1、第1章 鋼筋混凝土結構的概念及材料的物理力學性能,張娟秀 雷 笑 馬 瑩 編制 葉見曙 主審,本章目錄,1.1 鋼筋混凝土結構的基本概念 1.2 混凝土 1.3 鋼筋 1.4 鋼筋與混凝土之間的粘結,2,教學要求,理解鋼筋混凝土結構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度，軸心抗壓強度和抗拉強度概念，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加載作用下受壓應力-應變曲線。 了解普通熱軋鋼筋的強度和變形，掌握普通熱軋鋼筋的強度級別和品種。 理解鋼筋與混凝土之間的粘結性能及其機理。,3,1.1 鋼筋混凝土結構的概念,鋼筋混凝土結構是由配置受力的普通鋼筋

2、或鋼筋骨架的混 凝土制成的結構。,圖1-1 素混凝土梁和鋼筋混凝土梁,4,鋼筋的作用是代替混凝土受拉(受拉區(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件的受力性能比較 a) 柱的壓力混凝土應變曲線；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力，使兩者能可靠地結合成一個整體，在荷載作用下能夠很好地共同變形，完成其結構功能。 （2）鋼筋和混凝土的溫度線膨脹系數較為接近，鋼筋為（1.210-5）/，混凝土為（0.710-51.110-5）/，當溫度變化時，鋼筋與混凝土之間

3、不致產生較大的相對變形而破壞兩者之間的粘結。 （3）質量良好的混凝土可以保護鋼筋免遭銹蝕，保證了鋼筋與混凝土的共同作用。,6,1.2 混凝土材料物理力學性能,1）混凝土立方體抗壓強度 混凝土的立方體抗壓強度是按規(guī)定的標準試件和標準試驗方法得到的混凝土強度基本代表值。 每邊邊長為150mm的立方體為標準試件。 標準試件在202的溫度和相對濕度在95%以上的潮濕空氣中養(yǎng)護28d，依照標準制作方法和試驗方法測得的抗壓強度值（以MPa為單位）作為混凝土的立方體抗壓強度。 混凝土立方體抗壓強度用符號 fcu 表示。,1.2.1 混凝土的強度,7,混凝土立方體抗壓強度與試驗方法有著密切的關系。,圖1-3

4、立方體抗壓強度試件,規(guī)定采用的方法是不加油脂潤滑劑的試驗方法。 混凝土的抗壓強度還與試件尺寸有關。,8,2）混凝土軸心抗壓強度（棱柱體抗壓強度） 棱柱體試件（高度大于截面邊長的試件）的受力狀態(tài)更接近于實際構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方法所得的棱柱體試件的抗壓強度值，稱為混凝土軸心抗壓強度，用符號 fc 表示。,混凝土的軸心抗壓強度試驗以150mm150mm300mm的試件為標準試件。,圖1-4 h/b 對抗壓強度的影響,9,3）混凝土抗拉強度 混凝土抗拉強度（用符號 ft 表示）和抗壓強度一樣，都是混凝土的基本強度指標。,圖1-6 劈裂試驗,10,4）復合應力

5、狀態(tài)下的混凝土強度 在鋼筋混凝土結構中，構件通常受到軸力、彎矩、剪力及扭矩等不同組合情況的同時作用，因此，混凝土更多的是處于雙向或三向受力狀態(tài)。 在復合應力狀態(tài)下，混凝土的強度有明顯變化。,11,雙向正應力狀態(tài)下混凝土強度,圖1-7 雙向應力狀態(tài)下混凝土強度變化曲線,（1）當雙向受壓時（圖1-7中第三象限），一向的混凝土強度隨著另一向壓應力的增加而增加。 1/2 約等于 2 或 0.5 時，其強度比單向抗壓強度增加約為25%左右，而在 1/2 =1時，其強度增加僅為16%左右。,12,（2）當雙向受拉時（圖1-7中第一象限），無論應力比值1/2如何，實測破壞強度基本不變，雙向受拉的混凝土抗拉強

6、度均接近于單向抗拉強度。,（3）當一向受拉、一向受壓時（圖1-7中第二、四象限），混凝土的強度均低于單向受力（壓或拉）的強度。,圖1-7 雙向應力狀態(tài)下混凝土強度變化曲線,13,法向應力（拉或壓）和剪應力形成壓剪或拉剪復合應力狀態(tài)下混凝土強度 混凝土的抗壓強度由于剪應力的存在而降低。,圖1-8 法向應力與剪應力組合時的強度曲線,當/fc(0.50.7)時，抗剪強度隨壓應力的增大而增大； 當/fc(0.50.7)時，抗剪強度隨壓應力的增大而減小。,14,混凝土圓柱體三向受壓 混凝土軸心抗壓強度fcc與側壓應力2之間的關系用下列線性經驗公式表達：,fcc 三向受壓時圓柱體的混凝土軸心抗壓強度； f

7、c混凝土圓柱體強度，計算時可近似以混凝土 軸心抗壓強度 fc 代之； 側壓應力值。 k 側壓效應系數，側向壓力較低時得到的值較大。,圖1-9 三向受壓狀態(tài)下混凝土強度,（1-2）,15,1.2.2 混凝土的變形,1）混凝土在一次單調加載作用下的變形性能 （1）混凝土的應力應變曲線 對棱柱體試件進行的一次單調加載試驗（指加載從零開始單調增加至試件破壞，也稱單調加載）來測試混凝土的應力應變曲線。 在試驗時，需使用剛度較大的試驗機，或者在試驗中用控制應變速度的特殊裝置來等應變速度地加載，或者在普通壓力機上用高強彈簧（或油壓千斤頂）與試件共同受壓，測得混凝土試件受壓時典型的應力應變曲線。,16,圖1-

8、10 混凝土受壓時應力-應變曲線,上升段,下降段,收斂段,一次單調加載下完整的混凝土軸心受壓應力應變曲線由上升段OC、下降段CD和收斂段DE組成。,17,混凝土軸心受壓應力應變曲線的上升段OC 和下降段CD，最大應力值 fc 及相應的應變值 c0 以及D點的應變值（稱極限壓應變值 cu）成為曲線的三個特征值。 對于均勻受壓的棱柱體試件，其壓應力達到 fc 時，混凝土就不能承受更大的壓力，成為結構構件計算時混凝土強度的主要指標。 與 fc 相比對應的應變 c0 隨混凝土強度等級而異，約在(1.52.5)10-3間變動，平均值為 c0 =2.010-3。 應力-應變曲線中相應于D點的混凝土極限壓應

9、變cu約為(3.05.0)10-3。,18,影響混凝土軸心受壓應力-應變曲線的主要因素： 混凝土強度。 應變速率。 測試技術和試驗條件。,圖1-11 強度等級不同的混凝土的應力-應變曲線,19,（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,20,我國公路橋規(guī)混凝土彈性模量Ec取值方法： 試驗采用棱柱體試件，取應力上限為 =0.5 fc，然后卸荷至零，再重復加載卸荷510次，變形已基本趨于穩(wěn)定，應力應變曲線接近于直線（圖1-13），該直線的斜率即作為混凝土彈性模量的取值。 混凝土彈性模量是混凝

10、土棱柱體標準試件，用標準的試驗方法所得的規(guī)定壓應力值與其對應的壓應變值的比值。,圖1-13 測定混凝土彈性模量的方法,21,混凝土 Ec 的經驗公式為： 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度標準值. 混凝土彈性模量值見附表1-2。,22,混凝土的剪切彈性模量 Gc，一般可根據試驗測得的混凝土彈性模量 Ec 和泊松比按式（1-8）確定：,（1-8）,其中vc為混凝土的橫向變形系數（泊松比）。取vc=0.2時，代入式（1-8）得到Gc=0.4Ec。,23,2）混凝土在長期荷載作用下的變形性能徐變變形 在荷載的長期作用下，混凝土的變形將隨時間而增

11、加，即在應力不變的情況下，混凝土的應變隨時間繼續(xù)增長，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構隨時間推移而增加的應變。,24,圖1-14為100mm100mm400mm的棱柱體試件在相對濕度為65%、溫度為20、承受 =0.5fc 壓應力并保持不變的情況下變形與時間的關系曲線。,圖1-14 混凝土的徐變曲線,25,影響混凝土徐變的因素 （1）混凝土在長期荷載作用下產生的應力大小。 當壓應力 0.5fc 時，徐變大致與應力成正比，各條徐變曲線的間距差不多是相等的，稱為線性徐變。圖1-15，線性徐變在加荷初期增長很快，一般在兩年左右趨以穩(wěn)定，三年左右徐變即告基本終止。

12、當壓應力介于（0.50.8）fc 之間時，徐變的增長較應力的增長為快，這種情況稱為非線性徐變。 當壓應力0.8fc時，混凝土的非線性徐變往往是不收斂的。,26,（2）加荷時混凝土的齡期。加荷時混凝土齡期越短，則徐變越大。 （3）混凝土的組成成分和配合比。,圖1-16 加荷時混凝土齡期對徐變大小的影響,27,（4）養(yǎng)護及使用條件下的溫度與濕度。,圖1-17 構件尺寸對徐變的影響,當環(huán)境介質的溫度和濕度保持不變時，混凝土內水分的逸失取決于構件的尺寸和體表比（構件體積與表面積之比）。 構件的尺寸越大，體表比越大，徐變就越小。,28,3）混凝土的收縮 在混凝土凝結和硬化的物理化學過程中體積隨時間推移而

13、減小的現(xiàn)象稱為混凝土收縮。 混凝土在不受力情況下的這種自由變形，在受到外部或內部（鋼筋）約束時，將產生混凝土拉應力甚至開裂。,29,混凝土的收縮是一種隨時間而增長的變形（圖1-18）。 結硬初期收縮變形發(fā)展很快，兩周可完成全部收縮的25%，一個月約可完成50%，三個月后增長緩慢，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間關系,30,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硬過程中產生的體積變化，后期主要是混凝土內自由水分蒸發(fā)引起的干縮。 影響混凝土收縮的因素： 混凝土的組成和配合比。 混凝土構件的養(yǎng)護條件、使用環(huán)境的溫度與濕度等

14、。 混凝土構件的體表比。,31,1.3 鋼筋材料的物理力學性能,配筋混凝土結構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應力鋼筋（例如，高強度碳素鋼絲、鋼絞線等）。 鋼筋混凝土結構采用的受力普通鋼筋為熱軋鋼筋。,圖1-19 熱軋鋼筋的外形,32,1.3.1 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。 對于熱軋光圓鋼筋截面，其直徑就是公稱直徑。,33,1.3.2 熱軋鋼筋的強度等級和牌號,鋼筋的牌號是根據鋼筋屈服

15、強度標準值、制造成型方式及種類等規(guī)定加以分類的代號。 熱軋鋼筋的牌號是由英文字母縮寫和屈服強度標準值組成。 國產熱軋鋼筋牌號及力學能特征值見表1-1。,34,目前，公路橋規(guī)規(guī)定公路橋梁鋼筋混凝土結構使用的熱軋鋼筋牌號為HPB300、HRB400、HBRF400、RRB400和HRB500。 當鋼筋混凝土構件處于受侵蝕物質等影響的環(huán)境中時，公路橋規(guī)建議可以采用環(huán)氧樹脂涂層鋼筋。 環(huán)氧樹脂涂層鋼筋時在工廠生產條件下，用熱軋鋼筋采用環(huán)氧樹脂粉來以靜電噴涂方法生產的鋼筋。,35,1.3.3 熱軋鋼筋的強度與變形,熱軋鋼筋試件單向拉伸試驗的典型應力應變曲線見圖1-20：,圖1-20 有明顯流幅的鋼筋應力

16、應變曲線,彈性階段（0a） 屈服階段（af） 強化階段（fd） 破壞階段（de）,36,從工程結構設計角度來看，應當注意有關熱軋鋼筋強度的以下情況： （1）熱軋鋼筋的拉伸應力應變曲線有明顯的屈服點和流幅，斷裂時有頸縮現(xiàn)象； （2）熱軋鋼筋的應力到達屈服點后，會產生很大的塑性變形（流幅），使鋼筋混凝土構件出現(xiàn)很大的變形和過寬的混凝土裂縫，以致不能正常使用，因此，以屈服強度作為鋼筋強度限值，且按其屈服下限確定。 （3）鋼筋極限強度是鋼筋的實際破壞強度。鋼筋屈服強度與極限強度的比值稱為屈強比，它可以代表鋼筋的強度儲備，國家標準規(guī)定熱軋鋼筋的屈強比應不大于0.8。,37,1.3.4 熱軋鋼筋的塑性性能

17、,熱軋鋼筋除應具有足夠的強度外，還應具有一定的塑性變形能力，通常用伸長率和冷彎性能兩個指標來衡量。 （1）伸長率 是由熱軋鋼筋單向拉伸試驗得到其伸長率值。 鋼筋斷后伸長率是指鋼筋試件上標距為10d 或 5d（d 為鋼筋公稱直徑）范圍內的伸長值與原長的比率，伸長值即為圖1-20所示鋼筋應力應變曲線中e點的橫坐標值。,38,（2）冷彎性能 工程上鋼筋在工地現(xiàn)場進行冷加工，形成滿足設計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、使用時不開裂、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；

18、b) 鋼筋的彎折,39,鋼筋冷彎性能試驗 將鋼筋標準試件放在冷彎試驗機上，用有一定彎心直徑D的沖頭，在常溫下對標準試件施加力使之彎曲達到規(guī)定彎角(180或90)。 檢查鋼筋標準試件表面，不出現(xiàn)裂紋，起層，鱗落或斷裂現(xiàn)象，則認為鋼筋冷彎性能合格。,沖頭,冷彎試驗后的鋼筋試件,鋼筋試件冷彎試驗,鋼沖頭,鋼筋標準試件,試驗臺座,40,1.4 鋼筋與混凝土之間的粘結,在鋼筋混凝土結構中，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強度，能承受由于變形差（相對滑移）沿鋼筋與混凝土接觸面上產生的剪應力，通常把這種剪應力稱為粘結應力。,41,1.4.1 粘結的作用,通過對粘結力基準試驗和

19、模擬構件試驗，可以測定出粘結應力的分布情況，了解鋼筋和混凝土之間的粘結作用的特性。鋼筋自混凝土試件中的拔出試驗就是一種對粘結力的觀測試驗。 圖1-22為鋼筋一端埋置在混凝土試件中，在鋼筋伸出端施加拉拔力的拔出試驗示意圖。,圖1-22 光圓鋼筋的拔出試驗 a) 試驗示意圖； b) 粘結應力分布圖； c) 鋼筋應力分布圖； d) 鋼筋隔離體受力,42,圖1-23 鋼筋的粘結應力分布圖 a) 光圓鋼筋情況； b) 帶肋鋼筋情況,43,1.4.2 粘結機理分析,光圓鋼筋與混凝土的粘結作用主要由三部分組成： （1）混凝土中水泥膠體與鋼筋表面的化學膠著力； （2）鋼筋與混凝土接觸面上的摩擦力； （3）鋼筋表面粗糙不平產生的機械咬合作用。 其中膠著力所占比例很小，發(fā)生相對滑移后，光圓鋼筋與混凝土之間的粘結力主要由摩擦力和咬合力提供。,44,帶肋鋼筋與混凝土之間的膠著力和摩擦力仍然存在，但帶肋鋼筋與混凝土之間的粘結力主要是鋼筋表面凸起的肋紋與混凝土的機械咬合作用（圖1-24）。,圖1-24 變形鋼筋橫肋處的擠壓力和內部裂