建筑結(jié)構(gòu)材料

第一篇基礎(chǔ)篇第三章建筑結(jié)構(gòu)材料第一節(jié)混凝土一、概念1、定義混凝土：是由膠結(jié)材料，骨料和水按一定比例配制，經(jīng)攪拌振搗成型，在一定條件下養(yǎng)護(hù)而成的人造石材。簡(jiǎn)寫(xiě)砼，是當(dāng)代最主要的土木工程材料之一。普通混凝土：是由水泥、粗骨料（碎石或卵石）、細(xì)骨料（砂）和水拌合，經(jīng)硬化而成的一種人造石材。水泥：水泥是粉狀的水硬性膠凝材料，即加水拌合成塑性漿體，能在空氣中和水中凝結(jié)硬化，可將其它材料膠結(jié)成整，并形成堅(jiān)硬石材的材料。混凝土由兩相組成：骨料和水泥漿基體。骨料：砂（細(xì)骨料）和礫石或碎石（粗骨料）。水泥漿基體：主要作用是覆蓋和聯(lián)結(jié)骨料顆粒，含有水和水泥成分。水泥的種類(lèi)很多，目前主要的、使用最廣的是硅酸鹽水泥。此外，其他材料用于混凝土中，如化學(xué)外加劑、礦物摻合料、金屬和聚合物纖維等，通過(guò)這些成分的摻入，可以提高混凝土的性能，從而獲得特種混凝土。1——石子，2——砂子，3——水泥漿，4——?dú)饪谆炷两Y(jié)構(gòu)示意圖2、發(fā)展歷史1824年發(fā)明了波特蘭水泥（硅酸鹽水泥），以水泥作為膠凝材料的混凝土開(kāi)始問(wèn)世1850年鋼筋混凝土問(wèn)世1928年預(yù)應(yīng)力混凝土問(wèn)世3、特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：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)承載力與剛度比例合適，基本無(wú)局部穩(wěn)定問(wèn)題，單位應(yīng)力價(jià)格低，對(duì)于一般工程結(jié)構(gòu)，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)于鋼結(jié)構(gòu)。⑵可模性好：混凝土可根據(jù)需要澆筑成各種性質(zhì)和尺寸，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。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)間而增長(zhǎng)；混凝土是不良熱導(dǎo)體，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(guò)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(guò)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)。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(lái)，已有利用工業(yè)廢料來(lái)制造人工骨料，或作為水泥的外加成分，改善混凝土的性能。缺點(diǎn)：⑴自重大：不適用于大跨、高層結(jié)構(gòu)?！p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，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(wú)法應(yīng)用。——預(yù)應(yīng)力混凝土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?！邚?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(zhǎng)，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?！炷两Y(jié)構(gòu)加固技術(shù)不斷得到發(fā)展，如最近研究開(kāi)發(fā)的采用碳纖維布加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)，快速簡(jiǎn)便。二、混凝土的強(qiáng)度混凝土基本的強(qiáng)度指標(biāo)由立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度和軸心抗拉強(qiáng)度三種。1、立方體抗壓強(qiáng)度混凝土結(jié)構(gòu)中，主要是利用它的抗壓強(qiáng)度。因此抗壓強(qiáng)度是混凝土力學(xué)性能中最主要和最基本的指標(biāo)?；炷恋膹?qiáng)度等級(jí)是用立方體抗壓強(qiáng)度來(lái)劃分的。

混凝土強(qiáng)度等級(jí)：邊長(zhǎng)150mm立方體標(biāo)準(zhǔn)試件，在標(biāo)準(zhǔn)條件下（20±3℃，≥90%濕度）養(yǎng)護(hù)28天，用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法（加載速度0.15~0.3N/mm2/sec，兩端不涂潤(rùn)滑劑）測(cè)得的具有95%保證率的立方體抗壓強(qiáng)度，用符號(hào)C表示，C30表示fcu,k=30N/mm2?！兑?guī)范》根據(jù)強(qiáng)度范圍，從C15~C80共劃分為14個(gè)強(qiáng)度等級(jí)，級(jí)差為5N/mm2。與原《規(guī)范GBJ10-89》相比，混凝土強(qiáng)度等級(jí)范圍由C60提高到C80，C60以上為高強(qiáng)混凝土。2、軸心抗壓強(qiáng)度軸心抗壓強(qiáng)度采用棱柱體試件測(cè)定，用符號(hào)fc表示，它比較接近實(shí)際構(gòu)件中混凝土的受壓情況。棱柱體試件高寬比一般為h/b=3~4，我國(guó)通常取150mm×150mm×450mm的棱柱體試件，也常用100×100×300試件。對(duì)于同一混凝土，棱柱體抗壓強(qiáng)度小于立方體抗壓強(qiáng)度。3、軸心抗拉強(qiáng)度是其基本力學(xué)性能，用符號(hào)ft表示?；炷翗?gòu)件開(kāi)裂、裂縫、變形，以及受剪、受扭、受沖切等的承載力均與抗拉強(qiáng)度有關(guān)?；炷潦谴嘈圆牧?，內(nèi)部存在許多孔隙，抗拉強(qiáng)度很低，僅為軸心抗壓強(qiáng)度的1/10左右，在混凝土結(jié)構(gòu)的承載力計(jì)算中通常不考慮混凝土承受拉力。三、混凝土的變形1、混凝土的徐變1）混凝土在荷載的長(zhǎng)期作用下，其變形隨時(shí)間而不斷增長(zhǎng)的現(xiàn)象稱(chēng)為徐變。2）影響因素：內(nèi)在因素：是混凝土的組成和配比。骨料的剛度（彈性模量）越大，體積比越大，徐變就越小。水灰比越小，徐變也越小。環(huán)境影響：包括養(yǎng)護(hù)和使用條件。受荷前養(yǎng)護(hù)的溫濕度越高，水泥水化作用越充分，徐變就越小。采用蒸汽養(yǎng)護(hù)可使徐變減少（20~35）%。受荷后構(gòu)件所處的環(huán)境溫度越高，相對(duì)濕度越小，徐變就越大。2、混凝土的收縮混凝土在空氣中硬化時(shí)體積會(huì)縮小，這種現(xiàn)象稱(chēng)為混凝土的收縮。收縮是混凝土在不受外力情況下體積變化產(chǎn)生的變形。當(dāng)這種自發(fā)的變形受到外部（支座）或內(nèi)部（鋼筋）的約束時(shí)，將使混凝土中產(chǎn)生拉應(yīng)力，甚至引起混凝土的開(kāi)裂混凝土的收縮是隨時(shí)間而增長(zhǎng)的變形，早期收縮變形發(fā)展較快，兩周可完成全部收縮的25%，一個(gè)月可完成50%，以后變形發(fā)展逐漸減慢，整個(gè)收縮過(guò)程可延續(xù)兩年以上?；炷恋氖湛s受結(jié)構(gòu)周?chē)臏囟取穸?、?gòu)件斷面形狀及尺寸、配合比、骨料性質(zhì)、水泥性質(zhì)、混凝土澆筑質(zhì)量及養(yǎng)護(hù)條件等許多因素有關(guān)。四、摻合料和化學(xué)外加劑1、摻合料2、化學(xué)外加劑五、特殊性能混凝土1、高強(qiáng)混凝土2、高性能混凝土1）定義美國(guó)混凝土學(xué)會(huì)定義：高性能混凝土是一種能符合特殊性能要求的混凝土，此種混凝土往往不能用常規(guī)的混凝土組分材料和通常的攪拌、澆搗和養(yǎng)護(hù)的習(xí)慣做法所獲得。2）特點(diǎn)：超高的強(qiáng)度、低滲透性、良好的結(jié)構(gòu)性能、優(yōu)越的耐久性、可觀的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)保性，有關(guān)常規(guī)的混凝土物理、力學(xué)性能指標(biāo)亦要根據(jù)不同的使用要求而有所提高或改善。3、自密實(shí)混凝土一般混凝土的成型密實(shí)主要靠機(jī)械振搗，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，易出質(zhì)量事故，并且有噪聲影響居民工作或生活。1）特點(diǎn)自密實(shí)混凝土具有很高的抗離析能力，且不需要夯實(shí)和振搗，可自行密實(shí)到每一個(gè)角落，硬化后有很高的強(qiáng)度。與普通混凝土相比，自密實(shí)混凝土澆注出來(lái)的構(gòu)件表面光滑平整。4、輕集料混凝土（輕質(zhì)砼、輕骨料砼）1）定義用輕質(zhì)粗骨料、輕質(zhì)細(xì)骨料（或普通砂）、水泥和水配制而成的，其表觀密度不大于1950kg/m3的混凝土稱(chēng)之，是一種輕質(zhì)、高強(qiáng)、多功能的新型土木工程材料。（密度大于2600kg/m3為重混凝土，在1950~2600kg/m3之間為普通混凝土。）5、纖維增強(qiáng)混凝土（簡(jiǎn)稱(chēng)FRC）普通混凝土抗拉強(qiáng)度低、抗裂性差、脆性大，采用纖維能克服混凝土缺點(diǎn)。1）定義纖維增強(qiáng)混凝土是由不連續(xù)的短纖維均勻地分散于水泥混凝土基材中形成的復(fù)合混凝土材料。在混凝土中摻用纖維材料，可以避免混凝土裂縫的擴(kuò)展，因?yàn)槔w維材料能承受塑性收縮、干縮或自收縮等引起的拉力。聚丙烯網(wǎng)狀纖維混凝土改性聚丙烯纖維6、收縮補(bǔ)償混凝土7、噴射混凝土8、再生混凝土

第二節(jié)鋼材鋼材特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：強(qiáng)度高、塑性和韌性好，能承受沖擊和振動(dòng)荷載，易于加工和裝配；缺點(diǎn)：易銹蝕和耐火性差，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的穩(wěn)定性差。鋼材化學(xué)成分主要化學(xué)成分：鐵和少量的碳，有錳、硅等有利元素及硫、磷、氧、氮、氫等有害雜質(zhì)元素。在合金鋼中添加能改善鋼材性能的某些合金元素，如錳、釩等。鋼材分類(lèi)根據(jù)澆注方法分：沸騰鋼、半沸騰鋼、鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼；根據(jù)化學(xué)成分分：碳素鋼和合金鋼。其中碳素鋼根據(jù)含碳量的不同分為低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼；合金鋼根據(jù)合金元素含量的不同分為低合金鋼、中合金鋼和高合金鋼。建筑鋼結(jié)構(gòu)中常用的是碳素鋼Q235(A3鋼)和低合金鋼Q315(16Mn鋼)。一、建筑鋼材建筑鋼材的產(chǎn)品種類(lèi)一般分為型材：板材：管材：金屬制品：(一)型材主要有角鋼、工字鋼、槽鋼、方鋼、吊車(chē)軌道、金屬門(mén)窗、鋼板樁型鋼等。槽鋼鋼管角鋼工字鋼H型鋼1、軋制H形鋼其性能遠(yuǎn)超過(guò)普通工字鋼，也可以制成其他截面形式，具有節(jié)約材料、方便施工、方便油漆的優(yōu)點(diǎn)。H型鋼2、冷彎型鋼和壓型鋼板由薄鋼板在常溫下經(jīng)冷加工成型的鋼材，桿狀的稱(chēng)為冷彎薄壁型鋼，板狀的稱(chēng)為壓型鋼板。1）冷彎型鋼壁厚一般為1.5~3.0mm，厚度薄，可方便地加工成各種所需要的形狀；截面特性好，材料得到充分利用，節(jié)省材料；是制作輕型鋼結(jié)構(gòu)的主要材料。分類(lèi)：按截面分：開(kāi)口、半閉口、閉口；按形狀分：冷彎槽鋼（C形鋼）、角鋼、Z形鋼、方鋼、矩形鋼、異型鋼等。2）壓型鋼板注意事項(xiàng)：3、鋼管1）優(yōu)點(diǎn)：對(duì)于軸心受壓桿件，管截面是材料分布最佳的形式，具有各向等強(qiáng)、抗扭剛度大、抗彎性能好等優(yōu)點(diǎn)；鋼管兩端封閉后，內(nèi)表面不產(chǎn)生腐蝕，外表面不易積水，表面積小，防腐費(fèi)用大大降低；用鋼管制作的結(jié)構(gòu)具有外形美觀流暢，在滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)功能要求的同時(shí)可以直接作為建筑裝飾；在鋼管內(nèi)填充混凝土形成鋼管混凝土，可以充分發(fā)揮鋼管與混凝土兩種材料各自的特性，是承載力和變形能力大大提高。2）缺點(diǎn)利用鋼管制作結(jié)構(gòu)，桿端節(jié)點(diǎn)連接復(fù)雜，在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)采用的焊接和螺栓球節(jié)點(diǎn)，球節(jié)點(diǎn)本身就要消耗可觀的材料并且施工工藝比較復(fù)雜；采用直接焊接時(shí)，桿端需要加工成非常復(fù)雜的空間曲線(xiàn)形狀，為方便連接，方管和矩形管得到越來(lái)越多的使用。方管具有和圓管相近的結(jié)構(gòu)性能，但其連接卻很方便。4、高強(qiáng)和特效鋼

5、鋁合金材料二、鋼筋1、鋼筋的分類(lèi)熱軋鋼筋HotRolledSteelReinforcingBarHPB235級(jí)、HRB335級(jí)、HRB400級(jí)、RRB400級(jí)屈服強(qiáng)度f(wàn)ykHPB235級(jí)：fyk=235N/mm2HRB335級(jí)：fyk=335N/mm2

HPB235級(jí)(Ⅰ級(jí))鋼筋多為光面鋼筋（PlainBar），多作為現(xiàn)澆樓板的受力鋼筋和箍筋

HRB335級(jí)(Ⅱ級(jí))和

HRB400級(jí)(Ⅲ級(jí))鋼筋強(qiáng)度較高，多作為鋼筋混凝土構(gòu)件的受力鋼筋，尺寸較大的構(gòu)件，也有用Ⅱ級(jí)鋼筋作箍筋的為增強(qiáng)與混凝土的粘結(jié)（Bond），外形制作成月牙肋或等高肋的變形鋼筋（DeformedBar）。se2、鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系有明顯屈服點(diǎn)的鋼筋a’為比例極限

s=Esea’a為彈性極限ade為強(qiáng)化段bb為屈服上限c為屈服下限，即屈服強(qiáng)度f(wàn)ycdcd為屈服臺(tái)階efue為極限抗拉強(qiáng)度f(wàn)u

fyf（1）彈性——有應(yīng)力就有應(yīng)變，應(yīng)力降為零時(shí)應(yīng)變消失。彈性極限點(diǎn)處（圖上a點(diǎn)）的應(yīng)力稱(chēng)彈性極限，材料從開(kāi)始受力到彈性極限間稱(chēng)彈性階段。（2）塑性——表現(xiàn)為應(yīng)力降為零應(yīng)變并不消失，留有永久變形或稱(chēng)殘余變形。從彈性極限到材料達(dá)到最大應(yīng)力間稱(chēng)塑性階段，這時(shí)應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率比應(yīng)力增長(zhǎng)快，最大的極限應(yīng)力稱(chēng)強(qiáng)度極限（即材料的強(qiáng)度）。（3）延性——材料超越彈性極限后至破壞前耐受變形的能力。延性愈大，材料破壞前的塑性變形愈大；具有塑性的材料必然有延性，脆性材料沒(méi)有延性。材料延性在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中極為重要。（4）彈性模量——材料在線(xiàn)彈性極限范圍內(nèi)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，這時(shí)應(yīng)力與應(yīng)變成正比例，這個(gè)關(guān)系稱(chēng)彈性定律，比例常數(shù)E稱(chēng)彈性模量。無(wú)明顯屈服點(diǎn)的鋼筋a點(diǎn)：比例極限，約為0.65fua點(diǎn)前：應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為線(xiàn)彈性a點(diǎn)后：應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為非線(xiàn)性，有一定塑性變形，且沒(méi)有明顯的屈服點(diǎn)強(qiáng)度設(shè)計(jì)指標(biāo)——條件屈服點(diǎn)殘余應(yīng)變?yōu)?.2%所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力《規(guī)范》取s0.2=0.85fu4個(gè)指標(biāo)：屈服強(qiáng)度：是鋼筋強(qiáng)度的設(shè)計(jì)依據(jù)，因?yàn)殇摻钋髮⒑艽蟮乃苄宰冃?，且卸載時(shí)這部分變形不可恢復(fù)，這會(huì)使鋼筋混凝土構(gòu)件產(chǎn)生很大的變形和不可閉合的裂縫。屈服上限與加載速度有關(guān)，不太穩(wěn)定，一般取屈服下限作為屈服強(qiáng)度。延伸率：鋼筋拉斷時(shí)的應(yīng)變，是反映鋼筋塑性性能的指標(biāo)。延伸率大的鋼筋，在拉斷前有足夠預(yù)兆，延性較好。極限強(qiáng)度冷彎性能好的建筑結(jié)構(gòu)用材料的要求是：極限應(yīng)力高（尤其彈性極限高），意味著用它做成的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度（承載力）高；彈性模量大，意味著用它做成的結(jié)構(gòu)變形??；延性好，意味著用它做成的結(jié)構(gòu)在破壞前有較大的變形。這一點(diǎn)對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震作用十分有利，因?yàn)樵诮Y(jié)構(gòu)發(fā)生較大變形的同時(shí)吸收能力，可以減小地震作用。2、鋼筋的強(qiáng)度和變形熱軋和冷拉鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)具有明顯的流幅，該類(lèi)鋼筋又被稱(chēng)為軟鋼；冷拔、冷軋、熱處理鋼筋、高強(qiáng)鋼絲和鋼絞線(xiàn)的應(yīng)力-應(yīng)變則無(wú)明顯流幅，該類(lèi)鋼筋又被稱(chēng)為硬鋼。軟鋼取屈服強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)強(qiáng)度的依據(jù)；硬鋼無(wú)明顯的屈服點(diǎn)，取條件屈服強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)強(qiáng)度的依據(jù)。3、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)鋼筋性能的要求1）有較高的強(qiáng)度和適宜的屈強(qiáng)比；強(qiáng)度是指屈服強(qiáng)度或條件屈服強(qiáng)度，屈強(qiáng)比是指屈服強(qiáng)度與極限強(qiáng)度之比。2）有較好的塑性；3）與混凝土之間有良好粘結(jié)力；4）具有較好的可焊性。保證焊接后接頭的受力性能良好，拉伸破壞不發(fā)生在接頭處。三、鋼筋混凝土（一）混凝土和鋼筋混凝土：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)、