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第一篇鋼筋混凝土結構 第一章鋼筋混凝土結構的基本概念及材料的物理力學性能 第一節(jié)鋼筋混凝土結構的基本概念 一 鋼筋混凝土 ReinforcedConcrete 簡稱RC 結構的基本概念鋼筋混凝土結構由鋼筋和混凝土兩種不同物理力學性能的材料組成的一種人工材料 它充分了發(fā)揮鋼筋和混凝土各自的優(yōu)點 1 混凝土 抗拉強度ft tensilestrength 較低 抗壓強度fc較 compressivestrength 高 2 鋼筋 抗壓強度 抗拉強度均很高 1 梁 Beam Girder Fc 梁的破壞荷載 F Fc時 出現(xiàn)數(shù)條豎向裂縫并向上發(fā)展 中性軸上移 混凝土受壓區(qū)面積不斷減少 梁塑性破壞 F Fc時 中和軸以上受壓 以下受拉 F Fc時 出現(xiàn)豎向裂縫并迅速發(fā)展 梁突然斷裂 發(fā)生脆性破壞 素混凝土梁 鋼筋混凝土梁 在受拉區(qū)內(nèi)配置適量的鋼筋后 即所謂的適筋梁 ideallyreinforcedbeam 梁的破壞過程為 可見 與素混凝土梁相比 鋼筋混凝土梁的承載能力和變形能力都有很大提高 且鋼筋與混凝土兩種材料強度都能得到較充分的利用 受拉鋼筋應力達到屈服強度 受壓區(qū)混凝土被壓壞 梁破壞 2 柱 Column 試驗表明 鋼筋混凝土柱與素混凝土柱相比 承載力大為提高 受力性能也得到改善 素混和鋼混軸心受壓構件受力性能比較 二 鋼筋與混凝土能共同工作的條件1 兩者之間有可靠的粘結力 2 線膨脹系數(shù)大致相同 不會因溫度發(fā)生變化而影響粘結力 即不發(fā)生錯動 混凝土線膨脹系數(shù) 1 0 1 5 10 5 鋼筋線膨脹系數(shù) 1 2 10 5 3 鋼筋外面有一個良好的保護層 鋼筋被混凝土所包裹 從而防止鋼筋的銹蝕 保證結構的耐久性 耐久性好耐火性好整體性好可塑性好抗震性好取材容易 自重大 跨越能力小抗裂性較差施工受季節(jié)環(huán)境影響較大 冬 雨 耗用大量模板 支撐材料維修困難 三 鋼筋混凝土材料的特點 優(yōu)點缺點 第二節(jié)混凝土 Concrete 一 混凝土的內(nèi)部結構混凝土的構成 水泥 石子 砂 水 外加劑 細摻料等 1 固體 集料 水泥石決定混凝土材料的強度 2 液體 水泥膠體帶有一定塑性 具有流動性 在一兩年后才能變成固體 是引起徐變的主要原因 3 孔隙 混凝土結硬 收縮形成 二 工程上對混凝土的要求1 和易性 也稱工作性 粘聚性 飽水性 流動性 2 強度 3 耐久性 4 經(jīng)濟性 混凝土的化學成分在 土木工程材料 課中已經(jīng)學習過 此處不贅述 本課程主要掌握混凝土的力學性能 三 混凝土的強度 Strength 混凝土的抗壓強度比抗拉強度大很多 8 18倍 因此混凝土主要用于抗壓 而拉力主要是由抗拉強度很高的鋼筋承擔 所以混凝土的抗壓強度是最重要的強度指標 混凝土的強度等級與水泥強度等級 集料性質(zhì) 級配 水灰比等有關 是用三標試件 即 1 標準尺寸 150mm 150mm 150mm 2 標準溫度和相對濕度 20 2 相對濕度95 以上 3 養(yǎng)護28d 依照標準制作及試驗方法測得的抗壓強度值 1 立方體抗壓強度fcu CubeCrushingStrength 混凝土立方體抗壓強度與試驗方法有著密切的關系 立方體抗壓強度試件a 立方體試件的受力b 承壓板與試件表面之間未涂潤滑劑時c 承壓板與試件表面之間涂潤滑劑時 2 軸心抗壓強度fc AxialCompressiveStrength 又稱棱柱體抗壓強度 混凝土的抗壓強度不僅與試件的尺寸有關 也與其形狀有關 在實際工程中 受壓構件一般都是棱柱體 采用棱柱體試件比立方體試件能更好地反映混凝土的實際抗壓能力 1 影響因素 試件高度h與邊長b之比 比值越大 軸心抗壓強度越小 如P7圖1 4 但當h b 3后 fc fcu不再變化 2 試件 150mm 150mm 300mm 制作方法同立方體試件 3 軸心抗拉強度ft AxialTensileStrength 1 測試方法 采用圓柱體或立方體的劈裂試件測得劈裂抗拉強度fts splittensilestrength 劈裂試驗 splittensiletest F 2 采用劈裂試驗測抗拉強度的原因采用兩端預埋鋼筋測試軸心抗拉強度時 保持試件軸心受拉很重要但很難做到 鋼筋預埋和試件安裝難以對中 對測試干擾很大 混凝土抗拉強度試驗試件 4 復合應力 CombinedStress 狀態(tài)下的強度 了解 強度變化特點 1 雙向應力 兩個垂直平面上作用有法向應力 第三個平面上應力為零 1 25 1 16 混凝土圓柱體抗壓強度 混凝土強度提高的原因是由于側向約束了混凝土受壓后的橫向變形 限制了其內(nèi)部裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展 2 三向應力混凝土三向受壓時 各方向上的抗壓強度都有很大的提高 如圖 軸心抗壓強度與側壓應力 2的關系有如下線性經(jīng)驗公式 側壓應力值 混凝土的變形性能比較復雜 研究表明 在荷載作用下 混凝土會產(chǎn)生非線性的彈塑性變形 混凝土的變形性能與混凝土的組成 齡期 荷載的大小和持續(xù)時間 加荷速度以及荷載循環(huán)次數(shù)有關 還與體積收縮和膨脹變形有關 四 混凝土的變形 Deformation 由上分析可以看出 混凝土的變形可分為兩類 1 是由于受力而產(chǎn)生的變形 2 是由收縮和溫度濕度變化而產(chǎn)生的變形 受力變形 短期荷載作用 長期荷載作用 多次重復作用等 體積變形 收縮變形 溫度變形等 混凝土的變形 1 單調(diào)短期加載作用下的變形 1 混凝土應力應變曲線 如圖 OA 彈性工作階段 AB 塑性工作階段 BC 完全塑性工作階段 CD CE 下降段 收斂段 cu 2 影響混凝土應變曲線的主要因素混凝土強度 應變速率 測試技術及試驗條件 強度等級不同的混凝土的應力應變曲線 2 混凝土在長期荷載作用下的變形 徐變 Creep 1 徐變 混凝土在荷載長期不變作用下產(chǎn)生隨時間而增長的變形 2 徐變曲線 CurveofCreep 3 徐變原因 較小時 水泥膠體向水泥結晶體 水泥石 發(fā)展時應力重分布 較大時 混凝土中的內(nèi)部微裂縫在荷載作用下不斷發(fā)展和增長 而導致應變的增長 4 影響徐變的因素 持續(xù)作用應力大小 持續(xù)作用應力越大 徐變越大 0 5fc時 徐變與應力成正比 即線性徐變 最主要的特點是收斂 0 6fc時 收斂性越來越差 0 8fc時 徐變時間曲線發(fā)散 最終導致混凝土破壞 t d 0 8fc 混凝土的齡期 齡期越長 硬結程度越好 徐變就越小 反之越大 加荷時混凝土齡期對徐變大小的影響 水泥用量越多 水灰比越大 密實性越差 徐變越大 環(huán)境越干燥 徐變越大 因此要加強養(yǎng)護 結構尺寸越小 徐變越大 混凝土集料強度和彈性模量越高 徐變越小 構件尺寸對徐變的影響 5 徐變對構件受力性能的影響 主要是不利的方面 有利 會造成應力重分布 更好地利用鋼筋 可使溫差 濕差造成的內(nèi)力降低 不利 會使混凝土變形加大 造成預應力損失 計算復雜 尚在研究 鋼筋的徐變小 因此可以在混凝土中配置一定數(shù)量的鋼筋來減小混凝土的收縮 徐變 但是不能多配 因為鋼筋會加大混凝土的 強制拉應力 造成混凝土結構損壞 3 混凝土的收縮 Shrinkage 和膨脹 Expansion 變形 混凝土在空氣中結硬時 體積會收縮 當在水中結硬時 體積膨脹 這種變形與荷載無關 是一種非正常變形 由于這種變形而產(chǎn)生的裂縫 即為非正常裂縫 對于預應力混凝土 它還會造成預應力損失 但如果構件處于自由狀態(tài) 它不會產(chǎn)生裂縫 1 收縮的原因 初期 水泥石在水化凝固結硬過程中的體積收縮 后期 混凝土內(nèi)自由水分蒸發(fā) 體積收縮 混凝土的收縮變形與時間關系 2 收縮的規(guī)律 開始收縮的很快 而后越來越慢 兩年左右穩(wěn)定 3 影響收縮的主要因素 水泥用量越高 水灰比越大 收縮越大 級配越好 集料密度大 彈性模量越高 收縮越小 溫度越低 相對濕度越小 收縮越大 體表比越小 收縮越大 4 防止收縮裂縫的辦法 水泥用量及水灰比適當 加強混凝土振搗和養(yǎng)護減小收縮 設置伸縮縫 分段施工或設誘發(fā)縫 4 混凝土彈性模量 ModulusofElastic 變形模量 ModulusofDeformation 原點彈性模量Ec 切線模量Ec d d 變形 割線 模量Ec c c 公路橋規(guī) 給定的計算彈性模量的公式為 計算剪切模量的公式為 一般取混凝土的泊松比 c 0 2 則有 Gc 0 4Ec 第三節(jié)鋼筋 Steel Reinforcement Bar 一 鋼筋的成份 級別 品種1 鋼筋的原材料 主要是碳素鋼 普通低合金鋼 1 碳素鋼 以鐵為主 加少量Si Mn P S等 低碳鋼 C 0 25 中碳鋼 C 0 25 0 6 高碳鋼 C 0 6 1 4 按含碳量又分為 2 普通低合金鋼 commonlowmetalalloysteel 在碳素鋼成分中加入少量的合金元素 3 如Si Mn V Ti等 2 現(xiàn)行鋼筋按強度等級分類 3 品種按外形特征分為 光圓鋼筋和變形鋼筋 變形鋼筋分為 螺旋鋼筋 人 字形鋼筋和月牙形鋼筋 光圓鋼筋 螺紋鋼筋 人字形鋼筋 月牙形鋼筋 變形鋼筋 月牙形鋼筋 二 鋼筋的主要力學性能1 關系曲線分兩大類 1 有明顯流幅的 曲線 軟鋼 彈性工作階段 屈服階段 強化階段 局部變形階段 頸縮 屈服上限 屈服下限 2 無明顯流幅的 曲線 硬鋼 殘余應變?yōu)? 2 時的應力 三 鋼筋混凝土結構對鋼筋性能要求強度高 塑性好 可焊性好 與混凝土之間的粘結力好 第四節(jié)鋼筋與混凝土之間的粘結 一 粘結力1 粘結力 構件中的鋼筋受到拉或壓后 混凝土與鋼筋之間存在水泥膠結力 摩擦力 機械咬合力 這些力統(tǒng)稱為粘結力 2 粘結應力 鋼筋與混凝土由于受變形差 相對滑移 沿鋼筋與混凝土接觸面上產(chǎn)生的剪應力 光圓鋼筋的拔出試驗a 試驗示意圖b 粘結應力分布圖c 鋼筋應力分布圖d 鋼筋隔離體受力 3 平均粘結應力鋼筋被拔出或者混凝土被劈裂時的最大平均粘結應力 l d 二 粘結機理 mechanism 分析 1 光圓鋼筋與混凝土的粘結力組成 1 水泥漿凝結與鋼筋表面間的膠著力 2 混凝土收縮將鋼筋裹緊而產(chǎn)生摩阻力 3 鋼筋表面凹凸不平與混凝土之間發(fā)生機械咬合力 光圓鋼筋拔出試驗的破壞形態(tài)是剪切破壞 破壞面是二者之間的接觸面 2 變形鋼筋與混凝土的粘結 1 粘結作用主要是變形鋼筋表面凸出的肋與混凝土之間的機械咬合作用 如圖 變形鋼筋的肋對混凝土的擠壓如同一個楔 會產(chǎn)生很大的機械咬合力 從而提高了變形鋼筋的粘結力 2 變形鋼筋的兩種破壞形式 剪切型粘結破壞變形鋼筋外圍混凝土較厚 或有環(huán)向箍筋約束混凝土變形 則縱向劈裂裂縫的發(fā)展受到抑制 鋼筋連同肋紋間的破碎混凝土逐漸由混凝土中被拔出 破壞面為帶肋鋼筋肋的外徑形成的一個圓柱面 如圖 帶肋鋼筋的剪切型粘結破壞 劈裂型粘結破壞若變形鋼筋外圍混凝土較薄 如保護層厚度不足或鋼筋凈間距過小 又未配置箍筋約束混凝土變形 則徑向裂縫很容易發(fā)展到試件表面形成沿縱向鋼筋的裂縫 使鋼筋附近的混凝土保護層逐漸劈裂而破壞 這種破壞具有一定的延性特征 F 3 光圓鋼筋和變形鋼筋的粘結機理的主要區(qū)別 1 光圓鋼筋粘結力主要自來膠結力和摩阻力 2 變形鋼筋的粘結力主要來自機械咬合作用 三 影響粘結強度的因素1 混凝土強度等級混凝土強度等級越高 粘結強度越高 但增加速度會逐級減慢 2 澆注混凝土時鋼筋所處位置水平位置鋼筋比豎向位置鋼筋粘結強度顯著要低 3 鋼筋之間凈距如凈距不足容易產(chǎn)生劈裂形粘結破壞 鋼筋凈距過小產(chǎn)生的粘結破壞 尺寸單位 mm a 試驗裝置b 破壞圖形 鋼筋凈距對粘結強度及鋼筋應力的影響 4 鋼筋周圍混凝土的厚度混凝土凈保護層厚度應不小于鋼筋直徑 且不小于混凝土保護層最小厚度 c d且 cmin 5 鋼筋表面形狀帶肋鋼筋比光面鋼筋的粘結強度高出約60 80 帶肋鋼筋的粘結強度約為 2 5 6 0 MPa 光圓鋼筋則約為 1 5 3 5 MPa 光面鋼筋要做彎鉤 6 鋼筋的受力狀況鋼筋受拉時 橫向收縮起著使鋼筋與混凝土分離的作用 降低粘結強度 鋼筋受壓時 橫向膨脹起著使加大鋼筋與混凝土之間的摩擦力 提高粘結強度 由上可見 在鋼筋混凝土結構中 鋼筋與混凝土相互作用相互影響 共同工作 保護結構的安全 思考題與習題1 配置在混凝土梁截面受拉區(qū)鋼筋的作用是什么 2 試解釋以下名詞 混凝土立方體抗壓強度 混凝土軸心抗壓強度 混凝土抗拉強度 混凝土劈裂抗拉強度 3 混凝土軸心受壓的應力 應變曲線有何特點 影響混凝土軸心受壓應力應變曲線有哪幾個因素 4 什謂混凝土的徐變 影響混凝土徐變有哪些主要原因 5 混凝土的徐變和收縮變形都是隨時間而增長的變形 兩者有何不同之處 6 拉伸應力應變關系曲線有什么特點 公路橋規(guī) 規(guī)定使用的普通熱軋鋼筋有哪些強度級別 強度等級代號分別是什么 7 什么是鋼筋和混凝土之間粘結應力和粘結強度 為保證鋼筋和混凝土之間有足夠的粘結力要采取哪些措施 三向受壓狀態(tài)下混凝土強度 h b對抗壓強度的影響 h b越大 fc fcu越小 h b 1 fc fcu h b 3 4 fc fcu變化不大