建筑結(jié)構(gòu)第四章 鋼筋和混凝土的力學(xué)性能

第二篇 各種建筑結(jié)構(gòu)一、混凝土結(jié)構(gòu)二、砌體結(jié)構(gòu)三、鋼結(jié)構(gòu)四、鋼筋混凝土單層廠房五、多高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)六、大跨度建筑結(jié)構(gòu)CH.4混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋和混凝土材料的力學(xué)性能鋼筋混凝土受彎構(gòu)件鋼筋混凝土受壓構(gòu)件預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的基本知識鋼筋混凝土平面樓蓋環(huán)球金融中心混凝土澆筑鋼筋混凝土樁內(nèi)部一、基本概念是鋼筋和砼按一定方式組成的能共同工作的建筑材料。鋼筋混凝土：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)：是鋼筋混凝土為主要承重骨架的結(jié)構(gòu)。4.1鋼筋和混凝土材料的力學(xué)性能4.1.1混凝土結(jié)構(gòu)——以混凝土為主要材料制作的結(jié)構(gòu)。4.1.1混凝土結(jié)構(gòu)（1/2）4.1鋼筋和混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能（1/4）二、混凝土結(jié)構(gòu)的分類素混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)型鋼（鋼骨）混凝土結(jié)構(gòu)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)其它混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土——ReinforcedConcrete（1）◆除在構(gòu)件的受拉區(qū)配筋外，還有許多其他配筋方式鋼筋混凝土梁鋼筋混凝土——ReinforcedConcrete（2）在復(fù)雜應(yīng)力區(qū)域（如梁在受剪區(qū)段、受扭構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)區(qū)、剪力墻等），可以配置箍筋或縱橫交錯(cuò)的鋼筋

當(dāng)構(gòu)件受力很大時(shí)，可以直接配置鋼骨

梁中配置箍筋鋼骨混凝土柱受扭構(gòu)件配筋鋼筋混凝土——ReinforcedConcrete（3）還可以利用箍筋約束混凝土來提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，甚至直接采用鋼管

螺旋箍筋約束混凝土鋼管混凝土柱◆采用纖維（鋼纖維、玻璃纖維等）與混凝土一起攪拌形成的纖維混凝土，其抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到提高混凝土的特點(diǎn)◆混凝土：

◎抗壓強(qiáng)度高，而抗拉強(qiáng)度卻很低

◎一般抗拉強(qiáng)度只有抗壓強(qiáng)度的1/8~1/20

◎破壞時(shí)具有明顯的脆性性質(zhì)因此，素混凝土構(gòu)件在實(shí)際工程的應(yīng)用很有限，主要用于以受壓為主的基礎(chǔ)、柱墩和一些非承重結(jié)構(gòu)。◆鋼材：

◎抗拉和抗壓強(qiáng)度都很高

◎具有屈服現(xiàn)象，破壞時(shí)表現(xiàn)出較好的延性◎但細(xì)長的鋼筋受壓時(shí)極易壓曲，僅能作為受拉構(gòu)件而純鋼構(gòu)件的承載力也往往取決于鋼材的壓曲，強(qiáng)度一般得不到充分地發(fā)揮。將混凝土和鋼材這兩種材料有機(jī)地結(jié)合在一起，可以取長補(bǔ)短，充分利用材料的性能。二、共同工作原理鋼筋和砼之間存在粘結(jié)力鋼筋和砼線膨脹系數(shù)接近砼保護(hù)鋼筋主要是由于混凝土硬化后鋼筋與混凝土之間產(chǎn)生了良好的粘結(jié)力(Bond)

，使兩者可靠地結(jié)合在一起，從而保證在外荷載的作用下，鋼筋與相鄰混凝土能夠共同變形(SameDeformationunderload)。其次，鋼筋與混凝土兩種材料的溫度線膨脹系數(shù)的數(shù)值頗為接近(鋼為1.2×10-5；混凝土為1.0×10-5—1.5×10-5)，當(dāng)溫度變化時(shí)，不致產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力而破壞兩者之間的粘結(jié)。素混凝土梁鋼筋混凝土梁：受拉區(qū)配220鋼筋FF=13.4KN截面開裂并破壞Fcr=15KN截面開裂;Fu=87KN截面破壞。200300Fft200300220梁的承載力大大提高，梁的受力性能改善。BACK4.1.1混凝土結(jié)構(gòu)（2/2）4.1鋼筋和混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能（1/4）示例破壞時(shí)跨中截面受壓邊緣的壓應(yīng)力與抗拉強(qiáng)度相近，遠(yuǎn)未達(dá)到混凝土的抗壓強(qiáng)度，破壞表現(xiàn)為脆性斷裂，無明顯預(yù)兆。素混凝土梁試驗(yàn)TestofPlainConcreteBeam

鋼筋混凝土梁試驗(yàn)TestofReinforcedConcreteBeam

混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)（1）⑴材料利用合理：鋼筋和混凝土的材料強(qiáng)度可以得到充分發(fā)揮，結(jié)構(gòu)的承載力與其剛度比例合適，基本無局部穩(wěn)定問題，單位應(yīng)力價(jià)格低，對于一般工程結(jié)構(gòu)，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)明顯優(yōu)于鋼結(jié)構(gòu)?⑵可模性好：混凝土可根據(jù)設(shè)計(jì)需要澆筑成各種性質(zhì)和尺寸的結(jié)構(gòu)，適用于各種形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，如空間薄殼、箱形結(jié)構(gòu)等。混凝土模板混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)（2）⑶耐久性和耐火性較好，維護(hù)費(fèi)用低：鋼筋有混凝土的保護(hù)層，不易產(chǎn)生銹蝕，而混凝土的強(qiáng)度隨時(shí)間的增加而增長；混凝土是不良導(dǎo)體，一般30mm厚混凝土保護(hù)層，可耐火2小時(shí)，使鋼筋不致因升溫過快而喪失強(qiáng)度。⑷現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)的整體性好，且通過合適的配筋，可獲得較好的延性，適用于抗震、抗爆結(jié)構(gòu)；同時(shí)防振性和防輻射性能較好，適用于防護(hù)結(jié)構(gòu)。混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)（3）⑸剛度大、阻尼大，有利于結(jié)構(gòu)的變形控制。⑹易于就地取材：混凝土所用的大量砂、石，易于就地取材，近年來，已有利用工業(yè)廢料來制造人工骨料，或作為水泥的外加成分，改善混凝土的性能。普通混凝土結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)（1）⑴自重大：不適用于建造大跨、高層結(jié)構(gòu)。輕質(zhì)、高強(qiáng)和預(yù)應(yīng)力。⑵抗裂性差：普通RC結(jié)構(gòu)，在正常使用階段往往帶裂縫工作，工作環(huán)境較差(露天、沿海、化學(xué)侵蝕)時(shí)會(huì)影響耐久性；也限制了普通RC用于大跨結(jié)構(gòu)，高強(qiáng)鋼筋無法應(yīng)用?；炷两Y(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)（2）⑶承載力有限：在重載結(jié)構(gòu)和高層建筑底部結(jié)構(gòu)，構(gòu)件尺寸太大，減小使用空間。高強(qiáng)、鋼骨、鋼管混凝土⑷施工復(fù)雜，工序多（支模、綁鋼筋、澆筑、養(yǎng)護(hù)），工期長，施工受季節(jié)、天氣的影響較大。鋼模、飛模、滑模等，泵送、早強(qiáng)、商品、高性能、免振自密實(shí)混凝土等混凝土結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)（3）⑸混凝土結(jié)構(gòu)一旦破壞，其修復(fù)、加固、補(bǔ)強(qiáng)比較困難。但新型混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)不斷得到發(fā)展，如最近研究開發(fā)的采用碳纖維加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)，快速簡便?；馂?zāi)后混凝土結(jié)構(gòu)地震后混凝土結(jié)構(gòu)【回顧】1.建筑結(jié)構(gòu)基本要求？3.什么是混凝土結(jié)構(gòu)？什么是鋼筋混凝土？2.材料的基本力學(xué)指標(biāo)有哪些？以混凝土為主要材料制作的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)材料要有足夠的、有一定環(huán)境適應(yīng)度的強(qiáng)度；結(jié)構(gòu)材料要有足夠的剛度；結(jié)構(gòu)材料要有相對低廉的價(jià)格。包括：強(qiáng)度、彈性、塑性、沖擊韌性與冷脆性、徐變和松弛。是鋼筋和砼按一定方式組成的能共同工作的建筑材料。一、鋼筋的種類及選用強(qiáng)度高，塑性低強(qiáng)度高，粘結(jié)性好強(qiáng)度高預(yù)應(yīng)力鋼筋鋼筋熱軋鋼筋鋼絲鋼絞線熱處理鋼筋HPB235HRB335HRB400RRB400光圓鋼筋變形鋼筋變形鋼筋變形鋼筋非預(yù)應(yīng)力鋼筋強(qiáng)度塑性弱強(qiáng)高低4.1.2鋼筋4.1.2鋼筋（1/7）4.1鋼筋和混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能（2/4）鋼筋的化學(xué)成分碳素鋼:除含有鐵元素外還有少量的碳、硅、錳、硫、磷等元素。碳素鋼分為:低碳鋼(含碳量<0．25％)、中碳鋼(含碳量0．25％一0．6％)及高碳鋼(含碳量0.6％一1.4％)。含碳量越高強(qiáng)度越高，但塑性和可焊性降低，反之則強(qiáng)度降低而塑性和可焊性好。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)所采用的鋼材按其化學(xué)成分可分為碳素鋼及普通低合金鋼。

Fig.我國常見鋼筋外形4.1.2鋼筋（2/7）4.1鋼筋和混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能（2/4）二、鋼筋的力學(xué)性能有明顯屈服點(diǎn)（軟鋼）0

dabce

oa—彈性階段bc—屈服階段cd—硬化階段de—頸縮階段d0

條件屈服點(diǎn)

0.2

是殘余應(yīng)變?yōu)?.2%時(shí)的應(yīng)力c—條件屈服強(qiáng)度0.2=0.85fu無明顯屈服點(diǎn)（硬鋼）c

0.20.2%a—比例極限fp

c—屈服強(qiáng)度fy

d—極限強(qiáng)度fu

1.強(qiáng)度相關(guān)4.1.2鋼筋（3/7）4.1鋼筋和混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能（2/4）→是鋼筋強(qiáng)度的設(shè)計(jì)依據(jù)屈強(qiáng)比反映鋼筋的強(qiáng)度儲備，fy/fu=0.6~0.7。Es沖擊韌性：是對于鋼結(jié)構(gòu)使用鋼材的特殊要求，是檢驗(yàn)鋼材對于沖擊荷載的承受能力。2.塑性性能伸長率：鋼材拉斷后的塑性變形量較鋼材原始尺度的變化率，是衡量鋼材變形能力的重要指標(biāo)。冷彎指標(biāo)：是檢驗(yàn)鋼材冷加工性能的指標(biāo)，對于鋼筋與鋼板，其冷彎指標(biāo)是指在常溫下被檢驗(yàn)材料對于某一相對的半徑（相對板材厚度與鋼筋直徑）的彎曲角度。伸長率:d0

4.1.2鋼筋（4/7）4.1鋼筋和混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能（2/4）越大,鋼筋延性或塑性越好3.鋼材的加工性能常見的建筑工程鋼材加工有冷加工、熱加工兩類：冷加工：板材、線材的冷彎；線材的冷拉、冷拔；熱加工：焊接。冷拉后的鋼筋沒有明顯的屈服階段，如B圖。冷拉卸載后經(jīng)過一段時(shí)間的停滯，再對其張拉，會(huì)重新恢復(fù)屈服階段而呈現(xiàn)出屈服強(qiáng)度提高的應(yīng)力應(yīng)變圖形；這種現(xiàn)象被稱為時(shí)效硬化現(xiàn)象；冷拉僅提高鋼筋的抗拉強(qiáng)度，不提高其抗壓強(qiáng)度；冷拉工藝不改變鋼筋的強(qiáng)度級別。0σεAB冷拉4.1.2鋼筋（5/7）4.1鋼筋和混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能（2/4）冷拔是指將光圓鋼筋以強(qiáng)力拉拽使其通過小直徑的硬質(zhì)合金模具，使其截面減小而長度增長；冷拔后的鋼筋的強(qiáng)度會(huì)大大提高；冷拔后鋼筋的塑性會(huì)降低；冷拔后的鋼筋與之前的鋼筋不屬于同一種鋼筋。0σε冷拔4.1.2鋼筋（6/7）4.1鋼筋和混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能（2/4）冷加工鋼筋冷拉鋼筋冷拔鋼筋冷軋帶肋鋼筋冷軋扭鋼筋三、鋼筋的計(jì)算指標(biāo)鋼筋的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值鋼筋的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值具有95%保證率的基本代表值。其中，熱軋鋼筋根據(jù)屈服強(qiáng)度確定，用表示；預(yù)應(yīng)力鋼絞線、鋼絲和熱處理鋼筋的強(qiáng)度根據(jù)極限抗拉強(qiáng)度確定，用表示。熱軋鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值：預(yù)應(yīng)力鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值：見P391表4-2見P392表4-5四、鋼筋的截面面積常規(guī)直徑:d=6,8,10,12,14,16,18,20,22,25,28,32mm12種?！扔跇?biāo)準(zhǔn)值除以分項(xiàng)系數(shù)。4.1.2鋼筋（7/7）4.1鋼筋和混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能（2/4）五鋼筋的疲勞指的是鋼筋在承受重復(fù)、周期性的動(dòng)荷載作用下，經(jīng)過一定次數(shù)后突然脆性斷裂的現(xiàn)象。鋼筋的疲勞強(qiáng)度低于其靜荷載作用下的極限強(qiáng)度。六混凝土結(jié)構(gòu)對鋼筋性能的要求·

(1)強(qiáng)度：屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度(2)塑性：延伸率，冷彎性能(3)可焊性：(4)耐火性：(5)與混凝土的粘結(jié)力差熱軋鋼筋冷拉鋼筋預(yù)應(yīng)力鋼筋鋼筋的屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、伸長率和冷彎性能是施工單位驗(yàn)收鋼筋是否合格的四個(gè)主要指標(biāo)。(1)強(qiáng)度：所謂強(qiáng)度指的是鋼筋的屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度。鋼筋的屈服強(qiáng)度是設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)的主要依據(jù)(如無明顯流幅的鋼筋，取它的條件屈服應(yīng)力，約相當(dāng)于80％的極限強(qiáng)度)。fy/fu=0.6~0.7。2.1鋼筋(2)塑性：

要求鋼材在斷裂前應(yīng)有足夠的變形使鋼筋混凝土梁在將要破壞時(shí)能給人們以預(yù)告信號。

檢驗(yàn)指標(biāo)：延伸率，冷彎性能鋼筋的屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、伸長率和冷彎是施工單位驗(yàn)收鋼筋是否合格的四個(gè)主要指標(biāo)。3)可焊性：在一定的工藝條件下要求鋼筋焊接后不產(chǎn)生裂紋及過大的變形，保證焊接后的接頭性能良好。

4）耐火性：差熱軋鋼筋冷拉鋼筋預(yù)應(yīng)力鋼筋工程中通過調(diào)整保護(hù)層厚度來滿足結(jié)構(gòu)耐火極限要求。5)與混凝土的粘結(jié)力(又稱握裹力)：

為了保證鋼筋與混凝土共同工作，兩者之間必須有足夠的粘結(jié)力，鋼筋表面的形狀對粘結(jié)力有重要的影響。2.1鋼筋4.1.3混凝土一、混凝土的強(qiáng)度定義：水泥膠體(水泥結(jié)晶體和水泥膠塊)彈性骨架（混凝土）水泥+水石子、沙子立方體抗壓強(qiáng)度是指按照標(biāo)準(zhǔn)方法制作養(yǎng)護(hù)的邊長為150mm的立方體試件，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)（）28天齡期，用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測得的抗壓強(qiáng)度。砼強(qiáng)度等級立方體抗壓強(qiáng)度150mm150mm150mm4.1.3混凝土（1/11）4.1鋼筋和混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能（3/4）強(qiáng)度等級：C15,C20,C25,C30,C35,C40,C45,C50~C80共14級C—混凝土15—立方體抗壓強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值為15N/mm2（溫度20±3，相對濕度90%以上）定義：折算：軸心抗壓強(qiáng)度是指按照標(biāo)準(zhǔn)方法制作養(yǎng)護(hù)的截面為150mm×150mm高300mm的棱柱體，在28天齡期，用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測得的抗壓強(qiáng)度。軸心抗壓強(qiáng)度（棱柱體抗壓強(qiáng)度）—軸心抗壓強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度比值—高強(qiáng)混凝土脆性折減系數(shù)0.88—經(jīng)驗(yàn)折減系數(shù)4.1鋼筋和混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能（3/4）150mm300mm4.1.3混凝土（2/11）軸心抗拉強(qiáng)度4.1鋼筋和混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能（3/4）混凝土的抗拉強(qiáng)度比抗壓強(qiáng)度低得多，一般只有抗壓強(qiáng)度的5%~10%4.1.3混凝土（3/11）4.1鋼筋和混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能（3/4）4.混凝土在復(fù)合應(yīng)力作用下的強(qiáng)度a.混凝土的雙向受力強(qiáng)度雙向受拉：強(qiáng)度接近單向受拉強(qiáng)度雙向受壓：抗壓強(qiáng)度和極限壓應(yīng)變均有所提高一拉一壓：強(qiáng)度降低4.1.3混凝土（4/11）4.1鋼筋和混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能（3/4）b.混凝土的三向受壓強(qiáng)度三向受壓時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度和極限變形都有較大提高4.1.3混凝土（5/11）4.1鋼筋和混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能（3/4）在有剪應(yīng)力作用時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度將低于單軸抗壓強(qiáng)度c.混凝土在正應(yīng)力和剪應(yīng)力作用下的復(fù)合強(qiáng)度4.1.3混凝土（6/11）二、混凝土的變形

cu

c

c0ABCDfc

0殘余變形彈性變形OA—彈性階段AB—微裂縫開展BC—彈塑性，豎向裂縫形成CD—下降段混凝土是彈塑性材料一）混凝土的受力變形1、混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系4.1鋼筋和混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能（3/4）受壓混凝土一次短期加荷的應(yīng)力-應(yīng)變曲線4.1.3混凝土（7/11）2、混凝土的彈性模量測定4.1鋼筋和混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能（3/4）4.1.3混凝土（8/11）影響因素：配合比、養(yǎng)護(hù)、應(yīng)力條件對構(gòu)件影響：增大變形；引起內(nèi)力重分布；引起預(yù)應(yīng)力損失3、徐變——砼在長期荷載作用下隨時(shí)間而增長的變形原因：水泥膠凝體的流動(dòng)性及內(nèi)部微裂縫開展4.1鋼筋和混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能（3/4）4.1.3混凝土（10/11）原因：水分蒸發(fā)影響因素：配合比、養(yǎng)護(hù)、體表比對構(gòu)件影響：構(gòu)件產(chǎn)生裂縫；引起預(yù)應(yīng)力損失收縮——砼在空氣中硬化體積減小的現(xiàn)象4.1鋼筋和混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能（3/4）4.1.3混凝土（9/11）二）混凝土的非受力變形2、膨脹——砼在水中硬化體積增大的現(xiàn)象