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1、水工钢筋混凝土结构网上辅导材料之一 2004-03-08第01章 绪论、钢筋混凝土结构的材料第0章 绪论基本概念：一、钢筋混凝土结构的特点1混凝土结构的定义：混凝土结构是以混凝土为主要材料制成的结构，包括素混凝土结构、钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构等。素混凝土结构是指由无筋或不配置受力钢筋的混凝土制成的结构；钢筋混凝土结构是指由配置受力钢筋的混凝土制成的结构；预应力混凝土结构是指由配置受力的预应力钢筋通过张拉或其他方法建立预加应力的混凝土制成的结构。其中，钢筋混凝土结构在工程中应用最为广泛。2钢筋混凝土结构的特点：钢筋混凝土结构是以混凝土承受压力、钢筋承受拉力，能比较充分合理地利用混凝土（高
2、抗压性能）和钢筋（高抗拉性能）这两种材料的力学特性。与素混凝土结构相比，钢筋混凝土结构承载力大大提高，破坏也呈延性特征，有明显的裂缝和变形发展过程。对于一般工程结构，经济指标优于钢结构。技术经济效益显著。钢筋有时也可以用来协助混凝土受压，改善混凝土的受压破坏脆性性能和减少截面尺寸。3钢筋和混凝土能够共同工作的主要原因：（1）钢筋与混凝土之间存在有良好的粘结力，能牢固地形成整体，保证在荷载作用下，钢筋和外围混凝土能够协调变形，相互传力，共同受力。（2）钢筋和混凝土两种材料的温度线膨胀系数接近（钢材为1.210-5，混凝土为(1.01.5)10-5），当温度变化时，两者间不会产生很大的相对变形而破
3、坏它们之间的结合，而能够共同工作。二、钢筋混凝土结构的优点（1）合理用材。能充分合理的利用钢筋（高抗拉性能）和混凝土（高抗压性能）两种材料的受力性能。（2）耐久性好。在一般环境下，钢筋受到混凝土保护而不易生锈，而混凝土的强度随着时间的增长还有所提高，所以其耐久性较好。（3）耐火性好。混凝土是不良导热体，遭火灾时，钢筋因有混凝土包裹而不致于很快升温到失去承载力的程度。（4）可模性好。混凝土可根据设计需要支模浇筑成各种形状和尺寸的结构。（5）整体性好。整体浇筑的钢筋混凝土结构整体性好，再通过合适的配筋，可获得较好的延性，有利于抗震、防爆和防辐射，适用于防护结构。（6）易于就地取材。混凝土所用的原材
4、料中占很大比例的石子和砂子，产地普遍，便于就地取材。三、钢筋混凝土结构的缺点（1）自重偏大。相对于钢结构来说，混凝土结构自重偏大，这对于建造大跨度结构和高层建筑是不利的。（2）抗裂性差。由于混凝土的抗拉强度较低，在正常使用时，钢筋混凝土结构往往带裂缝工作，裂缝存在会影响结构物的正常使用性和耐久性。（3） 施工比较复杂，工序多。施工受季节、天气的影响也较大。（4）新老混凝土不易形成整体。混凝土结构一旦破坏，修补和加固比较困难。四、混凝土结构的发展方向（1）在计算理论方面。在工程结构设计规范中已采用的基于概率论和数理统计分析的可靠度理论，概率极限状态计算体系要不断完善；混凝土的微观断裂机理、混凝土
5、的多轴强度理论及非线性变形的计算理论等方面也需要更大的突破，并应用于工程结构设计中（2）在材料研究方面。混凝土主要是向高强、轻质、耐久、易成型及具备某种特殊性能的高性能混凝土方向发展。钢筋的发展方向是高强、防腐、较好的延性和良好的粘结锚固性能。（3）在结构型式方面。预应力混凝土结构由于抗裂性能好，可充分利用高强度材料，各种应用发展迅速。一些高性能新型组合结构具有充分利用材料强度、较好的适应变形能力（延性）、施工较简单等特点，也得到广泛应用（4）在施工技术方面。大型水利工程的工地建有拌和楼（站）集中搅拌混凝土，城市应用的商品混凝土，都现浇混凝土施工，整体性好。大体积混凝土结构采用的滑模和碾压混凝
6、土施工技术，施工机械化程度高。标准化（设计标准化、制造工业化、安装机械化）的装配式或装配整体式结构，施工上也具有一定的优越性。在模板使用方面，除了目前使用的木模板、钢模板、竹模板、硬塑料模板外，今后将向多功能发展。发展薄片、美观、廉价又能与混凝土牢固结合的永久性模板，将使模板可以作为结构的一部分参与受力，还可省去装修工序。透水模板的使用，可以滤去混凝土中多余的水分，大大提高混凝土的密实性和耐久性。在钢筋的连接成型方面，正在大力发展各种钢筋成型机械及绑扎机具，以减少大量的手工操作。除了现有的绑扎搭接、焊接、螺栓及挤压连接方式外，随着化工胶结材料的发展，还出现了胶接的连接方式。第1章 钢筋混凝土结
7、构的材料基本概念：一、钢筋的品种1按化学成分划分（1）碳素钢：碳素钢按碳的含量多少分为低碳钢、和高碳钢。含碳量增加，能使钢材强度提高，性质变硬，但也使钢材的塑性和韧性降低，焊接性能也会变差。（2）普通低合金钢：普通低合金钢是在炼钢时对碳素钢加入少量合金元素而形成的。低合金钢钢筋具有强度高、塑性及可焊性好的特点，因而应用较为广泛。2按加工工艺划分我国生产的建筑用钢筋按加工工艺有热轧钢筋、冷加工钢筋、热处理钢筋及高强钢丝和钢绞线等。3按表面形状划分（1）光面钢筋：表面是光滑的，与混凝土的粘结性较差。（2）带肋钢筋：表面有纵向凸缘（纵肋）和许多等距离的斜向凸缘（横肋）。其中，由两条纵肋和纵肋两侧多道
8、等距离、等高度及斜向相同的横肋形成的螺旋纹表面。若横肋斜向不同则形成了人字纹表面。这两种表面形状的钢筋习惯称为螺纹钢筋，现在称为等高肋钢筋，国内已基本上不再生产。斜向凸缘和纵向凸缘不相交，甚无纵肋，剖面几何形状呈月牙形的钢筋，称为月牙肋钢筋，与同样公称直径的等高肋钢筋相比，凸缘处应力集中得到改善，但与混凝土之间的粘结强度略低于等高肋钢筋。二、钢筋的力学性能1软钢的力学性能软钢（热轧钢筋）有明显的屈服点，破坏前有明显的预兆（较大的变形，即伸长率），属塑性破坏。2硬钢的力学性能硬钢（热处理钢筋及高强钢丝）强度高，但塑性差，脆性大。从加载到突然拉断，基本上不存在屈服阶段（流幅）。属脆性破坏。材料的塑
9、性好坏直接影响到结构构件的破坏性质。所以，应选择塑性好的钢筋。3冷拉钢筋的力学性能冷拉是将钢筋拉伸超过屈服强度并达到强化阶段中的某一应力值，然后放松。若立即重新加荷，此时屈服点将提高。表明钢筋经冷拉后，屈服强度提高，但伸长率减小，塑性性能降低，也就是钢材性质变硬变脆了。此称冷拉硬化。如果卸荷后，经过一段时间再重新加荷，则屈服点还会进一步提高，称冷拉时效。钢筋冷拉后，只提高抗拉强度，其抗压强度并没有提高。因此，不要把冷拉钢筋用作受压钢筋。三、钢筋的选用1选用原则（1）建筑用钢筋要求具有一定的强度（屈服强度和抗拉强度），应适当采用较高强度的钢筋，以获得较好的经济效益。（2）要求钢筋有足够的塑性（伸
10、长率和冷弯性能），以使结构获取较好的破坏性质。（3）应有良好的焊接性能，保证钢筋焊接后不产生裂纹及过大的变形。（4）钢筋和混凝土之间应有足够的粘结力，保证两者共同工作。2钢筋混凝土结构中主要采用的钢筋级钢筋（相当于HPB235）：级钢筋（Q235钢）是热轧光圆低碳钢筋，质量稳定，塑性及焊接性能较好，但强度稍低，而且与混凝土的粘结稍差。因此，级钢筋主要应用在厚度不大的板中或作为梁、柱的箍筋。级钢筋（相当于HRB335）：级钢筋（20MnSi）是热轧月牙肋低合金钢筋，强度、塑性及可焊性都比较好。级钢筋在工程中应用较为广泛。 级钢筋（相当于HRB400和RRB400）： 级钢筋（20MnSiV等）是
11、热轧月牙肋低合金钢筋。其中余热处理 级（K20MnSi）是钢筋热轧后立即穿水，进行表面冷却，然后利用芯部余热自身完成回火处理而形成。它的塑性及可焊性也比较好, 强度更高。级钢筋在工程中应用越来越广泛。四、混凝土的强度1混凝土的单轴强度（1）立方体抗压强度fcu：不是结构计算的实用指标，它是衡量混凝土强度高低的基本指标，并以其标准值定义混凝土的强度等级。（2）轴心抗压强度fc：比立方体抗压强度能更好地反映受压构件中混凝土的实际抗压强度，为一实用抗压强度指标。（3）轴心抗拉强度ft：反映混凝土的抗拉能力。（二）混凝土的多轴强度上面所讲混凝土强度，均是指单向受力条件下所得到的强度。但实际上，结构物很
12、少处于单向受力状态。工程上经常遇到的都是一些双向或三向受力的复合应力状态。用单轴应力状态的强度表示实际结构中混凝土的破坏条件（强度准则）不合理的，特别是对非杆件结构进行数值分析时，其强度准则的选取直接影响计算结果的精确度和正确性。所以研究复合应力状态下的混凝土强度条件，对进行合理设计是极为重要的。但由于测试技术的复杂性和试验结果的离散性，目前还未能建立起完整的强度理论。根据现有的试验结果，可以得出以下几点结论：（1）双向受压的强度：双向受压的混凝土的强度比单向受压的强度为高。也就是说，一向强度随另一向压应力的增加而增加。（2）双向受拉的强度：双向受拉的的混凝土强度与单向受拉强度基本一样。也就是
13、说，混凝土一向抗拉强度基本上与另一向拉应力的大小无关。（3）一向受拉一向受压的强度：一向受拉一向受压的混凝土抗压强度随另一向的拉应力的增加而降低。或者说，混凝土的抗拉强度随另一向的压应力的增加而降低。（4）正应力及剪应力下的强度：在单轴正应力及剪应力共同作用下，当为压应力时，混凝土的抗剪强度有所提高，但当压应力过大时，混凝土的抗剪强度反有所降低。为拉应力时降低抗剪强度。三向受力下的混凝土强度规律与双向受力时基本相同。五、混凝土的变形（一）混凝土的受力变形1混凝土的应力应变曲线试验表明, 混凝土不论是受压或是受拉，破坏的过程本质上是由连续材料逐步变成不连续材料的过程，即混凝土的破坏是微裂缝的发展
14、导致横向变形引起的。对横向变形加以约束，就可以限制微裂缝的发展，从而可提高混凝土的强度。约束混凝土可以提高混凝土的强度，也可以提高混凝土的变形能力。复合应力状态对混凝土强度的影响就在于此原因。“约束混凝土”可以提高混凝土的强度，但更值得注意的是可以提高混凝土的变形能力，配箍筋混凝土就起此效果。随着混凝土强度的提高，峰值应力、应变有所增大。但下降段的坡度变陡，即应力下降相同幅度时变形越小，极限应变减小，塑性变差，破坏时脆性显著。加载速度较快时，强度提高，但极限应变将减小。2混凝土的徐变及对混凝土结构的影响徐变是混凝土在荷载长期持续作用下，应力不变，随着时间而增长的变形。产生徐变的原因有：（1）混
15、凝土受力后，在应力不大的情况下，徐变缘于水泥石中的凝胶体产生的粘性流动（颗粒间的相对滑动）要延续一个很长的时间。（2）在应力较大的情况下，骨料和水泥石结合面裂缝的持续发展，导致徐变加大。徐变对混凝土结构的不利影响：（1）徐变作用会使结构的变形增大。（2）在预应力混凝土结构中，它还会造成较大的预应力损失。（3）徐变还会使构件中混凝土和钢筋之间发生应力重分布，导致混凝土应力减小，钢筋应力增大，使得理论计算产生误差。一定要注意避免高应力下的非线性徐变。（二）混凝土的收缩及对混凝土结构的影响混凝土在空气中结硬时，由于温、湿度及本身化学变化的影响，体积随时间增长而减小的现象称为收缩。收缩对混凝土结构的不
16、利影响：（1）收缩受到约束时会使混凝土产生拉应力，甚至使混凝土开裂。（2）混凝土收缩还会使预应力混凝土构件产生预应力损失。混凝土的收缩会带来危害，而膨胀变形一般是有利的，不予讨论。六、钢筋与混凝土的粘结1钢筋与混凝土之间的粘结力粘结力是在钢筋和混凝土接触面上阻止两者相对滑移的剪应力。粘结力主要由三部分组成：（1）水泥凝胶体与钢筋表面之间的化学胶着力（胶结力）；（2）混凝土收缩，将钢筋紧紧握固而产生的摩擦力（摩阻力）;（3）钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的机械咬合力。光面钢筋在粘结应力达到粘结强度破坏时，其表面有明显的纵向摩擦痕迹。变形钢筋，接近破坏时，首先由于横肋挤压混凝土引起的环向或斜向拉
17、应力而使钢筋周围混凝土开裂，最终因肋间混凝土剪切强度不够，将被挤碎带出，发生沿肋外径圆柱面的剪切破坏。其粘结强度比光面钢筋要大得多。2影响粘结强度的主要因素（1）混凝土强度。粘结强度都随混凝土强度等级的提高而提高，粘结强度基本上与混凝土的抗拉强度成正比例的关系。（2）钢筋的表面状况。钢筋表面形状对粘结强度有影响，变形钢筋的粘结强度大于光圆钢筋。（3）混凝土保护层厚度和钢筋的净间距。增大保护层厚度（相对保护层厚度c/d），保持一定的钢筋间距（钢筋净距s与钢筋直径d的比值s/d），可以提高外围混凝土的抗劈裂能力，有利于粘结强度的充分发挥。也能使粘结强度得到相应的提高。七、钢筋的锚固与连接1钢筋的锚
18、固根据钢筋受拉应力达到屈服强度时，钢筋才被拔出的条件确定出基本锚固（埋入）长度la。为了保证钢筋在混凝土中锚固可靠，避免粘结遭到破坏，而使钢筋被拔出发生锚固破坏，设计时应该使钢筋在混凝土中有足够的锚固（埋入）长度la。分析表明，钢筋强度越高，直径越粗，混凝土强度越低，则要求锚固长度越长。2钢筋的连接钢筋连接方法主要有：（1）绑扎连接。绑扎连接是在钢筋搭接处用铁丝绑扎而成。是最常用和最简便的钢筋接长方法。但可靠性不够好。（2）机械连接。采用螺旋或挤压套筒连接。此法简单、可靠。（3）焊接。焊接有闪光对焊和电弧焊搭接。焊接质量有保证时，此法较可靠。3保证钢筋的锚固与连接的构造措施（1）对不同等级的混凝土和钢筋，要保证最小搭接长度ll和锚固长度la；（2）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）在钢筋的搭接接头范围内应加密箍筋；（4）在钢筋端部采用设置弯钩等机械锚固措施。对光面钢筋一定要加弯钩。