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1、钢筋混凝土原理 1 0绪论 0 1钢筋混凝土结构的发展0 1 1材料方面 1 钢筋 高强 低松弛 防腐 涂层 碳纤维 筋 植筋 并筋 2 砼 高强砼 轻质砼 纤维砼 高性能砼 添加剂 泵送砼 免振 碾压 砼 喷射砼 耐热 酸 砼等 2 0 1 2结构方面 1 钢 砼组合结构 钢管砼 钢骨砼 2 现代预应力混凝土结构 先张法 后张法 无粘结 体外预应力索0 1 3计算理论方面 1 有限元分析 a砼在不同比例的三向应力作用下的破坏准则b砼在复杂应力状态下的本构关系c钢筋与砼的粘结滑移以及相互作用d钢筋在屈服后的本构关系 3 e划分单元时的裂缝处理 f长期荷载的时效问题 2 构件计算 a剪扭构件变形
2、计算的建立b裂缝计算理论的完善和拓展c复合应力或反复荷载下计算理论的简化 3 可靠度分析 a随机性 模糊性 信息不完善性b可靠度设计在工程中的应用c体系可靠度分析方法d 神经元网络理论 用于混凝土碳化 腐蚀 4 房屋建筑防倒塌设计规程 征求意见稿 a结构倒塌过程模拟分析b结构防倒塌性能试验研究c结构倒塌机理分析d结构防倒塌设计方法e结构防连续倒塌鲁棒性分析 0 1 4防倒塌方面 5 0 1 5耐久性方面 1 新建结构的耐久性设计 a环境类别的划分 五类七等级 b不同使用环境下的材料要求 最大水胶比 最低混凝土等级 最大氯离子含量 最大碱含量等 c耐久性可靠指标计算d混凝土碳化深度计算e钢筋的锈
3、蚀度计算f构造规定 混凝土结构耐久性设计规范 GB T50476 6 2 既有结构的耐久性评估鉴定 a剩余寿命计算b加固后的耐久性评估目前 分级评定法 0 1 6测试技术方面 1 应力应变量测a电阻片 位移计 应变仪b光纤法 光弹贴片法 2 混凝土非破损试验 回弹 钻芯 超声 CT 3 动态测试 多通道快速记录仪 记录分析一体机等 7 第一篇混凝土的力学性能 1基本力学性能 1 均匀单轴受压和单轴受拉 a是最基本的应力状态b是确定混凝土强度等级的唯一依据c是决定其他重要性能特征和指标 如弹性模量 峰值应变 破坏特征 延性指数 多轴强度和变形等 的最主要因素 2 主要讨论在不同受力和环境时的强度
4、和变形 8 0 2本课程的特点 1 以数学 力学 材料等学科领域为基础 2 以工程实践为研究目的和对象 3 以试验手段和方法为依据 4 讨论宏观的力学反应和实际的力学性能指标 5 研究受力性能的规律和机理分析 6 反映国内外最新研究成果 9 1 1材料组成和材性特点 1 1 1材料的组成和内部构造 1 水泥 粗骨料 石子 细骨料 砂 水 添加剂 2 凝胶体 硬化 3 混凝土级配 与强度等级与使用环境有关 1 1 2材性的基本特点 1 多种原因引起复杂的微观内应力 变形和裂缝状态 2 变形由骨料的弹性变形 水泥凝胶体的粘性流动 塑性变形 裂缝的形成和扩展组成 10 3 不同的应力状态和途径对力学
5、性能产生影响 1 1 3受力破坏的一般机理 1 水泥砂浆沿粗骨料的界面和砂浆内部形成微裂缝 2 受到荷载后微裂缝逐渐延伸和扩展 形成宏观裂缝 3 砂浆的损伤不断积累 切断和骨料的联系 混凝土的整体性遭受破坏而逐渐丧失承载力 4 时间对强度和变形的影响 5 养护和使用环境条件对混凝土碳化 钢筋锈蚀的影响 11 1 2抗压强度和变形 1 2 1立方体抗压强度fcu 1 试验方法 2 破坏形态 3 尺寸效应 4 和混凝土强度等级 其他强度的关系1 2 2棱柱体抗压强度fc 1 破坏过程 P15图1 7 三阶段 特征点 2 性能指标值 强度 峰值应变 弹性模量 1 2 3应力应变全曲线方程和本构关系
6、规范附录C P22式1 6 图1 14 12 1 3抗拉强度和变形 1 3 1试验方法和抗拉性能指标 1 试验方法 直接拉伸 劈裂 抗折 2 主要性能指标 轴拉强度 劈拉强度 峰值应变 弹性模量 泊松比 1 3 2受拉破坏过程和特征 P29图1 22 峰值应变小 下降段陡峭 脆性明显1 3 3应力应变全曲线方程和本构关系 规范附录C P32式1 20 图1 27 13 1 4抗剪强度和变形 1 4 1试验方法矩形短梁双剪面剪切 Z形试件单剪面剪切 缺口梁四点受力 薄壁圆筒受扭 二轴拉压 等高梁四点受力1 4 2破坏特征和抗剪强度 1 破坏形态和裂缝特征类似受拉 2 抗剪强度随fcu单调增长 P
7、37图1 31 1 4 3剪切变形和剪切模量剪切模量按弹性力学求得 14 2主要因素的影响 2 1重复加卸载 等应变增量 2 1 1研究目的 1 探讨混凝土结构抗震 延性 恢复力等性能 2 其他受力状态下的非线性分析2 1 2重要结论 1 包络线 抗压强度 峰值应变 裂缝出现和开展 以及破坏形态与单调加载的全曲线基本一致 2 卸载时存在恢复变形滞后现象 再加载起点应变不同 再加载曲线形状有所变化 15 3 共同点以后再加载曲线斜率减小 纵向裂缝扩张 损伤积累加大 共同点轨迹线与包络线相似 应力比值为0 86 0 93 4 经多次加卸载后形成稳定滞回环 稳定点轨迹线即混凝土低周疲劳的极限包络线与
8、包络线相似 应力比值为0 7 0 82 2偏心受压 等偏心距试验 2 2 1主要试验结果 1 随荷载偏心距增大 极限承载力降低 截面存在应变梯度 最大压应变变化不明显 2 无论偏心距大小 截面平均应变始终符合平截面假定 16 3 偏心距变化 裂缝出现和开展形式不同 但终都导致试件上 下部产生相对转动和滑移而破坏 随偏心距增大 压碎区逐渐减小 4 偏心距一定时 随荷载增大 截面应力产生非线性重分布 中和轴移向荷载一侧2 2 2应力应变关系 1 两类计算方法 增量方程法和拟合参数法 2 结论 应力应变关系与偏心距或应变梯度无关 但应考虑偏心距对峰值应力和峰值应变的影响 3 简化计算 式2 5 17
9、 2 3 1主要试验结果 1 破坏形态与轴心受拉相同 偏心距影响不大 2 极限抗拉强度随偏心距增大而降低 受拉塑性变形的发展有限 随截面高度增大 塑性影响系数减小 3 最大拉应变随偏心距增大 回归为式2 10 4 截面应变符合平截面假定 中和轴位置取决于偏心距2 3 2应力应变关系 P51式2 11 12 P53式2 13 2 3偏心受拉和弯曲受拉 18 2 4龄期 1 抗压强度随龄期单调增长 但逐渐收敛计算公式 P53式2 14 P54式2 15 2 弹性模量随龄期增长 但规律和抗压强度不同 P54图2 16 2 17 2 5收缩2 5 1收缩对结构的不利影响 1 是微裂缝和宏观裂缝发展的主
10、要原因 2 加大预应力损失 3 降低构件抗裂性 增大构件变形 4 引起结构内力重分布 19 2 5 2收缩变形的主要影响因素 水泥品种和用量等2 5 3收缩变形的定量分析模式规范CEB FIPMC90 P57式2 17 2 20 P5图2 18 2 6徐变2 6 1徐变机理 1 水泥凝胶体的塑性流动 2 骨料界面和砂浆内部微裂缝的发展 3 内部水分的蒸发2 6 2徐变和松弛的关系 P59图2 21 变化规律和影响因素相同 并可相互转换 20 2 6 3徐变和松弛对结构的影响 1 降低混凝土的长期抗压强度 2 增大构件挠度 3 引起预应力损失 4 降低构件的抗裂度 5 产生内力重分布 6 减小温
11、度应力和收缩裂缝2 6 4徐变度 单位徐变 和徐变系数 1 单位应力下的徐变值 徐变度 2 徐变和起始应变的比值 徐变系数 3 两者关系 P60式2 27 21 2 6 5徐变的主要影响因素 应力水平 线性徐变 非线性徐变 不收敛徐变 加载时龄期 原材料及配合比 制作和养护条件 使用环境 构件尺寸等2 6 6徐变的定量分析 1 有效模量法 老化理论 弹性徐变理论 弹性老化理论 继效流动理论等 2 我国规范给出综合经验值或应力松弛系数 3 模式规范CEB FIPMC90公式 P63式2 31 33 22 4多轴强度和本构关系 4 1强度和变形的一般规律 参见P87 96图4 3 4 11 1 多
12、轴受压 C C C C C 强度显著大于单轴抗压强度 2 多轴受拉 T T T T T 强度接近单轴抗拉强度 3 多轴拉 压 T C T T C T C C 强度小于单轴拉 压强度 4 二轴受压应力应变曲线同单轴受压 5 三轴受压应力应变曲线峰部平缓而丰满 6 多轴拉 压应力应变曲线同单轴受拉 23 1 拉断 多轴受拉或拉 压 2 柱状压坏 多轴受压或拉 压 3 片状劈裂 多轴受拉或拉 压 4 斜剪破坏 三轴受压 5 挤压流动 三轴受压 五种破坏形态的应力范围见P103表4 44 3破坏准则4 3 1破坏准则类型 1 古典强度理论 P108表4 5 2 基于试验资料的统一表达式 P110表4
13、7 3 我国规范采用过 王准则 P111式4 12 13 4 2典型破坏形态及其界分 24 4 3 2多轴强度计算 1 二轴强度a模式规范采用Kupfer准则 P112式4 15 b我国规范采用四折线强度包络线 P114表4 8 P115图4 22 2 三轴强度a三轴受压 C C C 时 抗压强度f3由应力比按图4 22插值确定 其最高不宜超过5fcb三轴拉 压 T T C T C C 时 多轴强度可不计第二主应力的影响 按二轴拉 压强度取值c三轴受拉 T T T 时 抗拉强度f1取0 9ft 25 4 4本构模型 4 4 1线弹性类本构模型 1 成熟 最基本 简单 P116图4 23 2 弹
14、性力学观点 在特定条件下适用混凝土结构 3 有各向异性 正交异性 各向同性三种本构模型4 4 2非线 性 弹性类本构模型 1 P119图4 24 不能适用于卸载 加卸载循环 非比例加载等情况 2 有代表性的本构模型见P120表4 9 3 规范采用过 徐的正交异性模型 P124 26 第二篇钢筋和混凝土的组合作用 5钢筋的力学性能5 1应力 应变关系5 1 1软钢 1 拉伸曲线 P133图5 4 注意 强化段在抗震和检验时重要 应控制强屈比在1 5以上 2 主要力学指标有 屈服强度 极限强度 弹性模量 极限延伸率 3 本构模型有理想弹塑性 弹性 强化 弹 塑性强化 P135图5 6 27 5 1
15、 2硬钢 1 名义屈服强度规范取0 85fb 2 本构模型 P136图5 8 式5 3 5 4 5 2反复荷载时的变形5 2 1应力应变曲线 1 包兴格效应现象及原因 2 曲线三部分 骨架线 卸载线 软化线5 2 2软化线的模型加藤模型 P138图5 11 Park模型 P139图5 12 5 3徐变和松弛影响松弛的因素 钢种 应力持续时间 温度 应力水平 28 6钢筋与混凝土的粘结 6 1粘结力的分类与作用 1 钢筋端部的锚固粘结 通过la内的粘结应力积累 建立必需的拉力 2 裂缝间的粘结 通过裂缝二侧的粘结应力使钢筋应力向混凝土传递 其大小对构件刚度和裂缝宽度有影响6 2粘结力的影响因素混
16、凝土强度 保护层厚度 钢筋埋长及间距 钢筋直径及外形 箍筋等 29 6 3粘结应力 滑移本构模型 6 3 1应用场合 1 非线性有限元分析时建立粘结单元 2 计算钢筋的锚固长度和搭接长度 3 确定构件开裂后的受拉刚化效应 4 计算抗震构件和节点处的钢筋滑移变形量6 3 2特征值计算 试验回归分析 1 劈裂应力 P160式6 6 2 极限粘结强度 P161式6 7 6 3 3粘结 滑移曲线方程 1 分段折线模型 P162图6 21 模式规范 2 连续曲线模型 P162式6 9 有限元分析 30 7轴向受力特性 7 1全过程分析7 1 1基本方程的建立7 1 2应力和变形分析 P166图7 2 图7 3 P170图7 5 7 1 3受拉刚化效应 P172图7 7 受拉构件开裂后 混凝土的存在减小了裂缝间的钢筋应力 导致构件平均应变小于裂缝截面应变 构件的伸长减小 这种刚化效应有利于提高构件刚度 减小裂缝宽度 31 7 2一般规律 1 受力全过程非线性变化 可分成多个阶段 截面应力不断发生重分布 2 构件的各种力学反应 既取决于钢筋和混凝土的本构关系 又随两者的相对值变化 3 钢筋和混凝土不
