钢筋混凝土结构基本概念及材料物理力学性能

1、,本章的主要内容,钢筋混凝土的基本概念 混凝土在各种受力状态下的强度与变形性能 钢筋的品种、级别及其力学性能 钢筋和混凝土的粘结,1.1 钢筋混凝土结构的基本概念,一、钢筋混凝土结构的定义 钢筋混凝土结构：由配置受力的普通钢筋或钢筋骨架的混凝土制 成的结构。 钢筋混凝土的产生：将钢筋和混凝土结合在一起共同工作，混凝土承受压力，钢筋承受拉力，将可以充分发挥各自的优势。 混凝土：非均匀材料：抗压强度高，抗拉强度很低 为抗压强度的（1/81/18）。 钢筋：抗拉和抗压强度都很高，主要承受拉力,为什么常见的板、梁、柱中要设置钢筋？ 分析一些常见的板梁开裂现象：,？,问题,例：一跨度为4m，跨中作用集中荷载的试验梁，梁截面尺寸200300mm，混凝土为C20。如图所示：,4000,A,A,F,a),200,300,AA,b),4000,B,B,BB,200,300,210,316,试验结果：,a）图中，素砼梁极限荷载 P=8kN，由砼抗拉强度控制，破坏形态：脆性破坏,b）图中，钢筋砼梁极限荷载 P=36kN，由钢筋受拉、砼受压而破坏，破坏形态：延性破坏（配筋适量）善,由此可得出：钢筋和混凝土结合

2、的有效性：,结构的受力性能得到改,2、钢筋和混凝土共同工作的原因,优点：,3、钢筋混凝土结构的主要优缺点,缺点：,（2）抗裂性能差，带裂缝工作,（3）施工受气候条件影响，建造期长。,（4）耗费较多的模具和木料。,（5）加固和改建较困难，隔热和隔声性能较差。,（1）自重大,轻骨料砼。,施加预应力,解决方法,解决方法,1.2 混凝土,混凝土是用水泥、砂子和石子三种材料，经水拌和凝固硬化后制成的人工石材。,混凝土的要求：,和易性好,强度要高(重点),耐久性要好,经济上要节省,评定混凝土 品质的主要指标,检测砼塌落度,一、混凝土的强度,三个强度指标：混凝土立方体抗压强度,混凝土轴心抗压强度（或棱柱体强度）和混凝土抗拉强度.,影响因素：材料的性质、混凝土配合比、养护环境、施工方法、 试件的形状与尺寸，试验方法，加载条件和试件的受力性质。,（1）定义：按照标准方法制作养护（温度203、相对湿度不小于90%的潮湿空气中养护28d）的边长150mm的立方体试件，在28d龄期用标准试验方法（试件表面不涂润滑剂，全截面受压，加载速度0.150.25MPa/sec）测得的具有95%保证率的抗压强度。,1.

3、混凝土的立方体抗压强度,-基本强度指标,立方体抗压强度fcu,我国规范的方法：不涂润滑剂,压力试件裂缝发展扩张整个体系解体，丧失承载力,另影响强度的因素还有：龄期、加载速率、试块尺寸等,单轴受力状态下混凝土的抗压强度,（2） 影响因素,试件尺寸 (尺寸效应),直接受压(标准试验方法) 间接受压 (试块与承压板之间涂有油脂或填以塑料薄片),试验方法,加载速度越快,强度越高,（3） 对混凝土强度等级的要求,混凝土强度从C15C80共分为14个等级，中间以5MPa进级。C50以下为普通强度混凝土， C50及以上为高强度混凝土。 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范规定： 钢筋混凝土构件不应低于C20，当采用HRB400、KL400级钢筋配筋时，不应低于C25 预应力混凝土构件不应低于C40。,4. 混凝土在荷载长期作用下的变形 徐变,在荷载的长期作用下，混凝土的变形将随时间而增加，亦即在应力不变的情况下，混凝土的应变随时间继续增长，这种现象被称为徐变。,徐变定义：,在荷载长期作用下，混凝土凝胶体中的水分逐渐压出，水泥石逐渐发生粘性流动，微细空隙逐渐闭合，结晶体内部逐渐滑动，微细裂缝逐渐发

4、生等各种因素的综合结果。(凝胶体的粘性流动要持续一个较长时间，内部裂缝不断产生和发展）,徐变产生的原因,塑性变形：混凝土中结合面裂缝的扩展延伸引起；只有当应力超过材料的弹性极限强度后才产生塑性变形，且具有不可恢复性。,徐变：应力不大时为混凝土内未结晶的水泥胶体的应力重分布所致（水泥石中的胶体具有流动的性质）；应力较大时，是混凝土内微裂缝发展的结果（裂缝促进徐变发展）；应力较小时就会发生，部分可恢复。,徐变和塑性变形的区别,影响混凝土徐变的因素,（1） 加载龄期： 加载龄期越老，水泥石晶体所占比重越大，胶体粘流就越小，徐变就越小。,当应力,时，徐变大致与应力成正比，,产生线性徐变。,（2） 加载应力大小：,时，徐变急剧增加，不收敛。,产生非线性徐变。,时，徐变的增长较应力快，,当应力,当应力,工程应用,工程应用,预应力混凝土构件的预加力过高危险,应避免过早的施加预应力,（3） 周围湿度： 混凝土周围的湿度是影响徐变大小的主要因素之一，外界相对湿度越低，混凝土的徐变就越大。,（4） 混凝土的组成成份和配合比： 水泥用量、水灰比、水泥品种，养护条件等对徐变有影响，水泥用量多，水灰比大，徐变则

5、大，水泥的活性越低，徐变越大。,徐变的作用,不利方面：引起挠度增大，造成预应力损失。,有利方面：减少由于支座不均匀沉降产生的应力；分散应力集中，引起应力重分布（由于徐变而使应力集中缓和）；降低温度应力。,应力重分布：某一个给定的截面在梁的不同阶段受拉区与受压区的应力相对初始弹性分布时期的变化。,5. 混凝土的非荷载变形 收缩,（1）定义：在混凝土凝结和硬化的物理化学过程中体积随时间推移而减小的现象称为收缩。,蒸汽养护,常温养护,0,5,10,15,20,0.1,0.2,0.3,0.4,收缩(103),时间 (月),（2）收缩的原因,（3）影响收缩的主要 因素,混凝土的组成和配比 构件的养护条件、使用环境的温度和湿度以及凡是影响混凝土中水分保持的因素 构件的体表比：比值越小，收缩越大,构件未受荷之前产生裂缝 预应力构件中预应力损失（预应力筋和混凝土一同回缩引起预应力损失 超静定结构产生次内力,（4）收缩对结构的影响,一、钢筋的品种,普通钢筋可选取R235（HPB235）、HRB335、 HRB400、KL400（RRB400）热轧钢筋 注：括号内蓝色字体的表示方法适用于混凝土结构设计规范

6、，以下同,预应力钢筋应选用钢绞线和钢丝，中小型构件或竖、横向钢筋也可选用精轧螺纹钢筋,预应力筋,1.3 钢 筋,碳素钢,普通低合金钢,低碳钢（含碳量少于0.25%）,中碳钢（含碳量0.25%0.6%） 高碳钢（含碳量大于0.6%),1.按化学成份分,注：由于冷加工钢筋延性较差，目前较少使用，若在工程中采用时，应遵守专门规程的规定。,热轧钢筋,光圆钢筋（R235（HPB235）,带肋钢筋(HRB335,HRB400,KL400（RRB400）),2、按钢筋的加工方法,冷拉钢筋 冷轧带肋钢筋 冷轧扭钢筋,热处理钢筋,冷加工钢筋,2、热轧钢筋按外型特征分类,光面钢筋,螺纹钢筋,月牙纹钢筋,人字纹钢筋,光圆钢筋（R235（HPB235）,带肋钢筋(HRB335,HRB400,KL400（RRB400）),软钢：有明显屈服台阶的钢筋(热轧钢筋、冷拉钢筋),硬钢：无明显屈服台阶的钢筋(高强碳素钢丝、钢绞线),3、按力学性能不同可分为,主要物理力学指标：,对于有明显屈服台阶的软钢取屈服强度 fsk 作为强度设计依据。,对于无明显屈服台阶的硬钢取条件屈服强度 0.2作为强度设计依据。,屈服强度、抗拉极

7、限强度、伸长率、冷弯性能,1、软钢-有明显流服钢筋的应力应变曲线,二、钢筋的强度和变形,oa弹性阶段,a比例极限,fd强化阶段,d极限强度,de 颈缩阶段,cf屈服台阶,c屈服强度,极限压应变,四个受力阶段,四个特征值,两个强度指标：,（1）c点的屈服强度是钢筋混凝土结构设计计算中强度取值的主要依据，因为钢筋应力达到屈服极限后，荷载不增加，应变继续增大，使得钢筋混泥土裂缝开尺过宽，变形过大，结构不能正常使用。,（2）d点的极限强度材料的实际破坏强度，衡量钢筋经大变形后的抗拉能力，不能作为计算依据。,屈强比：表示结构的可靠性潜力，屈强比小则结构的可靠性高，但太小钢材利用率太低。但为了保证钢筋的综合强度性能，在检验钢筋的质量时，仍要保证它的极限抗拉强度并满足检验标准的要求，特别在抗震结构中，由于构件要进入大变形工作，考虑到钢筋可能受拉进入强化阶段。,（1）伸长率又称延伸率，e点所对应的横坐标，用（指标注为10倍或5倍钢筋直径即）表示，,两个塑性指标：,（2）冷弯性能指钢材在冷加工过程中产生塑性变形时，对产生裂缝的抵抗能力。通过冷弯试验，检查试件表面是否有裂纹或分层断裂来反映塑性。,2无明显

8、流幅钢筋的应力应变关系曲线,主要针对强度高，塑性差，脆性大的钢筋。,条件流限（或条件屈服强度）经加载、卸载后尚存有0.2%的残余变形时的应力，用 0.2表示。一般取极限强度的85%。,0.2%, 0.2, 0.2条件屈服强度,3钢筋应力应变曲线数学模型,（3）双斜线模型,（2）三折线模型 （完全弹塑性加硬化模型）,（1）双直线模型（完全弹塑性模型）,其中：,式中：,； 时，表达式同（1）,（2）影响因素： 初始应力、温度、钢筋品种,（3） 分类：分普通松弛和低松弛（低松弛约为普通松弛值的1/3）两类,4钢筋的松弛（徐舒）,（1）定义：钢筋受力长度保持不变的情况下，应力随时间 增长而降低的现象。,焊接接头 机械连接接头 绑扎接头,套筒挤压 接头,镦粗直螺纹接头,1、钢筋的接头,对焊,电弧搭接焊(夹杆式电弧焊 搭叠式电弧焊),绑扎接头的钢筋直径：一般不宜大于28mm 受压构件中的受压钢筋可不大于32mm,四、钢筋的接头、弯钩和弯折,钢筋的搭接长度可见电子教材相关内容(p93-94),有绑扎接头的受力钢筋的截面积：受拉区不超过25%；受压区不超过50%,普通钢筋的焊接接头 a)闪光接触 b)夹杆式电弧焊 c)搭叠式电弧焊,钢筋的绑扎搭接接头,（1）受拉的光面钢筋需在端头设半圆弯钩 （2）带肋钢筋设直角形弯钩 （3）弯折处钢筋内侧弯曲直径D不得小于20d(表1-1),2、钢筋的弯钩和弯折,钢筋的弯钩与弯折示意图 （尺寸单位：mm） a)钢筋135弯钩 b)钢筋的弯折,五、混凝土结构对钢筋的要求 1. 钢筋的强度 屈强比小则结构的可靠性高，但太小钢材利用率太低。 2. 钢筋的塑性 为了使钢筋在断裂前有足够的变形需要求钢材有一定的塑性。钢筋的伸长率和冷弯性能是施工单位验收钢筋是否合格的主要指标。 3. 钢筋的可焊性 可焊性是评定钢筋焊接后的接头性能的指标。可焊性好，即要求在一定的工艺条件下钢筋焊接后不产生裂纹及过大的变形。,4. 钢筋的耐火性 热轧钢筋的耐火性能最好，冷轧钢筋其次，预应力钢筋最差。结构设计时应注意混凝土保护层厚度满足对构件耐火极限的要求。 5. 钢筋与混凝土的粘结力 为了保证钢筋与混凝土共同工作，要求钢筋与混凝土之间必须有足够的粘结力。钢筋表面的形状是影响粘结力的重要因素。,

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