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1、钢筋混凝土原理和分析Reinforced Concrete Theory and Analyse,0、绪论,0.1钢筋混凝土结构的发展和特点 广泛应用钢筋混凝土结构的工程领域：建筑工程 桥梁和交通工程 水利和海港工程 地下工程 特种结构,上海莘庄大型立交工程该工程由15条线路，6条主线、20个定向匝道构成；占地面积45.8公顷，整个立交桥梁结构长度11.1公里、面积8.4万m2。,江阴长江大桥,0.2本课程特点,结构工程科学研究的一般规律：从工程实践中提出要求和问题，精心调查和统计、实验研究、理论分析、计算对比、找出解决问题的方法；研究一般的变化规律，揭示作用机理，建立物理模型和数学表达，确定
2、计算方法和构造措施，回到工程实践中验证，改进和补充。混凝土结构作为结构工程的一个分支，亦服从上述规律。,钢筋混凝土结构优点、缺点：,参考教材 1 钢筋混凝土原理和分析 过镇海 时旭东主编 清华大学出版社 2003 2 混凝土结构基本原理 蓝宗建主编 东南大学出版社 2002 3 混凝土结构设计规范理解与应用 徐有邻 周氐编著 中国建筑工业出版社 2002 4 钢筋混凝土结构理论 王传志、藤智明主编 中国建筑工业出版社 1985 5 钢筋混凝土非线性分析 朱伯龙、董振祥 同济大学出版社 1985 6 多种混凝土材料的本构关系和破坏准则 宋玉普 中国水利水电出版社 2002,第一篇 混凝土的力学性
3、能,混凝土：由水泥、骨料和水拌合形成的人工合成材料。作 用：作为钢筋混凝土结构的主体，一是自身承担较的大的荷载；二是容纳和维护各种构造的钢筋，组成合理的组合性结构材料。特 点：非弹性、非线性、非匀质材料，较大离散性。本篇介绍：一般特性和破坏机理、基本应力状态下的强度和变形，主要因素影响下的性能变化，多轴应力状态下的强度和本构关系。,混凝土是由水泥、水、骨料按一定比例配合，经过硬化后形成的人工石。其为一多相复合材料，其质量的好坏与材料、施工配合比、施工工艺、龄期、环境等诸多因素有关。通常将其组成结构分为：宏观结构：两组分体系，砂浆和粗骨料。亚微观结构：水泥砂浆结构。微观结构：水泥石结构。,第1章
4、 基本力学性能,1.1混凝土的组成结构和材性特点1.1.1材料的组成和内部构造,宏观结构,亚微观结构,微观结构,干缩,孔隙,凝胶体,混凝土组成结构,晶体骨架：,由未水化颗粒组成，承受外力，具有弹性变形特点。,塑性变形：,在外力作用下由凝胶、孔隙、微裂缝产生。,破坏起源：,孔隙、微裂缝等原因造成。,PH值：,由于水泥石中的氢氧化钙存在，混凝土偏碱性。,由于水泥凝胶体的硬化过程需要若干年才能完成，所以，混凝土的强度、变形也会在较长时间内发生变化，强度逐渐增长，变形逐渐加大。,由于混凝土材料的非均匀微构造、局部缺陷和离散性较大而极难获得精确的计算结果。因此，主要讨论混凝土结构的宏观力学反应，即混凝土
5、结构在一定尺度范围内的平均值。宏观结构中混凝土的两个基本构成部分，即粗骨料和水泥砂浆的随机分布，以及两者的物理和力学性能的差异是其非匀质、不等向性质的根本原因。,粗骨料和水泥浆体的物理力学性能指标的典型值,施工和环境因素引起混凝土的非匀质性和不等向性：例如浇注和振捣过程中，比重和颗粒较大的骨料沉入构件的底部，而比重小的骨料和流动性大的水泥砂浆、气泡等上浮，靠近构件模板侧面和表面的混凝土表层内，水泥砂浆和气孔含量比内部的多；体积较大的结构，内部和表层的失水速率和含水量不等，内外温度差形成的微裂缝状况也有差别；建造大型结构时，常需留出水平的或其它形状的施工缝。当混凝土承受不同方向（即平行、垂直或倾
6、斜于混凝土的浇注方向）的应力时，其强度和变形值有所不同。,例如对混凝土立方体试件，标准试验方法规定沿垂直浇注方向加载以测定抗压强度，其值略低于沿平行浇注方向加载的数值。再如，竖向浇注的混凝土柱，截面上混凝土性质对称，而沿柱高两端的性质有别；卧位浇注的混凝土柱，情况恰好相反。这两种柱在轴力作用下的强度和变形也将不等。混凝土材料的非匀质性和不等向性的严重程度，主要取决于原材料的均匀性和稳定性，以及制作过程的施工操作和管理的精细程度，其直接结果是影响混凝土的质量（材性的指标和离散度）。,1.1.2材性的基本特点,混凝土的材料组成和构造决定其4个基本受力特点:1复杂的微观内应力、变形和裂缝状态 将一块
7、混凝土按比例放大，可以看作是由粗骨料和硬化水泥砂浆等两种主要材料构成的不规则的三维实体结构，且具有非匀质、非线性和不连续的性质。混凝土在承受荷载（应力）之前，就已经存在复杂的微观应力、应变和裂缝，受力后更有剧烈的变化。,在混凝土的凝固过程中，水泥的水化作用在表面形成凝胶体，水泥浆逐渐变稠、硬化，并和粗细骨料粘结成一整体。在此过程中，水泥浆失水收缩变形远大于粗骨料的。此收缩变形差使粗骨料受压，砂桨受拉，和其它应力分布。这些应力场在截面上的合力为零，但局部应力可能很大，以至在骨料界面产生微裂缝。,粗骨料和水泥砂桨的热工性能（如线膨胀系数)有差别。当混凝土中水泥产生水化热或环境温度变化时，两者的温度
8、变形差受到相互约束而形成温度应力场。更因为混凝土是热惰性材料，温度梯度大而加重了温度应力。当混凝土承受外力作用时，即使作用应力完全均匀，混凝土内也将产生不均匀的空间微观应力场，取决于粗骨料和水泥砂浆的面（体）积比、形状、排列和弹性模量值，以及界面的接触条件等。在应力的长期作用下，水泥砂浆和粗骨料的徐变差使混凝土内部发生应力重分布，粗骨料将承受更大的压应力。,所有这些都说明，从微观上分析混凝土，必然要考虑非常复杂的、随机分布的三维应力（应变）状态。其对于混凝土的宏观力学性能，如开裂，裂缝开展，变形，极限强度和破坏形态等，都有重大影响。,混凝土内部有不可避免的初始气孔和缝隙，其尖端附近因收缩、温度
9、变化或应力作用都会形成局部应力集中区，其应力分布更复杂，应力值更高。,2.变形的多元组成 混凝土在承受应力作用或环境条件改变时都将发生相应的变形。从混凝土的组成和构造特点分析，其变形值由3部分组成：骨料的弹性变形 占混凝土体积绝大部分的石子和砂，本身的强度和弹性模量值均比其组成的混凝土高出许多。即使混凝土达到极限强度值时，骨料并不破碎，变形仍在弹性范围以内，即变形与应力成正比，卸载后变形可全部恢复，不留残余变形。,水泥凝胶体的粘性流动 水泥经水化作用后生成的凝胶体，在应力作用下除了即时产生的变形外，还将随时间的延续而发生缓慢的粘性流（移）动，混凝土的变形不断地增长，形成塑性变形。当卸载后，这部
10、分变形一般不能恢复，出现残余变形。,裂缝的形成和扩展 在拉应力作用下，混凝土沿应力的垂直方向发生裂缝。裂缝存在于粗骨料的界面和砂浆的内部，裂缝不断形成和扩展，使拉变形很快增长。在压应力作用下，混凝土大致沿应力平行方向发生纵向劈裂裂缝，穿过粗骨料界面和砂浆内部。这些裂缝的增多、延伸和扩展，将混凝土分成多个小柱体，纵向变形增大。在应力的下降过程中，变形仍继续增长，卸载后大部分变形不能恢复。,后两部分变形成分，不与混凝土的应力成比例变化，且卸载后大部分不能恢复，一般统称为塑性变形。不同原材料和组成的混凝土，在不同的应力水平下，这三部分变形所占比例有很大变化。当混凝土应力较低时，骨料弹性变形占主要部分
11、，总变形很小；随应力的增大，水泥凝胶体的粘性流动变形逐渐加速增长；接近混凝土极限强度时，裂缝的变形才明显显露，但其数量级大，很快就超过其它变形成分。在应力峰值之后，随着应力的下降，骨料弹性变形开始恢复，凝胶体的流动减小，而裂缝的变形却继续加大。,3.应力状态和途径对力学性能的巨大影响 混凝土的单轴抗拉和抗压强度的比值约为1:10，相应的峰值应变之比约为1:20，都相差一个数量级。两者的破坏形态也有根本区别。这与钢、木等结构材料的拉、压强度和变形接近相等的情况有明显不同。混凝土在基本受力状态下力学性能的巨大差别使得：混凝土在不同应力状态下的多轴强度、变形和破坏形态等有很大的变化范围；存在横向和纵
12、向应力（变）梯度的情况下，混凝土的强度和变形值又将变化；荷载（应力）的重复加卸和反复作用下，混凝土将产生程度不等的变形滞后、刚度退化和残余变形等现象；,多轴应力的不同作用途径，改变了微裂缝的发展状况和相互约束条件，混凝土出现不同力学性能反应。混凝土因应力状态和途径的不同而引起力学性能的巨大差异，当然是其材料特性和内部微结构所决定的。材性的差异足以对构件和结构的力学性能造成重大影响，在实际工程中不能不加以重视。,4.时间和环境条件的巨大影响 混凝土随水泥水化作用的发展而渐趋成熟。有试验表明，水泥颗粒的水化作用由表及里逐渐深入，至龄期20年后仍未终止。,混凝土成熟度的增加，表示了水泥和骨料的粘结强
13、度增大，水泥凝胶体稠化，粘性流动变形减小，因而混凝土的极限强度和弹性模量值都逐渐提高。但是，混凝土在应力的持续作用下，因水泥凝胶体的粘性流动和内部微裂缝的开展而产生的徐变与时俱增，使混凝土材料和构件的变形加大，长期强度降低。混凝土周围的环境条件既影响其成熟度的发展过程，又与混凝土材料发生物理的和化学的作用，对其性能产生有利的或不利的影响。环境温度和湿度的变化，在混凝土内部形成变化的不均匀的温度场和湿度场，影响水泥水化作用的速度和水分的散发速度，产生相应的应力场和变形场，促使内部微裂缝的发展，甚至形成表面宏观裂缝。环境介质中的二氧化碳气体与水泥的化学成分作用，在混凝土表面附近形成一碳化层，且逐渐
14、增厚；介质中的氯离子对水泥（和钢筋）的腐蚀作用降低了混凝土结构的耐久性,混凝土的这些材性特点，决定了其力学性能的复杂、多变和离散，还由于混凝土原材料的性质和组成的差别很大，完全从微观的定量分析来解决混凝土的性能问题，得到准确而实用的结果是十分困难的。所以，从结构工程的观点出发，将一定尺度，（例如70mm或34倍粗骨料粒径）的混凝土体积作为单元，看成是连续的、匀质的和等向的材料，取其平均的强度、变形值和宏观的破坏形态等作为研究的标准，可以有相对稳定的力学性能并且用同样尺度的标准试件测定各项性能指标，经过总结、统计和分析后建立的破坏（强度）准则和本构关系，在实际工程中应用，一般情况下其具有足够的准
15、确性。尽管如此，了解和掌握混凝土的这些材性特点，对于深入理解和应用混凝土的各种力学性能和结构构件的力学反应至关重要有助于以后各章内容的学习。,1.1.3受力破坏的一般机理,混凝土材性的复杂程度如上述，在不同的应力状态下发生显著差别的破坏过程和形态。混凝土在结构中主要用作受压材料，最简单的单轴受压状态下的破坏过程最有代表性。详细地了解其破坏过程和机理对于理解混凝土的材性本质，解释结构和构件的各种损伤和破坏现象，以及采取措施改进和提高混凝土质量和结构性能等都有重要意义。混凝土一直被认为是“脆性”，材料，无论是受压还是受拉状态，它的破坏过程都短暂、急骤，肉眼不可能仔细地观察到其内部的破坏过程。现代科
16、学技术的高度发展，为材料和结构试验提供了先进的加载和量测手段。现在已经可以比较容易地获得混凝土受压和受拉的应力-应变全曲线，还可采用超声波检测仪、x光摄影仪、电子显微镜等多种精密侧试仪器，对混凝土的微观构造在受力过程中的变化情况加以详尽的研究。,试验证明，结构混凝土在承受荷载或外应力之前，内部就已经存在少量、分散的微裂缝，宽（2-5）10-3、最长（1-2mm），其主要原因是在混凝土的凝固过程中，粗骨料和水泥砂浆的收缩差和不均匀温湿度场所产生的微观应力场。由于水泥砂浆和粗骨料表面的粘结强度只及该砂浆抗拉强度的35%65%，而粗骨料本身的抗拉强度远超过水泥砂浆的强度，故当混凝土内微观拉应力较大时
17、，首先在粗骨料界面出现微裂缝，称界面粘结裂缝。混凝土受力之后直到破坏其内部微裂缝的发展过程也可在试验过程中清楚地观察到。,该试验采用方形板式试件(127 mm 127 mm 12.7 mm），既接近理想的平面应力状态，又便于在加载过程中直接获得裂缝的x光信息。试件用两种材料制作。理想试件用3种不同直径的园形骨料（厚12.7 mm）随机地埋人水泥砂浆，另一种为真实混凝土试件。两种试件的受力过程和观侧结果相同，前者更具典型性。试验证实了混凝土在受力前就存在初始微裂缝，都出现在较大粗骨料的界面开始受力后直到极限荷载，混凝土内的微裂缝逐渐增多和扩展，可以分作3个阶段：,1.微裂缝相对称定期(/max0
18、.30.5)这时混凝土的压应力较小，虽然有些微裂缝的尖端因应力集中而沿界面略有发展，也有些微裂缝和间隙因受压而有些闭合，对混凝土的宏观变形性能无明显变化。即使荷载的多次重复作用或者持续较长时间，微裂缝也不致有大发展，残余变形很小。,2.稳定裂缝发展期（/max 0.75 0.9）混凝土的应力增大后，原有的粗骨料界面裂缝逐渐延伸和增宽，其它骨料界面又出现新的粘结裂缝。一些界面裂缝的伸展，逐渐地进人水泥砂浆，或者水泥砂浆中原有缝隙处的应力集力将砂浆拉断，产生少量微裂缝。这一阶段，混凝土内微裂缝发展较多，变形增长较大。但是，当荷载不再增大，微裂缝的发展亦将停滞，裂缝形态保持基本稳定。故荷载长期作用下
19、，混凝土的变形将增大，但不会提前过早破坏。,3.不稳定裂缝发展期（/max 0.75 0.9）混凝土在高应力作用下，粗骨料的界面裂缝突然加宽和延伸，大量地进人水泥砂浆；水泥砂浆中的已有裂缝也加快发展，并和相邻的粗骨料界面裂缝相连。这些裂缝逐个连通，构成大致平行于压应力方向的连续裂缝，或称纵向劈裂裂缝。若混凝土中部分粗骨料的强度较低，或有节理和缺陷，也可能在高应力下发生骨料劈裂。这一阶段的应力增量不大，而裂缝发展迅速，变形增长大。即使应力维持常值，裂缝仍将继续发展，不再能保持稳定状态。纵向的通缝将试件分隔成数个小柱体，承载力下降而导致混凝土的最终破坏。,从对混凝土受压过程的微观现象的分析，其破坏
20、机理可以概括为：首先是水泥砂浆沿粗骨料的界面和砂浆内部形成微裂缝；应力增大后这些微裂缝逐渐地延伸和扩展，并连通成为宏观裂缝；砂浆的损伤不断积累，切断了和骨料的联系，混凝土的整体性遭受破坏而逐渐地丧失承载力。混凝土在其它应力状态，如受拉和多轴应力状态下的破坏过程也与此相似。混凝土的强度远低于粗骨料本身的强度，当混凝土破坏后，其中的粗骨料一般无破损的迹象，裂缝和破碎都发生在水泥砂浆内部。所以，混凝土的强度和变形性能在很大程度上取决于水泥砂浆的质量和密实性。任何改进和提高水泥砂浆质量的措施都能较多地提高混凝土强度和改善结构的性能。,1.2抗压强度1.2.1立方体抗压强度,为了确定混凝土的抗压强度，我
21、国的国家标准 GBJ 81-85普通混凝土力学性能试验方法中规定：标准试件取边长为150 mm的立方体，用钢模成型，经浇注、振捣密实后静置一昼夜，试件拆模后放入标准养护室（203，相对湿度90），28天龄期后取出试件，擦干表面水，置于试验机内，沿浇注的垂直方向施加压力，以每秒0.30.5 N/mm2的速度连续加载直至试件破坏。试件的破坏荷载除以承压面积，即为混凝土的标准立方体抗压强度 fcu，N/mm2（Mpa）。,试验机通过钢垫板对试件施加压力。由于垫板的刚度有限，以及试件内部和表层的受力状态和材料性能有差别，致使试件承压面上的竖向压应力分布不均匀。同时，钢垫板和试件混凝土的弹性模量(Es，
22、Ec）和泊松比（s,c）值不等，在相同应力（）作用下的横向应变不等（s/Es c/Ec）。故垫板约束了试件的横向变形，在试件的承压面上作用着水平摩擦力。,试件在承压面上这些竖向和水平力作用下，其内部必产生不均匀的三维应力场：垂直中轴线上各点为明显的三轴受压，四条垂直棱边接近单轴受压，承压面的水平周边为二轴受压，竖向表面上各点为二轴受压或二轴压拉，内部各点则为三轴受压或三轴压拉应力状态。注意这里还是将试件看作是各向同性的匀质材料。若计及混凝土组成和材性的随机分布，试件的应力状态将更复杂，且不对称。,试件加载后，竖向发生压缩变形，水平向为伸长变形试件的上、下端因受加载垫板的约束而横向变形小，中部的
23、横向膨胀变形最大。随着荷载或者试件应力的增大，试件的变形逐渐加快增长。试件接近破坏前，首先在试件高度的中央、靠近侧表面的位置上出现竖向裂缝，然后往上和往下延伸，逐渐转向试件的角部，形成正倒相连的八字形裂缝。继续增加荷载，新的八字形缝由表层向内部扩展，中部混凝土向外鼓胀，开始剥落，最终成为正倒相接的四角锥破坏形态。,当采用的试件形状和尺寸不同时，如边长100 mm或200 mm的立方体，H/D=2的圆柱体混凝土的破坏过程和形态虽然相同，但得到的抗压强度值因试件受力条件不同和尺寸效应而有所差别。对比试验给出的不同试件抗压强度的换算关系如表。,混凝土立方试件的应力和变形状况，以及其破坏过程和破坏形态
24、均表明，标准试验方法并未在试件中建立起均匀的单轴受压应力状态，由此测定的也不是理想的混凝土单轴抗压强度。当然，它更不能代表实际结构中应力状态和环境条件变化很大的混凝土真实抗压强度。尽管如此，混凝土的标准立方体抗压强度仍是确定混凝土的强度等级、评定和比较混凝土的强度和制作质量的最主要的相对指标，又是判定和计算其他力学性能指标的基础，因而有重要的技术意义。,1.2.2棱柱体试件的受力破坏过程,为消除立方体试件两端局部应力和约束变形的影响，最简单的办法是改用棱柱体（或圆柱体）试件进行抗压试验。根据San Vinent原理。加载面上的不均布垂直应力和x=0的水平应力，只影响试件端部的局部范围（高度约等
25、于试件宽度），中间部分已接近于均匀的单轴受压应力状态。受压试验也证明，破坏发生在棱主体试件的中部。试件的破坏荷载除于其截面积，即为混凝土的棱柱体抗压强度 fc，或称轴心抗压强度。,试验结果表明，混凝土的棱柱体抗压强度随试件高厚比(h/b)的增大而单调下降，但h/b2后，强度值已变化不大。故标准试件的尺寸取为150 150 300,试件的制作、养护、加载龄期和试验方法都与立方体试件的标准试验相同。,在混凝土棱柱体试件的受压试验过程中量测试件的纵向和横向应变（,），就可以绘制：受压应力-应变（-）全曲线；割线或切线泊松比（s=/，t=d/d)；体积应变(v-）曲线。其典型的变化规律如下图。试验过程
26、中还可以仔细地观察到试件的表面宏观裂缝的出现和发展过程，以及最终的破坏形态。,由于混凝土的原材料和组成的差异，以及试验量测方法的差异，国内外给出的实验结果有一定的离散度。混凝土的棱柱体抗压强度随立方体强度单调增长：,1.2.3主要抗压性能指标1、棱柱体抗压强度,各国研究人员给出多种经验计算公式，或者给出一个定值，一般在 fc/fcu=0.780.88之间。各国设计规范中，出于结构安全度考虑，一般取用偏低的值。例如，我国规范给出轴压强度标准值为,其比值的变化范围为：强度等级高者比值偏大。,c1=fc/fcu c1=0.76（C50）c1=0.82（C80）c2=1.0（C40）c2=0.87（C
27、80）,2、达棱柱体抗压强度时的峰值应变 棱柱体试件达到极限强度fc时的相应峰值应变p虽然有稍大的离散度，但是，随混凝土强度而单调增长的规律十分明显。,过镇海在分析了混凝土强度fc=20100N/mm2的试验数据后，给出的关系式为,各国的设计规范中，对强度等级为C20至C50的混凝土常常规定单一的峰值应变值，例如：p=0.002。此值稍高于材性试验值，但用于结构和构件分析中，由于存在应变梯度和箍筋约束等有利因素而得到补偿。,各国研究人员建议的多种经验计算式，如表所示。,原点切线模量Elastic Modulus,割线模量Secant Modulus,切线模量Tangent Modulus,弹性
28、系数n(coefficient of elasticity)随应力增大而减小 n=10.5,3、混凝土的弹性模量 Elastic Modulus,弹性模量是材料变形性能的主要指标混凝土的受压应力应变曲级为非线性，弹性模量(或称变形模量）随应力或应变而连续地变化。在确定了应力应变的曲线方程后，很容易计算所需的割线模量Ec,s=/或切线模量Ec,t=d/d。有时为了比较混凝土的变形性能，以及进行构件变形计算和引用弹性模量比作其它分析时，需要有一个标定的混凝土弹性模量值（Ec）。一般取为相当于结构使用阶段的工作应力=(0.40.5)fc时的割线模量值。巳有的大量试验给出混凝土的弹性模量随其强度而单调增长的规律，但离散度较大。,我国现行规范：,弹性模量值的经验计算式有多种。,试验中量测的混凝土试件横向应变和泊松比st等，受纵向裂缝的出现、发展以及量测点位置的影响很大。特别是进入应力-应变曲线的下降段p后，离散度更大。在开始受力阶段，泊松比值约为：st0.160.23一般取0.20。混凝土内部形成非稳定裂缝（0.8fc）后，泊松比值飞速增长，且ts。,
