國家課程課件 土木建筑 結(jié)構(gòu)設(shè)計原理第一章

1、 第一章第一章 鋼筋混凝土材料的力 學(xué)性能 材 料 性 能1鋼筋鋼筋 (1)熟悉鋼筋的品種和級別。 (2)掌握鋼筋的應(yīng)力一應(yīng)變?nèi)€特性及其數(shù)學(xué)模型。 (3)了解鋼筋的冷加工性能以及混凝土結(jié)構(gòu)對鋼筋性能的要求。 2混凝土混凝土 (1)熟悉混凝土的立方體強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度、軸心抗拉強(qiáng)度及相互間的 關(guān)系。 (2)掌握單軸向受壓下混凝土的應(yīng)力一應(yīng)變?nèi)€及其數(shù)學(xué)模型。 (3)熟悉混凝土彈性模量、變形模量的概念。 (4)了解重復(fù)荷載下混凝土的疲勞性能以及復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下混凝土強(qiáng)度的 概念。 (5)熟悉混凝土徐變、收縮的概念。 3鋼筋與混凝土的粘結(jié)性能鋼筋與混凝土的粘結(jié)性能 (1)掌握粘結(jié)的定義、粘結(jié)力的

2、組成、粘結(jié)應(yīng)力的分布、粘結(jié)應(yīng)力與相對 滑移的關(guān)系等概念。 (2)掌握基本錨固長度的計算以及保證可靠粘結(jié)的構(gòu)造要求。 主要內(nèi)容及要求主要內(nèi)容及要求 材 料 性 能 第一章第一章 鋼筋混凝土材料的力學(xué)性能鋼筋混凝土材料的力學(xué)性能 l1.1 鋼筋 l1.2 混凝土 l1.3 鋼筋與混凝土之間的粘結(jié) l1.4 保證可靠粘結(jié)的具體構(gòu)造措施 l1.5 砼對鋼筋的保護(hù)作用 l1.6 砼結(jié)構(gòu)的環(huán)境類別 材 料 性 能 1.1 鋼筋鋼筋 一、鋼筋成分、品種、級別一、鋼筋成分、品種、級別 二、鋼筋的強(qiáng)度和變形二、鋼筋的強(qiáng)度和變形 三、鋼筋的冷加工和熱處理三、鋼筋的冷加工和熱處理 四、鋼筋混凝土構(gòu)件對鋼筋的性能要求

3、四、鋼筋混凝土構(gòu)件對鋼筋的性能要求 五、鋼筋的選用原則五、鋼筋的選用原則 材 料 性 能 按化學(xué)成分 碳素結(jié)構(gòu)鋼 （含碳量在0.8% 以下） 低碳鋼含碳量0.25% 中碳鋼含碳量 0.25%0.6% 高碳鋼含碳量0.65%1.4% 普通低合金鋼 (合金元素總含量 0.5fc 徐變最終仍收斂，但徐變系數(shù)隨 ci的增大而增大。 徐變將不收斂 當(dāng)c 0.8fc ，徐變發(fā)展最終導(dǎo)致破壞 作為混凝土的長期抗壓強(qiáng)度。 0.8fc 定義徐變變形cr與初始應(yīng)變ci的比值 為徐變系數(shù)，即 徐變的性質(zhì) 材 料 性 能 徐變對結(jié)構(gòu)的影響： 使構(gòu)件的變形增加； 在截面中引起應(yīng)力重分布； 在預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中引起預(yù)應(yīng)力

4、損失。 材 料 性 能 （三）（三） 混凝土在多次重復(fù)荷載下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系混凝土在多次重復(fù)荷載下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系 如果我們將混凝土棱柱體試塊加荷使其壓應(yīng)力達(dá)到 某個數(shù)值，然后卸荷至零，并把這一循環(huán)多次重 復(fù)下去，就稱為多次重復(fù)荷載。 我們通常把能使試件循環(huán)200萬次或次數(shù)稍多時發(fā)生破 壞的壓應(yīng)力稱為混凝土的疲勞抗壓強(qiáng)度，用符號 表示。 f f c 材 料 性 能 材 料 性 能 多次重復(fù)荷載多次重復(fù)荷載下應(yīng)力應(yīng)變曲線下應(yīng)力應(yīng)變曲線 1. 混凝土一次加荷卸荷時：曲線與橫坐標(biāo)成一環(huán) 狀 2. 混凝土在多次重復(fù)荷載作用下的曲線 a. 加荷應(yīng)力 時，每次卸荷時，塑性變形（不可 恢復(fù)變形）逐漸減小，曲線越

5、來越閉合成一直線； b. 加荷應(yīng)力 （某一應(yīng)力）時，曲線由凸向應(yīng)力 軸逐漸轉(zhuǎn)為凸向應(yīng)變軸，標(biāo)志混凝土內(nèi)部微裂縫 發(fā)展加劇趨近破壞。（疲勞破壞） f cf f cf 由上述a、b可以得出，曲線不同的變化過程 取決于施加應(yīng)力的大小 材 料 性 能 疲勞抗壓強(qiáng)度 f f c 能使試件循環(huán)200萬次或次數(shù)稍多時發(fā)生 破壞的壓應(yīng)力 影響疲勞抗壓強(qiáng)度的因素 1、荷載重復(fù)次數(shù)和砼強(qiáng)度等級 2、重復(fù)荷載應(yīng)力變化幅度 f s f sf s max min 在相同的重復(fù)次數(shù)下，砼的疲勞強(qiáng)度隨 增加而增大。 f s 材 料 性 能 混凝土在空氣中結(jié)硬體積減小的現(xiàn)象。 蒸汽養(yǎng)護(hù) 常溫養(yǎng)護(hù) 05101520 0.1 0

6、.2 0.3 0.4 收縮(103) 時間 (月) 四、混凝土的非受力變形 收縮 材 料 性 能 混凝土的收縮隨時間發(fā)展的規(guī)律混凝土的收縮隨時間發(fā)展的規(guī)律 混凝土的收縮隨時間而增長 兩周可完成全部收縮的25%，一個月可完成50% 整個收縮過程可延續(xù)兩年以上 混凝土開裂時應(yīng)變約為(0.52.7)10-4，而收縮應(yīng) 變終極值約為(25)10-4，故收縮應(yīng)變?nèi)缡艿郊s 束，極易導(dǎo)致開裂。 材 料 性 能 混凝土收縮的影響因素混凝土收縮的影響因素 環(huán)境的溫度濕度 構(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、養(yǎng)護(hù)條件 收縮的性質(zhì) 自由收縮：對結(jié)構(gòu)沒影響 約束收縮 來自內(nèi)部的鋼筋約束 來

7、自支座的外部約束 收縮對結(jié)構(gòu)的影響 a. 構(gòu)件未受荷之前產(chǎn)生裂縫； b. 預(yù)應(yīng)力構(gòu)件中預(yù)應(yīng)力損失 （預(yù)應(yīng)力筋與混凝土一同回縮 引起預(yù)應(yīng)力損失）； c. 超靜定結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)力 實(shí)際工程中，一般采用設(shè)置施工縫和構(gòu)造鋼筋等措施來實(shí)際工程中，一般采用設(shè)置施工縫和構(gòu)造鋼筋等措施來 減小收縮應(yīng)力的不利影響。減小收縮應(yīng)力的不利影響。 混凝土的膨脹 混凝土在水中硬結(jié)過程體積膨脹的現(xiàn)象 水下建筑物 材 料 性 能 1.3 鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)鋼筋與混凝土之間的粘結(jié) 一、粘結(jié)的意義一、粘結(jié)的意義 二、粘結(jié)的概念二、粘結(jié)的概念 三、粘結(jié)的分類三、粘結(jié)的分類 四、粘結(jié)的機(jī)理四、粘結(jié)的機(jī)理 五、光圓鋼筋與變形鋼筋的粘結(jié)

8、性能五、光圓鋼筋與變形鋼筋的粘結(jié)性能 六、保證粘結(jié)力的措施六、保證粘結(jié)力的措施 材 料 性 能 一、粘結(jié)的意義一、粘結(jié)的意義 若梁中的鋼筋與混凝土沒有粘結(jié)（圖 (a)），則在荷載作用下， 鋼筋不受力，該梁如同素混凝土梁。 若梁中的鋼筋僅設(shè)置機(jī)械錨固（圖 (b)），則鋼筋應(yīng)力沿全長相 等，其受力猶如二鉸拱，不是梁的受力狀態(tài)。 結(jié)論：只有梁中的鋼筋沿全長與混凝土有可靠的粘結(jié)，并在端 部有可靠的錨固，才符合梁的受力特點(diǎn) 鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)性能是鋼筋混凝土構(gòu)件必 不可少的第三個材料性能，是配筋構(gòu)造的基礎(chǔ)。 材 料 性 能 二、粘結(jié)的概念二、粘結(jié)的概念 1、軸心受拉構(gòu)件端部的受力分析、軸心受拉構(gòu)件端

9、部的受力分析 （軸向拉力（軸向拉力N N施加在端部的鋼筋上）施加在端部的鋼筋上） 材 料 性 能 端部截面鋼筋應(yīng)力s=N/As，混凝土應(yīng)力c=0,二者存在 著很大的應(yīng)變差，變形協(xié)調(diào)關(guān)系s=c 不成立； 隨著距端部截面距離的增加，拉力通過粘結(jié)作用逐漸 向混凝土傳遞，應(yīng)變差s-c逐漸減小 經(jīng)過一定距離lt的粘結(jié)作用力傳遞后，應(yīng)變差s-c=0， 變形協(xié)調(diào)關(guān)系成立，二者共同受力。 由上述分析可知由上述分析可知 鋼筋與混凝土之間具有足夠的粘結(jié)是保證二鋼筋與混凝土之間具有足夠的粘結(jié)是保證二 者共同受力、變形協(xié)調(diào)的前提。者共同受力、變形協(xié)調(diào)的前提。 材 料 性 能 2、粘結(jié)應(yīng)力的概念和表達(dá)式、粘結(jié)應(yīng)力的概念

10、和表達(dá)式 粘結(jié)應(yīng)力的概念 單位界面面積上粘結(jié)作用力沿鋼筋軸線方 向的分力，即鋼筋與混凝土界面上的粘結(jié) 剪應(yīng)力 粘結(jié)應(yīng)力的表達(dá)式 由圖鋼筋隔離體的平衡可得 整理可得粘結(jié)應(yīng)力 dxdAdA sssss )( 從上式我們可以看出從上式我們可以看出 鋼筋應(yīng)力的變化產(chǎn)生粘結(jié)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力的變化產(chǎn)生粘結(jié)應(yīng)力 粘結(jié)應(yīng)力的大小取決于二者的相對變形（滑移）粘結(jié)應(yīng)力的大小取決于二者的相對變形（滑移） 材 料 性 能 三、粘結(jié)的分類三、粘結(jié)的分類 1、錨固粘結(jié)、錨固粘結(jié) 材 料 性 能 對于存在錨固粘結(jié)應(yīng)力的地方，必須保證足夠?qū)τ诖嬖阱^固粘結(jié)應(yīng)力的地方，必須保證足夠 的錨固長度，必要時采取機(jī)械錨固措施，避免的錨固長度

11、，必要時采取機(jī)械錨固措施，避免 產(chǎn)生脆性粘結(jié)破壞。產(chǎn)生脆性粘結(jié)破壞。 材 料 性 能 2、裂縫間粘結(jié)裂縫間粘結(jié) 軸心受拉構(gòu)件開裂前，粘結(jié)應(yīng)力僅發(fā)生在構(gòu)件端部。 開裂后（見圖），粘結(jié)應(yīng)力發(fā)生在裂縫截面兩側(cè) 粘結(jié)應(yīng)力可以減小裂縫寬度、 提高構(gòu)件的剛度 材 料 性 能 四、粘結(jié)的機(jī)理四、粘結(jié)的機(jī)理 1、粘結(jié)作用的組成粘結(jié)作用的組成 （1） 水泥膠體與鋼筋表面的膠結(jié)力 砼中水泥砂漿的膠結(jié)作用 當(dāng)鋼筋與混凝土產(chǎn)生相對滑動后，膠結(jié)作用即喪 失 （2） 混凝土與鋼筋間的摩擦力 砼收縮緊緊握裹而產(chǎn)生的摩擦力 取決于握裹力和鋼筋與混凝土表面的摩擦系數(shù) （3） 機(jī)械咬合力 由于鋼筋表面凸凹不平而產(chǎn)生的機(jī)械咬合力

12、變形鋼筋可顯著增加鋼筋與混凝土的機(jī)械咬合作用 材 料 性 能 2、機(jī)械咬合作用的受力機(jī)理、機(jī)械咬合作用的受力機(jī)理 變形鋼筋受力后，其凸出的肋對混凝土產(chǎn)生斜向擠壓力 水平分力（軸向拉力和剪力）使產(chǎn)生內(nèi)部斜向錐形裂縫， 徑向分力（環(huán)向拉力）使產(chǎn)生內(nèi)部徑向裂縫。 材 料 性 能 3、變形鋼筋的粘結(jié)破壞形態(tài)、變形鋼筋的粘結(jié)破壞形態(tài) 劈裂式粘結(jié)破壞劈裂式粘結(jié)破壞 當(dāng)混凝土保護(hù)層、鋼筋間距較小 時，徑向裂縫可發(fā)展達(dá)到構(gòu)件表 面，且相互貫通，產(chǎn)生劈裂式粘結(jié)破壞。 剪切型粘結(jié)破壞剪切型粘結(jié)破壞 當(dāng)混凝土保護(hù)層厚度較大或者配 置有橫向鋼筋時，徑向裂縫的發(fā) 展受到限制，肋前部的混凝土在 水平分力和剪力作用下最終將

13、被 擠碎，產(chǎn)生所謂“刮犁式”的剪切型粘結(jié) 破壞 材 料 性 能 1、粘結(jié)強(qiáng)度的試驗測定 平均粘結(jié)應(yīng)力 s sss u l d dl d dl A dl F 4 2 4 五、粘結(jié)強(qiáng)度五、粘結(jié)強(qiáng)度 材 料 性 能 2 2、影響粘結(jié)強(qiáng)度的主要因素、影響粘結(jié)強(qiáng)度的主要因素 1）混凝土強(qiáng)度： 2）相對保護(hù)層厚度： 3）鋼筋凈間距鋼筋凈間距 ： 4）橫向配筋橫向配筋 ： 5）鋼筋表面特征鋼筋表面特征 和外形特征和外形特征 ： 6）受力情況受力情況 ： 混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度與混凝土抗拉強(qiáng)度成 正比； 相對保護(hù)層c/d大，混凝土的側(cè) 向約束作用增大，混凝土抵抗劈裂 破壞的能力也越大，粘結(jié)強(qiáng)度越高。 橫向鋼筋的存在

14、限制了徑向裂縫的發(fā)展，阻 止了劈裂破壞的發(fā)生，使粘結(jié)強(qiáng)度得到提高。 光面鋼筋表面凹凸較小，機(jī)械咬合作用 小，粘結(jié)強(qiáng)度低。 變形鋼筋肋的相對受力面積（擠壓混凝 土的面積與鋼筋截面積的比值）越大，其粘 結(jié)強(qiáng)度越大。 若在錨固范圍內(nèi)存在側(cè)壓力，則可增 大鋼筋與混凝土界面的摩擦力，從而提 高粘結(jié)強(qiáng)度； 若在錨固范圍內(nèi)存在剪力，則其產(chǎn)生 的斜裂縫會使錨固鋼筋受到銷栓作用而 降低粘結(jié)強(qiáng)度； 受反復(fù)荷載作用的鋼筋，肋前肋后 的混凝土?xí)粩D碎，導(dǎo)致咬合作用降低， 從而降低粘結(jié)強(qiáng)度。 鋼筋的粘結(jié)破壞形態(tài)還與鋼筋 凈距s有關(guān)。 當(dāng)鋼筋凈距較大時（s2c）， 可能是保護(hù)層劈裂； 當(dāng)鋼筋凈距較小時（s28mm，受壓鋼

15、筋直 徑32mm，不宜采用綁扎 搭接。直接承受動力荷 載的構(gòu)件，宜采用機(jī)械 連接 材 料 性 能 控制同一連接區(qū)段縱向鋼筋接頭面積百分率控制同一連接區(qū)段縱向鋼筋接頭面積百分率 機(jī)械或焊接接頭： 不宜大于50% 綁扎接頭： 對梁板類及墻類構(gòu)件宜25%； 對柱類構(gòu)件宜50%。 同一連接區(qū)段內(nèi)有搭接接 頭的縱向受力鋼筋截面面 積與全部縱向受力鋼筋截 面面積的比值。 材 料 性 能 mmll al 300 3、綁扎搭接長度、綁扎搭接長度ll 根據(jù)位于同一連接區(qū)段內(nèi)的鋼筋搭接接頭面根據(jù)位于同一連接區(qū)段內(nèi)的鋼筋搭接接頭面 積百分率計算積百分率計算 縱向受拉鋼 筋搭按長度 縱向受拉鋼 筋錨固長度 縱向受拉鋼筋搭接長 度修正系數(shù)，見下表 縱向受拉鋼筋縱向受拉鋼筋 縱向鋼筋搭接接頭面積百分率（縱向鋼筋搭接接頭面積百分率（%） 2550100 1.21.41.6 材 料 性 能縱向受壓鋼筋縱向受壓鋼筋綁扎搭接長度綁扎搭接長度 受壓搭接長度 0.7ll ， 且在任何情況下200mm。 材 料 性 能 1.5 、砼對鋼筋