混凝土学习指导

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1、1混凝土结构设计原理学习指导2第 1 章 绪 论 （一）混凝土结构的定义和分类 1定义：以混凝土为主要材料制成的结构称为混凝土结构。 2分类：钢筋混凝土结构、预应力混凝土结构、素混凝土结构。 钢筋混凝土结构由配置受力的普通钢筋、钢筋网或钢筋骨架的混凝土制成的结构称为钢筋混凝 土结构； 预应力混凝土结构由配置受力的预应力钢筋通过张拉或其他方法建立预加应力的混凝土制成的 结构称为预应力混凝土结构； 素混凝土结构由无筋或不配置受力钢筋的混凝土制成的结构称为素混凝土结构。 （二）钢筋和混凝土协同工作的 机理 1钢筋与混凝土有良好的粘结力 。 2钢筋和混凝土的温度线胀系数相近钢筋： 1.2 10-5-1

2、 混凝土：1.01.510-5-1 3钢筋被混凝土所包裹，且混凝土具有弱碱性， 防止了钢筋锈蚀，耐久性好。 （三）钢筋混凝土结构的优点 钢筋混凝土除了如上所述能合理利用两种材料的性能外，还有 就地取材、耐久性好、耐火性好、 整体性强、可塑性好等优点。 （四）钢筋混凝土结构的缺点 自重大、抗裂性能差、隔热隔声性能也较差。此外，钢筋混凝土结构补强加固及改建比较困难。 （五）结构的功能（三性）安全性、适用性、耐久性 安全性：结构承载能力的可靠性；适用性：在正常使用过程中不产生影响使用的过大变形及不发生过宽的 裂缝和振动；耐久性：结构或构件在设计使用年限内，在正常危害条件下，不需要进行大修就可满足正常

3、 使用和安全功能要求的能力。 （六）极限状态 概念：结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能的要求。 可分为：正常使用极限状态和承载能力极限状态。 （七）荷载标准值：是荷载的基本代表值，用下标 k 表示。 （八）环境类别：共五类 第 2 章 混凝土结构材料的物理力学性能 （一）混凝土的强度1单向受力下混凝土的强度 影响抗压强度测试因素：套箍作用和加荷速度套箍作用和加荷速度 表表 1 单单向向应应力力状状态态下下的的混混凝凝土土强强度度强度立方体抗压强度轴心抗压强度轴心抗拉强度表示符号fcu,kfckftk标准试件150150150mm3150150300mm3测定方法标准

4、试验方法标准试验方法直拉试验 劈裂试验使用范围混凝土强度等级划分， （C15C80）共 14 个等级结构设计时混凝土强 度取值的依据间接地衡量混凝土的 冲切强度联系fcu,kfck0.88c1c2fcu,k 几点说明3 施工单位按图纸规定的强度等级制作混凝土 , 现场用同样的混凝土制作一定量的试块 , 以检验其立 方体抗压强度是否满足要求； 立方体抗压强度是在实验室条件下取得抗压强度（标准养护试块） ，具具有有95%以以上上的的强强度度保保证证率率； 结构实体的环境条件与实验室标养试块不同，标养试块立方体强度不能真实反应结构实体混凝土的 抗压强度，必须增加同条件养护试块立方体强度予以判定结构实

5、体的强度； 不同尺寸试件的“尺寸效应” ：fcu(200)1.05 = fcu(150) =fcu(100)0.95 （5）轴心抗压强度标准值与立方体抗压强度标准值的关系：12,120.88;0.760.82;1.000.87ckcccu kccff 值值值C50值值C80值值值值C40值值C80值（6）圆柱体轴心抗压强度标准值与立方体抗压强度标准值的关系：12,0.79ccccu kff （7）抗拉强度：用直接轴拉试验或劈裂试验测定，对于劈裂试验：02tFfdl2复合应力状态下的混凝土强度 实际混凝土结构构件大多是处于复合应力状态，例如框架梁、柱既受到柱轴向力作用等 表表 2 复复合合应应力

6、力状状态态下下的的混混凝凝土土强强度度 双向应力状态下混凝土的强度 复合受力下强度双向受拉双向受压拉-压状态法向应力与 剪应力组合三向受压应力状态与单向受拉比较接近提高降低/较大程度增长 fcc fc+(4.57.0)fL图3 法向应力与剪应力组合下混凝土的强度 常见工程范例：钢管混凝土柱、螺旋箍筋柱、密排侧 向箍筋柱，可提供侧向约束, 以提高混凝土的抗压强度和 延性。 （二）混凝土的变形 变形是混凝土的一个重要力学性能。包括受力变形和 体积变形。1混凝土在一次短期荷载作用下的变形性能 （1）混凝土受压时应力-应变曲线 、上升段 弹性阶段OA(A点是比例极限)稳定裂缝扩展阶段AB，（临界点B可

7、作为长期抗压强度 依据）（应变增长应力增加）混凝土变形混凝土的受力变形多次重复荷载作用下的变形混凝土长期作用的变形混凝土一次短期加荷的变形混凝土的体积变形温度引起的变形收缩变形4不稳定裂缝扩展阶段BC段，（C点对应的峰值应力作为混凝土棱柱体抗压强度试验值）0 cf （塑形变形显著增加） 、下降段CE 图4 混凝土受压时应力-应变曲线 裂缝迅速发展，内部结构的整体性破坏，传递荷载的传力路线减少。 曲线向下弯曲，直到D点（曲率为零处，“拐点”），结构受力发生本质变化，由骨料间的咬合力及 摩擦力和残余承压面受力共同承受荷载。 补充：正截面处于非均匀受压时混凝土的极限压应变 u=0.0033混凝土处于

8、轴向受压时混凝土的极限压应变 0=0.002 （3）混凝土处三向受压时的变形特点： 如果混凝土试件横向处于约束状态，除可以提高它的抗压强度外，还可以大大提高它的延性。 （4）混凝土的变形模量 与弹性材料不同，混凝土的应变 与应力关系是一条曲线，不同应力阶 段的应力与应变之比是一个 变量。混 凝土受压变形模量，有三种 方法表示： 混凝土的原点弹性模量； 混 凝土的变形模量； 混凝土的切线 模量。混凝土受拉受拉弹模与受压弹模 基本相同。 研究混凝土曲线，一方面看强度，另一方面看后期变形能力 （混凝土达到极限强度后， 应力下降 相同幅度时变形的大小，变 形大，表 明承受变形的能力高，延性 好）。混混

9、凝凝土土强强度度越越高高，后后期期变变形形能能 力力小小，延延性性较较差差。 2混凝土在长期荷载作用下的变形性能 徐变 徐变：混凝土在荷载长期作用下，即应力不变情况下，应变随时间继续增长的现象。 徐变的时间：6个月完成大部分；一年趋于稳定，三年完成。（建筑物维修期一年） 徐变的原因：a. 应力不大时，水泥凝胶体向水泥结晶体应力重分布的结果； b. 应力较大时，内部微裂缝长期积累的结果。 徐变的后果：增大构件变形、在截面中引起应力重分布、引起预应力损失。 影响徐变的因素：水灰比愈大、徐变大；加载龄期小、徐变大；养护温度高、徐变小；构件尺寸大、徐变小； 3混凝土在多次重复荷载的变形（疲劳变形） 4

10、混凝土的收缩和膨胀变形 （1）混凝土的收缩：在空气硬结过程中体积缩小的现象： 2年趋于稳定。原因：硬结过程中产生硬结收缩和自由水蒸发的结果 后果：a 构件未受荷之前产生裂缝； b 预应力构件中引起预应力损失（预应力筋与混凝土一同回缩引起预应力损失）； c 超静定结构产生内力。 影响混凝土收缩的因素有： a 水泥的品种：水泥强度等级越高制成的混凝土收缩越大。 b 水泥的用量：水泥越多，收缩越大；水灰比越大，收缩也越大。 c 骨料的性质：骨料的弹性模量大，收缩小。 d 养护条件：在结硬过程中周围温、湿度越大，收缩越小。 e 混凝土制作方法：混凝土越密实，收缩越小。 f 使用环境：使用环境温度、湿度

11、大时，收缩小。 g 构件的体积与表面积比值：比值大时，收缩小。5（2）混凝土的膨胀：混凝土在水中硬结过程体积膨胀的现象 （二二） 钢钢筋筋的的物物理理力力学学性性能能 1钢筋的品种和级别 (1) 混凝土结构中常用的钢筋 柔性钢筋：线形普通钢筋，其外形分光圆钢筋和带肋钢筋，带肋钢筋有螺旋纹、人字纹、月牙纹等统称为 变形钢筋。我国常用人字纹钢筋。 劲性钢筋：指用于混凝土中的各种型钢、或钢板焊成的钢骨和钢架。 混凝土结构中使用的钢材按化学成分，可分为碳素钢及普通低合金钢两大类。 (2) 钢筋的品种和级别 混凝土结构设计规范规定，用于钢筋混凝土结构的国产普通钢筋可使用 热热轧轧钢钢筋筋。用于预应 力混

12、凝土结构的国产预应力钢筋可使用 消消除除应应力力钢钢丝丝、螺螺旋旋肋肋钢钢丝丝、刻刻痕痕钢钢丝丝、钢钢绞绞线线，也可使用热热 处处理理钢钢筋筋。 热轧钢筋 热轧钢筋是低碳钢、普通低合金钢在高温状态下轧制而成。热轧钢筋为软钢，其应力应变曲线有明 显的屈服点和流幅，断裂时有 “颈缩”现象，伸长率比较大。 热轧钢筋根据其力学指标的高低，分为以下四个种类：HPB300级（级，符号）HRB335级 （级，符号）HRB400级 （级，符号）RRB400级 （余热处理级，符号） 级钢筋的强度最低，级钢筋的次之，级钢筋的最高。钢筋混凝土结构中的纵向受力钢筋宜优 先采用HRB400级钢筋。 (3) 钢筋的形式

13、钢筋的形式有光圆和带肋两类，级钢筋是光圆钢筋，级、级钢筋是带肋的，统称为变形钢筋。钢丝的外形通常为光圆，也有在表面刻痕的。 2钢筋的强度和变形 钢筋的强度和变形性能可以用拉伸试验得到的应力-应变曲线来说明。 钢筋的应力-应变曲线分为两类： 有明显的流幅有明显的流幅（例如热轧低碳钢筋 HPB300 级和热轧低合金钢筋 HRB335 级、HRB400 级、RRB400 级）大致可分为弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和颈缩阶段弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和颈缩阶段。 (1) 强度指标：屈服强度fy 极限强度ft (2) 塑性指标：伸长率 冷弯性能 无明显的流幅无明显的流幅（例如预应力钢丝、钢绞线和热处理

14、钢筋）通常取加载后卸载时材料的残余应变为 0.2%时 的应力作为条件屈服强度标准值。pykf(1) 强度指标: pykf(2) 塑性指标: 伸长率和冷弯性能。 3常用的钢筋应力-变曲线模型 (1) 描述完全弹塑性的双直线模型 ：适用于流幅较长的低强度钢材。 (2) 描述完全弹塑性加硬化的三折线模型 ：适用于流幅较短的软钢。 (3) 描述弹塑性的双斜线模型 ： 可以描述没有明显流幅的高强钢筋或钢丝的应力 -应变曲线。 4. 混凝土结构对钢筋性能的要求 (1) 强度 指钢筋的屈服强度及极限强度。屈服强度是设计的主要依据（对无明显流幅的钢筋，取 它的条件屈服点） 。采用高强度钢筋可以节约钢材，取得较

15、好的经济效果。(2) 塑性 指钢筋的伸长率和冷弯性能。保证钢筋在断裂前有足够的变形，能给出构件将要破坏的 预告信号，同时要保证钢筋冷弯的要求。钢筋的伸长率和冷弯性能是施工单位验收钢筋是否合格的主要指 标。 (3) 可焊性 可焊性是评定钢筋焊接后的接头性能的指标。要求钢筋焊接后不产生裂纹及过大的变 形。6(4) 耐火性 热轧钢筋的耐火性能最好，冷轧钢筋其次，预应力钢筋最差。结构设计时应注意混凝 土保护层厚度满足对构件耐火极限的要求。 (5) 钢筋与混凝土的粘结力 为了保证钢筋与混凝土共同工作。钢筋表面的形状是影响粘结力的重 要因素。（三三） 混混凝凝土土与与钢钢筋筋的的粘粘结结1粘结的意义 指混凝土与钢筋之间的相互作用，包括沿钢筋长度的粘结和钢筋端部的锚固。 钢筋和混凝土能共同工作，除了二者具有相近的线膨胀系数外，更主要的是由于混凝土硬化后，钢筋 与混凝土之间产生了良好的粘结力。为了保证钢筋不被从混凝土中拔出或压出，还要求钢筋有良好的锚固。2粘结力的组成 钢筋与混凝土的粘结作用主要由三部分所组成： (1) 钢筋与混凝土接触面上的化学吸附作用力（胶结力） 。 (2) 混凝土收缩握裹钢筋而产生摩阻力。 (3) 钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的机械咬合作用力（咬合力） 。 2. 光圆钢筋和变形钢筋的粘结机理的主要差别 光面钢筋粘结力主要来自胶结力和摩阻力；变形钢筋的粘结力主要来自机械