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1、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,1,本章目录,1.1 钢筋混凝土结构的基本概念1.2 混凝土1.3 钢筋1.4 钢筋与混凝土之间的粘结,2,教学要求,理解钢筋混凝土结构的概念和混凝土中配置受力钢筋的作用。理解混凝土的立方体抗压强度，轴心抗压强度和抗拉强度概念，了解混凝土的弹性模量、徐变和收缩变形。深刻理解混凝土在一次单调加载作用下受压应力-应变曲线。了解普通热轧钢筋的强度和变形，掌握普通热轧钢筋的强度级别和品种。理解钢筋与混凝土之间的粘结性能及其机理。,3,1.1 钢筋混凝土结构的基本概念,4,例：一跨度为4m，跨中作用集中荷载的简支梁，梁截面尺寸200300mm，混凝土
2、为C20。如图所示：,4000,A,A,F,a),200,300,AA,b),4000,B,B,BB,200,300,210,316,5,素砼梁 极限荷载 P=8kN 由砼抗拉强度控制，梁的开裂即等于破坏：Mu=Mcr 极限弯矩 开裂弯矩破坏性质：脆性,6,钢筋混凝土梁的表现 Mu Mcr 破坏性质：延性,7,开裂不等于破坏！受拉钢筋替代。极限荷载P=36kN,由此得出钢筋和混凝土结合的有效性：,大大提高结构的承载力,结构的受力性能得到改善,钢筋的作用是代替混凝土受拉(受拉区混凝土出现裂缝后)或协助混凝土受压。,8,图1-2 素混凝土和钢筋混凝土轴心受压构件的受力性能比较a)柱的压力混凝土应变
3、曲线；b)素混凝土柱；c)钢筋混凝土柱,1.混凝土与钢筋之间有可靠的粘结力，二者在荷载作用下能协调地共同受力、共同变形。,2.二者的温度线膨胀系数相近，不会由于温度变化产生较大的温度应力而破坏粘结力。,钢筋 st=1.2 105,混凝土 ct=(1.0 1.5)105,3.呈碱性的混凝土可以保护钢筋免遭锈蚀，使钢筋混凝土结构具有较好的耐久性。,钢筋与混凝土共同工作的三要素,9,钢筋混凝土结构的优点钢筋混凝土结构的缺点,10,11,混凝土的性质：非匀质、各向异性、离散性、抗压强度高的弹塑性材料。其破坏是由于内部微裂缝引起的。,1-2 混凝土,hydrated cores,C-S-H,C-S-H,
4、Capillary pore,microcracks,1%mm,=28d,12,1.2.1 混凝土的强度,1）混凝土立方体抗压强度 fcu混凝土的立方体抗压强度是按规定的标准试件和标准试验方法得到的混凝土强度基本代表值。每边边长为150mm的立方体为标准试件。标准试件在202的温度和相对湿度在95%以上的潮湿空气中养护28d，依照标准制作方法和试验方法测得的抗压强度值（以MPa为单位）作为混凝土的立方体抗压强度。,13,常用等级：C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C55，C60，C65，C70，C75，C80一般将C50以下称为普通砼，C50及以上称为高强砼,混凝土强度等
5、级：,14,混凝土立方体抗压强度与试验方法有着密切的关系。,15,图1-3 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,规定采用的方法是不加油脂润滑剂的试验方法。,套箍作用 立方体抗压强度试验，试块的受力状态，加压板与砼接触面间产生摩阻力形成环箍效应。端部砼单元体处于三向受压，由于试块高度小，中部砼也受到较大的侧向约束，处于三向受压，强度提高。,尺寸效应尺寸大，中部侧向约束小，强度值偏低。尺寸小，中部侧向约束大，强度值偏高。尺寸不标准时应加以修正。非标准试件修正系数100100100 0.95200200200 1.05,加
6、荷速度的影响加荷速度越快，强度值越高；加荷速度越慢，强度值越低。一般每秒钟压应力增量为fcuC30 0.30.5MPa/sfcuC30 0.50.8MPa/s,16,2）混凝土轴心抗压强度（棱柱体抗压强度）棱柱体试件（高度大于截面边长的试件）的受力状态更接近于实际构件中混凝土的受力情况。按照与立方体试件相同条件下制作和试验方法所得的棱柱体试件的抗压强度值，称为混凝土轴心抗压强度，用符号fc表示。,17,混凝土的轴心抗压强度试验以150mm150mm300mm的试件为标准试件。,图1-4 h/b对抗压强度的影响,3）轴心抗拉强度 Tensile Strength,混凝土的轴心抗拉强度可以采用直接
7、轴心受拉的试验方法来测定，但由于试验比较困难，目前国内外主要采用圆柱体或立方体的劈裂试验来间接测试混凝土的轴心抗拉强度。,也可以用圆柱体进行劈拉试验,18,砼的抗拉强度很低，,随混凝土强度等级的提高，抗拉强度的增长慢于抗压强度的增长。,19,Biaxial loading device,4)Concrete strength under combination of multiple stresses,（1）bidirectional stresses,4)砼在多轴应力状态下的强度,20,21,结论,双向受压，抗压强度提高，最多可达1.27 左右；双向受拉，抗拉强度影响不大；一向受拉，另一向受
8、压，抗压强度要降低。抗拉强度要降低。,22,混凝土的抗压强度:由于剪应力的存在而降低。混凝土的抗剪强度：随拉应力增大而减小 随压应力增大而增大（0.6fc 后，则由于内裂缝发展明显，抗剪强度将随压应力的增大而减小。,正应力和剪应力共同作用下：,23,砼三轴受压,工程应用：约束混凝土,钢管砼,密排螺旋箍筋,砼强度对比,24,1.2.2 砼的变形 Concrete Deformations,受力变形 体积变形,25,1）混凝土在一次单调加载作用下的变形性能,（1）短期荷载作用下混凝土的应力应变关系,近似呈直线，明显呈曲线，增加更快。试件破坏,26,砼强度等级对 曲线的影响（图111）,砼强度等级降
9、低,(反弯点)延性指标,27,（2）混凝土的弹性模量与变形模量混凝土的弹性模量有三种表示方法 原点弹性模量Ec 切线模量Ec 变形模量Ec,28,图1-12 混凝土变形模量的表示方法,k,c,c,ce,cp,原点弹性模量：,变形模量 or 割线模量,29,我国公路桥规混凝土弹性模量Ec取值方法：试验采用棱柱体试件，取应力上限为=0.5 fc，然后卸荷至零，再重复加载卸荷510次，变形已基本趋于稳定，应力应变曲线接近于直线（图1-13），该直线的斜率即作为混凝土弹性模量的取值。,30,图1-13 测定混凝土弹性模量的方法,混凝土Ec的经验公式为：取混凝土的受拉弹性模量与受压弹性模量相等。,31,
10、（MPa）（1-7）,混凝土立方体抗压强度标准值.混凝土弹性模量值见附表1-2。,混凝土的剪切弹性模量Gc，一般可根据试验测得的混凝土弹性模量Ec和泊松比按式（1-8）确定：,32,（1-8）,其中vc为混凝土的横向变形系数（泊松比）。取vc=0.2时，代入式（1-8）得到Gc=0.4Ec。,2）混凝土在长期荷载作用下的变形性能徐变变形 在荷载的长期作用下，混凝土的变形将随时间而增加，即在应力不变的情况下，混凝土的应变随时间继续增长，这种现象被称为混凝土的徐变。混凝土徐变变形是在持久作用下混凝土结构随时间推移而增加的应变。,33,CREEP MEASUREMENT DEVICE 徐变测试装置,
11、extensometer,sample,34,混凝土的徐变特性主要与时间参数有关。,35,凝胶体的粘性流动微裂缝的发展水分逐渐压出,徐变的原因：,徐变系数稳定后的最终徐变系数,36,应力大小,线性徐变 初应力 c0.5fc，徐变与初应力呈正比。,非线性徐变,当c 0.8fc，发散，徐变发展最终导致破坏。,作为混凝土的长期抗压强度。,0.8fc,徐变的影响因素：,37,38,图1-15 压应力与徐变的关系,加载龄期内在因素是混凝土的组成和配比。骨料(aggregate)的刚度（弹性模量）越大，体积比越大，徐变就越小。水灰比越小，徐变也越小。环境影响包括养护和使用条件。受荷前养护(curing)的
12、温湿度越高，水泥水化作用越充分，徐变就越小。采用蒸汽养护可使徐变减少（2035）%。受荷后构件所处的环境温度越高，相对湿度越小，徐变就越大。混凝土内水分的逸失取决于构件的尺寸和体表比（构件体积与表面积之比）。构件的尺寸越大，体表比越大，徐变就越小。,39,徐变对结构的影响：有利？不利？,使构件的长期变形增加；,在截面中引起应力重分布；,在预应力混凝土结构中引起预应力损失。,40,41,3)收缩 shrink,42,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混凝土收缩。,混凝土的收缩是一种随时间而增长的变形（图1-18）。结硬初期收缩变形发展很快，两周可完成全部收缩的25%
13、，一个月约可完成50%，三个月后增长缓慢，一般两年后趋于稳定，最终收缩变形值约为(26)10-4。,43,图1-18 混凝土的收缩变形与时间关系,引起混凝土收缩的原因：主要是硬化初期水泥石在水化凝固结硬过程中产生的体积变化，后期主要是混凝土内自由水分蒸发引起的干缩。影响混凝土收缩的因素：（1）混凝土的组成和配合比。（2）混凝土构件的养护条件、使用环境的温度与湿度等。（3）混凝土构件的体表比。,44,收缩对结构的影响,自由收缩：一般不会引起拉应力，故不会开裂,约束收缩：产生收缩应力甚至开裂,来自内部的钢筋约束来自支座的外部约束,收缩与徐变,45,46,温度变形受到约束时产生温度应力水工中的大体积
14、混凝土结构，变形受到约束时,温度应力常可能超过外部荷载引起的应力。有时，仅温度应力就可能形成贯穿性裂缝，导致渗漏、钢筋锈蚀，结构整体性、承载力、耐久性降低。,47,1.3 钢筋,配筋混凝土结构中采用的钢筋有由热轧低碳钢、低合金钢所制成的普通钢筋和由高碳钢制成的预应力钢筋（例如，高强度碳素钢丝、钢绞线等）。钢筋混凝土结构采用的普通钢筋为热轧钢筋。,48,图1-19 热轧钢筋的外形a)光圆钢筋；b)螺纹钢筋；c)人字形钢筋；d)月牙形钢筋,Coil bars 盘条,49,50,51,热轧带肋钢筋截面包括纵肋和横肋，外周不是一个光滑连续的圆周，因此，热轧带肋钢筋直径采用公称直径。公称直径是与钢筋的公
15、称横截面积相等的圆的直径，即以公称直径的圆面积就是钢筋的截面面积。对于热轧光圆钢筋截面，其直径就是公称直径。,52,热轧钢筋的强度等级和牌号,钢筋的牌号是根据钢筋屈服强度标准值、制造成型方式及种类等规定加以分类的代号。热轧钢筋的牌号是由英文字母缩写和屈服强度标准值组成。,53,国产热轧钢筋牌号及力学能特征值 表1-1,细晶粒系列HRBF钢筋，HRB500钢筋和热处理钢筋RRB400都不能用作承受疲劳作用的钢筋，这时宜采用HRB400钢筋。目前，公路桥规规定公路桥梁钢筋混凝土结构使用的热轧钢筋牌号为R235（HPB235）、HRB335、HRB400和KL400（RRB400）。当钢筋混凝土构件
16、处于受侵蚀物质等影响的环境中时，公路桥规建议可以采用环氧树脂涂层钢筋。环氧树脂涂层钢筋是在工厂生产条件下，用热轧钢筋采用环氧树脂粉来以静电喷涂方法生产的钢筋。,54,55,56,1.3.3 热轧钢筋的强度与变形,热轧钢筋试件单向拉伸试验的典型应力应变曲线见图1-20：,57,图1-20 有明显流幅的钢筋应力应变曲线,弹性阶段（0a）屈服阶段（af）强化阶段（fd）破坏阶段（de）,s屈服强度,b极限抗拉强度,有明显屈服点的钢筋,伸长率,58,有明显屈服点的钢筋四个检验指标：屈服强度s极限抗拉强度b伸长率冷弯性能以屈服强度作为钢筋强度的取值依据 屈强比0.8,59,（2）冷弯性能工程上钢筋在工地
17、现场进行冷加工，形成满足设计要求的各种形状的钢筋，基本型式是钢筋的弯钩和弯折（图1-21）。,60,为了使钢筋在加工、使用时不开裂、弯断或脆断，钢筋必须满足冷弯性能要求。,图1-21 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,钢筋冷弯性能试验 将钢筋标准试件放在冷弯试验机上，用有一定弯心直径D的冲头，在常温下对标准试件施加力使之弯曲达到规定弯角(180或90)。检查钢筋标准试件表面，不出现裂纹，起层，鳞落或断裂现象，则认为钢筋冷弯性能合格。,冲头,冷弯试验后的钢筋试件,钢筋试件冷弯试验,钢冲头,钢筋标准试件,试验台座,61,1）强度：要求钢筋有足够的强度和适宜
18、的强屈比(极限强度与屈服强度的比值)。例如，对抗震等级为一、二级的框架结构，其纵向受力钢筋的实际强屈比不应小于1.25。2）塑性：要求钢筋应有足够的变形能力。3）可焊性：要求钢筋焊接后不产生裂缝和过大的变形，焊接接头性能良好。4）与混凝土的粘结力：要求钢筋与混凝土之间有足够的粘结力，以保证两者共同工作。,混凝土结构对钢筋性能的要求,62,1.4 钢筋与混凝土之间的粘结,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强度，能承受由于变形差（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粘结应力。,63,1.4.1 粘结的作用,通过拔出试验
19、可以测定出粘结应力的分布情况，了解钢筋和混凝土之间的粘结作用的特性。,64,粘结失效时的平均粘结应力粘结强度,1.4.2 粘结机理分析,光圆钢筋与混凝土的粘结作用主要由三部分组成：（1）混凝土中水泥胶体与钢筋表面的化学胶着力；（2）钢筋与混凝土接触面上的摩擦力；（3）钢筋表面粗糙不平产生的机械咬合作用。其中胶着力所占比例很小，发生相对滑移后，光圆钢筋与混凝土之间的粘结力主要由摩擦力和咬合力提供。,65,带肋钢筋与混凝土之间的胶着力和摩擦力仍然存在，但带肋钢筋与混凝土之间的粘结力主要是钢筋表面凸起的肋纹与混凝土的机械咬合作用（图1-24）。,66,图1-24 变形钢筋横肋处的挤压力和内部裂缝图,
20、1.4.3 影响粘结强度的因素,（1）光圆钢筋及变形钢筋的粘结强度均随混凝土强度等级的提高而提高，但并不与立方体强度fcu成正比。（2）浇筑混凝土时钢筋所处的位置。（3）截面上有多根钢筋并列一排时，钢筋之间的净距。（4）混凝土保护层厚度。（5）带肋钢筋与混凝土的粘结强度比用光圆钢筋时大。,67,68,图1-26 钢筋净距过小产生的粘结破坏（尺寸单位：mm）a）试验装置；b）破坏图形,保证粘结的构造措施.(1)对不同等级的混凝土和钢筋，要保证最小搭接长度和锚固长度；(2)为了保证混凝土与钢筋之间有足够的粘结，必须满足钢筋最小间距和混凝土保护层最小厚度的要求；(3)在钢筋的搭接接头内应加密箍筋；(
21、4)为了保证足够的粘结，在光圆钢筋端部应设置弯钩；(5)对大深度混凝土构件应分层浇筑或二次浇捣；(6)一般除了重锈钢筋外，可不必除锈。,69,基本锚固长度,70,71,钢筋的搭接 绑扎、焊接、机械连接钢筋搭接的原则是：接头应设置在受力较小处，并相互错开。同一根钢筋上应尽量少设接头，机械连接接头能产生较牢固的连接力，应优先采用机械连接。,72,Tied rebars,73,Tied length,74,对焊机,75,76,Sleeve nut,Male screw,Sleeve nut connection,Female screw,77,小 结,钢筋混凝土结构的基本概念；钢筋和混凝土共同工作的三要素。混凝土的性质及破坏机理。混凝土的强度指标：单轴、多轴强度；混凝土强度等级与不同受力强度指标之间的关系。混凝土的变形：一次短期加载下的应力应变曲线特征；混凝土的徐变概念、线性徐变和非线性徐变、徐变对结构的影响。钢筋的力学性能：软钢、硬钢的应力应变曲线特征，条件屈服强度；结构用钢材的品种。钢筋与混凝土之间的粘结性能：粘结力的构成；锚固长度的概念及确定方法。,79,
