[PPT]混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理之鋼筋和混凝土的力學(xué)性能

1、第一章鋼筋和混凝土的力學(xué)性能 第一節(jié)鋼筋的性能及要求 第二節(jié)混凝土的力學(xué)性能 第三節(jié)鋼筋與混凝土的黏結(jié)第一節(jié)鋼筋的性能及要求 一、鋼筋的分類 混凝土結(jié)構(gòu)用鋼筋按化學(xué)成分可分為碳素鋼和普通低合金鋼。根據(jù)含碳量的不同，碳素鋼分為低碳鋼(碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.6%)。含碳量越高，強(qiáng)度越高，但塑性和可焊性下降。工程中常用低碳鋼。普通低合金鋼是在碳素鋼的基礎(chǔ)上，再加入微量的合金元素，如硅、錳、釩、欽、鋸等，目的是提高鋼材的強(qiáng)度，改善鋼材的塑性性能。 鋼筋按生產(chǎn)加工工藝和力學(xué)性能的不同分為普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋。普通鋼筋為低碳鋼，由普通低合金鋼在高溫狀態(tài)下軋制而成，預(yù)應(yīng)力鋼筋可分為熱處理鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼絲。 鋼筋按其

2、外形不同，分為光面鋼筋和帶肋鋼筋。下一頁返回第一節(jié)鋼筋的性能及要求 二、鋼筋的強(qiáng)度和變形 1.鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變曲線 有明顯屈服點(diǎn)的鋼筋的典型應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1-2 (a)所示。圖中在a點(diǎn)以前，鋼筋處于彈性階段，應(yīng)力與應(yīng)變成正比，a點(diǎn)的鋼筋應(yīng)力稱為“比例極限”一鋼筋的屈服強(qiáng)度fy。直線Oa的斜率為鋼筋的彈性模量Es。過a點(diǎn)以后，應(yīng)變較應(yīng)力增長為快。到達(dá)b點(diǎn)，鋼筋開始屈服，其強(qiáng)度與加荷速度、截面形式、試件表面光潔度等多種因素有關(guān)，很不穩(wěn)定，b點(diǎn)稱為屈服上限。超過b點(diǎn)以后，進(jìn)人強(qiáng)化階段，鋼筋的應(yīng)力下降到c點(diǎn)，在應(yīng)力基本保持不變的情況下，應(yīng)變顯著增加產(chǎn)生較大的塑性變形，但比較穩(wěn)定，c點(diǎn)稱為屈服下限或屈服

3、點(diǎn)。與c點(diǎn)所對應(yīng)的應(yīng)力稱為屈服強(qiáng)度，以s表示，水平cd段稱為屈服臺(tái)階或流幅。過d點(diǎn)后，鋼筋還能繼續(xù)承載，應(yīng)力應(yīng)變繼續(xù)加大，到達(dá)e點(diǎn)后鋼筋產(chǎn)生頸縮現(xiàn)象，下一頁返回上一頁第一節(jié)鋼筋的性能及要求 應(yīng)力開始下降，但應(yīng)變?nèi)阅芾^續(xù)增長，至f點(diǎn)試件被拉斷。e點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)力稱為抗拉強(qiáng)度極限b，曲線的de段稱為強(qiáng)化階段，ef段稱為頸縮下降階段。 沒有明顯屈服點(diǎn)的鋼筋的典型應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1-2 ( b)所示。由圖可見，它沒有明顯的屈服平臺(tái)，其強(qiáng)度很高，但延伸率大為降低，塑性性能減弱。設(shè)計(jì)上取相應(yīng)于殘余應(yīng)變?yōu)?. 2%的應(yīng)力為名義屈服強(qiáng)度0.2，大約為國家標(biāo)準(zhǔn)的抗拉強(qiáng)度極限b的85%。 圖1-2 ( c)為各級(jí)鋼筋

4、的應(yīng)力應(yīng)變曲線。從圖中可以看出，普通鋼筋應(yīng)力應(yīng)變曲線都有明顯的屈服點(diǎn)，這種鋼筋即為低碳鋼，亦稱軟鋼。沒有明顯屈服點(diǎn)的熱處理鋼筋和鋼絲，稱為硬鋼。下一頁返回上一頁第一節(jié)鋼筋的性能及要求 2.鋼筋的塑性性能 反映鋼筋的塑性性能的基本指標(biāo)是鋼筋的伸長率、冷彎性能。鋼筋試件拉斷后的伸長值與原長的比值稱為伸長率。伸長率愈大，塑性性能愈好。冷彎是將直徑為d的鋼筋繞直徑為D的鋼輥進(jìn)行彎曲，如圖1-3所示，彎成一定的角度而不發(fā)生斷裂，并且無裂紋、鱗落或斷裂現(xiàn)象，即認(rèn)為鋼筋的彎曲性能符合要求。通常D值愈小，a值愈大，則其彎曲性能、塑性性能愈好。 屈服強(qiáng)度、極限抗拉強(qiáng)度、伸長率和冷彎性能是有明顯屈服點(diǎn)鋼筋進(jìn)行質(zhì)量

5、檢驗(yàn)的四項(xiàng)主要指標(biāo)。表1-1列出了常用鋼筋的強(qiáng)度、伸長率、冷彎性能和彈性模量等各項(xiàng)指標(biāo)。下一頁返回上一頁第一節(jié)鋼筋的性能及要求3.鋼筋的冷加工 冷拉是在常溫條件下，把鋼筋應(yīng)力拉到超過其原有的屈服點(diǎn)，然后完全放松，使鋼材內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，而提高其強(qiáng)度。冷拉只能提高鋼筋的抗拉屈服強(qiáng)度，卻不能提高其抗壓屈服強(qiáng)度。故當(dāng)用冷拉鋼筋作受壓鋼筋時(shí)，其屈服強(qiáng)度與母材相同。 冷拔是將鋼筋(盤條)用強(qiáng)力拔過比它本身直徑還小的硬質(zhì)合金拔絲模，這是鋼筋同時(shí)受到縱向拉力和橫向壓力的作用以提高其強(qiáng)度的一種加工方法。鋼筋經(jīng)多次冷拔后，截面變小而長度增長，強(qiáng)度比原來提高很多，但塑性降低，硬度提高，冷拔后鋼絲的抗壓強(qiáng)度也得

6、到提高。下一頁返回上一頁第一節(jié)鋼筋的性能及要求 三、混凝土結(jié)構(gòu)對鋼筋性能的要求 1.一般要求 (1)有較高的強(qiáng)度和適宜的屈強(qiáng)比。強(qiáng)度是指鋼筋的屈服強(qiáng)度f y 。屈服強(qiáng)度高，可減少結(jié)構(gòu)的含鋼量，節(jié)約鋼材，提高經(jīng)濟(jì)效益。屈強(qiáng)比是指屈服強(qiáng)度fy與極限抗拉強(qiáng)度fu之比值，該值反映結(jié)構(gòu)的可靠程度。屈強(qiáng)比小，結(jié)構(gòu)可靠，但鋼材強(qiáng)度的利用率低，不經(jīng)濟(jì);屈強(qiáng)比太大，則結(jié)構(gòu)不可靠。 (2)有較好的塑性。 (3)具有較好的焊接性能。 (4)與混凝土之間具有良好的黏結(jié)。下一頁返回上一頁第一節(jié)鋼筋的性能及要求 2.抗震要求 對于有抗震要求的混凝土結(jié)構(gòu)用鋼筋，除上述一般要求外，還有以下具體要求: (1)抗震等級(jí)為一、二級(jí)

7、的框架結(jié)構(gòu)，其縱向受力鋼筋采用普通鋼筋時(shí)，應(yīng)滿足: 1)鋼筋的抗拉強(qiáng)度實(shí)測值與屈服強(qiáng)度實(shí)測值的比值(強(qiáng)屈比)不應(yīng)小于 1. 25，目的是為了保證當(dāng)構(gòu)件某個(gè)部位出現(xiàn)塑性鉸后，塑性鉸處有足夠的轉(zhuǎn)動(dòng)能力與耗能能力。 2)鋼筋的屈服強(qiáng)度實(shí)測值與強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的比值不應(yīng)大于1. 3,計(jì)中強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎的設(shè)計(jì)要求。 (2)普通鋼筋宜優(yōu)先采用延性、韌性和可焊性較好的鋼筋。返回上一頁第二節(jié)混凝土的力學(xué)性能 一、混凝土的強(qiáng)度 混凝土的抗壓強(qiáng)度與水泥、骨料的品種、級(jí)配、配合比、硬化條件和齡期等有關(guān)，主要包括立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度和軸心抗拉強(qiáng)度等。影響混凝土抗壓強(qiáng)度的主要因素有:混凝土受壓時(shí)的橫向變形條件和加

8、載速度等。 1.立方體抗壓強(qiáng)度 立方體抗壓強(qiáng)度是衡量混凝土強(qiáng)度高低的基本指標(biāo)值，是確定混凝土強(qiáng)度等級(jí)的依據(jù)?；炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50010-2002)規(guī)定:按照標(biāo)準(zhǔn)方法制作養(yǎng)護(hù)邊長為150 mm的立方體試件，在28天齡期用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測得的具有95%保證率的抗壓強(qiáng)度作為混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，用fcu,k表示，單位為N/mm2 ( MPa)。下一頁返回第二節(jié)混凝土的力學(xué)性能2.軸心抗壓強(qiáng)度軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值與立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值之間的關(guān)系為: fck=0.88c1c2fcu,kc1 -棱柱強(qiáng)度與立方強(qiáng)度之比，對C50及以下取c1 =0. 76， 對C80取c1 =0.82,中間按直

9、線內(nèi)插法取值;c2 -考慮C40以上混凝土脆性的折減系數(shù)，對C40取c2 =1.0，對C80取c2=0. 87，中間按直線內(nèi)插法取值;0.88-考慮到結(jié)構(gòu)構(gòu)件與試件制作及養(yǎng)護(hù)條件的差異，尺寸效應(yīng)及加荷速度影響，參照以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)所取得的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。下一頁返回上一頁第二節(jié)混凝土的力學(xué)性能 3.軸心抗拉強(qiáng)度 混凝土的抗拉強(qiáng)度很低，與立方抗壓強(qiáng)度之間為非線性關(guān)系，一般只有其立方體抗壓強(qiáng)度的1/171/8。中國建筑科學(xué)研究院等單位對混凝土的抗拉強(qiáng)度作了系統(tǒng)的測定，用直接測試法或間接測試法對試件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測得的抗拉強(qiáng)度稱為軸心抗拉強(qiáng)度，經(jīng)修正后，軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值與立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值之間的關(guān)系為: 式中-

10、混凝土立方體強(qiáng)度變異系數(shù)，對C60以上的混凝土，取 = 0. 1;系數(shù)0. 395和系數(shù)0. 55是根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析所得的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。下一頁返回上一頁第二節(jié)混凝土的力學(xué)性能 4.復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下的混凝土強(qiáng)度 在實(shí)際混凝土結(jié)構(gòu)中，混凝土處于單向應(yīng)力狀態(tài)的情況很少，往往都處于三向復(fù)合壓應(yīng)力狀態(tài)。在復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下，混凝土的強(qiáng)度和變形性能與單軸應(yīng)力狀態(tài)下有明顯的不同。 混凝土三向受壓時(shí)，混凝土一向的抗壓強(qiáng)度隨另兩向壓應(yīng)力的增加而增大，并且混凝土的極限壓應(yīng)變也大大增加。這是由于側(cè)向壓力約束了混凝土的橫向變形，抑制了混凝土內(nèi)部裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展，使得混凝土的強(qiáng)度和延性均有明顯提高。下一頁返回上一頁第二節(jié)混凝

11、土的力學(xué)性能 二、混凝土的變形 混凝土的變形可分為兩類:一類是在荷載作用下的受力變形，如單調(diào)短期加荷、多次重復(fù)加荷以及荷載長期作用下的變形。另一類與受力無關(guān)，稱為體積變形，如混凝土收縮、膨脹以及由于溫度變化所產(chǎn)生的變形等。 1.混凝土在一次短期荷載下的變形 (1)混凝土在單調(diào)短期加荷作用下的應(yīng)力征是研究鋼筋混凝土構(gòu)件的強(qiáng)度、變形、延性依據(jù)。應(yīng)變曲線是其最基本的力學(xué)性能，曲線的特(承受變形的能力)和受力全過程分析的。 圖1-5所示為混凝土棱柱體試件在受壓時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線，曲線由上升段Oc和下降段ce兩部分組成。下一頁返回上一頁第二節(jié)混凝土的力學(xué)性能 (2)混凝土的橫向變形系數(shù)。混凝土試件在一次短

12、期加壓時(shí)，其縱向產(chǎn)生壓縮應(yīng)變cv，而橫向產(chǎn)生膨脹應(yīng)變ch，則其比值vc= ch/ cv稱為橫向變形系數(shù)(又稱泊松比)，在混凝土應(yīng)力c0.5fc時(shí)，橫向變形突然增加，表明混凝土內(nèi)部微裂縫開始迅速發(fā)展。 (3)混凝土的彈性模量、變形模量和剪變模量?；炷恋膽?yīng)力與其彈性應(yīng)變之比稱為混凝土的彈性模量，用符號(hào)Ec表示。根據(jù)大量試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范采用的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算混凝土的彈性模量為:下一頁返回上一頁第二節(jié)混凝土的力學(xué)性能 混凝土的應(yīng)力與其彈塑性總應(yīng)變之比稱為混凝土的變形模量，用符號(hào)Ec表示。該值小于混凝土的彈性模量Ec。混凝土的彈性模量Ec與變形模量Ec的關(guān)系為: 式中v-混凝土彈性特征系數(shù)

13、，當(dāng)c0. 3fc時(shí),v=1.0; c=0. 5fc v=0. 80. 9 ; c=0. 9fc ， v=0. 40. 7 。 下一頁返回上一頁第二節(jié)混凝土的力學(xué)性能 2.混凝土在重復(fù)荷載作用下的變形 工程中的某些構(gòu)件，例如工業(yè)廠房中的起重機(jī)梁，在其使用期限內(nèi)要承受大約200萬次以上的重復(fù)荷載作用，在多次重復(fù)荷載作用情況下，混凝土的強(qiáng)度和變形性能都會(huì)出現(xiàn)重要變化。在多次重復(fù)加荷情況下，混凝土將產(chǎn)生“疲勞”現(xiàn)象，混凝土由于荷載重復(fù)作用而引起的破壞稱為疲勞破壞。疲勞破壞的產(chǎn)生取決于加載時(shí)應(yīng)力是否超過混凝土疲勞強(qiáng)度fcf。試驗(yàn)表明，混凝土疲勞強(qiáng)度fcf低于軸心抗壓強(qiáng)度fc,大致在 (0. 40. 5

14、) fc ，此值的大小與荷載重復(fù)作用的次數(shù)、應(yīng)力變化幅度及混凝土強(qiáng)度等級(jí)有關(guān)。下一頁返回上一頁第二節(jié)混凝土的力學(xué)性能 3.混凝土在長期荷載作用下的變形一徐變 混凝土在不變荷載長期作用下，其應(yīng)變隨時(shí)間而繼續(xù)增長的現(xiàn)象稱為混凝土的徐變。 混凝土徐變對混凝土結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的工作性能有很大的影響。由于混凝土的徐變，會(huì)使受彎構(gòu)件的變形增大，使結(jié)構(gòu)或構(gòu)件產(chǎn)生內(nèi)力重分布。在預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中還會(huì)產(chǎn)生較大的預(yù)應(yīng)力損失。 影響徐變的因素很多，主要有以下幾方面: (1)應(yīng)力條件。應(yīng)力條件指混凝土初始加荷應(yīng)力和加載時(shí)混凝土的齡期，這是影響徐變的最主要因素。初始加荷應(yīng)力越大，徐變越大;加載時(shí)混凝土的齡期越短，徐變越大。在

15、實(shí)際工程中，應(yīng)加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，使混凝土盡早結(jié)硬，減小徐變。 下一頁返回上一頁第二節(jié)混凝土的力學(xué)性能 (2)內(nèi)在因素。內(nèi)在因素指混凝土的組成成分和配比。例如，骨料越堅(jiān)硬，徐變越小;水灰比越大，水泥用量越多，徐變越大。 (3)環(huán)境因素。環(huán)境因素指養(yǎng)護(hù)和使用時(shí)的溫濕度。受荷前養(yǎng)護(hù)的溫度越高，濕度越大，水泥水化作用就越充分，徐變就越小;加荷期間溫度越高，濕度越低，徐變就越大。下一頁返回上一頁第二節(jié)混凝土的力學(xué)性能 4.混凝土的收縮和溫度變形 混凝土在空氣中結(jié)硬時(shí)體積減小的現(xiàn)象稱為收縮;當(dāng)混凝土在水中結(jié)硬時(shí)，其體積會(huì)產(chǎn)生膨脹。通常收縮值量值較大，對結(jié)構(gòu)有明顯的不利影響，因此要特別注意;而膨脹值的量值很小，對結(jié)

16、構(gòu)有利，一般可不予考慮。 混凝土的收縮變形先快后慢，一個(gè)月可完成約50%，三個(gè)月后增長緩慢，一般兩年后趨于穩(wěn)定，最終收縮值約為(26) 10-4。 混凝土的收縮由凝縮和干縮兩部分組成。凝縮是由水泥水化反應(yīng)引起的本身體積的收縮，它是不可恢復(fù)的;干縮則是由于混凝土內(nèi)自由水分蒸發(fā)而引起的收縮，當(dāng)干縮后的混凝土再次吸水時(shí)，部分干縮變形可以恢復(fù)。 下一頁返回上一頁第二節(jié)混凝土的力學(xué)性能 影響混凝土收縮的因素有內(nèi)在因素和環(huán)境影響: (1)內(nèi)在因素。水泥強(qiáng)度高、用量多、水灰比大，則收縮量大;，骨料粒徑大、級(jí)配好、彈性模量高，則收縮量小;混凝土越密實(shí)，收縮量就越小。 (2)環(huán)境影響?；炷猎陴B(yǎng)護(hù)和使用期間的環(huán)

17、境濕度大，則收縮量小;采用高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)時(shí)，收縮量減小。返回上一頁第三節(jié)鋼筋與混凝土的黏結(jié) 一、鋼筋與混凝土共同工作的原理 在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，鋼筋和混凝土這兩種性質(zhì)不同的材料之所以能有效地結(jié)合在一起共同工作，除了二者之間溫度線膨脹系數(shù)相近及混凝土包裹鋼筋具有保護(hù)作用以外，主要的原因是兩者在接觸面上具有良好的黏結(jié)作用。該作用可使其承受黏結(jié)表面上的剪應(yīng)力，抵抗鋼筋與混凝土之間的相對滑動(dòng)。 試驗(yàn)研究表明，黏結(jié)力由三部分組成:因水泥顆粒的水化作用形成的凝膠體對鋼筋表面產(chǎn)生的膠結(jié)力;因混凝土結(jié)硬時(shí)體積收縮，將鋼筋緊緊握裹而產(chǎn)生的摩擦力;由于鋼筋表面凹凸不平與混凝土之間產(chǎn)生的機(jī)械咬合力。其中，膠結(jié)力作用最

18、小，光面鋼筋以摩擦力為主，帶肋鋼筋以機(jī)械咬合力為主。下一頁返回第三節(jié)鋼筋與混凝土的黏結(jié) 二、黏結(jié)錨固強(qiáng)度 鋼筋的錨固強(qiáng)度由拉拔試驗(yàn)測定，拉拔試件如圖1-6 ( a)所示。 三、影響?zhàn)そY(jié)錨固強(qiáng)度的因素 (1)混凝土強(qiáng)度的影響?；炷翉?qiáng)度越高，則伸人鋼筋橫肋間的混凝土咬合齒越強(qiáng)，握裹層混凝土的劈裂就越不容易發(fā)生，故黏結(jié)錨固作用越強(qiáng)。 (2)保護(hù)層的厚度?；炷恋谋Ｗo(hù)層越厚，則對錨固鋼筋的約束越大;咬合力使握裹層混凝土的劈裂越難以發(fā)生，黏結(jié)錨固作用就越強(qiáng)。當(dāng)保護(hù)層厚度達(dá)到一定程度后，錨固強(qiáng)度增加的趨勢減緩。 下一頁返回上一頁第三節(jié)鋼筋與混凝土的黏結(jié)(3)錨筋的外形。鋼筋的外形決定了混凝土咬合齒的形狀，因而對錨固強(qiáng)度影響很大。主要的外形參數(shù)為相對肋高和肋面積比，橫肋的對稱性及連續(xù)性。光面鋼筋及刻痕鋼絲的錨固性能最差;旋扭狀的鋼絞線次之;間斷型的月牙肋鋼筋較好;而連續(xù)的螺旋肋鋼筋錨固性能最好。(4)錨固區(qū)域的配箍。錨固長度范圍內(nèi)的配箍對錨固