第1章钢筋混凝土结构的基本概念及材料的物理力学性能

1、第一篇第一篇 钢筋混凝土结构钢筋混凝土结构第一章第一章 钢筋混凝土钢筋混凝土结构的基本概结构的基本概 念及材料的物理力学性能念及材料的物理力学性能一、配筋的作用一、配筋的作用 受竖向力作用的混凝土梁受竖向力作用的混凝土梁 1-1 1-1 钢筋混凝土结构的基本概念钢筋混凝土结构的基本概念图图11 素混凝土梁和钢筋混凝土梁素混凝土梁和钢筋混凝土梁 a) 素混凝土梁的断裂素混凝土梁的断裂 b) 钢筋混凝土梁的开裂钢筋混凝土梁的开裂 承载力小承载力小材料强度未充分发挥材料强度未充分发挥破坏突然破坏突然 例：例：一跨度为一跨度为4m4m，跨中作用集中荷载的简支梁，梁截，跨中作用集中荷载的简支梁，梁截面尺

2、寸面尺寸200200300mm300mm，混凝土为，混凝土为C20C20。1-1 1-1 钢筋混凝土结构的基本概念钢筋混凝土结构的基本概念极限荷载极限荷载 : : F =8kN 破坏形态：脆性破坏破坏形态：脆性破坏极限荷载极限荷载: F =36kN 破坏形态：延性破坏破坏形态：延性破坏由此得出钢筋和混凝土结合的有效性：由此得出钢筋和混凝土结合的有效性：u材料强度得到充分利用u大大提高结构的承载力u结构的受力性能得到改善1-1 1-1 钢筋混凝土结构的基本概念钢筋混凝土结构的基本概念受竖向力作用的混凝土柱受竖向力作用的混凝土柱 1-1 1-1 钢筋混凝土结构的基本概念钢筋混凝土结构的基本概念1-

3、1 1-1 钢筋混凝土结构的基本概念钢筋混凝土结构的基本概念钢筋与混凝土合理组合原则：钢筋与混凝土合理组合原则：发挥混凝土抗压强度高，避免抗拉强度低发挥混凝土抗压强度高，避免抗拉强度低的弱点。的弱点。钢筋混凝土结构钢筋混凝土结构不是不是钢筋和混凝土之间的钢筋和混凝土之间的任意任意组合组合。发挥钢筋抗拉、抗压强度高的特点；发挥钢筋抗拉、抗压强度高的特点；PPPPee柱简支梁PPPP连续梁1-1 1-1 钢筋混凝土结构的基本概念钢筋混凝土结构的基本概念简支板简支梁1.1.混凝土结硬后，能与钢筋牢固地粘结在一起，传混凝土结硬后，能与钢筋牢固地粘结在一起，传 递应力。递应力。2.2.二者具有相近的线胀

4、系数，不会由于温度变化产二者具有相近的线胀系数，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。生较大的温度应力和相对变形而破坏粘结力。钢筋：钢筋： stst = 1.2 = 1.2 10 1055砼： ctct = 1.0 = 1.0 1.5 1.5 1010553.3.呈碱性的混凝土可以保护钢筋，使钢筋混凝土呈碱性的混凝土可以保护钢筋，使钢筋混凝土结构具有较好的耐久性。结构具有较好的耐久性。二、钢筋与混凝土长期共同工作的条件二、钢筋与混凝土长期共同工作的条件 1-1 1-1 钢筋混凝土结构的基本概念钢筋混凝土结构的基本概念1. 1. 就地取材，节约钢筋；就地取材，节约钢筋；2.

5、2. 耐久性好，耐火性好；耐久性好，耐火性好；3. 3. 可模性好；可模性好；4. 4. 现浇或装配整体式结构的整体性现浇或装配整体式结构的整体性 好，刚度大。好，刚度大。1. 1. 自重大自重大 g g=25kN/m=25kN/m3 32. 2. 抗裂性差抗裂性差施加预应力施加预应力优点：优点：缺点：缺点：三、钢筋混凝土结构的特点三、钢筋混凝土结构的特点 1-1 1-1 钢筋混凝土结构的基本概念钢筋混凝土结构的基本概念1-21-2混凝土的物理力学性混凝土的物理力学性能能砼的物理力学性砼的物理力学性能指标能指标 砼砼 的的 强强 度度 砼砼 的的 变变 形形1.1.立方体抗压强度立方体抗压强度

6、 1)1)立方体抗压强度立方体抗压强度 1-21-2混凝土的物理力学性混凝土的物理力学性能能cuf 混凝土的立方体抗压强度是指按标准方法制作和混凝土的立方体抗压强度是指按标准方法制作和养护的边长为养护的边长为150mm150mm的立方体试件的立方体试件, ,在在28d28d后用标准试后用标准试验方法测得的抗压强度验方法测得的抗压强度 。一、混凝土的强度一、混凝土的强度 cu/fFAu试件尺寸：试件尺寸：150mm150mm150mm150mm150mm(150mm(标准制作标准制作) )u养护环境养护环境：（20202 2）、 相对湿度相对湿度95%95%u龄期：龄期： 2828天天u试验方法

7、：试验方法：不涂油脂不涂油脂 1-21-2混凝土的物理力学性混凝土的物理力学性能能1-21-2混凝土的物理力学性混凝土的物理力学性能能 2)2)影响抗压强度的因素影响抗压强度的因素 1-21-2混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能l试验方法试验方法 不涂油不涂油 “套箍效应套箍效应”l试件尺寸试件尺寸 尺寸越大，实测强度越尺寸越大，实测强度越低低。 “尺寸效应尺寸效应”l加载速度加载速度 加载速度越快，强度越加载速度越快，强度越高高。1-21-2混凝土的物理力学性混凝土的物理力学性能能套箍效应套箍效应150mm150mm150mm100mm100mm100mm200mm200mm200mm

8、换算系数换算系数 0.95换算系数换算系数 1.05尺寸效应尺寸效应2. 2. 砼轴心抗压强度（棱柱体抗压强度）砼轴心抗压强度（棱柱体抗压强度）1-21-2混凝土的物理力学性混凝土的物理力学性能能cf1）砼轴心抗压强度）砼轴心抗压强度 按照与按照与立方体试件相同条件下制作、养立方体试件相同条件下制作、养 护和试护和试 验方法测得的抗压强度。验方法测得的抗压强度。3）试件尺寸）试件尺寸2）采用棱柱体抗压强度意义）采用棱柱体抗压强度意义 150mm150mm300mm1-21-2混凝土的物理力学性混凝土的物理力学性能能3. 3. 砼轴心抗拉强度砼轴心抗拉强度1-21-2混凝土的物理力学性能混凝土的

9、物理力学性能1）轴心抗拉强度）轴心抗拉强度混凝土试件在轴心拉伸下测得的抗拉强度。混凝土试件在轴心拉伸下测得的抗拉强度。2）试验方法）试验方法 直接测试法（轴心受拉试验）直接测试法（轴心受拉试验） 间接测试法（劈裂试验）间接测试法（劈裂试验）tf1-21-2混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能直接测试法（轴心受拉试验）直接测试法（轴心受拉试验）轴心受拉试验试件轴心受拉试验试件钢筋钢筋图图1 15 5 混凝土抗拉强度试验试件（尺寸单位：混凝土抗拉强度试验试件（尺寸单位：mmmm） 1-21-2混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能轴心受拉试验轴心受拉试验 图图 混凝土直接受拉试验混凝土直接受

10、拉试验 tFf =A间接测试法（劈裂试验）间接测试法（劈裂试验）1-21-2混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能试件：立方体或圆柱体试件：立方体或圆柱体 图图1-6 1-6 劈裂试验劈裂试验 1-21-2混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能a)用圆柱体进行劈裂试验用圆柱体进行劈裂试验 b)用立方体进行劈裂试验用立方体进行劈裂试验 c)劈裂面中水平应力分布劈裂面中水平应力分布 20.637tsFFfAA1-21-2混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能劈裂抗拉强度劈裂抗拉强度 轴心抗拉强度轴心抗拉强度0.9ttsff换算换算4. 4. 复合应力状态下复合应力状态下砼强度砼强度 1-21

11、-2混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能 双向受拉，接近单轴抗拉双向受拉，接近单轴抗拉 强度；强度；1）双向）双向应力状态应力状态 一拉一压，加速了混凝土一拉一压，加速了混凝土 内内 部微裂缝的发展部微裂缝的发展 ，抗，抗 拉、抗压强度均拉、抗压强度均降低降低。 双向受压，混凝土的侧向双向受压，混凝土的侧向 变形受到约束，强度变形受到约束，强度提高提高 4. 4. 复合应力状态下复合应力状态下砼强度砼强度1-21-2混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能tf 试件侧向变形受到限制，其内试件侧向变形受到限制，其内部微裂缝的产生和发展受到阻碍，部微裂缝的产生和发展受到阻碍，当侧压力增大时，轴

12、向抗压强度也当侧压力增大时，轴向抗压强度也相应增大。相应增大。ccc2ffk工程应用：约束混凝土钢管砼钢管砼密配螺旋箍筋柱密配螺旋箍筋柱2）三向受压应力状态）三向受压应力状态 三向三向受压时混凝土的应力受压时混凝土的应力应变曲线应变曲线 试件纵向受压时，混凝土的横向膨胀受到约束，使核心混凝试件纵向受压时，混凝土的横向膨胀受到约束，使核心混凝土处于土处于三向受压三向受压状态，内部状态，内部微裂缝微裂缝的发展受到抑制，从而提高了的发展受到抑制，从而提高了试件的纵向试件的纵向强度强度和和延性延性，特别是延性大为提高。，特别是延性大为提高。 混凝土圆柱体三向受压时轴向应力混凝土圆柱体三向受压时轴向应力

13、应变曲线应变曲线 1-21-2混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能3）剪压或剪拉复合应力状态）剪压或剪拉复合应力状态 1-21-2混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能 随着随着拉应力拉应力的增大的增大 ，混凝土的抗剪强度，混凝土的抗剪强度降低降低。 随着随着压应力压应力的增大的增大 ，混凝土的抗剪强度，混凝土的抗剪强度逐渐增大逐渐增大； 当压应力当压应力超过超过某一数值后，抗剪强度随压应力增大而某一数值后，抗剪强度随压应力增大而减小减小。1-21-2混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能二、混凝土的变形二、混凝土的变形 混凝土的变形混凝土的变形受力变形受力变形 非受力变形非受力变形（

14、体积变形）（体积变形）一次短期荷载下的变形一次短期荷载下的变形荷载长期作用下的变形荷载长期作用下的变形重复荷载下的变形重复荷载下的变形收缩变形收缩变形温度变化引起的变形温度变化引起的变形当当=(0.30.8)时，时， 关系关系偏离直线偏离直线；1-21-2混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能1.1.一次短期加载下混凝土的变形一次短期加载下混凝土的变形1 1）混凝土的）混凝土的 当当0.3时，时， 关系接近于关系接近于直线直线；cu0峰值应变峰值应变 极限压应变极限压应变 cf峰值应力峰值应力 当当=(0.81.0)时，内部微裂缝进入时，内部微裂缝进入非稳定发展非稳定发展阶段。阶段。 1-2

15、1-2混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能1-21-2混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能2 2）影响）影响 曲线的主要因素曲线的主要因素 砼强度砼强度 测试技术和试验条件测试技术和试验条件 应变速率应变速率1-21-2混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能3 3）砼的弹性模量、变形模量）砼的弹性模量、变形模量原点弹性模量原点弹性模量 ：过：过原点原点切线的斜率。切线的斜率。切线模量切线模量 ：过某一点：过某一点切线切线的斜率。的斜率。割线模量割线模量 ：某一点与原点：某一点与原点连线连线的斜率。的斜率。混凝土的变形模量混凝土的变形模量 0tancecEddEc cccE1 tan

16、ccecccecccEE1-21-2混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能3 3）砼的变形模量）砼的变形模量1-21-2混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能3 3）砼的变形模量）砼的变形模量52ccu,k10(N/mm )34.72.2Ef弹性模量测定方法弹性模量测定方法1-21-2混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能3 3）砼的弹性模量、变形模量）砼的弹性模量、变形模量剪切模量剪切模量cccEG121-21-2混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能1. 1. 混凝土的徐变混凝土的徐变 定义：定义：徐变的特点：徐变的特点：2. 2. 混凝土在长期荷载作用下的变形混凝土在长期荷载作用

17、下的变形 在荷载在荷载长期长期作用下，混凝土的作用下，混凝土的变形变形随时间而随时间而徐徐增长徐徐增长的现象。的现象。开始增长较快，以后逐渐减慢，最后趋于稳开始增长较快，以后逐渐减慢，最后趋于稳 定。定。 1-21-2混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能徐变的原因：徐变的原因： 影响徐变的因素：影响徐变的因素： 水泥凝胶体的黏性流动，细微空隙逐渐闭合。水泥凝胶体的黏性流动，细微空隙逐渐闭合。 混凝土中内部微裂缝的发展。混凝土中内部微裂缝的发展。 压应力的大小；压应力的大小；1-21-2混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能徐变徐变线性徐变线性徐变非线性徐变非线性徐变c0.5 fc c(0

18、.50.8) fc c0.8 fc 变形不收敛变形不收敛1-21-2混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能徐变的原因：徐变的原因： 影响徐变的因素：影响徐变的因素： 水泥凝胶体的黏性流动，细微空隙逐渐闭合。水泥凝胶体的黏性流动，细微空隙逐渐闭合。 混凝土中内部微裂缝的发展。混凝土中内部微裂缝的发展。 压应力的大小；压应力的大小；加载时砼的龄期；加载时砼的龄期； 砼的组成成分和配合比；砼的组成成分和配合比； 构件的尺寸、体表比。构件的尺寸、体表比。混凝土的制作、养护及使用环境；混凝土的制作、养护及使用环境；1-21-2混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能徐变对砼结构的影响：徐变对砼结构的影

19、响： 使受弯构件和偏压构件的使受弯构件和偏压构件的变形加大变形加大 ； 使钢筋混凝土构件截面产生使钢筋混凝土构件截面产生应力重分布应力重分布； 使预应力混凝土构件产生使预应力混凝土构件产生预应力损失预应力损失 。1-21-2混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能收缩：收缩：混凝土在空气中结硬体积减小的现象。混凝土在空气中结硬体积减小的现象。蒸汽养护常温养护051015200.10.20.30.4收缩(103)时间 (月)3. 3. 混凝土收缩变形混凝土收缩变形 收缩特点：收缩特点：发展速度发展速度先快后慢先快后慢。1-21-2混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能收缩的性质收缩的性质自由收

20、缩自由收缩约束收缩约束收缩来自内部的钢筋约束来自内部的钢筋约束来自外部约束来自外部约束收缩对结构的影响：收缩对结构的影响：影响收缩的主要因素影响收缩的主要因素 使预应力混凝土构件产生使预应力混凝土构件产生预应力损失预应力损失 。 约束收缩产生收缩应力甚至开裂约束收缩产生收缩应力甚至开裂。 自由收缩一般不会引起拉应力，故不会开裂自由收缩一般不会引起拉应力，故不会开裂； 1-31-3钢筋钢筋钢材分类钢材分类 碳素钢碳素钢 普通低合金钢普通低合金钢 配筋砼配置的钢筋配筋砼配置的钢筋 1-31-3钢筋钢筋按生产工艺及加工条件分按生产工艺及加工条件分冷拉钢筋冷拉钢筋热处理钢筋热处理钢筋热轧钢筋热轧钢筋冷

21、拔钢筋冷拔钢筋一、钢筋种类一、钢筋种类 1-31-3钢筋钢筋一、钢筋种类一、钢筋种类 冷拉BKZZK无时效经时效温度的影响：温度达700C时恢复到 冷拉前的状态，先焊 后拉特性：只提高抗拉强度，塑性下降冷拔特性：强度提高，塑性下降1-31-3钢筋钢筋热轧钢筋按外形分热轧钢筋按外形分一、钢筋种类一、钢筋种类 光圆钢筋光圆钢筋带肋钢筋带肋钢筋人字形钢筋人字形钢筋月牙钢筋月牙钢筋螺旋钢筋螺旋钢筋1-31-3钢筋钢筋二、热轧钢筋的强度等级及牌号二、热轧钢筋的强度等级及牌号 种类种类牌号牌号符号符号公公 称称直直 径径(mm)屈服强度屈服强度标准值标准值(MPa)(MPa)极限强度极限强度标准值标准值(

22、MPa)(MPa)伸长率伸长率5 5(%)(%)冷弯冷弯 180D=弯心直径弯心直径d=钢筋公称直径钢筋公称直径光圆光圆钢筋钢筋HPB235 （R235）HPB300 62023530037042025D=d带肋带肋钢筋钢筋HRB335HRBF3356252840405033545517D=3dD=4dD=5dHRB400HRBF400RRB400(KL400)6252840405040054016D=4dD=5dD=6dHRB500HRBF5006252840405050063015D=6dD=7dD=8d国产热轧钢筋牌号及力学性能特征值国产热轧钢筋牌号及力学性能特征值 表1-11-31-3

23、钢筋钢筋热轧钢筋牌号说明热轧钢筋牌号说明 HPB235（R235） 生产工艺：生产工艺： hot rolledhot rolled 表面形状：表面形状：plainplain 钢筋：钢筋：barbar 屈服强度屈服强度1-31-3钢筋钢筋热轧钢筋牌号说明热轧钢筋牌号说明HRB335 hot rolledribbed bar RRB400（KL400 ）remained heat treatmentribbed bar HRB400 1-31-3钢筋钢筋二、热轧钢筋的强度等级及牌号二、热轧钢筋的强度等级及牌号 种类种类牌号牌号符号符号公称公称直直 径径(mm)屈服强度屈服强度标准值标准值(MPa)

24、(MPa)极限强度极限强度标准值标准值(MPa)(MPa)伸长率伸长率5 5(%)(%)冷弯冷弯 180D=弯心直径弯心直径d=钢筋公称直径钢筋公称直径光圆光圆钢筋钢筋HPB235 （R235）62023537025D=d带肋带肋钢筋钢筋HRB3356252840405033545517D=3dD=4dD=5dHRB400RRB400(KL400)6252840405040054016D=4dD=5dD=6d公路桥梁使用的热轧钢筋公路桥梁使用的热轧钢筋a 比例极限比例极限c 屈服屈服强度强度oa 弹性阶段弹性阶段d 极限极限强度强度bf 屈服阶段屈服阶段fd 强化阶段强化阶段de 破坏阶段破坏

25、阶段e 极限应变极限应变1-31-3钢筋钢筋三、热轧钢筋的强度和变形三、热轧钢筋的强度和变形 1. 1. 热轧钢筋的热轧钢筋的应力应力应变应变( ()曲线曲线 1-31-3钢筋钢筋1-31-3钢筋钢筋2. 2. 热轧钢筋的热轧钢筋的塑性性能塑性性能 1-31-3钢筋钢筋1-31-3钢筋钢筋2.2.热轧钢筋的热轧钢筋的塑性性能塑性性能 2. 2. 热轧钢筋的热轧钢筋的塑性性能塑性性能 （1）伸长率：伸长率：（2）冷弯性能：冷弯性能： 延伸率越大，钢筋的延伸率越大，钢筋的塑性性能塑性性能越好。越好。111100%lll 弯心弯心直径直径越小，弯过的越小，弯过的角度角度越大，越大，冷弯性能越好，钢筋

26、的冷弯性能越好，钢筋的塑性性能塑性性能越好。越好。1-31-3钢筋钢筋1-31-3钢筋钢筋51(5 )ld101(10 )ld1-31-3钢筋钢筋二、热轧钢筋的强度等级及牌号二、热轧钢筋的强度等级及牌号 种类种类牌号牌号符号符号公公 称称直直 径径(mm)屈服强度屈服强度标准值标准值(MPa)(MPa)极限强度极限强度标准值标准值(MPa)(MPa)伸长率伸长率5 5(%)(%)冷弯冷弯 180D=弯心直径弯心直径d=钢筋公称直径钢筋公称直径光圆光圆钢筋钢筋HPB235 （R235）HPB300 62023530037042025D=d带肋带肋钢筋钢筋HRB335HRBF33562528404

27、05033545517D=3dD=4dD=5dHRB400HRBF400RRB400(KL400)6252840405040054016D=4dD=5dD=6dHRB500HRBF5006252840405050063015D=6dD=7dD=8d国产热轧钢筋牌号及力学性能特征值国产热轧钢筋牌号及力学性能特征值 表1-1（1 1）强度要高）强度要高1-31-3钢筋钢筋1-31-3钢筋钢筋三、混凝土结构对钢筋性能的三、混凝土结构对钢筋性能的要求要求 （2 2）塑性好）塑性好（4 4）与混凝土有良好的粘结）与混凝土有良好的粘结避免发生避免发生脆性脆性破坏。破坏。（3 3）可焊性好）可焊性好 要求钢筋具备良好的要求钢筋具备良好的焊接焊接性能。性能。1-4 1-4 钢筋与砼的粘结钢筋与砼的粘结1. 1. 粘结力（握裹力）粘结力（握裹力）钢筋与混凝土表面的钢筋与混凝土表面的化学胶粘