试件:150mm×150mm×300mm，制作方法同立方体试件。3、轴心抗拉强度ft（AxialTensileStrength）（1）测试方法:采用圆柱体或立方体的劈裂试件测得劈裂抗拉强度fts（splittensilestrength）。拉压+拉压+拉压+劈裂试验（splittensiletest）F（2）采用劈裂试验测抗拉强度的原因采用两端预埋钢筋测试轴心抗拉强度时，保持试件轴心受拉很重要但很难做到，钢筋预埋和试件安装难以对中，对测试干扰很大。钢筋钢筋混凝土抗拉强度试验试件4、复合应力（CombinedStress）状态下的强度（了解）Ⅰ(拉、拉)Ⅱ(拉、压)Ⅲ(压、压)Ⅳ(压、拉)强度变化特点（1）双向应力：两个垂直平面上作用有法向应力，第三个平面上应力为零。1.251.16混凝土圆柱体抗压强度混凝土强度提高的原因是由于侧向约束了混凝土受压后的横向变形，限制了其内部裂缝的产生和发展。（2）三向应力混凝土三向受压时，各方向上的抗压强度都有很大的提高（如图）。轴心抗压强度与侧压应力2的关系有如下线性经验公式：2cccffk侧压应力值混凝土的变形性能比较复杂，研究表明：在荷载作用下，混凝土会产生非线性的弹塑性变形。混凝土的变形性能与混凝土的组成、龄期、荷载的大小和持续时间、加荷速度以及荷载循环次数有关。还与体积收缩和膨胀变形有关。四、混凝土的变形（Deformation）由上分析可以看出：混凝土的变形可分为两类：1、是由于受力而产生的变形；2、是由收缩和温度湿度变化而产生的变形。受力变形：短期荷载作用，长期荷载作用，多次重复作用等。体积变形：收缩变形，温度变形等。混凝土的变形1、单调短期加载作用下的变形（1）混凝土应力应变曲线（如图）残余应力（峰值应力）（反弯点）收敛点)（峰值应变）×OA：弹性工作阶段AB：塑性工作阶段BC：完全塑性工作阶段CD、CE：下降段收敛段εcu（2）影响混凝土应变曲线的主要因素混凝土强度，应变速率，测试技术及试验条件。强度等级不同的混凝土的应力应变曲线2、混凝土在长期荷载作用下的变形——徐变（Creep）（1）徐变：混凝土在荷载长期不变作用下产生随时间而增长的变形。加荷时瞬时应变徐变卸荷时瞬时恢复应变卸荷后弹性后效残余应变月（2）徐变曲线（CurveofCreep）：（3）徐变原因：①σ较小时，水泥胶体向水泥结晶体（水泥石）发展时应力重分布。②σ较大时，混凝土中的内部微裂缝在荷载作用下不断发展和增长，而导致应变的增长。（4）影响徐变的因素：①持续作用应力大小，持续作用应力越大，徐变越大。σ≤0.5fc时，徐变与应力成正比，即线性徐变，最主要的特点是收敛;σ＞0.6fc时，收敛性越来越差;σ＞0.8fc时，徐变时间曲线发散，最终导致混凝土破坏。试件尺寸××量测距离恒温±)恒湿×收缩加徐变()t（d）σ＞0.8fc②混凝土的龄期，龄期越长，硬结程度越好，徐变就越小，反之越大；加荷时龄期×）时间（）加荷时混凝土龄期对徐变大小的影响③水泥用量越多，水灰比越大，密实性越差，徐变越大；④环境越干燥，徐变越大[因此要加强养护]。⑤结构尺寸越小，徐变越大，混凝土集料强度和弹性模量越高，徐变越小；试件截面加载龄期徐变×)加荷时间（）构件尺寸对徐变的影响（5）徐变对构件受力性能的影响：（主要是不利的方面）有利：会造成应力重分布，更好地利用钢筋；可使温差、湿差造成的内力降低。不利：会使混凝土变形加大，造成预应力损失，计算复杂，尚在研究。★钢筋的徐变小，因此可以在混凝土中配置一定数量的钢筋来减小混凝土的收缩、徐变，但是不能多配，因为钢筋会加大混凝土的“强制拉应力”，造成混凝土结构损坏。★3、混凝土的收缩（Shrinkage）和膨胀（Expansion）变形混凝土在空气中结硬时，体积会收缩；当在水中结硬时，体积膨胀。这种变形与荷载无关，是一种非正常变形，由于这种变形而产生的裂缝，即为非正常裂缝，对于预应力混凝土，它还会造成预应力损失，但如果构件处于自由状态，它不会产生裂缝。（1）收缩的原因：初期：水泥石在水化凝固结硬过程中的体积收缩。后期：混凝土内自由水分蒸发，体积收缩。(×（月）××恒湿量测距离试件尺寸恒温±)±)常温养护蒸汽养护)混凝土的收缩变形与时间关系（2）收缩的规律：开始收缩的很快，而后越来越慢，两年左右稳定。（3）影响收缩的主要因素：①水泥用量越高，水灰比越大，收缩越大；②级配越好，集料密度大，弹性模量越高，收缩越小；③温度越低，相对湿度越小，收缩越大；④体表比越小，收缩越大。（4）防止收缩裂缝的办法：①水泥用量及水灰比适当，加强混凝土振捣和养护减小收缩。②设置伸缩缝，分段施工或设诱发缝。4、混凝土弹性模量（ModulusofElastic）、变形模量（ModulusofDeformation）原点弹性模量Ec’切线模量Ec’’=dσ/dε变形（割线）模量Ec’’’=σc/εc52,10(/)34.742.2ccukENmmf《公路桥规》给定的计算弹性模量的公式为：计算剪切模量的公式为：2(/)21cccEGNmm一般取混凝土的泊松比υc=0.2，则有：Gc=0.4Ec。第三节钢筋（Steel/Reinforcement/Bar）一、钢筋的成份、级别、品种1、钢筋的原材料：主要是碳素钢、普通低合金钢。（1）碳素钢：以铁为主，加少量Si、Mn、P、S等。低碳钢（C0.25%）中碳钢（C=0.25%～0.6%）高碳钢（C=0.6%～1.4%）按含碳量又分为：（2）普通低合金钢（commonlowmetalalloysteel）：在碳素钢成分中加入少量的合金元素（≤3%），如Si、Mn、V、Ti等。2、现行钢筋按强度等级分类：品种强度等级代号符号外形强度级别光圆钢筋ⅠR235带肋钢筋ⅡHRB335ⅢHRB400KL4003、品种按外形特征分为：光圆钢筋和变形钢筋。变形钢筋分为：螺旋钢筋、“人”字形钢筋和月牙形钢筋。光圆钢筋螺纹钢筋人字形钢筋月牙形钢筋变形钢筋月牙形钢筋二、钢筋的主要力学性能1、-关系曲线分两大类（1）有明显流幅的-曲线（软钢）(×)标距弹性工作阶段屈服阶段强化阶段局部变形阶段（颈缩）屈服上限屈服下限（2）无明显流幅的-曲线（硬钢）(×)残余应变为0.2%时的应力三、钢筋混凝土结构对钢筋性能要求强度高；塑性好；可焊性好；与混凝土之间的粘结力好。第四节钢筋与混凝土之间的粘结一、粘结力1、粘结力：构件中的钢筋受到拉或压后，混凝土与钢筋之间存在水泥胶结力、摩擦力、机械咬合力，这些力统称为粘结力。2、粘结应力：钢筋与混凝土由于受变形差（相对滑移）沿钢筋与混凝土接触面上产生的剪应力。2()4()4ssddxddxdxddx光圆钢筋的拔出试验a)试验示意图b)粘结应力分布图c)钢筋应力分布图d)钢筋隔离体受力钢筋混凝土试件ττ3、平均粘结应力钢筋被拔出或者混凝土被劈裂时的最大平均粘结应力。FlddlF钢筋混凝土试件