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1、,引言,钢筋混凝土结构主要用钢筋和混凝土材料制作而成。为了合理地进行混凝土结构设计，需要深入地了解混凝土和钢筋的受力性能。对混凝土和钢筋力学性能，相互作用和共同工作的了解，是掌握混凝土结构构件性能并对其进行分析与设计的基础。,内容提要,一、钢筋混凝土结构的基本概念 二、混凝土的强度 三、混凝土的变形 四、钢筋的强度与变形 五、钢筋的成分、级别和品种 六、粘结机理 七、影响粘结强度的因素,学习指导,教学要求：了解钢筋混凝土结构受力性能的复杂性及配筋对其受力性能的影响。掌握钢筋混凝土结构的优缺点。掌握钢筋的种类及其物理力学特性。熟悉钢筋混凝土结构对钢筋性能要求。掌握混凝土各种强度指标及其特性。理解
2、钢筋与混凝土粘结性能,学习指导,学习重点： 1、钢筋混凝土梁与素混凝土梁的差别； 2、钢筋与混凝土共同工作的条件； 3、钢筋混凝土结构的优缺点； 4、钢筋的品种和力学性能的基本指标； 5、钢筋的应力应变曲线； 6、混凝土的强度指标及强度等级； 7、混凝土的应力应变曲线； 8、混凝土的各种模量； 9、混凝土的徐变和收缩； 10、钢筋与混凝土之间的粘结力,混凝土结构,素混凝土结构：素砼主要用于以受压为主的基础、柱墩和一些非承重结构。,钢筋混凝土结构 ,预应力混凝土结构 ,钢筋混凝土结构：是由配置受力的普通钢筋或钢筋骨架的混凝土制成的结构。,例：一跨度为4m，跨中作用集中荷载的简支梁，梁截面尺寸20
3、0300mm，混凝土为C20。如图所示：,图0-1,柱：试验表明，钢筋混凝土柱与素混凝土柱相比，不仅承载力大为提高，而且受力性能也得到改善（下图）,素混凝土和钢筋混凝土轴心受压构件的受力性能比较,现将素混凝土梁和配置钢筋的梁进行荷载试验：,a) 素砼梁 极限荷载 P=3.6kN 由砼抗拉强度控制 破坏形态：脆性,b) 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,由此得出钢筋和混凝土结合的有效性：, 大大提高结构的承载力, 结构的受力性能得到改善,钢筋混凝土结构不是钢筋和混凝土之间的任意组合。,其组合的原则：发挥钢筋抗拉、抗压强度高的特点；发挥混凝土抗压强度高，而
4、避免抗拉强度低的弱点。,图 0-2,1. 混凝土和钢筋之间有着良好的粘结力,使两者能可靠地结合成一个整体，在荷载作用下能够很好地共同变形,完成其结构功能。,2. 二者具有相近的温度线膨胀系数，不会由于温度变化产生较大的温度应力和相对变形而破坏粘结力。,钢筋 st = 1.2 105,混凝土 ct = 1.0 1.5 105,3. 呈碱性的混凝土可以保护钢筋免遭锈蚀的作用，保证了钢筋与混凝土的共同作用。,1. 就地取材，节约钢筋：砼所用砂、石，易于就地取材。近年有用工业废料制造人工骨料，或作为水泥的外加成分，改善砼的性能。钢筋和砼的材料强度得到充分发挥，结构承载力与刚度比例合适，单位应力价格低，
5、经济指标优于钢结构。,2. 耐久性好，耐火性好；砼是不良热导体，30mm厚砼保护层可耐火2小时，使钢筋不致因升温过快而丧失强度。,3. 可模性好，便于结构型式的实现；,4. 现浇或装配整体式结构的整体性好，刚度大。,优点：,1. 自重大 =25kN/m3 轻骨料砼,4.修补或拆除较困难。,缺 点：,2. 抗裂性差 施加预应力。,3.施工受气候条件影响较大;,1.按化学成分,碳素钢,普通低合金钢(加入少量低 合金元素,强度、塑性均提高）比如：20MnSi,20MnSiV,低碳钢（含碳量少于0.25%,中碳钢（含碳量在0.25%0.6%高碳钢（含碳量大于0.6%),钢筋的要求：较高的强度，良好的塑
6、性和可焊性，与混凝土有较好的粘结性能。,2.按钢筋的加工方法:热轧钢筋、冷拉钢筋、冷轧带肋钢筋、热处理钢筋、钢丝,用于钢筋混凝土桥梁结构的钢筋主要选取：热轧钢筋、碳素钢丝、精轧螺纹钢筋等三类,热轧钢筋：将钢材在高于再结晶温度状态下，用机械方法轧制成不同外形的钢筋。,碳素钢丝：又称高强钢丝，一般是将热轧钢筋8高碳钢盘条加热到850950，并经在500 600的铅浴中淬火，使其具有较高的塑性，然后再经酸洗，镀铜，拉拔、娇直、回火、卷盘等工艺生产而得。,常见的碳素钢丝有： 光面钢丝：以多根钢丝组成钢丝束或由若干根钢丝纽结成钢绞线得形式应用。桥梁常用有：12（二股）13（三股）17（七股）d=9.51
7、5.2mm 螺旋肋钢丝 刻痕钢丝 适用于先张法d49mm.,精轧螺纹钢筋：d=18mm,25mm,32mm,40mm四种，强度较高，主要用于中小跨径得预应力桥梁构件。,3、按强度等级分（见表11） 级：R235 ，低碳钢，其强度较低，但塑性和可焊性能较好，公称直径范围820mm;级：HRB335，普通低合金钢，强度、塑性和可焊性等综合性能较好，钢筋表面带肋与混凝土粘结性能也较好。公称直径：650mm，推荐采用一般不超过32mm。 级： HRB400，公称直径650mm； KL400,钢筋经过热轧后立即穿水，进行表面冷却，然后利用心部余热自身完成回火处理。公称直径840mm。 公称直径：相当于横
8、截面积相等得光面钢筋的直径。,3、热轧钢筋按外型特征分,热轧光圆钢筋（R235，d=820,）,热轧带肋钢筋（HRB335,HRB400,KL400）,月牙肋 纹路与肋不相交，不易产生应力集中、粘结强度略低于等高肋钢筋。,等高肋（螺旋纹、人字纹）与钢筋砼粘结力好，纹路与肋相交，易产生应力集中。,光面圆钢筋,螺旋纹钢筋,人字纹钢筋,月牙纹钢筋,一、钢筋的 曲线,由力学性能不同分成：,软钢：有明显屈服台阶的钢筋(热轧钢筋、冷拉钢筋),硬钢：无明显屈服台阶的钢筋(高强碳素钢丝、钢绞线),（一）软钢,比例极限,屈服强度,极限强度,b,d,e,d,流幅,a,b,c,a比例极限,b屈服强度(b屈服上限c屈
9、服下限）,e延伸率,d极限强度,1、特征：,四个阶 段：,oa弹性阶段,bc屈服阶段(cf),cd强化阶段(fd),de 颈缩阶段,四个点：,2、钢筋主要物理力学指标：,屈服强度、抗拉极限强度、伸长率、冷弯性能。,两个强度指标：,（1）b点的屈服强度是钢筋混凝土结构设计计算中强度取值的主要依据，因为钢筋应力达到屈服极限后，荷载不增加，应变继续增大，使得钢筋混凝土裂缝开展过宽，变形过大，结构不能正常使用。（2）d点的极限抗拉强度材料的实际破坏强度，衡量钢筋经巨量变形后的抗拉能力，不能作为计算依据。,屈强比：表示结构的可靠性潜力，屈强比小则结构的可靠性高，但太小钢材利用率太低。但为了保证钢筋的综合
10、强度性能，在检验钢筋的质量时，仍要保证它的极限抗拉强度并满足检验标准的要求，特别在抗震结构中，由于构件要进入大变形工作，考虑到钢筋可能受拉进入强化阶段。,3、钢筋的两个塑性指标,冷弯性能：,弯心直径,冷弯角度,伸长率：,（二）硬钢,1、应力应变关系,b,0.2的定义（名义屈服强度）：,相应于残余应变 = 0.2%时的应力。作为强度设计的依据。,冷加工的方法：冷拉、冷拔、冷轧、冷轧扭。,冷加工的目的：改变钢材内部结构，提高 钢材强度，节约钢筋。,冷加工对钢材性能的影响。,冷拉钢筋将钢筋拉伸超过其屈服强度，放松，经一段时间之后，钢筋会获得比原来屈服强度更高的屈服强度值。如图所示。 冷拉后，屈服强度
11、提高了，屈服台阶变短,伸长率降低，钢材性质变硬变脆。采用冷拉控制应力和冷拉率控制。抗压强度没有提高，计算仍取用原来的抗压强度。,图1-4,o,冷拉控制应力,(N/mm2),冷拉率,o,a,b,c,c,d,d,冷拉无时效,冷拉经时效,(a),(b),冷拔将钢筋用强力拔过硬质合金拔丝模，截面变 小而长度增加，可同时提高钢材的抗拉和抗压强度。塑性降低很多。 冷轧将热轧钢筋在常温下表面轧制成不同的形状，强度提高，塑性降低。冷轧带肋钢筋采用低碳热轧盘圆进行冷轧减径，表面轧出月牙纹。冷轧扭钢筋钢筋经冷轧并经扭转而成。,混凝土的组份：,骨料,水泥结晶体,水泥凝胶体,弹性变形的基础,塑性变形的基础,砼的强度及
12、变形随时间、随环境的变化而变化。,水泥、石、砂、水按一定的配合比制成不同等级的砼。,1.混凝土立方体的抗压强度 fcu： 砼结构主要利用其抗压强度，因此抗压强度是最主要和最基本的指标。 以每边边长为150mm的立方体为标准试件，在（202）的温度、相对湿度在95%以上的潮湿空气中养护28d，依照标准制作方法和试验方法测得的抗压强度值（以MPa为单位）作为混凝土的立方体抗压强度，用符号fcu表示。,影响砼强度的因素 试验方法。试件尺寸。加载速度。龄期。,由于尺寸效应的影响： fcu(150) = 0.95 fcu(100),fcu(150) = 1.05 fcu(200),试验录像,常用等级：
13、C15, C20, C25, C30, C35, C40, C45, C50,C55, C60, C65, C70, C80.,2. 轴心抗压强度 fc,真实反映以受压为主的混凝土结构构件的抗压强度，,1)试件: 150mm150mm300mm,制作方法同立方体试件.2)影响因素:试件高度h与边长b之比,比值越大,轴心抗压强度越小.(图1-4),试验录像,3. 轴心抗拉强度 ft,混凝土的抗拉强度比抗压强度小得多，为抗压强度 。,直接测试方法(100X100X500),间接测试方法(劈裂试验),测试方 法：,（1）直接拉伸测试方法：采用两端预埋钢筋的混凝土棱柱体测试轴心抗拉强度时（如下图），保
14、持试件轴心受拉是很重要的，也是不容易完全做到的。混凝土内部结构不均匀，钢筋的预埋和试件的安装都难以对中，而偏心又对抗拉强度测试有很大的干扰。,（2）劈裂试验测试法：轴心受拉试验对中困难，常采用立方体或圆柱体劈裂试验测定砼的抗拉强度。 采用圆柱体或立方体的劈裂试件来测定.(如下图）,通过垫条施加线载荷P，垂直截面上除垫条附近外，产生均匀拉应力，当拉应力达到ft时，试件对半劈裂。,fts(混凝土劈裂抗拉强度），F(劈裂破坏荷载），A（试件劈裂面面积）,试验录像,4. 复合应力状态下混凝土强度, 双向正应力作用：两个垂直平面上作用有法向应力,第三个平面上应力为零. (如图),1, 2 (压压) 强度
15、增加,1, 2 (拉压) 强度降低,1, 2 (拉拉) 强度基本不变, 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，当/fc（0.50.7)时,抗剪强度随压应力的增大而增大, /fc（0.50.7)时,抗剪强度随压应力的增大而减小,三向受压状态下混凝土强度,凝土强度提高的原因是：由于侧向约束了混凝土受压后横向变形，限制了混凝土内部裂缝的产生和发展，从而提高了混凝土在受压方向上的抗压强度,钢管砼,密配螺旋箍筋,15,混凝土三向受压时，各个方向上的抗压强度都有很大的提高。轴心抗压强度与侧压应力2的关系有如下线性经验式：,工程应用：约束混凝土,1 单调短期加载作用下1)混凝土应力应变曲线 （如图）,（1） 上升段 OA 线性段虎克定理AB 塑性，裂纹稳定发展阶段 BC 塑性，裂纹非稳定发展阶段 （2） 下降段 （3） 收敛段,特征点：,0 对应于峰值点应变 规范c0 = 0.002,cu 混凝土极限压应变规范cu = (3.05.0)10-3,fc 轴心抗压强度,2）影响混凝土轴心受压应力应变曲线的主要因素： a、混凝土的强度：上升段影响较小，下降段影响较大。强度越高，延性越差。延性是材料承受变形的能力） b、应变速率：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。 c、 测试技术和试验条件,
