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1、第1章钢筋和混凝土材料的力学性能,2010.8,本章提要,混凝土结构的基本概念 混凝土结构的一般概念、类型、特点 钢筋 钢筋的强度、变形；钢筋的级别、品种和标记符号 混凝土 混凝土的强度和变形 钢筋与混凝土间的粘结、钢筋的锚固与连接,第1章 钢筋和混凝土材料的力学性能,1.1 砼结构的基本概念 1.2 钢筋 1.3 混凝土 1.4 钢筋与混凝土的粘结、锚固及钢筋的连接,1.1 砼结构的基本概念,1.一般概念,1.1 砼结构的基本概念,钢筋混凝土：是钢筋和砼按一定方式组成的能共同工作的建筑材料。,混凝土结构(Concrete Structure) :主要以混凝土材料，并根据需要 配置钢筋、预应力
2、筋、钢骨、钢管等，作为主要承重材料 的结构。,素混凝土结构,钢筋混凝土结构,预应力混凝土结构,钢骨混凝土结构,钢管混凝土结构,纤维增强塑料混凝土,钢 -混凝土混合结构,NEXT,钢筋混凝土结构（Reinforced Concrete),1.1 砼结构的基本概念,预应力混凝土结构（Prestressed Concrete),1.1 砼结构的基本概念,钢骨混凝土结构（Steel Reinforced Concrete) (Encased Concrete),1.1 砼结构的基本概念,钢管混凝土结构（Concrete Filled Tube),1.1 砼结构的基本概念,纤维增强塑料混凝土（Fiber
3、 Reinforced Plastic),1.1 砼结构的基本概念,钢-混凝土混合结构(Composite Structure) (Hybrid Structure),1.1 砼结构的基本概念,1.1 砼结构的基本概念,2.试验介绍,混凝土： 抗压强度高，而抗拉强度却很低 一般抗拉强度只有抗压强度的1/81/20 破坏时具有明显的脆性性质,因此，素混凝土构件在实际工程的应用很有限，主要用于以受压为主的基础、柱墩和一些非承重结构。,1.1 砼结构的基本概念,素混凝土梁,Pcr = 9.7kN,fc=13.4N/mm2 ft=1.54N/mm2,ft,sc= ft,Pu Pcr,破坏时跨中截面受压
4、边缘的压应力与抗拉强度相近，远未达到混凝土的抗压强度，破坏表现为脆性断裂，无明显预兆。,1.1 砼结构的基本概念,1.1 砼结构的基本概念,2.试验介绍,钢 材： 抗拉和抗压强度都很高 具有屈服现象，破坏时表现出较好的延性 但细长的钢筋受压时极易压曲，仅能作为受拉构件,将混凝土和钢材这两种材料有机地结合在一起，可以取长补短，充分利用材料的性能。,1.1 砼结构的基本概念,钢筋混凝土梁,Pcr = 9.7kN,fc=13.4N/mm2 ft=1.54N/mm2 fy=335N/mm2,ft,sc= ft,Pu 52.5kN,fy,配置钢筋后，RC梁的承载力比素混凝土梁大大提高，钢筋的抗拉强度和混
5、凝土的抗压强度均得到充分利用，且破坏过程有明显预兆。,Py 50.0kN,fc,1.1 砼结构的基本概念,钢筋混凝土梁,Pcr = 9.7kN,ft,sc= ft,Pu 52.5kN,fy,Py 50.0kN,fc,但从开裂荷载到屈服荷载，在很长的过程带裂缝工作； 通常裂缝宽度很小，不致影响正常使用。 但裂缝导致梁的刚度显著降低，使得钢筋混凝土梁不能应用于大跨度结构。如何解决？,fc=13.4N/mm2 ft=1.54N/mm2 fy=335N/mm2,1.1 砼结构的基本概念,钢筋混凝土Reinforced Concrete,除在构件的受拉区配筋外，还有许多其他配筋方式 可以在构件的受压区配
6、置钢筋协助混凝土承受压力 在复杂应力区域（如梁在受剪区段、受扭构件、节点区、剪力墙等），可以配置箍筋或纵横交错的钢筋 当构件受力很大时，可以直接配置钢骨 还可以利用箍筋约束混凝土来提高混凝土的抗压强度，甚至直接采用钢管 采用纤维（钢纤维、玻璃纤维等）与混凝土一起搅拌形成的纤维混凝土，其抗拉强度可以达到提高 因此，两种（或两种以上）材料的有机组合，充分发挥各自的长处，可以创造出多种形式的复合材料，适应各种不同受力的要求，取得很好的综合经济效益,1.1 砼结构的基本概念,1.1 砼结构的基本概念,1.1 砼结构的基本概念,3.钢筋混凝土的特点 钢筋与混凝土共同工作的原因: 钢筋和砼之间存在粘结力
7、钢筋和砼线膨胀系数接近 砼保护钢筋,1.1 砼结构的基本概念,1.1 砼结构的基本概念,3.钢筋混凝土的特点 特点 优点:,A.材料利用合理 B.可模性好 C.耐久性和耐火性较好，维护费用低 D.现浇混凝土结构的整体性好，延性较好，适用于抗震、抗爆结构 E.刚度大、阻尼大，有利于结构的变形控制。 F.易于就地取材,1.1 砼结构的基本概念,3.钢筋混凝土的特点 特点 缺点:,A.自重大 B.抗裂性差 C.承载力有限 D.施工复杂，工序多（支模、绑钢筋、浇筑、养护），工期长，施工受季节、天气的影响较大。 E.混凝土结构一旦破坏，其修复、加固、补强比较困难。,1.1 砼结构的基本概念,混凝土结构学
8、习中应注意的问题,1.1 砼结构的基本概念,截面的基本受力形态:,正截面受力,斜截面受剪,扭曲截面受扭,基本构件的受力往往是基本受力形态的复合,1.1 砼结构的基本概念,问题的复杂性,问题的综合性,问题不是单一的,解答是不唯一的,受力性能,材料的力学性能,两种材料的配比,两种材料的共同工作,1.1 砼结构的基本概念,学习中应注意的问题：,1、构件和结构设计是一个综合性问题。设计过程包括结构方案、构件选型、材料选择、配筋构造、施工方案等，同时还需要考虑安全适用和经济合理。设计中许多数据可能有多种选择方案，因此设计结果不是唯一的。最终设计结果应经过各种方案的比较，综合考虑使用、材料、造价、施工等各
9、项指标的可行性，才能确定较为合适的一个设计结果。,1.1 砼结构的基本概念,学习中应注意的问题：,2、工程项目的建设是国家的重要工作，必须依照国家颁布的法规进行。设计人员必须遵照各种结构类型的设计规范或规程进行设计。各种设计规范或规程是具有约束性和立法性的文件，其目的是使工程结构的设计在符合国家经济政策的条件下，保证设计的质量和工程项目的安全可靠。注意在学习中，有关基本理论的应用最终都要落实到规范的具体规定。由于工程结构类型很多，不同的结构类型有不同的设计规范或规程，但混凝土结构的基本理论是一致的，应重点学好基本理论。,BACK,1.1 砼结构的基本概念,1.2 钢筋,1.2.1 钢筋的种类,
10、1.2 钢筋,1.2.1 钢筋的种类,按刚度将钢筋分为:,柔性钢筋,劲性钢筋,1.2 钢筋,我国常见钢筋外形,1.2 钢筋,热轧钢筋 Hot Rolled Steel Reinforcing Bar,种类: HPB235级、HRB335级、HRB400级、RRB400级,HPB,HRB,RRB,1.2 钢筋,1.2.2 钢筋的力学性能,1.钢筋的应力-应变关系,a为比例极限 s =Ese,a为弹性极限 oa：弹性阶段,de：强化阶段,b为屈服上限,c为屈服下限，即屈服强度 fy,ad：屈服阶段,e为极限抗拉强度 fu ef：颈缩阶段, 有明显屈服点的钢筋 Steel bar with yiel
11、d point,1.2 钢筋,强度设计指标,有明显屈服点钢筋的应力-应变关系 一般可采用双线性的理想弹塑性关系,1.2 钢筋,无明显屈服点的钢筋Steel bar without yield point,a点：比例极限，约为0.65fu a点前：应力-应变关系为线弹性 a点后：应力-应变关系为非线性，有一定塑性变形，且没有明显的屈服点 强度设计指标条件屈服点 残余应变为0.2%所对应的应力 规范取s0.2 =0.85 fu,1.2 钢筋,2.钢筋的塑性性能,1.2.2 钢筋的力学性能,A.延伸率elongation rate：钢筋拉断时的应变 反映钢筋塑性性能的指标,B.冷弯指标：是检验钢材冷
12、加工性能的指标，对于钢筋与钢板，其冷弯指标是指在常温下被检验材料对于某一相对的半径（相对板材厚度与钢筋直径）的弯曲角度。 检验钢筋韧性和材质均匀性,1.2 钢筋,1.2.2 钢筋的力学性能,3.钢筋的冷加工和热处理,冷加工 种类：冷拉、冷拔、冷轧、冷轧扭 目的：提高钢筋强度 影响：塑性下降,热处理 种类：淬火、回火 目的：提高钢筋硬度、改善塑性和韧性,1.2 钢筋,冷加工钢筋,冷拉后的钢筋没有明显的屈服阶段 冷拉卸载后经过一段时间的停滞，再对其张拉，会重新恢复屈服阶段而呈现出屈服强度提高的应力应变图形；这种现象被称为冷做硬化现象； 冷拉仅提高钢筋的抗拉强度，不提高其抗压强度； 冷拉工艺不改变钢
13、筋的强度级别 。,冷拉,1.2 钢筋,冷拔是指将光圆钢筋以强力拉拽使其通过小直径的硬质合金模具，使其截面减小而长度增长； 冷拔后的钢筋的强度会大大提高； 冷拔后钢筋的塑性会降低； 冷拔后的钢筋与之前的钢筋不属于同一种钢筋。,冷拔,1.2 钢筋,冷轧,冷轧是将普通低碳钢或低合金钢经过轧制，减小直径并改变其表面形状，同时材料的内部组织也变得更加密实； 冷轧后的钢筋的强度会提高； 冷轧后钢筋与混凝土的粘结锚固性能有所改善。,1.2 钢筋,1.2.2 钢筋的力学性能,4.钢筋的松弛与疲劳 松弛： 钢筋受力后在保持长度不变的情况下，应力随时间的增长而逐渐降低的现象。 会引起预应力损失 疲劳： 钢筋在多次
14、重复荷载作用下发生脆性突然断裂的现象 疲劳强度低于静载下极限强度,1.2 钢筋,1.2.3 钢筋的计算指标,钢筋的强度标准值( Characteristic or Standard Strength),钢筋的强度设计值,具有95%保证率的基本代表值。其中，热轧钢筋根据屈服强度确定，用 表示；预应力钢绞线、钢丝和热处理钢筋的强度根据极限抗拉强度确定，用 表示。,热轧钢筋强度设计值：,预应力钢筋强度设计值：,等于标准值除以材料分项系数。,1.2.4 钢筋混凝土结构对钢筋性能的要求,强度高 塑性好 可焊性好 与混凝土粘结锚固性能好,常规直径: d=6,8,10,12,14,16,18,20,22,2
15、5,28,32mm12种。,BACK,1.2 钢筋,1.3 混凝土,1.3.1 混凝土的强度,定义：,石子、沙子,立方体抗压强度是指按照标准方法制作养护的边长为150mm的立方体试件，在28天龄期，用标准试验方法测得的抗压强度。,强度等级：依据立方体抗压强度标准值,C15,C20,C25,C30,C35,C40,C45,C50C80共14级,C 混凝土 15立方体抗压强度的标准值为15N/mm2,1.3 混凝土,1.钢筋和混凝土材料的力学性能,定义：,折算：,轴心抗压强度是指按照标准方法制作养护的截面为150mm150mm高300mm的棱柱体，在28天龄期，用标准试验方法测得的抗压强度。,轴心
16、抗压强度,（棱柱体抗压强度）,轴心抗压强度与立方体抗压强度比值,高强混凝土脆性折减系数,0.88经验折减系数,1.3 混凝土,混凝土的抗拉强度比抗压强度低得多，一般只有抗压强度的5%10% 应用:构件的抗裂性、抗剪、抗冲切、抗扭 试验方法:拉伸试验 劈裂试验,3.轴心抗拉强度,1.3 混凝土,4.混凝土强度的设计值,5.混凝土在复合应力作用下的强度,a. 混凝土的双向受力强度,双向受拉：强度接近单向受拉强度,双向受压：抗压强度和极限压应变均有所提高,一拉一压：强度降低,1.3 混凝土,b. 混凝土的三向受压强度,三向受压时，混凝土的抗压强度和极限变形都有较大提高 应用:螺旋箍筋柱、钢管混凝土柱,5.混凝土在复合应力作用下的强度,1.3 混凝土,5.混凝土在复合应力作用下的强度,在有剪应力作用时，混凝土的抗压强度将低于单轴抗压强度,c. 混凝土在正应力和剪应力作用下的复合强度,1.3 混凝土,6.影响混凝土强度的主要因素,混凝土配合比 原材料品
