2012水工钢筋混凝土结构-第一章

第一章混凝土结构材料的物理力学性能1.钢筋的力学性质。2.立方体抗压强度是怎样确定的。3.影响混凝土抗压强度的因素有那些。4.混凝土收缩与徐变有什么区别和联系。本章重点混凝土结构主要用钢筋和混凝土材料制作而成。为了合理地进行混凝土结构设计，需要深入地了解混凝土和钢筋的受力性能。对混凝土和钢筋力学性能、相互作用和共同工作的了解，是掌握混凝土结构构件性能并对其进行分析与设计的基础。第一节钢筋的品种和力学性能一.钢筋的品种热轧钢筋－将钢材在高温下轧制而成，根据强度高低，分为HPB235、HRB335、HRB400等几种。钢丝－消除预应力钢丝。将钢筋拉拔后，经中温回火消除应力并进行稳定化处理的钢丝。钢绞线－由多根高强光圆或刻痕钢丝捻制在一起经过低温回火处理清除内应力后而制成。螺纹钢筋－高强精轧螺纹钢筋。钢棒－预应力混凝土用钢棒按表面形状分为光圆钢棒、螺旋槽钢棒、螺旋肋钢棒、带肋钢棒四种。按使用用途分：普通钢筋、预应力钢筋D—公称直径3股钢绞线量测尺寸钢绞线刻痕钢丝螺旋肋钢丝按外形分光面钢筋变形钢筋:等高肋钢筋、月牙肋钢筋按化学成分碳素钢普通低合金钢－在碳素钢基础上加入少量的硅、锰、钛、钒、铬等合金元素。有效提高钢材的强度，改善钢材的其它性能。强度高、塑性及可焊性好低碳钢－含碳量0.25%中碳钢－含碳量0.25%~0.6%高碳钢－含碳量0.6%~1.4%除铁外，含少量碳、硅、锰、硫、磷热轧钢筋光圆钢筋螺纹钢筋月牙纹钢筋人字纹钢筋图1-1按表明形状分：热轧光圆钢筋、热轧带肋钢筋建筑用钢筋要求：一定的强度（屈服强度和抗拉强度）、足够的塑性（伸长率和冷弯性能）、良好的焊接性能。热轧钢筋是钢厂用普通低碳钢(含碳量不大于0.25％)和普通低合金钢(合金元素不大于5％)高温轧制而成。《混凝土结构设计规范》中热轧钢筋的分类：HPB235级、HRB335级、HRB400级Ⅲ级、RRB400级Ⅳ级HRB335钢筋:热轧带肋钢筋，直径6～50mm，应用广泛。HPB235钢筋：热轧光圆钢筋，直径6～22mm，低碳钢，强度、塑性及焊接性能较好；强度稍低、粘接力差用于混凝土板、箍筋RRB400钢筋：余热处理钢筋，不用于普通混凝土，冷拉后用于预应力混凝土，焊接质量难控制，低温下易冷脆HRB400钢筋：热轧带肋钢筋，直径6～50mm，强度高，冷拉后用作预应力钢筋HRB500钢筋：热轧带肋钢筋。强度等级代号钢种符号d/mmHPB235Q235（低碳钢）6~20HRB33520MnSi（低合金钢）6~50HRB40020MnSiV,20MnSiNb,20MnTi（低合金钢）6~50RRB400K20MnSi（低合金钢）8~40HPB235为热轧光面钢筋，普通钢筋HRB335和HRB400是热轧变形钢筋，普通钢筋RRB400是余热处理钢筋余热处理钢筋是将屈服强度相当于HRB335的钢筋在轧制后穿水冷却，然后利用芯部的余热对钢筋表面的淬水硬壳回火处理而成的变形钢筋。其性能接近于HRB400级钢筋，但不如HRB400级钢筋稳定，焊接时钢筋回火强度有所降低，因此应用范围受到限制。常用热轧钢筋的种类、代表符号和直径范围钢丝：消除预应力钢丝。将钢筋拉拔后，经中温回火消除应力并进行稳定化处理的钢丝。直径越细强度越高，中强钢丝的强度为800~1200MPa，高强钢丝、钢绞线的强度为1470~1860MPa；钢丝的直径3~9mm；外形有光面、刻痕和螺旋肋三种用作预应力钢筋钢绞线－由多根高强光圆或刻痕钢丝捻制在一起经过低温回火处理清除内应力后而制成。有2股、3股和7股。螺纹钢筋－高强精轧螺纹钢筋。只要做预应力锚杆。钢棒－预应力混凝土用钢棒按表面形状分为光圆钢棒、螺旋槽钢棒、螺旋肋钢棒、带肋钢棒四种。水工中列入螺旋槽钢棒和螺旋肋钢棒。力学性能软钢：热轧Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级钢筋，力学性质较软，亦称有明显屈服点的钢筋硬钢：热处理钢筋及高强钢丝，力学性质高强而硬，亦称无明显屈服点的钢筋二．钢筋的力学性能•钢筋的－曲线lPPAAPllⅠ级钢筋的－曲线oa－弹性阶段abc－屈服阶段cd－强化阶段de－破坏阶段a－比例极限b－屈服强度d－抗拉强度（一）、软钢的力学性能1.钢筋的－曲线特征Ⅰ级钢筋简化的－曲线软钢：当应力达到屈服强度后，荷载不增加，应变会继续增大。fyy1Es双线性理想弹塑性关系yyysfE钢筋除需有足够的强度外，还应具有一定的塑性变形能力，钢筋的塑性通常用伸长率和冷弯性能两个指标来衡量。%100112lll2.1伸长率：软钢的塑性性能上图e点所对应的横坐标为伸长率。冷弯性能：弯心直径冷弯角度2.2冷弯是将直径为d的钢筋绕直径为D的钢辊，弯成一定的角度而不发生裂纹，就表示合格。钢筋塑性越好，冷弯角就可越大，钢棍直径也可越小钢材中含碳量越高，屈服强度和抗拉强度就越高，伸长率就越小，流幅也相应缩短。（二）、硬钢的力学性能应力-应变关系为非线性协定流限：经过加载和卸载后尚存有0.2%永久残余变形时的应力.硬钢塑性差，伸长率小，破坏时突然断裂。0.2%0.2(N/mm2)o0.2－条件屈服强度相当于70~80%的抗拉极限强度力学性能比较：软钢：有明显屈服台阶的钢筋(热轧钢筋、冷拉钢筋)硬钢：无明显屈服台阶的钢筋(钢丝、热处理钢筋)•钢筋力学性能指标：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。对于无明显屈服台阶的硬钢取条件屈服强度0.2作为强度设计依据。屈服强度、极限强度、伸长率、冷弯性能。取相应于残余应变=0.2%时的应力0.2作为名义屈服点。常取0.2=0.7-0.85fsu。伸长率：%100112lll冷弯性能：弯心直径冷弯角度0.2的定义：•钢筋的疲劳破坏是指钢筋在承受重复、周期动荷载作用下，经过一定次数后，从塑性破坏的性质转变成脆性突然断裂的现象。（三）、钢筋的疲劳强度但在水工建筑中，一般很少遇到数百万次的周期性重复荷载，一般不验算材料的疲劳强度。•钢筋在弹性阶段的应力与应变的比值。（四）、钢筋弹性模量（五）对钢筋性能的要求1.强度是刚劲质量的重要目标。2.钢筋的塑性：伸长率和冷弯性能是保证有足够的变形。3.钢筋的可焊性：方便连接。4.钢筋与混凝土之间的粘接：影响因素是表面形状。混凝土的组成：骨料水泥结晶体水泥凝胶体弹性变形的基础塑性变形的基础混凝土的强度及变形随时间、随环境的变化而变化。水泥、石、砂、水按一定的配合比制成不同等级的砼。第二节混凝土的物理力学性能试验方法：压力机垫板的横向摩擦约束，造成混凝土试块端部处在多轴受力状态，就象在试件上下端各加了一个套箍，致使破坏时形成两个对顶的角锥破坏面，抗压强度高于无约束情况。不涂润滑剂涂润滑剂一、混凝土的强度（一）.立方体的抗压强度fcu未采取减摩措施采取减摩措施后•影响立方体强度的因素：水泥标号、用量、水灰比、试件尺寸、施工方法、试验方法。•受两端摩擦的影响（即尺寸效应）：fcu(150)=0.95fcu(100)fcu(150)=1.05fcu(200)加载龄期：立方体抗压强度随着加载龄期的增长，开始增长较快，后期较慢，可延续到15年左右。加载速度：加载速度越快，测得的强度越高。通常取每秒0.2~0.3N/mm2。《规范》规定以边长为150mm的立方体在温度为20度和相对湿度为90%以上的潮湿空气中养护28天，依照标准方法测的具有不小于95%的保证率抗压强度（以计）作为混凝土强度等级，用符号用符号C表示，C30表示fcuk=30N/mm2水工混凝土强度范围，从C10~C60共划分为11个强度等级，级差为5N/mm2。水工建筑中有时也可采用60天或90天的后期强度。2/mmN常用等级：C10，C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C50，C55，C60水利水电工程中：素混凝土结构，混凝土强度等级不宜低于C10钢筋混凝土结构，混凝土强度等级不宜低于C15刚砼结构采用Ⅱ级、Ⅲ级及冷压带肋钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C20装配式及薄壁结构，混凝土强度等级不宜低于C20预应力混凝土结构，混凝土强度等级不宜低于C30（二）、棱柱体抗压强度－轴心抗压强度fc轴心抗压强度采用棱柱体试件测定，用符号fc表示，比较接近实际构件中混凝土的受压情况。棱柱体试件高宽比一般为h/b=2~3，我国通常以150mm×150mm×300mm的棱柱体试件为标准试件。不采取减摩措施。对于同一混凝土，棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度。棱柱体抗压强度和立方体抗压强度的换算关系为：cucucfff67.076.088.00.88-----为折减系数混凝土的抗拉强度比抗压强度小得多，为抗压强度。18191～混凝土的抗拉强度和抗压强度一样，都是混凝土的基本强度指标。（三）、轴心抗拉强度ft抗拉强度是混凝土的基本力学指标之一，用符号ft表示。混凝土构件开裂、裂缝、变形，以及受剪、受扭、受冲切等的承载力均与抗拉强度有关。50015015010016轴心受拉试验由于混凝土的离散性以及安装偏差，造成轴心受拉试验对中困难，也常常采用立方体或圆柱体劈拉试验测定混凝土的抗拉强度。直接测试方法间接测试方法(弯折，劈裂)测定混凝土抗拉强度的方法劈拉试验PdP拉压压22dPft轴心抗拉强度与立方体抗压强度的关系（规范选用）：323223.026.088.0cucutfff在混凝土结构中，混凝土很少处于理想的单向应力状态，而往往处于复合应力状态，如双向应力状态或三向应力状态。由于混凝土的特点，在复合应力状态下的强度，目前，仍只是借助有限的试验资料，推荐一些近似方法作为计算的依据。（四）、复合应力状态下的混凝土强度实际混凝土结构构件大多处于复合应力状态，即双向或三向受力状态。如框架梁、柱既受到柱轴向力作用，又受到弯距和剪力的作用，形成压弯、弯剪以及弯剪扭和压弯剪扭等构件。双向受拉，影响不大双向拉压，拉压强度均不超过其相应单轴强度。且均随另一方向拉应力或压应力的增加而减小。双向压压区，一向强度随另一向压力的增加而增加，双向受压强度比单轴强度最多提高27%。双向正应力作用下：1,2(压－压)强度增加1,2(拉－压)强度降低1,2(拉－拉)强度基本不变构件受剪或受扭时常遇到剪应力t和正应力共同作用下的复合受力情况。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当压应力在0.6fc左右时，抗剪强度达到最大，压应力继续增大，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。tttt由于剪应力的存在，抗拉、抗压强度均低于单轴抗拉、单轴抗压强度。三轴应力状态三轴应力状态有多种组合，实际工程遇到较多的螺旋箍筋柱和钢管混凝土柱中的混凝土为三向受压状态。214ccff二、混凝土的变形混凝土的变形可分为两类：（1）外荷载作用下的受力变形，如单调短期加载的变形、荷载长期作用下的变形以及多次重复加载的变形。（2）与受力无关，称为体积变形，如由温度和干湿变化引起的变形。变形也是混凝土的一个重要力学性能。（一）、一次短期加载时的应力—应变曲线混凝土单轴受力时的应力-应变关系（－）反映了混凝土受力全过程的重要力学特征，是分析混凝土构件应力、建立承载力和变形计算理论的必要依据，也是利用计算机进行非线性分析的基础。（1）混凝土受压时的应力应变关系CBDEfc00•••Acu••完整的混凝土轴心受压应力应变曲线由上升段OC、下降段CD和收敛段DE三个阶段组成。上升段OC段由以下三个阶段组成：（1）OA–––弹性阶段A:0.3fc（2）AB–––弹塑性阶段:0.3fc～0.8fc裂缝稳定阶段:0.8fc～1.0fc（3）BC–––裂缝不稳定阶段曲线下降坡度较陡，应力逐渐减少，应变仍然增加，混凝土表面裂缝逐渐贯通。应力下降的速率减慢，趋向于稳定的残余应力。表面纵向裂缝把混凝土棱柱体分成若干个小柱。荷载由裂缝处的摩擦咬合力及小柱体的残余强度所承受。下降段CD段：收敛段DE段：特征点：0–––对应于峰值点应变《规范》0=0