1第一章混凝土结构用材料的性能(课件)

混凝土结构设计原理１1混凝土结构材料的性能本章主要讨论以下三个内容：钢筋的品种、级别、性能及其选用原则；混凝土在各种受力状态下的强度与变形性能及其选用原则；钢筋与混凝土的共同工作原理。1.1钢筋1.1.1钢筋的品种与性能1、热轧钢筋（1）、热轧钢筋的种类表1-1常用热轧钢筋的种类、代表符号和直径范围强度等级代号强度值2Nmm钢种符号直径d（mm）表面形状ⅠHPB235235低碳钢8～20光圆ⅡHRB335335低合金钢6～50变形ⅢHRB400400低合金钢6～50变形ⅣRRB400400低合金钢8～40余热处理（2）、热轧钢筋的力学性能①应力—应变曲线的一般特征及其简化②热轧钢筋的强度及弹性模量钢筋的屈服强度是混凝土结构构件设计计算时的主要依据之一。屈服极限极限强度（强度极限）。屈强比，钢筋的屈服强度与极限抗拉强度之比。一般要求，屈强比小于0.8。③塑性性能A、伸长率：1混凝土结构材料的性能２100%lll。当5ld时，伸长率用5表示；当10ld时，伸长率用10表示；当100mml时，伸长率用100表示；d为试件直径。另外，还有均匀伸长率gt。B、冷弯性能关于伸长率和冷弯性能的试验方法，如图1-4、1-5所示。2、中高强钢丝和钢绞线（1）、中高强钢丝和钢绞线的力学性能（2）、中高强钢丝和钢绞线的种类（3）热处理钢筋。3、冷加工钢筋冷加工钢筋，是指在常温下，采用某种工艺对热轧钢筋进行加工得到的钢筋。常用的加工工艺有，冷拉、冷拔、冷轧和冷轧扭等四种工艺。（1）、冷拉钢筋，如图1-8所示。（2）、冷拔钢筋，如图1-9、1-10所示。（3）、冷轧带肋钢筋，如图1-11所示。（4）、冷轧扭钢筋，如图1-12所示。1.1.2混凝土对钢筋性能的要求（见《教科书》）1、强度高；2、塑性好；3、可焊性好；4、与混凝土的粘结锚固性能好。1.1.3钢筋的选用原则（见《教科书》）1.2混凝土1.2.1混凝土的强度在实际工程中，大多数混凝土受力构件，都处于复杂应力状态。但是，单向受力状态下的混凝土强度，是复合应力状态下混凝土强度的基础和重要参数。1、混凝土抗压强度（1）、立方体抗压强度cu,kf以边长为150mm的立方体试件作为标准试件，在203C的温度和90%以上的相对湿度条件下，养护28天，按照标准的试验方法所测得的、具有95%保证混凝土结构设计原理３率的抗压强度（单位：2Nmm），作为混凝土的立方体抗压强度，用符号cu,kf表示。普通混凝土强度等级划分。试验方法对立方体抗压强度值的影响。加载方式。试件尺寸的影响。加载速度的影响。（2）、轴心抗压强度ckf棱柱体标准试件尺寸为：150mm×150mm×300mm，试验方法和立方体抗压强度的试验方法基本相同，由此得到的混凝土试件中部的抗压强度，称为棱柱体抗压强度，又称为轴心抗压强度，用ckf表示。轴心抗压强度标准值ckf与立方体抗压强度标准值cu,kf的关系为ck12cu,k0.88ff其中，1——为混凝土轴心抗压强度与立方体抗压强度的比值。2——为混凝土的脆性系数。0.88——为考虑结构中的混凝土强度与混凝土试块强度之间的差异等因素的修正系数。混凝土单向受压时的破坏过程。三个阶段。如图1-15所示。第一阶段，ck0.3~0.4f。第二阶段，ckck0.3~0.40.7~0.9ff。第三阶段，ckck0.7~0.9ff。试验表明，混凝土受压破坏是由于混凝土内裂缝的扩展所致。2、混凝土抗拉强度混凝土的抗拉强度tkf,大约只有抗压强度的5%～10%。根据试验方法的不同，混凝土抗拉强度有轴心抗拉强度和劈裂抗拉强度。混凝土抗拉强度标准值tkf与立方体抗压强度标准值cu,kf的关系为0.450.55tk2cu,k0.880.39511.645ff3、混凝土复合强度①双向受力强度②法向应力和切向应力作用下的复合强度③三向受压强度1.2.2混凝土的变形1混凝土结构材料的性能４受力变形。非受力变形（体积变形）。1、混凝土的受力变形（1）、受压混凝土一次短期加载下的~曲线一次短期加载，是指荷载从零开始单调增加至试件破坏，也称单调加载。—次短期加载下混凝土受压应力—应变全曲线，如图1-23所示。（2）、混凝土的弹性模量、变形模量混凝土的模量有三种表示方法：①、混凝土的初始弹性模量。在应力—应变曲线的原点，做一切线，其斜率为混凝土的原点模量，称为初始弹性模量，以0E表示，00tgE其中，0为混凝土应力—应变曲线在原点处的切线与横坐标的夹角。②、混凝土的变形模量，又称为割线模量。连接原点至曲线任一点应力为c处割线的斜率，称为任意点变形模量或称割线模量，以cE表示，它的表达式为c1tgE混凝土的变形模量是个变值，它随应力大小而不同。③、混凝土的切线模量。在混凝土应力—应变曲线上某一应力c处做一切线，其应力增量与应变增量之比值，称为相应于应力c时混凝土的切线模量，以cE表示，ctgE可以看出，混凝土的切线模量是一个变值，它随着混凝土的应力增大而减小。根据统计分析，混凝土的弹性模量可按下式计算混凝土结构设计原理５52ccu,k10Nmm34.72.2Ef另：混凝土的泊松比（横向应变与纵向应变之比）：c0.2；混凝土的剪切模量：cc0.4GE（3）、混凝土受拉变形混凝土轴心受拉应力—应变曲线，如图1-26所示。（4）、混凝土的徐变徐变变形是混凝土构件在长期荷载作用下，当荷载或应力保持不变时，变形或应变随时间而增加的现象。混凝土的徐变曲线，如图1-27所示。影响混凝土徐变的因素有三个方面：内在因素：混凝土的组成和配合比。环境因素：养护和使用条件下的温度和湿度。应力因素：混凝土的应力条件。具体请见《教科书》。2、混凝土的非受力变形（1）、混凝土的收缩与膨胀混凝土在空气中结硬时体积减小的现象，称为收缩。混凝土在水中或处于饱和湿度情况下，结硬时体积增大的现象，称为膨胀。影响因素：请见《教科书》。（2）、混凝土的温度变形当温度变化时，混凝土体积将发生变化，即，温度变形。当温度变形受到外界的约束而不能自由发生时，将在构件内产生温度应力。以上变形，都会使混凝土出现裂缝。1.2.3混凝土的选用原则建筑工程中：钢筋混凝土构件的强度等级不应低于C15；当采用HRB335级钢筋时，混凝土强度等级不应低于C20；当采用HRB400和RRB400级钢筋以及承受重复荷载的构件，混凝土强度等级不得低于C40；预应力混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C30；当采用钢绞线、钢丝、热处理钢筋作预应力钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C40。1混凝土结构材料的性能６1.3钢筋与混凝土的粘结1.3.1粘结力的定义1、局部粘结应力混凝土结构受力时，若钢筋和混凝土有相对滑移，就会在钢筋和混凝土的接触面上产生沿钢筋轴线方向的相互作用力（剪应力），这种力就称为钢筋和混凝土的局部粘结力。以无粘结轴心受拉构件和有粘结轴心受拉构件为例说明。无粘结轴心受拉构件，如图所示。有粘结轴心受拉构件，如图1-31所示。假设：钢筋混凝土拉杆中的钢筋截面面积为sA，混凝土截面面积为cA。在构件端部，全部轴力N由钢筋负担，故钢筋应力s0sNA，相应的应变为s0s0sE，sE为钢筋的弹性模量，此时，混凝土的应力c00，应变c00。于是，由于钢筋与混凝土之间的应变差，使二者之间产生了相对滑移趋势，于是，产生剪应力，即，粘结应力。通过粘结应力，将钢筋的拉应力逐渐向混凝土传递。随着距端部截面距离的增大，钢筋应力s，以及相应的应变s逐渐减小；而混凝土的拉应力c，以及相应的拉应变c逐渐增大，二者的应变差逐渐减小。直到距端部tl处，钢筋与混凝土的应变相同，无相对滑移0。在构件端部txl区间，取出长度为dx的微段（钢筋）。设钢筋直径为d，截面积为2s4Ad，钢筋应力为sx，其应力增量为sd，于是，由平衡条件，可得2s4ddddx即，4sdddx上式表明，粘结应力使钢筋应力s沿其长度上发生数量变化，或者说，没有粘结应力就不会产生钢筋应力增量sd；反之，没有钢筋应力s的变化就不存在粘结应力。混凝土结构设计原理７当轴力N保持恒定时，距端部距离超过tl的各截面上，0，由上式可知，钢筋应力s及混凝土应力c，均不再改变，保持常值。如增大轴力N，钢筋应力s及混凝土拉应力c也相应增大。当c增大到等于混凝土的抗拉强度tf时，在混凝土构件中最弱的截面上，将出现裂缝，如下图所示。在开裂截面，混凝土退出工作，拉力全部由钢筋负担，钢筋应力将增大到等于构件端面的钢筋应力s0。因此，开裂截面可视为端部截面，开裂截面两侧将产生反向粘结应力。如再出现新的裂缝，同样，在裂缝两侧，将产生粘结应力。这种粘结应力称为局部粘结应力，其作用是使裂缝之间混凝土参与受拉。对于钢筋混凝土梁，如果钢筋与混凝土之间无粘结，如下图所示，梁受力后，钢筋与混凝土间不存在阻止相对滑动的粘结应力，因此钢筋不会伸长，不参与受力，钢筋混凝土梁如同一个素混凝土梁。如钢筋与混凝土间具有充分的粘结，如图1-32所示。受力后，在集中荷载与支座之间的区段内，钢筋与混凝土接触面上将产生粘结应力，通过它将部分拉力传给钢筋，使钢筋受拉，形成钢筋混凝土梁。显然，钢筋中拉力的大小，取决于钢筋与混凝土的粘结作用。如在AB间取出长度为dx微段的钢筋，则由平衡关系，同样可写出粘结应力与sd的关系式。由该关系式可知，开裂以前，BB之间钢筋应力s不变，故0；在AB之间，sd等于常数，故粘结应力为均匀分布。开裂以后，裂缝截面钢筋拉应力增大，大部分受拉区混凝土退出工作，与轴心受拉构件相似，同样在裂缝两侧，将出现局部粘结应力。1混凝土结构材料的性能８2、锚固粘结应力除了上述裂缝间的局部粘结应力以外，对于构件的强度至关重要的，是钢筋在支座及节点处的锚固粘结应力。如图1-33所示，为梁或屋架的支座，受拉钢筋在支座中须有足够的“锚固长度”al，通道这段长度上粘结应力的积累，才能在钢筋中建立起所需发挥的拉力。局部粘结应力的丧失，只影响到构件的刚度和裂缝开展，而锚固粘结应力的丧失，将使构件提前破坏，降低承载能力。1.3.2粘结力的组成1、粘结力组成光面钢筋的粘结性能试验表明，钢筋和混凝土的粘结力，主要有下面四种影响因素，（1）、化学胶结力（水泥胶体对钢筋的粘着力）；（2）、摩擦力（钢筋与混凝土之间的摩擦力）；（3）、机械咬合力（钢筋表面凹凸不平与混凝土的机械咬合作用）；（4）、钢筋端部的锚固力（钢筋端部在混凝土内的锚固作用）；2、光圆钢筋的粘结性能直段光圆钢筋的粘结力主要来自于化学胶结力和摩擦力。试验方法和试验结果，如图1-34、1-35所示，见《教科书》。3、变形钢筋的粘结性能变形钢筋的粘结力，除了化学胶结力和摩擦力以外，机械咬合力是粘结强度的主要来源。试验方法和试验结果，如图1-36、1-37所示，见《教科书》。4、影响粘结强度的因素影响钢筋与混凝土粘结强度的因素很多，主要影响因素有：混凝土强度、保护层厚度、钢筋净间距、横向配筋、侧向压应力以及浇筑混凝土时钢筋的位置等。（1）、光圆钢筋及变形钢筋的粘结强度，都随混凝土强度等级的提高而提高，但不与混凝土立方体强度cu,kf成正比。我国进行的大量试验表明，当其他条件基本相同时，粘结强度与混凝土的抗拉强度tf大致成正比关系。（2）、与光圆钢筋相比，变形钢筋具有较高的粘结强度。但是，使用变形钢筋，在粘结破坏时，容易使周围混凝土产生劈裂裂缝，裂缝对结构的耐久性是非常不利的。如果钢筋外围的混凝土保护层太薄，可能使外围混凝土因产生径向劈裂而使粘结强度降低。增大保护层厚度，保持—定的钢筋间距，则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。（3）、混凝土构件截面上有多根钢筋并列在一排时，钢筋间的净间距对粘结强度有重要影响。钢筋净间距过小，外围混凝土将发生水平劈裂，形成贯穿整个混凝土结构设计原理９