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第一篇鋼筋混凝土結(jié)構(gòu) 第一章鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的基本概念及材料的物理力學(xué)性能 第一節(jié)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的基本概念 一 鋼筋混凝土 ReinforcedConcrete 簡(jiǎn)稱RC 結(jié)構(gòu)的基本概念鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)由鋼筋和混凝土兩種不同物理力學(xué)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(diǎn) 1 混凝土 抗拉強(qiáng)度ft tensilestrength 較低 抗壓強(qiáng)度fc較 compressivestrength 高 2 鋼筋 抗壓強(qiáng)度 抗拉強(qiáng)度均很高 1 梁 Beam Girder Fc 梁的破壞荷載 F Fc時(shí) 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(shí) 中和軸以上受壓 以下受拉 F Fc時(shí) 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(qiáng)度都能得到較充分的利用 受拉鋼筋應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度 受壓區(qū)混凝土被壓壞 梁破壞 2 柱 Column 試驗(yàn)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(gòu)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(jié)力 2 線膨脹系數(shù)大致相同 不會(huì)因溫度發(fā)生變化而影響粘結(jié)力 即不發(fā)生錯(cuò)動(dòng) 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(gè)良好的保護(hù)層 鋼筋被混凝土所包裹 從而防止鋼筋的銹蝕 保證結(jié)構(gòu)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(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn) 第二節(jié)混凝土 Concrete 一 混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)混凝土的構(gòu)成 水泥 石子 砂 水 外加劑 細(xì)摻料等 1 固體 集料 水泥石決定混凝土材料的強(qiáng)度 2 液體 水泥膠體帶有一定塑性 具有流動(dòng)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(jié)硬 收縮形成 二 工程上對(duì)混凝土的要求1 和易性 也稱工作性 粘聚性 飽水性 流動(dòng)性 2 強(qiáng)度 3 耐久性 4 經(jīng)濟(jì)性 混凝土的化學(xué)成分在 土木工程材料 課中已經(jīng)學(xué)習(xí)過 此處不贅述 本課程主要掌握混凝土的力學(xué)性能 三 混凝土的強(qiáng)度 Strength 混凝土的抗壓強(qiáng)度比抗拉強(qiáng)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(qiáng)度很高的鋼筋承擔(dān) 所以混凝土的抗壓強(qiáng)度是最重要的強(qiáng)度指標(biāo) 混凝土的強(qiáng)度等級(jí)與水泥強(qiáng)度等級(jí) 集料性質(zhì) 級(jí)配 水灰比等有關(guān) 是用三標(biāo)試件 即 1 標(biāo)準(zhǔn)尺寸 150mm 150mm 150mm 2 標(biāo)準(zhǔn)溫度和相對(duì)濕度 20 2 相對(duì)濕度95 以上 3 養(yǎng)護(hù)28d 依照標(biāo)準(zhǔn)制作及試驗(yàn)方法測(cè)得的抗壓強(qiáng)度值 1 立方體抗壓強(qiáng)度fcu CubeCrushingStrength 混凝土立方體抗壓強(qiáng)度與試驗(yàn)方法有著密切的關(guān)系 立方體抗壓強(qiáng)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(rùn)滑劑時(shí)c 承壓板與試件表面之間涂潤(rùn)滑劑時(shí) 2 軸心抗壓強(qiáng)度fc AxialCompressiveStrength 又稱棱柱體抗壓強(qiáng)度 混凝土的抗壓強(qiáng)度不僅與試件的尺寸有關(guān) 也與其形狀有關(guān) 在實(shí)際工程中 受壓構(gòu)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(shí)際抗壓能力 1 影響因素 試件高度h與邊長(zhǎng)b之比 比值越大 軸心抗壓強(qiáng)度越小 如P7圖1 4 但當(dāng)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(qiáng)度ft AxialTensileStrength 1 測(cè)試方法 采用圓柱體或立方體的劈裂試件測(cè)得劈裂抗拉強(qiáng)度fts splittensilestrength 劈裂試驗(yàn) splittensiletest F 2 采用劈裂試驗(yàn)測(cè)抗拉強(qiáng)度的原因采用兩端預(yù)埋鋼筋測(cè)試軸心抗拉強(qiáng)度時(shí) 保持試件軸心受拉很重要但很難做到 鋼筋預(yù)埋和試件安裝難以對(duì)中 對(duì)測(cè)試干擾很大 混凝土抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)試件 4 復(fù)合應(yīng)力 CombinedStress 狀態(tài)下的強(qiáng)度 了解 強(qiáng)度變化特點(diǎn) 1 雙向應(yīng)力 兩個(gè)垂直平面上作用有法向應(yīng)力 第三個(gè)平面上應(yīng)力為零 1 25 1 16 混凝土圓柱體抗壓強(qiáng)度 混凝土強(qiáng)度提高的原因是由于側(cè)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(yīng)力混凝土三向受壓時(shí) 各方向上的抗壓強(qiáng)度都有很大的提高 如圖 軸心抗壓強(qiáng)度與側(cè)壓應(yīng)力 2的關(guān)系有如下線性經(jīng)驗(yàn)公式 側(cè)壓應(yīng)力值 混凝土的變形性能比較復(fù)雜 研究表明 在荷載作用下 混凝土?xí)a(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(shí)間 加荷速度以及荷載循環(huán)次數(shù)有關(guān) 還與體積收縮和膨脹變形有關(guān) 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(zhǎng)期荷載作用 多次重復(fù)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(yīng)力應(yīng)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(yīng)變曲線的主要因素混凝土強(qiáng)度 應(yīng)變速率 測(cè)試技術(shù)及試驗(yàn)條件 強(qiáng)度等級(jí)不同的混凝土的應(yīng)力應(yīng)變曲線 2 混凝土在長(zhǎng)期荷載作用下的變形 徐變 Creep 1 徐變 混凝土在荷載長(zhǎng)期不變作用下產(chǎn)生隨時(shí)間而增長(zhǎng)的變形 2 徐變曲線 CurveofCreep 3 徐變?cè)?較小時(shí) 水泥膠體向水泥結(jié)晶體 水泥石 發(fā)展時(shí)應(yīng)力重分布 較大時(shí) 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(zhǎng) 而導(dǎo)致應(yīng)變的增長(zhǎng) 4 影響徐變的因素 持續(xù)作用應(yīng)力大小 持續(xù)作用應(yīng)力越大 徐變?cè)酱?0 5fc時(shí) 徐變與應(yīng)力成正比 即線性徐變 最主要的特點(diǎn)是收斂 0 6fc時(shí) 收斂性越來越差 0 8fc時(shí) 徐變時(shí)間曲線發(fā)散 最終導(dǎo)致混凝土破壞 t d 0 8fc 混凝土的齡期 齡期越長(zhǎng) 硬結(jié)程度越好 徐變就越小 反之越大 加荷時(shí)混凝土齡期對(duì)徐變大小的影響 水泥用量越多 水灰比越大 密實(shí)性越差 徐變?cè)酱?環(huán)境越干燥 徐變?cè)酱?因此要加強(qiáng)養(yǎng)護(hù) 結(jié)構(gòu)尺寸越小 徐變?cè)酱?混凝土集料強(qiáng)度和彈性模量越高 徐變?cè)叫?構(gòu)件尺寸對(duì)徐變的影響 5 徐變對(duì)構(gòu)件受力性能的影響 主要是不利的方面 有利 會(huì)造成應(yīng)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(huì)使混凝土變形加大 造成預(yù)應(yīng)力損失 計(jì)算復(fù)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?yàn)殇摻顣?huì)加大混凝土的 強(qiáng)制拉應(yīng)力 造成混凝土結(jié)構(gòu)損壞 3 混凝土的收縮 Shrinkage 和膨脹 Expansion 變形 混凝土在空氣中結(jié)硬時(shí) 體積會(huì)收縮 當(dāng)在水中結(jié)硬時(shí) 體積膨脹 這種變形與荷載無關(guān) 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(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土 它還會(huì)造成預(yù)應(yīng)力損失 但如果構(gòu)件處于自由狀態(tài) 它不會(huì)產(chǎn)生裂縫 1 收縮的原因 初期 水泥石在水化凝固結(jié)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(shí)間關(guān)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(jí)配越好 集料密度大 彈性模量越高 收縮越小 溫度越低 相對(duì)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(dāng) 加強(qiáng)混凝土振搗和養(yǎng)護(hù)減小收縮 設(shè)置伸縮縫 分段施工或設(shè)誘發(fā)縫 4 混凝土彈性模量 ModulusofElastic 變形模量 ModulusofDeformation 原點(diǎn)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(jì)算彈性模量的公式為 計(jì)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(jí)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(qiáng)度等級(jí)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(xué)性能1 關(guān)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(qiáng)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(yīng)變?yōu)? 2 時(shí)的應(yīng)力 三 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)鋼筋性能要求強(qiáng)度高 塑性好 可焊性好 與混凝土之間的粘結(jié)力好 第四節(jié)鋼筋與混凝土之間的粘結(jié) 一 粘結(jié)力1 粘結(jié)力 構(gòu)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(jié)力 摩擦力 機(jī)械咬合力 這些力統(tǒng)稱為粘結(jié)力 2 粘結(jié)應(yīng)力 鋼筋與混凝土由于受變形差 相對(duì)滑移 沿鋼筋與混凝土接觸面上產(chǎn)生的剪應(yīng)力 光圓鋼筋的拔出試驗(yàn)a 試驗(yàn)示意圖b 粘結(jié)應(yīng)力分布圖c 鋼筋應(yīng)力分布圖d 鋼筋隔離體受力 3 平均粘結(jié)應(yīng)力鋼筋被拔出或者混凝土被劈裂時(shí)的最大平均粘結(jié)應(yīng)力 l d 二 粘結(jié)機(jī)理 mechanism 分析 1 光圓鋼筋與混凝土的粘結(jié)力組成 1 水泥漿凝結(jié)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(jī)械咬合力 光圓鋼筋拔出試驗(yàn)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(jié) 1 粘結(jié)作用主要是變形鋼筋表面凸出的肋與混凝土之間的機(jī)械咬合作用 如圖 變形鋼筋的肋對(duì)混凝土的擠壓如同一個(gè)楔 會(huì)產(chǎn)生很大的機(jī)械咬合力 從而提高了變形鋼筋的粘結(jié)力 2 變形鋼筋的兩種破壞形式 剪切型粘結(jié)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(gè)圓柱面 如圖 帶肋鋼筋的剪切型粘結(jié)破壞 劈裂型粘結(jié)破壞若變形鋼筋外圍混凝土較薄 如保護(hù)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(hù)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(jié)機(jī)理的主要區(qū)別 1 光圓鋼筋粘結(jié)力主要自來膠結(jié)力和摩阻力 2 變形鋼筋的粘結(jié)力主要來自機(jī)械咬合作用 三 影響粘結(jié)強(qiáng)度的因素1 混凝土強(qiáng)度等級(jí)混凝土強(qiáng)度等級(jí)越高 粘結(jié)強(qiáng)度越高 但增加速度會(huì)逐級(jí)減慢 2 澆注混凝土?xí)r鋼筋所處位置水平位置鋼筋比豎向位置鋼筋粘結(jié)強(qiáng)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(jié)破壞 鋼筋凈距過小產(chǎn)生的粘結(jié)破壞 尺寸單位 mm a 試驗(yàn)裝置b 破壞圖形 鋼筋凈距對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度及鋼筋應(yīng)力的影響 4 鋼筋周圍混凝土的厚度混凝土凈保護(hù)層厚度應(yīng)不小于鋼筋直徑 且不小于混凝土保護(hù)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(jié)強(qiáng)度高出約60 80 帶肋鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)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(shí) 橫向收縮起著使鋼筋與混凝土分離的作用 降低粘結(jié)強(qiáng)度 鋼筋受壓時(shí) 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(jié)強(qiáng)度 由上可見 在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中 鋼筋與混凝土相互作用相互影響 共同工作 保護(hù)結(jié)構(gòu)的安全 思考題與習(xí)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(qiáng)度 混凝土軸心抗壓強(qiáng)度 混凝土抗拉強(qiáng)度 混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度 3 混凝土軸心受壓的應(yīng)力 應(yīng)變曲線有何特點(diǎn) 影響混凝土軸心受壓應(yīng)力應(yīng)變曲線有哪幾個(gè)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(shí)間而增長(zhǎng)的變形 兩者有何不同之處 6 拉伸應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線有什么特點(diǎn) 公路橋規(guī) 規(guī)定使用的普通熱軋鋼筋有哪些強(qiáng)度級(jí)別 強(qiáng)度等級(jí)代號(hào)分別是什么 7 什么是鋼筋和混凝土之間粘結(jié)應(yīng)力和粘結(jié)強(qiáng)度 為保證鋼筋和混凝土之間有足夠的粘結(jié)力要采取哪些措施 三向受壓狀態(tài)下混凝土強(qiáng)度 h b對(duì)抗壓強(qiáng)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