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1、钢筋混凝土结构侯献语 钢筋混凝土材料的力学性能1.1混凝土11.2 钢筋21.3 钢筋和混凝土的粘结3混凝土的组份：砼的强度及变形随时间、随环境的变化而变化。1.1 混凝土1.1.1 混凝土的强度水泥、石、砂、水按一定配合比制成不同等级的砼。确定砼的强度指标时必须以统一规定的标准实验方法为依据。影响因素 组成材料的质量、配合比、成型方法、硬化养护条件、龄期、试件的形状尺寸，试验方法等有关。立方体抗压强度 轴心抗压强度 轴心抗拉强度 复合状态 下混凝土 强度1.1 混凝土1.1.1 混凝土的强度1.混凝土的立方体抗压强度用标准制作方式制成的150mm150mm150mm的立方体试块，在203 的
2、温度和相对湿度在90%以上的潮湿空气中养护28天，用标准试验方法测得具有95保证率的抗压强度。按 fcu,k 划分为14级，即 C15-C80。当C50时，普通混凝土；当C50时，高强混凝土。1.立方体抗压强度标准值 fcu,k立方体抗压强度标准值，单位 N/mm2混凝土C50是衡量混凝土强度大小的基本指标，是评价混凝土强度等级的标准。影响混凝土立方体强度的因素fcu(150)=0.95 fcu(100)fcu(150)=1.05 fcu(200)由于尺寸效应的影响试验方法加载速度试件尺寸是否涂润滑剂不涂润滑剂时强度高 加载速度越快强度越高 立方体尺寸越小测得的抗压强度越高 规范规定钢筋混凝土
3、结构中混凝土强度等级不应低于C20；当采用强度等级400MPa及以上的钢筋时，混凝土强度等级不应低于C25；预应力混凝土结构的混凝土强度等级不宜低于C40级，且不应低于C30级。混凝土结构设计规范中的相关规定棱柱体强度与立方体强度的比值混凝土考虑脆性的折减系数结构中混凝土与试件混凝土的强度差异修正系数 采用棱柱体试件，能够真实反映混凝土的实际工作状态。我国取150150300mm为标准试件，按与立方体试验相同的规定所得的平均应力值，为n 立方体抗压强度与轴心抗压强度之间的关系2.混凝土的轴心抗压强度应用：进行受弯构件、受压构件及偏心受拉构件的承载力计算时，采用混凝土的轴心抗压强度作为设计指标f
4、ck混凝土的抗拉强度远低于抗压强度对于普通混凝土,抗拉强度约 1/18-1/9 的抗压强度 混凝土结构设计规范规定轴心抗拉强度标准值与立方体抗压强度标准值的换算关系为：3.混凝土的轴心抗拉强度是计算钢筋混凝土及预应力混凝土构件的抗裂度和裂缝宽度以及构件斜截面承载力时的主要强度指标。应 用 混凝土强度变异系数 n 轴心抗拉强度的试验方法 直接受拉试验 劈裂试验 直接受拉试验150 1505001001003.混凝土的轴心抗拉强度Pa劈 裂 试 验 由于直接拉伸法的试验比较困难，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。3.混凝土的轴心抗拉强度复合应力状态下混凝土的
5、强度实验结论：试件三向受压时，混凝土任一向的抗压强度随另两向压应力的增加而提高，同时混凝土的极限应变大大提高。2）三向应力状态下的强度工程应用：约束混凝土钢管混凝土螺旋箍筋柱 由于侧向压力的存在，约束了混凝土的横向变形，从而抑制了内部裂缝的产生和发展，使混凝土的延性明显提高。原 因 1.1.2 混凝土的变形强度 破坏1.1.2 混凝土的变形受力变形非受力变形（体积变形）荷载作用混凝土收缩、温度变化和徐变等引起骨料之间的微裂缝混凝土受压破坏机理 内 因1、骨料之间的微裂缝2、水泥凝胶体的粘性流动什么是变形1.混凝土在一次短期荷载作用下的变形性能1）混凝土受压时的应力应变曲线混凝土受压时的应力应变
6、关系曲线混凝土棱柱体标准试验反应了混凝土最基本的力学性能1.1.2 混凝土的变形CBDEfc00AcuOA 弹性阶段AB 弹塑性阶段A:0.3fc:0.3fc 0.8fc 裂缝稳定阶段应力较低A 比例极限 混凝土视为理想的弹性体，其内部的微裂缝尚未发展，水泥凝胶体的粘性流动很小，主要是骨料和水泥石受压后的弹性变形 曲线弯曲，应变增长比应力增长速度快，内部的微裂缝开始发展但仍处于稳定状态；BC 裂缝不稳定阶段:0.8 fc 1.0 fc0.00150 0.0025，常取0.002应变迅速增加，塑性变形显著增大，裂缝发展进入不稳定阶段 峰值应变轴心抗压强度C点之后开始破坏，试件的承载能力随应变的增
7、加而降低，试件表面出现纵向裂缝。随着应力的下降，应变仍然增大，在应变达到0.000400.0006时，应力下降减缓，之后趋于稳定的残余应力。0cu最大应力对应的应变不是最大，而且应力达到最大并不意味着立即破坏。随着混凝土强度等级的提高，混凝土的极限应压变却明显减少，说明混凝土强度越高，其脆性越明显，延性也就越差。从图中可以看出，混凝土不是弹性材料。曲线的上升和下降，表明混凝土在破坏过程中，其承载力有一个从增加到减少的过程。2.混凝土在多次重复荷载下的变形性能疲劳破坏混凝土构件经多次重复循环加载、卸载作用后因严重开裂或变形过大而破坏，这种现象称为疲劳破坏。了解疲劳强度我们通常把能使试件循环200
8、万次或次数稍多时发生破坏的压应力称为混凝土的疲劳抗压强度。混凝土在不变荷载的长期作用下，变形(应变)随时间而不断增长的现象。3000.51.01.52.05 10 15 20 25压应变10-3时间/月瞬时变形徐变变形残余变形卸载后的弹性后效卸载时瞬时恢复的变形3.混凝土在长期荷载作用下的变形徐变n 徐变的原因n 水泥凝胶体的黏性流动，使骨料应力增大n 混凝土中内部微裂缝的发展 n 影响徐变的因素n 应力大徐变越大n 水泥用量越多，水胶比越大徐变越大n 混凝土的龄期长、混凝土的制作、养护环境好徐变越小 n 材料质量和级配越好徐变越小 n 与水泥品种有关3.混凝土在长期荷载作用下的变形徐变n 徐
9、变的利于弊v 混凝土不论是受压、受拉或受弯时，均有徐变现象。1.混凝土的徐变对钢筋混凝土构件来说，能消除钢筋混凝土内的应力集中，使应力较均匀地重新分布；2.对大体积混凝土，能消除一部分由于温度变形所产生的破坏应力。1.使构件的变形大大增加；2.对于长细比较大的偏心受压构件，徐变使偏心距增大而降低构件的承载力。3.在预应力钢筋混凝土结构中，混凝土的徐变，将使钢筋的预加应力受到损失。利弊4.混凝土的体积变形n 混凝土在空气中结硬时其体积会缩小，这种现象称为混凝土的收缩。体积变形收缩膨胀n 混凝土在水中结硬时体积会膨胀，称为混凝土的膨胀。混凝土表面的干燥收缩裂缝 一般变形很小，对结构影响较小收缩的原
10、因混凝土在硬化过程中化学反映产生的凝结收缩和混凝土内的自由水分蒸发产生的收缩；收缩的危害 混凝土的收缩产生收缩应力，收缩应力过大，使构件产生裂缝，影响耐久性，预应力混凝土构件中收缩会造成预应力损失。4.混凝土的体积变形n 混凝土的温度变形n 温度变化会使混凝土热胀冷缩，在结构中产生温度应力，甚至会使构件开裂以至于损坏。影响收缩的因素水泥用量多，水灰比越大骨料的弹性模量大，则收缩小；在结硬过程中，养护条件好，收缩小；使用环境湿度越大，收缩越小。4.混凝土的体积变形1.1.4 混凝土结构的耐久性耐久性：混凝土在规定使用年限内，在各种环境条件下，抵抗各种破坏因素的作用，并长期保持强度和外观完整性的能
11、力。常用的普通混凝土的基本缺点之就是耐久性不足！现状：1)一般建筑工程的使用年限为50100年。2)不少工程在使用1020年后即需维修或重建。美国桥梁破坏实例美国桥梁破坏实例v北京西直门立交桥由于冻融循环，尤其是除冰盐盐冻造成的剥蚀，使用不到15年拆除；东直门、大北窑桥等二十几座立交桥也进行大修或部分更换v沈大高速公路两侧路缘石和排水槽等设施出现了混凝土脱皮、开裂、剥蚀等现象，其中某些路段构件损坏更为严重 盐冻v不少沿海钢筋混凝土因海水腐蚀仅几年就出现明显的钢筋锈蚀，严重影响钢筋混凝土的寿命。影响耐久性的因素结构的环境因素混凝土的质量耐久性降低的原因 混凝土表面长期暴露在大气中，特别是长期受到
12、外界不良气候环境的影响及有害物质的侵蚀，随时间增长使混凝土开裂、碳化剥落、钢筋锈蚀等。控制水灰比减小渗透性提高混凝土的强度等级增加混凝土的密实性控制混凝土中氯离子和碱的含量。1.热轧钢筋 3.钢绞线 2.钢丝 4.热处理钢筋按生产加工工艺的不同分1.2.1 钢筋的种类1.2 钢 筋（1）热轧钢筋热轧钢筋由低碳钢、普通低合金钢在高温状态下轧制而成HPB 300HRB 335 HRB 400HRB 500表面光滑、低碳钢、强度较低，但塑性及可焊性较好。表面有花纹、强度比较高，塑性及可焊性比较好。大、中型钢筋混凝土结构中的受力钢筋。表面有花纹、强度较高，塑性及可焊性比也比较好。大、中型钢筋混凝土结构
13、中的受力钢筋。表面有花纹、强度较高，塑性及可焊性比也比较好。大、中型钢筋混凝土结构中的受力钢筋。钢丝直径为39mm。为增加与混凝 土粘结强度，钢丝表面可采用刻痕或压波，也可制成螺旋肋。钢 丝中高强钢丝是采用优质碳素钢盘条，经过几次冷拔后得到。中强钢丝的强度为8001200MPa，高强钢丝的强度为14701860MPa。预应力钢绞线刻痕钢丝光面螺旋肋钢绞线钢绞线是用2、3、7股高强钢丝扭结而成的一种高强预应力筋，其中以7股钢绞线应用最多。7股钢绞线的公称直径为9.515.2 mm，通常用于无粘结预应力筋，强度可高达1860MPa。2股和3股钢绞线用途不广，仅用于某些先张法构件，以提高与混凝土的粘
14、结强度。普通钢筋强度标准值及设计值（N/mm2）牌号 符号 公称直径d（mm）屈服强度标准值极限强度标准值抗拉强度设计值抗压强度设计值HPB 300 622 300 420 270 270HRB 335 HRBF 335650 335 455300 300 HRB 400 HRBF 400 RRB400650 400 540360 360HRB 500HRBF 500650 500 630435 410屈服强度：指钢筋开始丧失对变形的抵抗能力。并开始大量的塑性变形时所对应的应力。记住钢筋的力学性能1.钢筋的应力-应变曲线由力学性能不同分成：软钢：有明显屈服点的钢筋(热轧钢筋、冷拉钢筋)硬钢：无
15、明显屈服点的钢筋(消除应力钢丝、刻痕钢丝、钢绞线)n 钢筋的应力应变曲线（软钢）比例极限弹性极限屈服上限屈服下限屈服台阶强化阶段n 钢筋的应力应变曲线（软钢）n 钢筋的两个强度指标:屈服强度和极限强度n 屈服强度作为钢筋的强度限值对于有明显屈服台阶的软钢取屈服强度 fy 作为强度设计依据。屈服强度：指钢筋开始丧失对变形的抵抗能力，并开始大量的塑性变形时所对应的应力。n 钢筋的应力应变曲线（无明显屈服点的钢筋,硬钢）极限强度b条件屈服强度0.2硬钢没有明显的屈服台阶，强度很高，但变形很小，脆性也大。0.2的定义：取相应于残余应变0.2%时的应力 0.2作为名义屈服点。取条件屈服强度作为强度设计指
16、标2.钢筋的塑性性能n 钢筋的两个塑性指标:伸长率和冷弯性能n 延伸率试验n 冷弯试验dn 钢筋除了要有足够的强度外，还应具有一定的塑性变形能力。伸长率越大，塑性性能越好，拉断前有明显的预兆。2.2.4 混凝土结构对钢筋性能的要求 要求钢筋有足够的强度和适宜的强屈比(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。（1）强度高：要求钢筋应有足够的变形能力。（2）塑性好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。（3）可焊性好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。（4）与混凝土的粘结力 产生钢筋和混凝土粘
17、结强度的主要原因：混凝土收缩将钢筋紧紧握固而产生的摩擦力；钢筋与混凝土之间接触面上产生的化学吸附作用力；钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的机械咬合力。1.3 钢筋与混凝土的粘结1.3.1 粘结的作用及产生原因n 粘结应力(粘结力)n 钢筋与混凝土接触面上所产生的沿钢筋纵向的剪应力。影响钢筋和混凝土之间粘结强度的主要因素（1）混凝土的强度（2）钢筋的表面形状（3）保护层厚度及钢筋的净距（4）浇注位置（5）横向配筋及横向压力 1.3.3 保证钢筋和混凝土粘结的措施：保证锚固长度和搭接长度；保证钢筋周围的混凝土有足够的厚度；(保护层厚度及钢筋净距)光圆筋在端部做成弯钩。1.钢筋的锚固长度锚固长度：为
18、了避免纵向受力钢筋在受力过程中产生滑移，甚至从混凝土中拔出而造成锚固破坏，纵向受力钢筋必须伸过其受力截面一定长度，这个长度为锚固长度。1.钢筋的锚固长度钢筋的外形系数，光面钢筋取0.16，带肋钢筋取0.14。n 受拉钢筋的基本锚固长度labn 受拉钢筋的锚固长度la锚固长度修正系数1.钢筋的锚固长度不应小于0.6，锚固长度修正系数应按下列规定取用1.当带肋钢筋的公称直径大于25mm时取1.102.环氧树脂涂层带肋钢筋取1.253.施工中易受扰动的钢筋取1.104.锚固区混凝土保护层厚度大于钢筋直径的3 倍，且配有箍筋时，取 0.8 依靠钢筋自身的性能无法满足锚固要求，采用机械锚固措施。机械锚固
19、的形式 当纵向受拉普通钢筋末端采用弯钩或机械锚固措施时，包括弯钩或锚固端头在内的锚固长度可取为基本锚固长度的0.6%。1.当计算中充分利用其抗压强度时，锚固长度不应小于受拉锚固长度的70%纵向受压钢筋锚固长度的规定2.受压钢筋末端不应采用末端弯钩和一侧贴焊锚筋的措施。2.钢筋的搭接长度 通过绑扎搭接、焊接或机械连接，将一根钢筋所受的力传给另一根钢筋。(1)钢筋的绑扎 轴心受拉及小偏心受拉构件（桁架和拱的拉杆等）的纵向受力钢筋不得采用绑扎搭接接头。受拉钢筋直径大于25mm，及受压钢筋直径大于28mm时，不宜采用绑扎搭接接头。纵向钢筋搭接接头面积百分率%25 50 1001.2 1.4 1.61)
20、纵向受拉钢筋绑扎搭接长度受拉钢筋搭接长度修正系数 对梁板及墙类构件，不宜大于25%；对于柱类构件，不宜大于50%；p 绑扎搭接传力机理是钢筋与混凝土之间的粘结锚固作用。p 受拉钢筋搭接接头处的粘结强度低于钢筋锚固状态的粘结强度，其搭接长度应大于锚固长度。p 受压搭接的搭接长度小于受拉搭接长度。2)纵向受压钢筋绑扎搭接长度 受压钢筋的搭接长度不应小于纵向受拉钢筋搭接长度的0.7倍，且在任何情况下不应小于200mm。(2)机械连接 直径大于28的受拉钢筋和直径大于32的受压钢筋宜采用机械连接，接头位置宜错开，且在受力较小处。机械连接区段的长度取为35d（d为纵向受力钢筋的较大直径）。位于同一连接区段内的受拉钢筋接头面积百分率不宜大于50%，受压钢筋的接头面积百分率可不受限制。(3)焊接连接 连接区段的长度取为35d（d为纵向受力钢筋的较大直径）。且不小于500mm。位于同一连接区段内的受拉钢筋接头面积百分率不宜大于50%，受压钢筋的接头面积百分率可不受限制。3.钢筋的弯钩