國家課程課件 土木建筑 結構設計原理第一章

1、 第一章第一章 鋼筋混凝土材料的力 學性能 材 料 性 能1鋼筋鋼筋 (1)熟悉鋼筋的品種和級別。 (2)掌握鋼筋的應力一應變?nèi)€特性及其數(shù)學模型。 (3)了解鋼筋的冷加工性能以及混凝土結構對鋼筋性能的要求。 2混凝土混凝土 (1)熟悉混凝土的立方體強度、軸心抗壓強度、軸心抗拉強度及相互間的 關系。 (2)掌握單軸向受壓下混凝土的應力一應變?nèi)€及其數(shù)學模型。 (3)熟悉混凝土彈性模量、變形模量的概念。 (4)了解重復荷載下混凝土的疲勞性能以及復合應力狀態(tài)下混凝土強度的 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性能鋼筋與混凝土的粘結性能 (1)掌握粘結的定義、粘結力的

2、組成、粘結應力的分布、粘結應力與相對 滑移的關系等概念。 (2)掌握基本錨固長度的計算以及保證可靠粘結的構造要求。 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性能鋼筋混凝土材料的力學性能 l1.1 鋼筋 l1.2 混凝土 l1.3 鋼筋與混凝土之間的粘結 l1.4 保證可靠粘結的具體構造措施 l1.5 砼對鋼筋的保護作用 l1.6 砼結構的環(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、鋼筋的強度和變形二、鋼筋的強度和變形 三、鋼筋的冷加工和熱處理三、鋼筋的冷加工和熱處理 四、鋼筋混凝土構件對鋼筋的性能要求

3、四、鋼筋混凝土構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 按化學成分 碳素結構鋼 （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c 0.8fc ，徐變發(fā)展最終導致破壞 作為混凝土的長期抗壓強度。 0.8fc 定義徐變變形cr與初始應變ci的比值 為徐變系數(shù)，即 徐變的性質(zhì) 材 料 性 能 徐變對結構的影響： 使構件的變形增加； 在截面中引起應力重分布； 在預應力混凝土結構中引起預應力

4、損失。 材 料 性 能 （三）（三） 混凝土在多次重復荷載下的應力應變關系混凝土在多次重復荷載下的應力應變關系 如果我們將混凝土棱柱體試塊加荷使其壓應力達到 某個數(shù)值，然后卸荷至零，并把這一循環(huán)多次重 復下去，就稱為多次重復荷載。 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 壞的壓應力稱為混凝土的疲勞抗壓強度，用符號 表示。 f f c 材 料 性 能 材 料 性 能 多次重復荷載多次重復荷載下應力應變曲線下應力應變曲線 1. 混凝土一次加荷卸荷時：曲線與橫坐標成一環(huán) 狀 2. 混凝土在多次重復荷載作用下的曲線 a. 加荷應力 時，每次卸荷時，塑性變形（不可 恢復變形）逐漸減小，曲線越

5、來越閉合成一直線； b. 加荷應力 （某一應力）時，曲線由凸向應力 軸逐漸轉(zhuǎn)為凸向應變軸，標志混凝土內(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 取決于施加應力的大小 材 料 性 能 疲勞抗壓強度 f f c 能使試件循環(huán)200萬次或次數(shù)稍多時發(fā)生 破壞的壓應力 影響疲勞抗壓強度的因素 1、荷載重復次數(shù)和砼強度等級 2、重復荷載應力變化幅度 f s f sf s max min 在相同的重復次數(shù)下，砼的疲勞強度隨 增加而增大。 f s 材 料 性 能 混凝土在空氣中結硬體積減小的現(xiàn)象。 蒸汽養(yǎng)護 常溫養(yǎng)護 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 混凝土開裂時應變約為(0.52.7)10-4，而收縮應 變終極值約為(25)10-4，故收縮應變?nèi)缡艿郊s 束，極易導致開裂。 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)護條件 收縮的性質(zhì) 自由收縮：對結構沒影響 約束收縮 來自內(nèi)部的鋼筋約束 來

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

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

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 端部截面鋼筋應力s=N/As，混凝土應力c=0,二者存在 著很大的應變差，變形協(xié)調(diào)關系s=c 不成立； 隨著距端部截面距離的增加，拉力通過粘結作用逐漸 向混凝土傳遞，應變差s-c逐漸減小 經(jīng)過一定距離lt的粘結作用力傳遞后，應變差s-c=0， 變形協(xié)調(diào)關系成立，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是保證二鋼筋與混凝土之間具有足夠的粘結是保證二 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、粘結應力的概念和表達式、粘結應力的概念

10、和表達式 粘結應力的概念 單位界面面積上粘結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 剪應力 粘結應力的表達式 由圖鋼筋隔離體的平衡可得 整理可得粘結應力 dxdAdA sssss )( 從上式我們可以看出從上式我們可以看出 鋼筋應力的變化產(chǎn)生粘結應力鋼筋應力的變化產(chǎn)生粘結應力 粘結應力的大小取決于二者的相對變形（滑移）粘結應力的大小取決于二者的相對變形（滑移） 材 料 性 能 三、粘結的分類三、粘結的分類 1、錨固粘結、錨固粘結 材 料 性 能 對于存在錨固粘結應力的地方，必須保證足夠?qū)τ诖嬖阱^固粘結應力的地方，必須保證足夠 的錨固長度，必要時采取機械錨固措施，避免的錨固長度

11、，必要時采取機械錨固措施，避免 產(chǎn)生脆性粘結破壞。產(chǎn)生脆性粘結破壞。 材 料 性 能 2、裂縫間粘結裂縫間粘結 軸心受拉構件開裂前，粘結應力僅發(fā)生在構件端部。 開裂后（見圖），粘結應力發(fā)生在裂縫截面兩側(cè) 粘結應力可以減小裂縫寬度、 提高構件的剛度 材 料 性 能 四、粘結的機理四、粘結的機理 1、粘結作用的組成粘結作用的組成 （1） 水泥膠體與鋼筋表面的膠結力 砼中水泥砂漿的膠結作用 當鋼筋與混凝土產(chǎn)生相對滑動后，膠結作用即喪 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） 機械咬合力 由于鋼筋表面凸凹不平而產(chǎn)生的機械咬合力

12、變形鋼筋可顯著增加鋼筋與混凝土的機械咬合作用 材 料 性 能 2、機械咬合作用的受力機理、機械咬合作用的受力機理 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、變形鋼筋的粘結破壞形態(tài)、變形鋼筋的粘結破壞形態(tài) 劈裂式粘結破壞劈裂式粘結破壞 當混凝土保護層、鋼筋間距較小 時，徑向裂縫可發(fā)展達到構件表 面，且相互貫通，產(chǎn)生劈裂式粘結破壞。 剪切型粘結破壞剪切型粘結破壞 當混凝土保護層厚度較大或者配 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 破壞 材 料 性 能 1、粘結強度的試驗測定 平均粘結應力 s sss u l d dl d dl A dl F 4 2 4 五、粘結強度五、粘結強度 材 料 性 能 2 2、影響粘結強度的主要因素、影響粘結強度的主要因素 1）混凝土強度： 2）相對保護層厚度： 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 ： 混凝土的粘結強度與混凝土抗拉強度成 正比； 相對保護層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，粘結強度越高。 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，使粘結強度得到提高。 光面鋼筋表面凹凸較小，機械咬合作用 小，粘結強度低。 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 結強度越大。 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 高粘結強度； 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 降低粘結強度； 受反復荷載作用的鋼筋，肋前肋后 的混凝土會被擠碎，導致咬合作用降低， 從而降低粘結強度。 鋼筋的粘結破壞形態(tài)還與鋼筋 凈距s有關。 當鋼筋凈距較大時（s2c）， 可能是保護層劈裂； 當鋼筋凈距較小時（s28mm，受壓鋼

15、筋直 徑32mm，不宜采用綁扎 搭接。直接承受動力荷 載的構件，宜采用機械 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 機械或焊接接頭： 不宜大于50% 綁扎接頭： 對梁板類及墻類構件宜25%； 對柱類構件宜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