混凝土结构设计原理-材料及性能.

第一章钢筋混凝土结构的基本概念及材料的物理力学性能1本章目录1.1钢筋混凝土结构的基本概念1.2混凝土1.3钢筋1.4钢筋与混凝土之间的粘结2教学要求理解钢筋混凝土结构的概念和混凝土中配置受力钢筋的作用。理解混凝土的立方体抗压强度，轴心抗压强度和抗拉强度概念，了解混凝土的弹性模量、徐变和收缩变形。深刻理解混凝土在一次单调加载作用下受压应力-应变曲线。了解普通热轧钢筋的强度和变形，掌握普通热轧钢筋的强度级别和品种。理解钢筋与混凝土之间的粘结性能及其机理。31.1钢筋混凝土结构的基本概念4例：一跨度为4m，跨中作用集中荷载的简支梁，梁截面尺寸200×300mm，混凝土为C20。如图所示：4000AAFa)200300A－Ab)4000BBB－B2003002103165素砼梁极限荷载P=8kN由砼抗拉强度控制，梁的开裂即等于破坏：Mu=Mcr极限弯矩开裂弯矩破坏性质：脆性6钢筋混凝土梁的表现MuMcr破坏性质：延性7开裂不等于破坏！受拉钢筋替代。极限荷载P=36kN由此得出钢筋和混凝土结合的有效性：大大提高结构的承载力结构的受力性能得到改善钢筋的作用是代替混凝土受拉(受拉区混凝土出现裂缝后)或协助混凝土受压。8图1-2素混凝土和钢筋混凝土轴心受压构件的受力性能比较a)柱的压力——混凝土应变曲线；b)素混凝土柱；c)钢筋混凝土柱1.混凝土与钢筋之间有可靠的粘结力，二者在荷载作用下能协调地共同受力、共同变形。2.二者的温度线膨胀系数相近，不会由于温度变化产生较大的温度应力而破坏粘结力。钢筋st=1.210–5混凝土ct=(1.0～1.5)10–53.呈碱性的混凝土可以保护钢筋免遭锈蚀，使钢筋混凝土结构具有较好的耐久性。钢筋与混凝土共同工作的三要素9钢筋混凝土结构的优点钢筋混凝土结构的缺点1011混凝土的性质：非匀质、各向异性、离散性、抗压强度高的弹塑性材料。其破坏是由于内部微裂缝引起的。§1-2混凝土hydratedcoresC-S-HC-S-HCapillaryporemicrocracks1%mm=28d121.2.1混凝土的强度1）混凝土立方体抗压强度fcu混凝土的立方体抗压强度是按规定的标准试件和标准试验方法得到的混凝土强度基本代表值。每边边长为150mm的立方体为标准试件。标准试件在20℃±2℃的温度和相对湿度在95%以上的潮湿空气中养护28d，依照标准制作方法和试验方法测得的抗压强度值（以MPa为单位）作为混凝土的立方体抗压强度。13常用等级：C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C55，C60，C65，C70，C75，C80一般将C50以下称为普通砼，C50及以上称为高强砼混凝土强度等级：14混凝土立方体抗压强度与试验方法有着密切的关系。15图1-3立方体抗压强度试件a)立方体试件的受力；b)承压板与试件表面之间未涂润滑剂时；c)承压板与试件表面之间涂润滑剂时规定采用的方法是不加油脂润滑剂的试验方法。▲套箍作用立方体抗压强度试验，试块的受力状态，加压板与砼接触面间产生摩阻力形成环箍效应。端部砼单元体处于三向受压，由于试块高度小，中部砼也受到较大的侧向约束，处于三向受压，强度提高。▲尺寸效应尺寸大，中部侧向约束小，强度值偏低。尺寸小，中部侧向约束大，强度值偏高。尺寸不标准时应加以修正。非标准试件修正系数100×100×1000.95200×200×2001.05▲加荷速度的影响加荷速度越快，强度值越高；加荷速度越慢，强度值越低。一般每秒钟压应力增量为fcuC300.3~0.5MPa/sfcu≥C300.5~0.8MPa/s162）混凝土轴心抗压强度（棱柱体抗压强度）棱柱体试件（高度大于截面边长的试件）的受力状态更接近于实际构件中混凝土的受力情况。按照与立方体试件相同条件下制作和试验方法所得的棱柱体试件的抗压强度值，称为混凝土轴心抗压强度，用符号fc表示。17混凝土的轴心抗压强度试验以150mm×150mm×300mm的试件为标准试件。图1-4h/b对抗压强度的影响cucff76.03）轴心抗拉强度TensileStrength混凝土的轴心抗拉强度可以采用直接轴心受拉的试验方法来测定，但由于试验比较困难，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。劈拉试验FaF拉压压22aFft也可以用圆柱体进行劈拉试验tf18砼的抗拉强度很低，ctff)181~81(随混凝土强度等级的提高，抗拉强度的增长慢于抗压强度的增长。32)(26.0fcuft19Biaxialloadingdevice4)Concretestrengthundercombinationofmultiplestresses（1）bidirectionalstresses4)砼在多轴应力状态下的强度206.04.02.00.12.18.04.02.06.08.00.12.12112c2/fc1/fc227.1fc127.1maxf215.001.021结论双向受压，抗压强度提高，最多可达1.27左右；双向受拉，抗拉强度影响不大；一向受拉，另一向受压，抗压强度要降低。抗拉强度要降低。cf22混凝土的抗压强度:由于剪应力的存在而降低。混凝土的抗剪强度：随拉应力增大而减小随压应力增大而增大（0.6fc）当压应力在0.6fc左右时，抗剪强度达到最大，压应力0.6fc后，则由于内裂缝发展明显，抗剪强度将随压应力的增大而减小。正应力和剪应力共同作用下：23砼三轴受压2cc:kffc抗压强度大大提高工程应用：约束混凝土钢管砼密排螺旋箍筋2002=50N/mm235N/mm212210N/mm21501005005101520251(‰)砼强度对比241.2.2砼的变形ConcreteDeformations受力变形体积变形长期加载重复加载一次短期加载下的变形温度变化收缩251）混凝土在一次单调加载作用下的变形性能（1）短期荷载作用下混凝土的应力－应变关系,—近似呈直线，—明显呈曲线，增加更快。试件破坏cf3.0~2.0cf5.0cf8.0ccf,0cu26砼强度等级对—曲线的影响（图1－11）砼强度等级降低曲线平缓，延性好uhcEf002.00ccf0035.0~003.0cu(反弯点)——延性指标cu27（2）混凝土的弹性模量与变形模量混凝土的弹性模量有三种表示方法①原点弹性模量Ec’②切线模量Ec’’③变形模量Ec’’’28图1-12混凝土变形模量的表示方法kcc10cecp0原点弹性模量：cec0ctanE变形模量or割线模量cccE1tancccceEE——弹性特征系数0.1，一般cf5.0，取0.129我国《公路桥规》混凝土弹性模量Ec取值方法：试验采用棱柱体试件，取应力上限为σ=0.5fc，然后卸荷至零，再重复加载卸荷5～10次，变形已基本趋于稳定，应力——应变曲线接近于直线（图1-13），该直线的斜率即作为混凝土弹性模量的取值。30图1-13测定混凝土弹性模量的方法混凝土Ec的经验公式为：取混凝土的受拉弹性模量与受压弹性模量相等。31)74.34(2.210,5kcucfE（MPa）（1-7）——混凝土立方体抗压强度标准值.混凝土弹性模量值见附表1-2。kcuf,混凝土的剪切弹性模量Gc，一般可根据试验测得的混凝土弹性模量Ec和泊松比按式（1-8）确定：32（1-8）其中vc为混凝土的横向变形系数（泊松比）。取vc=0.2时，代入式（1-8）得到Gc=0.4Ec。cccEG122）混凝土在长期荷载作用下的变形性能——徐变变形在荷载的长期作用下，混凝土的变形将随时间而增加，即在应力不变的情况下，混凝土的应变随时间继续增长，这种现象被称为混凝土的徐变。混凝土徐变变形是在持久作用下混凝土结构随时间推移而增加的应变。33CREEPMEASUREMENTDEVICE徐变测试装置extensometersample34混凝土的徐变特性主要与时间参数有关。35凝胶体的粘性流动微裂缝的发展水分逐渐压出徐变的原因：徐变系数稳定后的最终徐变系数常数0cc4~236应力大小线性徐变初应力c0.5fc，徐变与初应力呈正比。非线性徐变当c0.8fc，发散，徐变发展最终导致破坏。作为混凝土的长期抗压强度。0.8fc（cf8.0~5.0），cr与不再成比例，cr增长速度比快，徐变仍然收敛；徐变的影响因素：3738图1-15压应力与徐变的关系加载龄期内在因素是混凝土的组成和配比。骨料(aggregate)的刚度（弹性模量）越大，体积比越大，徐变就越小。水灰比越小，徐变也越小。环境影响包括养护和使用条件。受荷前养护(curing)的温湿度越高，水泥水化作用越充分，徐变就越小。采用蒸汽养护可使徐变减少（20~35）%。受荷后构件所处的环境温度越高，相对湿度越小，徐变就越大。混凝土内水分的逸失取决于构件的尺寸和体表比（构件体积与表面积之比）。构件的尺寸越大，体表比越大，徐变就越小。39徐变对结构的影响：有利？不利？使构件的长期变形增加；在截面中引起应力重分布；在预应力混凝土结构中引起预应力损失。40413)收缩shrinksh42在混凝土凝结和硬化的物理化学过程中体积随时间推移而减小的现象称为混凝土收缩。混凝土的收缩是一种随时间而增长的变形（图1-18）。结硬初期收缩变形发展很快，两周可完成全部收缩的25%，一个月约可完成50%，三个月后增长缓慢，一般两年后趋于稳定，最终收缩变形值约为(2～6)×10-4。43图1-18混凝土的收缩变形与时间关系引起混凝土收缩的原因：主要是硬化初期水泥石在水化凝固结硬过程中产生的体积变化，后期主要是混凝土内自由水分蒸发引起的干缩。影响混凝土收缩的因素：（1）混凝土的组成和配合比。（2）混凝土构件的养护条件、使用环境的温度与湿度等。（3）混凝土构件的体表比。44收缩对结构的影响自由收缩：一般不会引起拉应力，故不会开裂约束收缩：产生收缩应力甚至开裂来自内部的钢筋约束来自支座的外部约束收缩与徐变4546温度变形——受到约束时产生温度应力水工中的大体积混凝土结构，变形受到约束时,温度应力常可能超过外部荷载引起的应力。有时，仅温度应力就可能形成贯穿性裂缝，导致渗漏、钢筋锈蚀，结构整体性、承载力、耐久性降低。471.3钢筋配筋混凝土结构中采用的钢筋有由热轧低碳钢、低合金钢所制成的普通钢筋和由高碳钢制成的预应力钢筋（例如，高强度碳素钢丝、钢绞线等）。钢筋混凝土结构采用的普通钢筋为热轧钢筋。48图1-19热轧钢筋的外形a)光圆钢筋；b)螺纹钢筋；c)人字形钢筋；d)月牙形钢筋Coilbars盘条495051热轧带肋钢筋截面包括纵肋和横肋，外周不是一个光滑连续的圆周，因此，热轧带肋钢筋直径采用公称直径。公称直径是与钢筋的公称横截面积相等的圆的直径，即以公称直径的圆面积就是钢筋的截面面积。对于热轧光圆钢筋截面，其直径就是公称直径。52热轧钢筋的强度等级和牌号钢筋的牌号是根据钢筋屈服强度标准值、制造成型方式及种类等规定加以分类的代号。热轧钢筋的牌号是由英文字母缩写和屈服强度标准值组成。53国产热轧钢筋牌号及力学能特征值表1-1细晶粒系列HRBF钢筋，HRB500钢筋和热处理钢筋RRB400都不能用作承受疲劳作用的钢筋，这时宜采用HRB400钢筋。目前，《公路桥规》规定公路桥梁钢筋混凝土结构使用的热轧钢筋牌号为R235（HPB235）、HRB335、HRB400和KL400（RRB400）。当钢筋混凝土构件处于受侵蚀物质等影响的环境中时，《公路桥规》建议可以采用环氧树脂涂层钢筋。环氧树脂涂层钢筋是在工厂生产条件下，用热轧钢筋采用环氧树脂粉来以静电喷涂方法生产的