《混凝土結(jié)構(gòu)與砌體結(jié)構(gòu)》課件模塊2

1、混凝土結(jié)構(gòu)與砌體結(jié)構(gòu)模塊2 鋼筋和混凝土的力學(xué)性能2.3鋼筋與混凝土的黏結(jié)2.1鋼筋的性能及要求2.2混凝土的力學(xué)性能 （1）了解鋼筋的品種、級(jí)別及性能。 （2）掌握混凝土的力學(xué)性能并進(jìn)行混凝土的強(qiáng)度計(jì)算。 （3）熟悉混凝土與鋼筋的選用原則。 （4）掌握鋼筋與混凝土的共同工作原理。 學(xué)習(xí)目標(biāo)模塊2 鋼筋和混凝土的力學(xué)性能2.1 鋼筋的性能及要求 鋼筋的分類(lèi)2.1.1 混凝土結(jié)構(gòu)用鋼筋按化學(xué)成分的不同可分為碳素鋼和普通低合金鋼。根據(jù)含碳量的不同，碳素鋼又可分為低碳鋼（碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.25%）、中碳鋼（碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%0.6%）、高碳鋼（碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.6%）。鋼筋按生產(chǎn)加工工藝和力學(xué)性

2、能的不同分為普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋。鋼筋按其外形的不同，分為光面鋼筋和帶肋鋼筋。帶肋鋼筋有螺紋鋼筋、人字紋鋼筋和月牙紋鋼筋。目前常用的是月牙紋鋼筋，如圖2-1所示。通常帶肋鋼筋直徑不小于10 mm，光面鋼筋直徑不小于6 mm。2.1 鋼筋的性能及要求圖2-1 月牙紋鋼筋2.1 鋼筋的性能及要求 鋼筋的強(qiáng)度和變形性能2.1.2 鋼筋按其力學(xué)性能的不同，分為有物理屈服點(diǎn)的鋼筋和無(wú)物理屈服點(diǎn)的鋼筋。有物理屈服點(diǎn)的鋼筋稱(chēng)為軟鋼，如熱軋鋼筋；無(wú)物理屈服點(diǎn)的鋼筋稱(chēng)為硬鋼，如鋼絞線(xiàn)、鋼絲和預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋。鋼筋的強(qiáng)度和變形一般通過(guò)常溫靜載下的單向拉伸曲線(xiàn)應(yīng)力應(yīng)變（-）關(guān)系曲線(xiàn)（見(jiàn)圖2-2）來(lái)說(shuō)明。1）鋼筋的強(qiáng)度

3、2.1 鋼筋的性能及要求圖2-2 鋼筋的-曲線(xiàn)（a）有物理屈服點(diǎn)的鋼筋的-曲線(xiàn)；( b）無(wú)物理屈服點(diǎn)的鋼筋的-曲線(xiàn)2.1 鋼筋的性能及要求 屈服強(qiáng)度 fy、極限抗拉強(qiáng)度f(wàn)t反映了鋼筋的強(qiáng)度，fy值越大，鋼筋的承載力越高。鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)，有物理屈服點(diǎn)的鋼筋取鋼筋的屈服強(qiáng)度作為鋼筋強(qiáng)度的設(shè)計(jì)依據(jù)。這是由于鋼筋應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度后，構(gòu)件將繼續(xù)產(chǎn)生很大的塑性變形，卸荷后塑性變形無(wú)法恢復(fù)，使構(gòu)件產(chǎn)生很大的變形和過(guò)寬的裂縫，以至于鋼筋不能再被使用。 極限抗拉強(qiáng)度 ft是檢驗(yàn)鋼筋質(zhì)量的另一強(qiáng)度指標(biāo)，可度量鋼筋的強(qiáng)度儲(chǔ)備。提 示2.1 鋼筋的性能及要求2）鋼筋的變形性能 （1）鋼筋的伸長(zhǎng)率。鋼筋試件被拉斷后，其

4、彈性變形消失，塑性變形則殘留下來(lái)，如圖2-3所示。伸長(zhǎng)率反映了鋼筋拉斷前的變形能力，其值越大，鋼筋拉斷前吸收的應(yīng)變能越多，鋼筋的塑性越好。伸長(zhǎng)率 可用式（2-1）表示。 （2-1） 式中，l0為鋼筋拉伸試驗(yàn)試件的初始量測(cè)標(biāo)距； l1為試件經(jīng)拉斷并重新拼合后量測(cè)斷口兩側(cè)的標(biāo)距。 2.1 鋼筋的性能及要求圖2-3 拉斷前后的鋼筋試件2.1 鋼筋的性能及要求 在一般試驗(yàn)條件下，可以按圖2-4量測(cè)試驗(yàn)后非頸縮端口區(qū)域標(biāo)距 L0內(nèi)的殘余應(yīng)變r(jià)=( L1- L0)/ L0（L1為殘余長(zhǎng)度），加上已回復(fù)的彈性應(yīng)變 e= Fb/ As E s（ As為試樣的原始橫截面積， Es為鋼筋的彈性模量， Fb為最大作

5、用力）而得的總伸長(zhǎng)率，即 （2-2）總伸長(zhǎng)率 gt比斷口附近伸長(zhǎng)率 更真實(shí)地反映了鋼筋在拉斷前的平均（非局部區(qū)域）伸長(zhǎng)率，可客觀地反映鋼筋的變形能力，是比較科學(xué)的塑性指標(biāo)。2.1 鋼筋的性能及要求圖2-4 鋼筋總伸長(zhǎng)率的測(cè)定2.1 鋼筋的性能及要求 （2）鋼筋的冷彎性能。鋼筋的冷彎性能通過(guò)冷彎試驗(yàn)來(lái)反映，如圖2-5所示。圖2-5 鋼筋的冷彎試驗(yàn)表2.1 鋼筋的性能及要求2-1 常用鋼筋的力學(xué)性能指標(biāo)2.1 鋼筋的性能及要求 （3）鋼筋的冷加工。為了節(jié)約鋼材，在常溫下對(duì)有明顯屈服點(diǎn)的鋼筋（軟鋼）進(jìn)行機(jī)械冷加工，可以使鋼材內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而提高鋼材的強(qiáng)度，但其塑性會(huì)有所降低。冷拉是在常溫條

6、件下，把鋼筋應(yīng)力拉到超過(guò)其原有的屈服點(diǎn)，然后完全放松，使鋼材內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，而提高其強(qiáng)度。冷拔是將鋼筋（盤(pán)條）用強(qiáng)力拔過(guò)比它本身直徑還小的硬質(zhì)合金拔絲模，這是鋼筋同時(shí)受到縱向拉力和橫向壓力的作用以提高其強(qiáng)度的一種加工方法。2.1 鋼筋的性能及要求 經(jīng)過(guò)冷拉和冷拔的鋼筋（鋼絲）加熱后其力學(xué)性能將發(fā)生變化。鋼材硬化的消失和原有性能的恢復(fù)，都需要有一定的高溫延續(xù)時(shí)間。因此，在焊接時(shí)如果采用適當(dāng)?shù)暮附臃椒ǎ瑖?yán)格控制高溫持續(xù)時(shí)間，則在焊接后可有效避免鋼筋屈服強(qiáng)度或極限強(qiáng)度值的過(guò)分降低。提 示2.1 鋼筋的性能及要求 混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)鋼筋性能的要求2.1.3 1）一般要求（4）鋼筋與混凝土之間應(yīng)具有良好

7、的黏結(jié)力。（3）鋼筋應(yīng)具有較好的焊接性能。（2）鋼筋應(yīng)有較好的塑性。（1）鋼筋應(yīng)有較高的強(qiáng)度和適宜的屈強(qiáng)比。2.1 鋼筋的性能及要求 2）抗震要求 （1）抗震等級(jí)為一、二級(jí)的框架結(jié)構(gòu)，其縱向受力鋼筋采用普通鋼筋時(shí)，應(yīng)滿(mǎn)足以下要求： 鋼筋的抗拉強(qiáng)度實(shí)測(cè)值與屈服強(qiáng)度實(shí)測(cè)值的比值(強(qiáng)屈比)不應(yīng)小于1.25，其目的是為了保證當(dāng)構(gòu)件某個(gè)部位出現(xiàn)塑性鉸后，塑性鉸處有足夠的轉(zhuǎn)動(dòng)能力與耗能能力。 鋼筋的屈服強(qiáng)度實(shí)測(cè)值與強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的比值不應(yīng)大于1.3，其目的是滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎的設(shè)計(jì)要求。 （2）普通鋼筋宜優(yōu)先采用延性、韌性和可焊性較好的鋼筋。2.2 混凝土的力學(xué)性能 混凝土的強(qiáng)度2.2.1 （1

8、）立方體抗壓強(qiáng)度?；炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 500102010）規(guī)定，混凝土強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)按立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值確定。 （2）軸心抗壓強(qiáng)度。 （3）軸心抗拉強(qiáng)度。 1）混凝土在單向應(yīng)力作用下的強(qiáng)度 由于粉煤灰等礦物摻合料在水泥及混凝土中的大量應(yīng)用以及現(xiàn)代混凝土工程的發(fā)展，確定混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的試驗(yàn)齡期不僅限于28天，可根據(jù)具體情況適當(dāng)延長(zhǎng)?；炷翉?qiáng)度等級(jí)由符號(hào)C和混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值表示。例如，C35表示立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為35 N/mm2的混凝土。提 示2.2 混凝土的力學(xué)性能2.2 混凝土的力學(xué)性能 如圖2-6所示，劈裂抗拉試驗(yàn)在立方體或圓柱體試件上通過(guò)鋼制弧形墊塊施加均勻線(xiàn)

9、荷載。除墊條附近很小的范圍以外，在中間垂直截面上產(chǎn)生與該面垂直且均勻分布的拉應(yīng)力。當(dāng)拉應(yīng)力達(dá)到混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，試件沿中間垂直截面被劈裂為兩部分而破壞。根據(jù)彈性理論，劈裂抗拉強(qiáng)度 t可按式（2-4）計(jì)算。(2-4) 式中，P為破壞荷載；d為圓柱體試件直徑或立方體試件邊長(zhǎng)；l為圓柱體試件高度或立方體試件邊長(zhǎng)。2.2 混凝土的力學(xué)性能圖2-6 混凝土的劈裂抗拉試驗(yàn)2.2 混凝土的力學(xué)性能表2-2 混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 500102010）給出的混凝土抗壓、抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，可參見(jiàn)表2-2。2.2 混凝土的力學(xué)性能2）在復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下的混凝土強(qiáng)度 在實(shí)際的混凝土結(jié)構(gòu)中，混凝土處

10、于單向應(yīng)力狀態(tài)的情況很少，往往都處于三向復(fù)合壓應(yīng)力的狀態(tài)。在復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下，混凝土的強(qiáng)度和變形性能與單向應(yīng)力狀態(tài)下有明顯的不同。 混凝土三向受壓時(shí)，混凝土一向的抗壓強(qiáng)度隨另兩向壓應(yīng)力的增加而增大，并且混凝土的極限壓應(yīng)變也大大增加。這是由于側(cè)向壓力約束了混凝土的橫向變形，抑制了混凝土內(nèi)部裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展，使得混凝土的強(qiáng)度和延性均有明顯提高。 利用三向受壓可使混凝土抗壓強(qiáng)度得以提高這一特性，在實(shí)際工程中可將受壓構(gòu)件做成“約束混凝土”，以提高混凝土的抗壓強(qiáng)度和延性，常用的做法有配置密排側(cè)向箍筋、螺旋箍筋柱及鋼管混凝土柱等。提 示2.2 混凝土的力學(xué)性能2.2 混凝土的力學(xué)性能 混凝土的變形2.2.2

11、 （1）混凝土在單調(diào)短期加荷作用下的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)反映的是其最基本的力學(xué)性能，曲線(xiàn)的特征是研究鋼筋混凝土構(gòu)件的強(qiáng)度、變形、延性（承受變形的能力）和受力全過(guò)程的依據(jù)。圖2-7所示為混凝土棱柱體試件在受壓時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)，曲線(xiàn)由上升段 Oc 和下降段 ce 兩部分組成。1）混凝土在一次短期荷載作用下的變形圖2-7 混凝土受壓時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)2.2 混凝土的力學(xué)性能 （2）混凝土的橫向變形系數(shù)。 （3）混凝土的彈性模量、變形模量和剪變模量。混凝土的應(yīng)力與其彈性應(yīng)變之比稱(chēng)為混凝土的彈性模量，用符號(hào)Ec表示。根據(jù)大量試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范采用的計(jì)算混凝土的彈性模量的經(jīng)驗(yàn)公式為 （2-6）2.2

12、 混凝土的力學(xué)性能2）混凝土在重復(fù)荷載作用下的變形 工程中的某些構(gòu)件，例如，工業(yè)廠(chǎng)房中的吊車(chē)梁，在其使用期限內(nèi)要承受大約200萬(wàn)次以上的重復(fù)荷載作用，在多次重復(fù)荷載作用的情況下，混凝土的強(qiáng)度和變形性能都會(huì)出現(xiàn)重要變化，混凝土將產(chǎn)生“疲勞”現(xiàn)象。混凝土由于荷載重復(fù)作用而引起的破壞稱(chēng)為疲勞破壞。疲勞破壞的產(chǎn)生取決于加荷時(shí)應(yīng)力是否超過(guò)混凝土的疲勞強(qiáng)度 。試驗(yàn)表明， 混凝土疲勞強(qiáng)度 低于軸心抗壓強(qiáng)度 fc ，大致為（0.40.5）fc，此值的大小與荷載重復(fù)作用的次數(shù)、應(yīng)力變化幅度及混凝土強(qiáng)度等級(jí)有關(guān)。2.2 混凝土的力學(xué)性能3）混凝土在長(zhǎng)期荷載作用下的變形 混凝土結(jié)構(gòu)或材料承受的荷載或應(yīng)力不變，而變形

13、或應(yīng)變隨時(shí)間增大的現(xiàn)象稱(chēng)為徐變?；炷恋男熳兣c時(shí)間參數(shù)有關(guān)。圖2-8所示為混凝土棱柱體試件加荷至 =0.5f c時(shí)測(cè)得的應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)。2.2 混凝土的力學(xué)性能圖2-8 混凝土棱柱體試件加荷至=0.5fc時(shí)測(cè)得的應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn) 2.2 混凝土的力學(xué)性能 影響混凝土徐變的因素是多方面的，主要可歸結(jié)為以下三個(gè)方面： （1）內(nèi)在因素。 （2）環(huán)境因素。 （3）應(yīng)力因素。2.3 鋼筋與混凝土的黏結(jié) 鋼筋與混凝土共同工作的原理2.3.1（1）因水泥顆粒的水化作用形成的凝膠體對(duì)鋼筋表面產(chǎn)生的膠結(jié)力。（2）因混凝土硬結(jié)時(shí)體積收縮，將鋼筋緊緊握裹而產(chǎn)生的摩擦力。（3）由于鋼筋表面凹凸不平與混凝土之

14、間產(chǎn)生的機(jī)械咬合力。2.3 鋼筋與混凝土的黏結(jié) 黏結(jié)作用可以用圖2-9所示的鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)應(yīng)力示意圖來(lái)說(shuō)明。根據(jù)受力性質(zhì)的不同，鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)應(yīng)力可分為裂縫間的局部黏結(jié)應(yīng)力和鋼筋端部的錨固黏結(jié)應(yīng)力兩種。 裂縫間的局部黏結(jié)應(yīng)力是在兩個(gè)相鄰開(kāi)裂截面之間產(chǎn)生的，鋼筋應(yīng)力的變化會(huì)受黏結(jié)應(yīng)力的影響，黏結(jié)應(yīng)力使兩個(gè)相鄰裂縫之間的混凝土參與受拉。 鋼筋伸進(jìn)支座或在連續(xù)梁中承擔(dān)負(fù)彎矩的上部鋼筋在跨中截?cái)鄷r(shí)，需要延伸一段長(zhǎng)度，即錨固長(zhǎng)度。2.2 混凝土的力學(xué)性能圖2-9 鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)應(yīng)力（a）裂縫間的局部黏結(jié)應(yīng)力 （b）鋼筋端部的錨固黏結(jié)應(yīng)力2.3 鋼筋與混凝土的黏結(jié) 黏結(jié)錨固強(qiáng)度2.

15、3.2 鋼筋與混凝土的黏結(jié)錨固強(qiáng)度通常采用拉拔試驗(yàn)來(lái)測(cè)定，如圖2-10所示。黏結(jié)錨固應(yīng)力由拉拔力F除以錨固面積dla而得，d為鋼筋直徑， la為錨固長(zhǎng)度。由拉拔試驗(yàn)可得 （2-8） 黏結(jié)錨固應(yīng)力與滑移（-s）關(guān)系曲線(xiàn)表達(dá)了鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)錨固性能。曲線(xiàn)的斜率表示錨固剛度（抵抗滑移的能力）；曲線(xiàn)的峰值 u為錨固強(qiáng)度；曲線(xiàn)下降段為錨固延性（大滑移時(shí)的錨固能力）。2.2 混凝土的力學(xué)性能圖2-10 鋼筋與混凝土的黏結(jié)錨固應(yīng)力與滑移（-s）關(guān)系曲線(xiàn)（a）拉拔試件；（b）-s曲線(xiàn)2.3 鋼筋與混凝土的黏結(jié) 影響?zhàn)そY(jié)錨固強(qiáng)度的因素2.3.3 （1）光圓鋼筋及變形鋼筋的黏結(jié)錨固強(qiáng)度都隨混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高而提高。 （2）當(dāng)黏結(jié)發(fā)生破壞時(shí)，鋼筋周?chē)幕炷寥菀桩a(chǎn)生劈裂裂縫，從而對(duì)結(jié)構(gòu)的耐久性產(chǎn)生不利影響。 （3）混凝土構(gòu)件截面上有多根鋼筋并列在一排時(shí)，鋼筋凈間距對(duì)黏結(jié)錨固強(qiáng)度有重要的影響。2.3 鋼筋與混凝土的黏結(jié) （4）橫向鋼筋（如梁中的箍筋）可以限制混凝土內(nèi)部裂縫的發(fā)展和到達(dá)構(gòu)件表面的裂縫寬度，從而提高黏結(jié)錨固強(qiáng)度。 （5）在直接支承的支座處，如梁的簡(jiǎn)支端，鋼筋的錨固區(qū)會(huì)受到來(lái)自支座的橫向壓應(yīng)力的作用，橫向壓應(yīng)力約束了混凝土的橫向變形，使鋼筋與混凝土間抵抗滑動(dòng)的摩阻力增大，