高等钢筋混凝土结构理论

单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级长江大学城市建设学院研究生课程高等钢筋混凝土结构理论ReinforcedConcreteTheoryandAnalyse单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级高等钢筋混凝土结构理论—第二专题第二讲（内容提要）第二专题:钢筋和混凝土的组合作用第1章钢筋的力学性能第2章钢筋与混凝土的粘结第3章纵向配筋的截面受力特性第4章横向配筋的截面受力特性第5章变形差的力学反应单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级高等钢筋混凝土结构理论—第二专题第二专题：钢筋和混凝土的组合作用钢筋和混凝土的材料本质和力学性能存在巨大差别。钢筋混凝土作为一种组合材料，其力学性能当然不同于二者中的任一种，也不是二者性能的简单叠加;但是又显然取决于二者各自的性能，以及二者的相互配合关系，例如体积比、强度比、弹性模量比、配筋的形式和构造等。从另一方面,如果掌握了组合材料的性能规律，就可以主动地设计和构造二者的组合方式，以提高效益或满足多种工程的需求。本专题介绍钢筋混凝土组合材料的基本特点和主要受力性能，作为研究钢筋混凝土构件性能的基础。各章内容包括:钢筋的力学性能，钢筋埋设在混凝土内的相互粘结作用，两种配筋形式(纵向和横向配筋)的截面受力特性，因各种因素引起钢筋和混凝土变形差后的截面分析等。单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级第1章钢筋的力学性能1.1混凝土结构中的钢材钢材放置在混凝土结构中的主要作用是承受拉力，以弥补混凝土抗拉强度的低下和延性的不足。大部分结构中使用细长的杆状钢筋，甚至直径更细、强度更高的钢丝。有些结构，为了减小截面，减轻结构白重，增强承载力和刚度，方便构造和快捷施工等目的，也使用不同形状的型钢。其它抗拉强度高的材料，也可在混凝土结构中取代钢筋。所以，广义“钢筋混凝土”中的“筋’应该包括不同性质和多种形式的高抗拉材料。现今，实际工程中常用的“筋”可分作几类。(1)钢筋(常用直径6～40mm)(2)高强钢丝(常用直径3～5mm)(3)型钢(4)钢丝网水泥(5)其它替代材料高等钢筋混凝土结构理论—第二专题单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级图1-1钢筋表面的形状图1-2型钢一混凝土组合截面（a)型钢一混凝土(b)钢管混凝土(c)组合桥梁（d)压型钢板高等钢筋混凝土结构理论—第二专题单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级1.2应力-应变关系钢筋的应力一应变关系，一般采用原钢筋、表面不经切削加工的试件进行拉伸试验加以测定。根据应力-应变曲线上有无明显的屈服台阶，将钢材分成两大类，分别称为软钢和硬钢。一般认为，钢筋的受压应力-应变曲线与受拉曲线相同，至少在屈服前和屈服台阶相同。故钢材的抗压(屈服)强度和弹性模量都采用受拉试验测得的相同值。1.2.1软钢1.2.2硬钢图1-3软钢拉伸曲线图1-4硬钢本构模型颈缩段强化段弹性高等钢筋混凝土结构理论—第二专题单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级1.3反复荷载作用下的变形图1-5重复加卸载的钢筋应力一应变曲线图1-6拉压反复加载的钢筋应力一应变曲线图1-7Kent-Park软化段模型高等钢筋混凝土结构理论—第二专题单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级1.4冷加工强化性能1.4.1冷拉和时效图1-8钢筋冷拉和时效后的应力一应变关系1.4.2冷拔图1-9冷拔低碳钢丝的应力一应变由线高等钢筋混凝土结构理论—第二专题单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级1.5徐变和松弛1.5.1徐变和松弛产生的原因高强钢筋和冷加工钢筋在应力水平较高时就发生塑性变形。这类钢材在非弹性变形范围内、在应力的长期作用下，即使在常温状态也将发生徐变或松弛。如前所述，徐变和松弛同是材科塑性变形状态的反映但表现形式不同，在数值上可以互相换算。钢材的徐变是金属晶粒在高应力作用下随时间发生的塑性变形和滑移。在工程中，钢材的徐变使结构(如大跨度悬索结构)的变形增大，应力松弛使混凝土结构中的预应力筋产生预应力损失，降低结构抗裂性，后者更常见。1.5.2影响钢材松弛的因素(1)钢材的品种(2)应力持续时间(3)应力水平(4)温度高等钢筋混凝土结构理论—第二专题单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级1.5.3徐变和松弛产生的原因钢材的松弛试验一般使用很长的试件(数米至数十米)水平放置，一端固定在台座上，另一端在施加拉力后固定住，保持试件的长度不变。为了保证试验的准确性，一般在温湿度变化较小的地下室进行试验。试验开始时，试件的控制应力为，以后试件的应力随时间而减小，量测得应力松弛值。一般取应力持续1000h的松弛值()作为标准。图2-10是4种钢筋的应为松弛试验结果。0r0/r图1-10不同钢种的应力松弛曲线(a)冷拉16Mn钢筋(b)冷拔低碳钢丝(c)高双碳素钢丝(d)钢绞丝高等钢筋混凝土结构理论—第二专题单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级第2章钢筋与混凝土的粘结2.1粘结力的作用和组成2.1.1粘结力的产生图2－1钢筋的粘结和锚固状态（a)无枯结，无锚具(b)无粘结，端部设锚具(c沿全长和端部粘结可靠(d)平衡条件高等钢筋混凝土结构理论—第二专题单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2.1.2粘结应力状态图2－2两类粘结应力状态(a)筋端锚固粘结(b)缝间粘结(1)钢筋端部的锚固粘结(2)裂缝间粘结高等钢筋混凝土结构理论—第二专题单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2.1.3粘结力的组成（1）组成①混凝土中的水泥凝胶体在钢筋表面产生的化学粘着力或吸附力，其抗剪极限（）取决于水泥的性质和钢筋表面的粗糙程度。②周围混凝土对钢筋的摩阻力，当混凝土的粘着力破坏后发挥作用。它取决于混凝土发生收缩或者荷载和反力等对钢筋的径向压应力，以及二者间的摩擦系数等。③钢筋表面粗糙不平，或变形钢筋凸肋和混凝土之间的机械咬合作用，即混凝土对钢筋表面斜向压力的纵向分力。其极限值受混凝土的抗剪强度控制。（2）钢筋和混凝土的粘结参数试验粘图2－3钢筋和混凝土的粘结参数试验(a)粘着力试验(b)摩擦系数试验(c)表面粗糙度和咬合力高等钢筋混凝土结构理论—第二专题单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2.2试验方法和粘结机理2.2.1实验方法(1)拉式试验图2－4粘结试验的拉式试件(a)早期(b)RILEM-FIP-CEB(c)CP110(英)(d)短埋试件高等钢筋混凝土结构理论—第二专题单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级(2)梁式试验图2－5粘结试验的梁式试件图2－6粘结试验的装置和量测(a)试验量测装置(b)钢筋内部粘贴电阻片高等钢筋混凝土结构理论—第二专题单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2.2.2光圆钢筋图2-7光圆钢筋的拔出试验结果(a)曲线(b)应力和滑移分布图2-8变形钢筋的拔出试验结果(a)曲线(b)应力和滑移分布ss2.2.3变形钢筋高等钢筋混凝土结构理论—第二专题单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级1.变形钢筋的粘结破坏和内部裂缝发展过程图2－9变形钢筋的粘结破坏和内部裂缝发展过程(a)纵向(b)横向(c)破坏状态图2－10配设横向箍筋的试件曲线s2.配设横向箍筋的曲线s高等钢筋混凝土结构理论—第二专题单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2.3影响因素（1）混凝土强度（fcu或ft)图2-11混凝土强度对粘结性能的影(a)曲线(b)s.utf图2－12粘应力特征值与ft的关系图2－13粘强度与保护层厚度的关系图2－14钢筋净间距s对劈裂裂缝的影响（2）保护层厚度(c)高等钢筋混凝土结构理论—第二专题单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级（3）钢筋的埋长()s图2－15钢筋埋长对粘结强度的影响图2－16不同肋形钢筋的曲线（4）钢筋的直径和外形l高等钢筋混凝土结构理论—第二专题单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级（5）横向箍筋图2－17横向箍筋对粘结强度的影响（6）横向压应力sv24svsvsvsvsvAdcscs式中:c为保护层厚度；和为箍筋的直径和间距svssvd图2－18横向压应力对曲线的影响s（7）其他因素高等钢筋混凝土结构理论—第二专题单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级第3章纵向配筋的截面受力特性对承受各种内力(即轴力、弯矩、剪力和扭矩)的一维构件和二、三维结构，应力分析后都可以找到主应力方向。在主应力方向无非是压力或拉力。沿主拉应力方向配设钢筋当然最为有效，在主压应力方向加设钢筋也有增强作用。因此，钢筋棍凝土作为组合材料承受轴向压力和拉力是最简单、也是最基本的受力状态。掌握其受力性能的一般规律，是了解其它构件性能的基础。3.1受压构件图3－1轴心受压柱和材料本构关系(a)外形和配筋(b)钢筋(c)混凝土高等钢筋混凝土结构理论—第二专题单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级3.1.1基本方程为了准确地分析此柱在轴心压力(N)作用下的受力、变形和破坏的全程。需要建立三类基本方程。（1）几何（变形）条件（2）物理（本构）关系对于钢材：对混凝土受压应力一应变全曲线，可根据材料的性质和强度等级选取合理的方程和参数值。非线性的应力和应变关系可表达成一般形式:（3）力学（平衡）方程式中:Nc和Ns分别为混凝土和钢筋承受的压力。ssEyfsysssEsysyfconst式中:和为钢筋的弹性模量和屈服强度。0ccE0sEnEcsccssNNNAA高等钢筋混凝土结构理论—第二专题0()ccscnNAAA单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级3.1.2应力和应变分析（1）钢筋屈服之前（2）钢筋已屈服，混凝土达到峰值应变（3）混凝土峰值应变后yp图3－2轴心受压柱的应力和变形(a)轴力-变形(b)钢筋和混凝土的应力ypyypp000cNAEAl000yycysNEAEAfAuccysNfAfA高等钢筋混凝土结构理论—第二专题单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级应力和应变分析（1）混凝土峰值应变之前（2）混凝土应力下降，钢筋达屈服（3）钢筋屈服以后yp图3－3轴心受压柱的应力和变形(a)材料(b)轴力-变形(c)钢筋和混凝土的应力ypppyypccpssNfAEApuccysNNfAfA0yycysNEAfA高等钢筋混凝土结构理论—第二专题单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级3.2受拉构件3.2.1应力和变形分析(裂缝截面)1.基本方程（1）几何（变形）条件（2）物理（本构）关系（3）力学（平衡）方程图3－4轴心受拉杆(a)外形和配筋(b)混凝土受拉应力－应变全曲线st0tttEssttttnn或0()tstcsttnNNNAAA高等钢筋混凝土结构理论—第二专题单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2.应力和应变分析（1）混凝土开裂之前（2）混