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1、结构设计原理广西工学院土木工程系第一章 钢筋混凝土结构的基本概念及材料的物理力学性能 v 本章的主要内容l钢筋混凝土的基本概念 l混凝土在各种受力状态下的强度与变形性能 l钢筋的品种、级别及其力学性能 l钢筋和混凝土的粘结v 1.1 钢筋混凝土结构的基本概念一、钢筋混凝土结构的定义 钢筋混凝土结构：由配置受力的普通钢筋或钢筋骨架的混凝土制 成的结构。 钢筋混凝土的产生：将钢筋和混凝土结合在一起共同工作，混凝土承受压力，钢筋承受拉力，将可以充分发挥各自的优势。 l混凝土：非均匀材料：抗压强度高，抗拉强度很低 为抗压强度的（1/81/18）。 l钢筋：抗拉和抗压强度都很高，主要承受拉力P=4.4
2、kNP=62.5 kNv 板PPPPee柱简支梁PPPP连续梁常见的钢筋混凝土结构v 为什么常见的板、梁、柱中要设置钢筋？ 分析一些常见的板梁开裂现象： v 例：一跨度为4m，跨中作用集中荷载的试验梁，梁截面 尺寸200300mm，混凝土为C20。如图所示：4000AAFa)200300AAb)4000BBBB200300210316v 试验结果：l a）图中，素砼梁极限荷载 P=8kN，由砼抗拉强度控制，破坏形态：脆性破坏l b）图中，钢筋砼梁极限荷载 P=36kN，由钢筋受拉、砼受压而破坏，破坏形态：延性破坏（配筋适量）善 由此可得出：钢筋和混凝土结合的有效性：l 结构的受力性能得到改v
3、2、钢筋和混凝土共同工作的原因(1) 二者之间有良好的粘结力 (2) 两者温度线膨胀系数接近(3) 混凝土包住钢筋，可以防止钢筋生锈。 钢筋 st = 1.2 105 混凝土 ct = 1.0 1.5 105 v （1） 就地取材，节约钢筋；（2） 耐久性好，耐火性好；（3） 可模性好，便于结构型式的实现（4） 现浇结构的整体性好。l 优点：3、钢筋混凝土结构的主要优缺点 v l 缺点：（2）抗裂性能差，带裂缝工作（3）施工受气候条件影响，建造期长。 （4）耗费较多的模具和木料。 （5）加固和改建较困难，隔热和隔声性能较差。 （1）自重大 轻骨料砼。施加预应力 解决方法解决方法1.2 混凝土混
4、凝土是用水泥、砂子和石子三种材料，经水拌和凝固硬化后制成的人工石材。 混凝土的要求： 和易性好 强度要高(重点) 耐久性要好 经济上要节省 评定混凝土 品质的主要指标 检测砼塌落度一、混凝土的强度 l l 三个强度指标三个强度指标： l 影响因素：材料的性质、混凝土配合比、养护环境、施工方法、 试件的形状与尺寸，试验方法，加载条件和试件的受力性质。 v （1）定义：按照标准方法制作养护（温度203、相对湿度不小于90%的潮湿空气中养护28d）的边长150mm的立方体试件，在28d龄期用标准试验方法（试件表面不涂润滑剂，全截面受压，加载速度0.150.25MPa/sec）测得的具有95%保证率的
5、抗压强度。 1. 混凝土的立方体抗压强度 -基本强度指标立方体抗压强度fcu承压板试块摩擦力不涂润滑剂涂润滑剂强度大于我国规范的方法：不涂润滑剂压力试件裂缝 发展扩张整个体 系解体，丧失承载力另影响强度的因素 还有：龄期、加载速 率、试块尺寸等单轴受力状态下混凝土的抗压强度v （2） 影响因素 试件尺寸 (尺寸效应) 直接受压(标准试验方法) 间接受压 (试块与承压板之间涂有油脂或填以塑料薄片)试验方法 加载速度越快,强度越高 v （3） 对混凝土强度等级的要求 混凝土强度从C20C80共分为14个等级，中间以5MPa进级。C50以下为普通强度混凝土， C50及以上为高强度混凝土 公路钢筋混凝
6、土及预应力混凝土桥涵设计规范规定： l 钢筋混凝土构件不应低于C20，当采用HRB400、KL400级钢筋配筋时，不应低于C25 l 预应力混凝土构件不应低于C40。 v 混凝土结构设计规范规定： 钢筋混凝土构件不应低于C15，当采用 HRB335级钢筋配筋时，混凝土强度等级不 宜低于C20；当采用HRB400、RRB级钢筋 以及重复荷载的构件，混凝土强度等级不得 低于C20 预应力混凝土构件，混凝土强度等级不 应低于C30；当采用钢绞线、钢丝、热处理 钢筋作预应力钢筋时，混凝土强度等级不宜 低于C40 v 例如，美国、日本和欧洲混凝土协会、(CEB)采用直径6英寸(152mm)、高12英寸(
7、305mm)的圆柱体标准试件的抗压强度作为轴心抗压强度的指标，记作 。对C60以下的混凝土，圆柱体抗压强度和立方体抗压强度标准值fcu,k之间的关系可按下式折算： l 国外常采用混凝土圆柱体试件确定混凝土轴心抗压强度 当fcu,k超过60N/mm2后随着抗压强度提高，与fcu,k的比值(即公式中的系数)要提高。CEB-FIPMC-90给出：对C60的混凝土，比值为0.833；对C70的混凝土，比值为0.857；对C80的混凝土，比值为0.875。 v 2. 棱柱体强度（轴心抗压强度) （1）定义：真实反映以受压为主的混凝土结构构件的抗压强度，用150mm150mm300mm棱柱体为标准试件测得
8、的抗压强度。 注：试件制作、养护和加载试验方法同立方体试件（2） 轴心抗压强度标准值 与立方体抗压强度标准值 的换算: 注：C50及以下混凝土， =0.76 ；C55C80混凝土， =0.760.82考虑C40以上混凝土具有脆性，还需取折减系数C40C80为1.00.87，中间按直线插入。棱柱体抗压强度fc承压板试 块标准试块：150150 300非标准试块：100100 300 换算系数 0.95200200 400 换算系数 1.05考虑到承压板对试件的约束，立方体抗压强度大 于棱柱体抗压强度，且有：fc=0.76fcu (试验结果)考虑到构件和试件的区别，取fc=0.67fcu 对国外（
9、美国、日本、欧洲混凝土协会等）采用的圆柱体试件（d=150, h=300），有fc=0.79fcu 圆柱体抗 压强度v 3. 轴心抗拉强度( )是钢筋混凝土构件设计中确定混凝土抗裂度的重要指标 边长为150mm立方体试件抗压强度的变异系数表达式：式中：v 试验方法 直接轴向拉伸法劈裂法直接轴向拉伸法劈裂法v 三个强度指标三个强度指标如何使用如何使用 l l 混凝土的强度指标是混凝土的强度指标是 l 立方体强度是各种力学指标的基本代表值 4. 复合应力状态下混凝土强度 1, 2 (压压) 混凝土强度增加 （第三象限） 1, 2 (拉压) 混凝土强度降低 （第二、四象限） 1, 2 (拉拉) 混凝
10、土强度基本不变（第一象限） 0（1）双向正应力作用(如下图)（2）正应力和剪应力作用 （混凝土的抗压强度由于剪应力的存在而降低） l当/fc（0.50.7)时,抗剪强度随压应力的增大而增大 l当/fc（0.50.7)时,抗剪强度随压应力的增大而减小 l当压应力在 左右时，抗剪强度达到最大，压应力继续增大，则由于内裂缝发展明显，抗剪强度将随压应力的增大而减小。 20050N/mm2 35N/mm2 12210N/mm2 15010050051015202512(N/mm2) 1 () （3）三轴受压（抗压强度提高） 混凝土圆柱体三向受压的轴心抗压强度 与侧压 的经验公式： 1-2工程应用钢管砼、
11、密配螺 旋箍筋纵向钢筋螺旋箍筋工程应用钢管混凝土、密配螺旋箍筋v 二、混凝土的变形 1、混凝土变形性能的特点 影响因素加载方式、荷载作用时间、温度、湿度、试验的尺寸、形状、 混凝土强度等。外荷载作用而产生的受力变形：体积变形：包括温度变形和收缩变形长期荷载作用下的变形一次短期加载下的变形重复荷载作用下的变形分类v （1） 混凝土的应力应变曲线 2. 混凝土在单调、短期加载作用下的变形性能 受力过程： OA 弹性阶段（0.3fc） AB 弹塑性阶段（裂缝稳定阶段）（=0.3fc 0.8fc） BX 裂缝不稳定阶段： （ =0.8fc 1.0fc）特征值 fc ：峰值应力（轴心抗压强度） 0 ：对
12、应于应力峰值点的应变 规范c0 = 0.002 cu ：最大应变（混凝土极限压应 变）规范cu =3.010-3（2）影响混凝土轴心受压应力应变曲线的主要因素： l 混凝土的强度： 9 15 22 28 32 40 30 20 10 0 0.001 0.002 0.003 0.004 强度等级不同的混凝土的应力应变曲线 混凝土强度愈高，应力应变曲线下降愈剧烈，延性就愈差（延性是材料承受变形的能力）。v l 加载速度 应变速率小，峰值应力fc降低， c0 增大，下降段曲线坡度显著地减缓。 l 测试技术和试验条件 应该采用等应变加载。 试验机的刚度对下降段的影响很大。如果试验机的刚度不足，无法测出
13、应力应变曲线的下降段。 应变测量的标距也有影响，应变量测的标距愈大，曲线坡度陡；标距愈小，坡度愈缓。v C)承压板和试件上下 表面之间涂以油脂润滑剂a)不加油脂润滑剂的试验方法 b）破坏状态 l 侧向约束 试件的上下表面与试验机承压板之间存在摩阻力，破坏时，形成两个对顶叠置的截头方锥体。（测得的强度较高） 试件的上下表面与试验机承压板之间涂抹润滑剂，其破坏形态如c)图所示。（测得的强度较低，应力应变曲线没有下降段） v kc c 0 ce cp 0h （3）混凝土的模量 抗压弹性模量（三种表示方法） 原点弹性模量 切线弹性模量 割线弹性模量v （初始弹性模量）过原点作切线，该切线的斜率： 过应
14、力应变曲线上某一点作切线，该切线的斜率： l切线模量l原点弹性模量连接混凝土应力应变曲线的原点O及曲线上某一点K，该割线的斜率，也称割线模量或弹塑性模量，即式中： 弹性特征系数，即 反映了混凝土的弹塑性性质， 越大， 越小 l变形模量()2. 混凝土在重复荷载作用下的变形(如图）0fcf21CDl 混凝土的剪切模量 G：混凝土的泊松比l规范中抗压弹性模量 的测定方法 用棱柱体标准试件，将应力增加到 然后卸载至零，在0 间加载510次，不断消除塑性变形，直至应力-应变曲线逐渐稳定成为直线，该直线斜率即为混凝土弹性弹性模量由统计分析得经验公式为： 3、混凝土单轴向受压应力-应变曲线的数学模型 v 国内外采用广泛的描述混凝土单轴向受压应力-应变曲线模型 上升段为二次抛物线，下降段为斜直线。 上升段： 下降段： v 式中，峰值应变 极限压应变补充v我国规范采用的混凝土单轴向受压应力-应变 曲线模型 该模型形式较简单，上升段采用二次抛物线，下降段采用水平直线。 上升段： 水平段： 式中，参数取值如下： 、 补充4. 混凝土在荷载长期作用下的变形 徐变在荷载的长期作用下，混凝土的变形将随时间而增加，亦即在应力不变的情况下，混凝土的应变随时间继续增长，这种现象被称为徐变。l 徐变定义：在荷载长期作用下，混凝土凝胶体中的水分逐渐压出，水泥石
