第一章 钢筋混凝土结构的基本概念 及其材料的物理力学性能,第一节 钢筋混凝土结构的基本概念 及其特点,一、 钢筋混凝土结构的基本概念,概念: 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 由钢筋和混凝土结合在一起共同工作的材料，该材料可充分利用混凝土的抗压性能和钢筋的抗拉性能素混凝土梁 — 承载力低，一开裂即告破坏，破坏前无预 兆（为脆性破坏） 钢筋混凝土梁—承载力高，混凝土开裂后，其承担的拉应 力转移到钢筋，钢筋屈服后梁才破坏，破 坏前有预兆（为塑性破坏） 配筋的作用： （1）提高结构的承载力； （2）调整结构的破坏形态◆ 混凝土的基本特性： ◎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1/8~1/20 ◎破坏时具有明显的脆性性质,第一章,,,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或基础垫层、柱墩、室外地坪和一些非承重结构素混凝土梁,第一章,,,fc=13.4N/mm2 ft=1.54N/mm2,,Pcr = 9.7kN,fc=13.4N/mm2 ft=1.54N/mm2,ft,sc= ft,,,素混凝土梁,,第一章,,,跨中受拉边缘应力达到混凝土抗拉强度时，梁底将开裂，梁随即破坏，表现为脆性断裂，无明显预兆。
Pcr = 9.7kN,fc=13.4N/mm2 ft=1.54N/mm2,ft,sc= ft,,,素混凝土梁,,Pu ≈ Pcr,,,破坏时跨中截面受压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混凝土抗压强度高的特点未得到充分利用第一章,,,,录像,◆钢材的基本特点 ◎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 ◎但细长比过大使受压钢构件容易失稳，并易生锈,★将混凝土和钢材这两种材料有机地结合在一起协同工作，可以取长补短，充分利用材料的性能， 从而形成钢筋混凝土结构第一章,,,,fc=13.4N/mm2 ft=1.54N/mm2 fy=335N/mm2,钢筋混凝土梁,第一章,,,在前面素混凝土梁底部配置2根钢筋,,Pcr = 9.7kN,fc=13.4N/mm2 ft=1.54N/mm2 fy=335N/mm2,ft,sc= ft,,钢筋混凝土梁,,第一章,,,开裂前，与素混凝土梁受力类似当梁底应力达到ft时，梁受拉区将开裂Pcr = 9.7kN,fc=13.4N/mm2 ft=1.54N/mm2 fy=335N/mm2,ft,sc= ft,,钢筋混凝土梁,,,,,,受拉区开裂后，混凝土退出工作，拉力由钢筋承担，荷载可以继续增加。
第一章,,,,Pcr = 9.7kN,fc=13.4N/mm2 ft=1.54N/mm2 fy=335N/mm2,ft,sc= ft,,钢筋混凝土梁,,,,,,当钢筋应力达到屈服后，钢筋所能承受的拉力不能再继续增加梁的承载力比开裂前有很大增加Py ≈ 50.0kN,第一章,,,fy,,,,sc,,Pcr = 9.7kN,fc=13.4N/mm2 ft=1.54N/mm2 fy=335N/mm2,ft,sc= ft,,钢筋混凝土梁,,Pu ≈ 52.5kN,,,fy,综上所述，根据构件受力状况配置钢筋构成钢筋混凝土构件后，可以充分利用钢筋和混凝土各自材料的特点，把它们有机结合在一起共同工作，从而提高构件的承载能力，改善构件的受力性能Py ≈ 50.0kN,第一章,,,fc,配筋的基本原则：使钢筋在结构中处于受拉； 使混凝土在结构中处于受压钢筋与混凝土共同工作的原因： （1）混凝土和钢筋有足够的粘结力， （2）混凝土和钢筋的温度线膨胀系数大致相同，不会因温 度变化而破坏粘结力 （3）混凝土对钢筋有防锈作用二、钢筋混凝土结构的特点,①钢筋混凝土耐久性好； ②钢筋混凝土可模性好； ③材料易于就地取材，可降低工程造价； ④钢筋混凝土结构抗裂性能较差，在正常使用时 往往是带裂缝工作。
⑤钢筋混凝土结构的截面尺寸较大，自重也较大 ⑥钢筋混凝土结构施工受气候条件影响较大；且 施工中需耗用较多的模板第二节 混凝土,一、混凝土强度 水泥混凝土：是以水泥为胶结材料，用普通砂石为集料，并以水为 原材 料，按专门设计的配合比，经搅拌、成型、养 护而得到的复合材料 混凝土强度：是指混凝土材料达到破坏或开裂极限状态时所能承受 的应力 1、混凝土的抗压强度 1）立方体抗压强度 立方体抗压强度标准值：采用标准方法制作，养护28天龄期 的边长为150mm立方体试件，以标准试验方法测得的具有95%保 证率的抗压强度 (以MPa计）用符号f cu，k表示 立方体抗压强度--------------- f cu 它只是抗压强度的算术平均值 立方体抗压强度标准值----- f cu，k 具有95%保证率的抗压强度,,标准值与平均值: 第一组数据:95,90,50,45,平均值=70 第二组数据:85,80,60,55,平均值=70 如果我们要求要有75%的保证率,标准值就是50和60 规范习惯用立方体抗压强度作为混凝土的抗压强度的基本指标 用立方体抗压强度标准值表示混凝土的强度等级,用C表示。
按照立方体抗压强度标准值将混凝土的强度划分为14个等级， 从C15 ～ C80级差为5N/mm2 强度标准值=强度平均值- 1.645倍均方差,一、 混凝土强度,2）混凝土轴心抗压强度 实际工程中，一般的受压构件不是立方体而是棱柱体，即构件的高度要比截面的尺寸大一般用h/b=3～4的棱柱体抗压强度来代表混凝土单向均匀受压时的抗压强度 轴心抗压强度采用棱柱体试件测定，用符号fC表示，它比较接近实际构件中混凝土的受压情况，我国通常取150mm×150mm×450mm的棱柱体试件 轴心抗压强度标准值：用符号fcK表示,一、 混凝土强度,2、混凝土抗拉强度 混凝土轴心抗拉强度f t 是采用100mm×100mm×500mm的棱 柱体，两端设有螺纹钢筋(图1-7)，在实验机 上受拉来测定的 当试件拉裂时测得的平均拉应力即为混 凝土的轴心抗拉强度 实验表明，混凝土的抗拉强度比抗压强 度低得多，混凝土轴心抗拉强度只是混凝土 立方体抗压强度的1/18～1/8倍,而且随混凝 土强度等级的提高而减小 轴心抗拉强度标准值：用符号ftK表示,,,3、混凝土强度标准值与设计值 混凝土强度的标准值具有95%的保证率。
混凝土强度设计值约为0.8～0.86倍标准值 标准值与平均值: 第一组数据:95,90,50,45,平均值=70 第二组数据:85,80,60,55,平均值=70 可见,平均值没有保证率混凝土的变形分为：受力变形、非受力变形 1.混凝土的应力-应变关系 混凝土在单轴短期单调加载过程中的应力-应变关系(σ-ε曲线)是混凝土最基本的力学性能之一,它是研究钢筋混凝土构件的强度、裂缝、变形、延性所必需的依据. (1)受压混凝土一次短期加荷的σ-ε曲线,§2.8 荷载作用下混凝土的变形性能,二、混凝土的变形性能,图1-23是实测的典型混凝土棱柱体的σ-ε 曲线，有上升段和下降段上升段的特点： ①0~A:第I阶段(弹性阶段） (σ=0.3～0.4fc)，由于试件应力较小，混凝土的变形主要是骨料和水泥结晶体的弹性变形，应力应变的公关系接近直线，A点称为比例极限点 ②A～B:第II 阶段(稳定裂缝扩展阶段），临界点B相对应的应力可作为长期受压受强度的依据(一般取0.8 fC),③B~C：第III阶段（裂缝快速发展阶段），应力达到的最高点为fc fc相对应的应变称为峰值应变ε0一般ε0=0.0015～0.0025，平均取ε0=0.002。
在fc以后 ，裂缝迅速发展，结构内部的整体性受到愈来愈严重的破坏， 试件的平均应力强度下降，当曲线下降到拐点D后，曲线σ-ε由凸向水平方向发展，在拐点D之后，σ-ε曲线中曲率最大点E称为 “收敛点”、E点以后主裂缝已很宽.结构 内聚力几乎耗尽对于无侧向约束的混凝土已失去结构的意义 不同强度混凝土的σ-ε曲线见图1-24所示从混凝土的应力-应变曲线可以看出:混凝土的应力-应变关系图形是一条曲线,这说明混凝土是一种弹塑性材料,只有当压应力很小时,才可将其视为弹性材料 曲线分为上升段和下降段,说明混凝土在破坏过程中,承载力由一个从增加到减少的过程,当混凝土的压应力达到最大时,并不意味着立即破坏. 因此,混凝土最大应变对应的不是最大应力,最大应力对应的也不是最大应变. 影响混凝土应力-应变曲线形状的因素很多,如混凝土强度、组成材料的性质及配合比、试验方法及约束情况等.,强度等级越高，线弹性段越长，峰值应变也有所增大但高强混凝土中，砂浆与骨料的粘结很强，密实性好，微裂缝很少，最后的破坏往往是骨料破坏，破坏时脆性越显著，下降段越陡峰值应力fc所对应的应变ε0约为0.002左右，应力小于0.3fc时混凝土处于弹性阶段，混凝土内部几乎没有裂缝，0.3～0.8 fc之间，混凝土内部裂缝发展，但能保持稳定，大于0.8 fc混凝土内部裂缝发展很快，塑性变形显著增大，体积应变逐渐由压缩转为扩张。
2.混凝土在多次重复荷载下的应力-应变关系 (1)多次重复加荷:将混凝土棱柱体试块加荷使其压应力达到某个数值,然后卸荷至零,并把这一循环多次重复下去,就称为多次重复加荷. (2)混凝土的疲劳抗压强度:通常把能使试件在循环200万次或次数稍多时发生破坏的压应力. (3)疲劳破坏:混凝土在重复荷载作用下的这种破坏. 混凝土在重复荷载作用下的应力—应变曲线 混凝土的疲劳强度f/c≈0.5fc,,2）混凝土在重复荷载作用下的应力—应变曲线 混凝土的疲劳强度f /c≈0.5fc 3）混凝土在荷载长期作用下的变形性能 徐变:混凝土在荷载的长期作用下，其变形随时间而不断增长的现象称为徐变徐变会使结构（构件）的（挠度）变形增大，引起预应力损失，在长期高应力作用下，甚至会导致破坏 不过，徐变有利于结构构件产生内（应）力重分布，降低结构的受力（如支座不均匀沉降），减小大体积混凝土内的温度应力，受拉徐变可延缓收缩裂缝的出现 与混凝土的收缩一样，徐变与时间有关因此，在测定混凝土的徐变时，应同批浇筑同样尺寸不受荷的试件，在同样环境下同时量测混凝土的收缩变形，从徐变试件的变形中扣除对比的收缩试件的变形，才可得到徐变变形。
在应力（≤0.5fc）作用瞬间，首先产生瞬时弹性应变，随荷载作用时间的延续，变形不断增长，前4个月徐变增长较快，6个月可达最终徐变的（70~80）%，以后增长逐渐缓慢，2~3年后趋于稳定影响徐变得因素 内在因素是混凝土的组成和配比骨料的刚度（弹性模量）越大，体积比越大，徐变就越小水灰比越小，徐变也越小 环境影响包括养护和使用条件受荷前养护的温湿度越高，水泥水化作用越充分，徐变就越小采用蒸汽养护可使徐变减少（20~35）%受荷后构件所处的环境温度越高，相对湿度越小，徐变就越大2、混凝土的收缩变形 混凝土在水中硬化时体积会膨胀，但其值较小，对混凝土影响不大 混凝土在空气中硬化时体积会缩小，这种现象称为混凝土的 收缩 收缩是混凝土在不受外力情况下体积变化产生的变形 当这种自发的变形受到外部（支座）或内部（钢筋）的约束时，将使混凝土中产生拉应力，甚至引起混凝土的开裂混凝土收缩会使预应力混凝土构件产生预应力损失 某些对跨度比较敏感的超静定结构（如拱结构），收缩也会引起不利的内力楼板干燥收缩裂缝与边框架的变形,,,,,,图：1-16,混凝土的收缩是随时间而增长的变形，早期收缩变形发展较快，两周可完成全部收缩的25%，一个月可完成50%，以后变形发展逐渐减慢，整个收缩过程可延续两年以上。
一般情况下，最终收缩应变值约为(2~5)×10-4 混凝土开裂应变为(0.5~2.7)×10-4,图：1-17,引起收缩的主要原因： 干燥失水是引起收缩的重要因素 使用环境的温度越高、。