《混凝土結(jié)構(gòu)》第1章 基本概念與材料力學(xué)性能

1、第1章 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的概念及材 料的物理力學(xué)性能1本章目錄1.1 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的基本概念1.2 混凝土1.3 鋼筋1.4 鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)2教學(xué)要求理解鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的概念和混凝土中配置受力鋼筋的作用。理解混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度，軸心抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度概念，了解混凝土的彈性模量、徐變和收縮變形。深刻理解混凝土在一次單調(diào)加載作用下受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線。了解普通熱軋鋼筋的強(qiáng)度和變形，掌握普通熱軋鋼筋的強(qiáng)度級(jí)別和品種。理解鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)性能及其機(jī)理。31.1 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的概念鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是由配置受力的普通鋼筋或鋼筋骨架的混凝土制成的結(jié)構(gòu)。 圖1-1 素混凝土梁和鋼筋混凝土梁a)

2、 受豎向力作用的混凝土梁； b) 素混凝土梁的斷裂； c) 鋼筋混凝土梁的開(kāi)裂4 鋼筋的作用是代替混凝土受拉(拉區(qū)混凝土出現(xiàn)裂縫后)或協(xié)助混凝土受壓。圖1-2 素混凝土和鋼筋混凝土軸心受壓構(gòu)件的受力性能比較a) 柱的壓力混凝土應(yīng)變曲線；b) 素混凝土柱； c) 鋼筋混凝土柱5鋼筋和混凝土能有效地結(jié)合在一起共同工作，主要的原因是：（1）混凝土和鋼筋之間有著良好的粘結(jié)力，使兩者能可靠地結(jié)合成一個(gè)整體，在荷載作用下能夠很好地共同變形，完成其結(jié)構(gòu)功能。（2）鋼筋和混凝土的溫度線膨脹系數(shù)較為接近，鋼筋為（1.210-5）/，混凝土為（1.010-51.510-5）/，當(dāng)溫度變化時(shí)，鋼筋與混凝土之間不致產(chǎn)

3、生較大的相對(duì)變形而破壞兩者之間的粘結(jié)。（3）質(zhì)量良好的混凝土可以保護(hù)鋼筋免遭銹蝕，保證了鋼筋與混凝土的共同作用。61.2.1 混凝土的強(qiáng)度1）混凝土立方體抗壓強(qiáng)度混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度是按規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試件和標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法得到的混凝土強(qiáng)度基本代表值。邊長(zhǎng)為150mm的立方體為標(biāo)準(zhǔn)試件。標(biāo)準(zhǔn)試件在202的溫度和相對(duì)濕度在95%以上的潮濕空氣中養(yǎng)護(hù)28d，依照標(biāo)準(zhǔn)制作方法和試驗(yàn)方法測(cè)得的抗壓強(qiáng)度值（以MPa為單位）作為混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度?；炷亮⒎襟w抗壓強(qiáng)度用符號(hào)fcu表示。7混凝土立方體抗壓強(qiáng)度與試驗(yàn)方法有著密切的關(guān)系。 圖1-3 立方體抗壓強(qiáng)度試件a)立方體試件的受力；b)承壓板與試件表面之間未

4、涂潤(rùn)滑劑時(shí)；c)承壓板與試件表面之間涂潤(rùn)滑劑時(shí)規(guī)定采用的方法是不加油脂潤(rùn)滑劑的試驗(yàn)方法。混凝土的抗壓強(qiáng)度還與試件尺寸有關(guān)。82）混凝土軸心抗壓強(qiáng)度（棱柱體抗壓強(qiáng)度） 棱柱體試件（高度大于截面邊長(zhǎng)的試件）的受力狀態(tài)更接近于實(shí)際構(gòu)件中混凝土的受力情況。 按照與立方體試件相同條件下制作和試驗(yàn)方法所得的棱柱體試件的抗壓強(qiáng)度值，稱為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度，用符號(hào)fc表示。混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)以150mm150mm300mm的試件為標(biāo)準(zhǔn)試件。圖1-4 h/b對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響9 3）混凝土抗拉強(qiáng)度 混凝土抗拉強(qiáng)度（用符號(hào)ft表示）和抗壓強(qiáng)度一樣，都是混凝土的基本強(qiáng)度指標(biāo)。圖1-6 劈裂試驗(yàn)10 4）復(fù)合應(yīng)力

5、狀態(tài)下的混凝土強(qiáng)度 在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，構(gòu)件通常受到軸力、彎矩、剪力及扭矩等不同組合情況的作用，因此，混凝土更多的是處于雙向或三向受力狀態(tài)。 在復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下，混凝土的強(qiáng)度有明顯變化。11雙向正應(yīng)力狀態(tài)下混凝土強(qiáng)度圖1-7 雙向應(yīng)力狀態(tài)下混凝土強(qiáng)度變化曲線（1）當(dāng)雙向受壓時(shí)（圖1-7中第三象限），一向的混凝土強(qiáng)度隨著另一向壓應(yīng)力的增加而增加。1/2約等于2或0.5時(shí)，其強(qiáng)度比單向抗壓強(qiáng)度增加約為25%左右，而在1/2 =1時(shí)，其強(qiáng)度增加僅為16%左右。12（2）當(dāng)雙向受拉時(shí)（圖1-7中第一象限），無(wú)論應(yīng)力比值1/2如何，實(shí)測(cè)破壞強(qiáng)度基本不變，雙向受拉的混凝土抗拉強(qiáng)度均接近于單向抗拉強(qiáng)度。（3）

6、當(dāng)一向受拉、一向受壓時(shí)（圖1-7中第二、四象限），混凝土的強(qiáng)度均低于單向受力（壓或拉）的強(qiáng)度。圖1-7 雙向應(yīng)力狀態(tài)下混凝土強(qiáng)度變化曲線13法向應(yīng)力（拉或壓）和剪應(yīng)力形成壓剪或拉剪復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下混凝土強(qiáng)度 混凝土的抗壓強(qiáng)度由于剪應(yīng)力的存在而降低； 圖1-8 法向應(yīng)力與剪應(yīng)力組合時(shí)的強(qiáng)度曲線 當(dāng)/fc(0.50.7)時(shí)，抗剪強(qiáng)度隨壓應(yīng)力的增大而增大； 當(dāng)/fc(0.50.7)時(shí)，抗剪強(qiáng)度隨壓應(yīng)力的增大而減小。14混凝土圓柱體三向受壓 混凝土軸心抗壓強(qiáng)度f(wàn)cc與側(cè)壓應(yīng)力2之間的關(guān)系用下列線性經(jīng)驗(yàn)公式表達(dá)：fcc 三向受壓時(shí)圓柱體的混凝土軸心抗壓強(qiáng)度；fc混凝土圓柱體強(qiáng)度，計(jì)算時(shí)可近似以混凝土 軸心

7、抗壓強(qiáng)度f(wàn)c代之； 側(cè)壓應(yīng)力值；k 側(cè)壓效應(yīng)系數(shù)，側(cè)向壓力較低時(shí)得到的值較大。圖1-9 三向受壓狀態(tài)下混凝土強(qiáng)度（1-2）151.2.2 混凝土的變形1）混凝土在一次單調(diào)加載作用下的變形性能（1）混凝土的應(yīng)力應(yīng)變曲線 對(duì)棱柱體試件進(jìn)行的一次單調(diào)加載試驗(yàn)（指加載從零開(kāi)始單調(diào)增加至試件破壞，也稱單調(diào)加載）來(lái)測(cè)試混凝土的應(yīng)力應(yīng)變曲線。 在試驗(yàn)時(shí)，需使用剛度較大的試驗(yàn)機(jī)，或者在試驗(yàn)中用控制應(yīng)變速度的特殊裝置來(lái)等應(yīng)變速度地加載，或者在普通壓力機(jī)上用高強(qiáng)彈簧（或油壓千斤頂）與試件共同受壓，測(cè)得混凝土試件受壓時(shí)典型的應(yīng)力應(yīng)變曲線。16圖1-10 混凝土受壓時(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線 一次單調(diào)加載下完整的混凝土軸心受壓應(yīng)

8、力應(yīng)變曲線由上升段OC、下降段CD和收斂段DE三個(gè)階段組成。上升段下降段收斂段17上升段：當(dāng)壓應(yīng)力0.3fc左右時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系接近直線變化（OA段），混凝土處于彈性階段工作。在壓應(yīng)力0.3fc后，隨著壓應(yīng)力的增大，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系愈來(lái)愈偏離直線，原有的混凝土內(nèi)部微裂縫發(fā)展，并在孔隙等薄弱處產(chǎn)生新的個(gè)別的微裂縫。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到0.8 fc(B點(diǎn)) 左右后，內(nèi)部裂縫處于非穩(wěn)定發(fā)展階段。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到最大應(yīng)力=fc時(shí)（C點(diǎn)），應(yīng)力應(yīng)變曲線的斜率已接近于水平，試件表面出現(xiàn)不連續(xù)的可見(jiàn)裂縫。上升段下降段收斂段下降段：到達(dá)峰值應(yīng)力點(diǎn)C后，混凝土的強(qiáng)度并不完全消失，隨著應(yīng)力的減少（卸載），應(yīng)變?nèi)匀辉黾?，曲線下降坡度較

9、陡，混凝土表面裂縫逐漸貫通。收斂段：在反彎點(diǎn)D之后，應(yīng)力下降的速率減慢，曲線逐漸平緩至穩(wěn)定的殘余應(yīng)力。表面縱向裂縫把混凝土棱柱體分成若干個(gè)小柱，外載力由裂縫處的摩擦咬合力及小柱體的殘余強(qiáng)度所承受。18混凝土軸心受壓應(yīng)力應(yīng)變曲線的上升段OC和下降段CD，最大應(yīng)力值fc及相應(yīng)的應(yīng)變值co以及D點(diǎn)的應(yīng)變值（稱極限壓應(yīng)變值cu）成為曲線的三個(gè)特征值。對(duì)于均勻受壓的棱柱體試件，其壓應(yīng)力達(dá)到fc時(shí)，混凝土就不能承受更大的壓力，成為結(jié)構(gòu)構(gòu)件計(jì)算時(shí)混凝土強(qiáng)度的主要指標(biāo)。與fc相比對(duì)應(yīng)的應(yīng)變co隨混凝土強(qiáng)度等級(jí)而異，約在(1.52.5)10-3間變動(dòng)，平均值為co=2.010-3。應(yīng)力應(yīng)變曲線中相應(yīng)于D點(diǎn)的混凝

10、土極限壓應(yīng)變cu約為(3.05.0)10-3。 上升段下降段收斂段19影響混凝土軸心受壓應(yīng)力應(yīng)變曲線的主要因素：混凝土強(qiáng)度。應(yīng)變速率。測(cè)試技術(shù)和試驗(yàn)條件。圖1-11 強(qiáng)度等級(jí)不同的混凝土的應(yīng)力應(yīng)變曲線20（2）混凝土的彈性模量與變形模量混凝土的彈性模量有三種表示方法： 原點(diǎn)彈性模量Ec 切線模量Ec” 變形模量Ec”圖1-12 混凝土變形模量的表示方法21我國(guó)公路橋規(guī)混凝土彈性模量Ec取值方法： 試驗(yàn)采用棱柱體試件，取應(yīng)力上限為=0.5 fc，然后卸荷至零，再重復(fù)加載卸荷510次，變形已基本趨于穩(wěn)定，應(yīng)力應(yīng)變曲線接近于直線（圖1-13），該直線的斜率即作為混凝土彈性模量的取值。混凝土彈性模量是

11、根據(jù)混凝土棱柱體標(biāo)準(zhǔn)試件，用標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)方法所得的規(guī)定壓應(yīng)力值與其對(duì)應(yīng)的壓應(yīng)變值的比值。圖1-13 測(cè)定混凝土彈性模量的方法22混凝土Ec的經(jīng)驗(yàn)公式為：取混凝土的受拉彈性模量與受壓彈性模量相等。（MPa） （1-7） 混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值. 混凝土彈性模量值見(jiàn)附表1-2。2324混凝土的剪切彈性模量Gc，一般可根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得的混凝土彈性模量Ec和泊松比按式（1-8）確定：（1-8）其中mc為混凝土的橫向變形系數(shù)（泊松比）。取mc=0.2時(shí)，代入式（1-8）得到Gc=0.4Ec。252）混凝土在長(zhǎng)期荷載作用下的變形性能徐變變形 在荷載的長(zhǎng)期作用下，混凝土的變形將隨時(shí)間而增加，亦即在應(yīng)力不變的情

12、況下，混凝土的應(yīng)變隨時(shí)間繼續(xù)增長(zhǎng)，這種現(xiàn)象被稱為混凝土的徐變。 混凝土徐變變形是在持久作用下混凝土結(jié)構(gòu)隨時(shí)間推移而增加的應(yīng)變。26圖1-14為100mm100mm400mm的棱柱體試件在相對(duì)濕度為65%、溫度為20、承受=0.5fc壓應(yīng)力并保持不變的情況下變形與時(shí)間的關(guān)系曲線。圖1-14 混凝土的徐變曲線27影響混凝土徐變的因素 （1）混凝土在長(zhǎng)期荷載作用下產(chǎn)生的應(yīng)力大小。 圖1-15表明，當(dāng)壓應(yīng)力0.5fc時(shí)，徐變大致與應(yīng)力成正比，各條徐變曲線的間距差不多是相等的，被稱為線性徐變。線性徐變?cè)诩雍沙跗谠鲩L(zhǎng)很快，一般在兩年左右趨以穩(wěn)定，三年左右徐變即告基本終止。 當(dāng)壓應(yīng)力介于（0.50.8）fc

13、之間時(shí)，徐變的增長(zhǎng)較應(yīng)力的增長(zhǎng)為快，這種情況稱為非線性徐變。 當(dāng)壓應(yīng)力0.8fc時(shí)，混凝土的非線性徐變往往不收斂。28圖1-15 壓應(yīng)力與徐變的關(guān)系29（2）加荷時(shí)混凝土的齡期。加荷時(shí)混凝土齡期越短，則徐變?cè)酱?。?）混凝土的組成成分和配合比。 圖1-16 加荷時(shí)混凝土齡期對(duì)徐變大小的影響30（4）養(yǎng)護(hù)及使用條件下的溫度與濕度圖1-17 構(gòu)件尺寸對(duì)徐變的影響當(dāng)環(huán)境介質(zhì)的溫度和濕度保持不變時(shí)，混凝土內(nèi)水分的逸失取決于構(gòu)件的尺寸和體表比（構(gòu)件體積與表面積之比）。 構(gòu)件的尺寸越大，體表比越大，徐變就越小。313）混凝土的收縮 在混凝土凝結(jié)和硬化的物理化學(xué)過(guò)程中體積隨時(shí)間推移而減小的現(xiàn)象稱為混凝土收縮

14、。 混凝土在不受力情況下的這種自由變形，在受到外部或內(nèi)部（鋼筋）約束時(shí)，將產(chǎn)生混凝土拉應(yīng)力甚至開(kāi)裂。32混凝土的收縮是一種隨時(shí)間而增長(zhǎng)的變形（圖1-18）。 結(jié)硬初期收縮變形發(fā)展很快，兩周可完成全部收縮的25%，一個(gè)月約可完成50%，三個(gè)月后增長(zhǎng)緩慢，一般兩年后趨于穩(wěn)定，最終收縮變形值約為(26)10-4。圖1-18 混凝土的收縮變形與時(shí)間關(guān)系33引起混凝土收縮的原因： 主要是硬化初期水泥石在水化凝固結(jié)硬過(guò)程中產(chǎn)生的體積變化，后期主要是混凝土內(nèi)自由水分蒸發(fā)引起的干縮。影響混凝土收縮的因素： （1）混凝土的組成和配合比。 （2）混凝土構(gòu)件的養(yǎng)護(hù)條件、使用環(huán)境的溫度與濕度等。 （3）混凝土構(gòu)件的體

15、表比。341.3 鋼筋配筋混凝土結(jié)構(gòu)中采用的鋼筋有由熱軋低碳鋼、低合金鋼所制成的普通鋼筋和由高碳鋼制成的預(yù)應(yīng)力鋼筋（例如，高強(qiáng)度碳素鋼絲、鋼絞線等）。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)采用的普通鋼筋為熱軋鋼筋。a)b)c)d)圖1-19 熱軋鋼筋的外形a)光圓鋼筋；b)螺紋鋼筋；c)人字形鋼筋；d)月牙形鋼筋351.3.1 熱軋鋼筋的種類熱軋帶肋鋼筋截面包括縱肋和橫肋，外周不是一個(gè)光滑連續(xù)的圓周，因此，熱軋帶肋鋼筋直徑采用公稱直徑。公稱直徑是與鋼筋的公稱橫截面積相等的圓的直徑，即以公稱直徑的圓面積就是鋼筋的截面面積。對(duì)于熱軋光圓鋼筋截面，其直徑就是公稱直徑。361.3.2 熱軋鋼筋的強(qiáng)度等級(jí)和牌號(hào)鋼筋的牌號(hào)是根據(jù)

16、鋼筋屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值、制造成型方式及種類等規(guī)定加以分類的代號(hào)。熱軋鋼筋的牌號(hào)是由英文字母縮寫和屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值組成。種類牌號(hào)符號(hào)公稱直徑（mm）屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（MPa）極限強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（MPa）伸長(zhǎng)率 冷彎試驗(yàn)180D=彎心直徑d=鋼筋公稱直徑光圓鋼筋HPB235(R235)HPB30062023530037042025D=d帶肋鋼筋HRB335HRBF3356252840405033545517D=3dD=4dD=5dHRB400HRBF400RRB400(KL400)6252840405040054016D=4d D=5d D=6dHRB500HRBF5006252840405050063015

17、D=6d D=7d D=8d國(guó)產(chǎn)熱軋鋼筋牌號(hào)及力學(xué)性能特征值 表1-137細(xì)晶粒系列HRBF鋼筋，HRB500鋼筋和熱處理鋼筋RRB400都不能用作承受疲勞作用的鋼筋，這時(shí)宜采用HRB400鋼筋。目前，公路橋規(guī)規(guī)定公路橋梁鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)使用的熱軋鋼筋牌號(hào)為R235（HPB235）、HRB335、HRB400和KL400（RRB400）。 當(dāng)鋼筋混凝土構(gòu)件處于受侵蝕物質(zhì)等影響的環(huán)境中時(shí)，公路橋規(guī)建議可以采用環(huán)氧樹(shù)脂涂層鋼筋。 環(huán)氧樹(shù)脂涂層鋼筋時(shí)在工廠生產(chǎn)條件下，用熱軋鋼筋采用環(huán)氧樹(shù)脂粉來(lái)以靜電噴涂方法生產(chǎn)的鋼筋。381.3.3 熱軋鋼筋的強(qiáng)度與變形熱軋鋼筋試件單向拉伸試驗(yàn)的典型應(yīng)力應(yīng)變曲線見(jiàn)圖1

18、-20：圖1-20 有明顯流幅的鋼筋應(yīng)力應(yīng)變曲線彈性階段（0a）屈服階段（af）強(qiáng)化階段（fd）破壞階段（de）39從工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度來(lái)看，應(yīng)當(dāng)注意有關(guān)熱軋鋼筋強(qiáng)度的以下情況： （1）熱軋鋼筋的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線有明顯的屈服點(diǎn)和流幅，斷裂時(shí)有頸縮現(xiàn)象； （2）熱軋鋼筋的應(yīng)力到達(dá)屈服點(diǎn)后，會(huì)產(chǎn)生很大的塑性變形（流幅），使鋼筋混凝土構(gòu)件出現(xiàn)很大的變形和過(guò)寬的混凝土裂縫，以致不能正常使用，因此，以屈服強(qiáng)度作為鋼筋強(qiáng)度限值，且按其屈服下限確定； （3）鋼筋極限強(qiáng)度是鋼筋的實(shí)際破壞強(qiáng)度。鋼筋屈服強(qiáng)度與極限強(qiáng)度的比值稱為屈強(qiáng)比，它可以代表鋼筋的強(qiáng)度儲(chǔ)備，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定熱軋鋼筋的屈強(qiáng)比應(yīng)不大于0.8。401.3

19、.4 熱軋鋼筋的塑性性能熱軋鋼筋除應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度外，還應(yīng)具有一定的塑性變形能力，通常用伸長(zhǎng)率和冷彎性能兩個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量。（1）伸長(zhǎng)率是由熱軋鋼筋單向拉伸試驗(yàn)得到其伸長(zhǎng)率值。鋼筋斷后伸長(zhǎng)率是指鋼筋試件上標(biāo)距為10d或5d（d為鋼筋公稱直徑）范圍內(nèi)的伸長(zhǎng)值與原長(zhǎng)的比率，伸長(zhǎng)值即為圖1-20所示鋼筋應(yīng)力應(yīng)變曲線中e點(diǎn)的橫坐標(biāo)值。41（2）冷彎性能工程上鋼筋在工地現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行冷加工，形成滿足設(shè)計(jì)要求的各種形狀的鋼筋，基本型式是鋼筋的彎鉤和彎折（圖1-21）。為了使鋼筋在加工、使用時(shí)不開(kāi)裂、彎斷或脆斷，鋼筋必須滿足冷彎性能要求。圖1-21 鋼筋的彎鉤與彎折示意圖 （尺寸單位：mm）a) 鋼筋135彎鉤； b) 鋼筋的彎折42 鋼筋冷彎性能試驗(yàn) 將鋼筋標(biāo)準(zhǔn)試件放在冷彎試驗(yàn)機(jī)上，用有一定彎心直徑D的沖頭，在常溫下對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試件施加力使之彎曲達(dá)到規(guī)定彎角(180或90)。 檢查鋼筋標(biāo)準(zhǔn)試件表面，不出現(xiàn)裂紋，起層，鱗落或斷裂現(xiàn)象，則認(rèn)為鋼筋冷彎性能合格。沖頭冷彎試驗(yàn)后的鋼筋試件鋼筋試件冷彎試驗(yàn)鋼沖頭鋼筋標(biāo)準(zhǔn)試件試驗(yàn)臺(tái)座431.4 鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，鋼筋和混凝土這兩種材料之所以能共同工作的基本前提是具有足夠的粘結(jié)強(qiáng)度，能承受由于變形差（相對(duì)滑移）沿鋼筋與混凝土接觸面上產(chǎn)生的剪應(yīng)力，通常把這種剪應(yīng)力稱為粘結(jié)應(yīng)力。441.4.1 粘結(jié)的作用通過(guò)對(duì)粘結(jié)力基準(zhǔn)