混凝土结构基本原理第1~4章

1、课 后 习 题 答 案混凝土结构基本原理授课教师：熊学玉思考题1-1钢筋和混凝土共同工作的基础是什么？答：（1）混凝土和钢筋之间有良好的粘结性能，二者能够可靠地结合在一起，共同受力， 共同变形。（2）混凝土和钢筋两种材料的温度线膨胀系数很接近，避免温度变化时产生较大的温度应力破坏二者之间的粘结力（3）混凝土包裹在钢筋的外部，可使钢筋免于过早的腐蚀或高温软化1-2与素混凝土梁相比，钢筋混凝土梁有哪些优势？答：钢筋不但提高了梁的承载能力，而且还提高了梁的变形能力，使得梁在破坏前能给人以明显的预告。1-3与钢筋混凝土梁相比，预应力混凝土梁有哪些优势？答：预应力钢筋在梁底部产生的预压应力会抵消外部荷载

2、P产生的拉应力，使得梁底部不产生拉应力或仅产生很小的拉应力，提高梁的抗裂行能。1-4与其他结构相比，混凝土结构有哪些特点？答：1.混凝土结构的优点：1）良好的耐久性2）良好的耐火性3）良好的整体性4）良好的可模性5）可就地取材6）节约钢材2.混凝土结构的缺点：混凝土结构的自重大且易开裂，一般混凝土结构使用时往往带裂缝工作，对裂缝有严格要求的结构构件需采取特殊措施；现浇混凝土结构需耗费大量的模板；施工季节性的影响较大；隔热隔声性能较差等。思考题2-1钢筋可以如何分类？答：1.根据钢筋中的化学成分，可将钢筋分为碳素钢及普通合金钢两大类 2.按加工方法，钢筋可分成热轧钢筋、冷拉钢筋和热处理钢筋三大类

3、；钢丝可分为碳素钢丝、刻痕钢丝、钢绞线和冷拔低碳钢丝四大类。2-2软钢和硬钢的应力应变关系曲线有何不同？他们的屈服强度是如何取值的？答： 图2.1 软钢（左）和硬钢（右）的应力应变曲线关系 软钢的应力-应变曲线关系中，在a点以前，应力与应变呈线性比例关系，与a点相应的应力称为比列极限；过a点后，应变较应力增长稍快，尽管从图上看起来并不明显；到达b点后，应力几乎不增加，应变却可以增加很多，曲线接近于水平线并一直延伸至f点。cf段称为流幅或屈服台阶；过f点后曲线又继续上升，直到最高点d点，相应于d点的应力称为钢筋的极限强度，fd段称为钢筋的强化阶段。过了d点之后，变形迅速增加，时间最薄弱的截面逐渐

4、缩小，出现“颈缩”现象，应力随之下降，到达e点时试件发生断裂。硬钢的应力-应变曲线关系中，看不到明显的屈服点和流幅。其强度取值如下。软钢取屈服台阶（屈服下限）的强度作为屈服强度，硬钢一般取残余应变为0.2%时所对应的应力作为钢筋的条件屈服强度。2-3钢筋应力应变曲线的理论模型有哪几种？他们适用于何种情况？答：三折线模型、两折线模型、双斜线模型。三折线模型适用于有明显流幅的软钢，两折线模型适用于流幅较长的理想弹塑性模型，双斜线模型适用于无明显流幅的高强钢筋或钢丝。2-4冷拉和冷拔会对钢筋的力学性能有怎样的影响？答：冷拉只能提高钢筋的抗拉强度，不提高钢筋的抗压强度。冷拔可同时提高钢筋的抗拉强度及抗

5、压强度。2-5对混凝土结构中的钢筋性能有哪些要求？答：1.钢筋的强度。2.钢筋的塑性。3.钢筋的可焊性。4.钢筋的耐火性。5.钢筋与混凝土的粘结力。2-6如何确定混凝土立方体抗压强度、轴心抗压强度和抗拉强度？答：国家标准普通混凝土力学性能试验方法（GB/T500812002）规定：以边长为150mm的立方体为标准试件，将其在20±3的温度和相对湿度90%以上的潮湿空气中养护28d，按照标准试验方法测得的抗压强度作为混凝土的立方体抗压强度，单位为N/mm2。我国国家标准普通混凝土力学性能试验方法（GB/T500812002）规定，以150mm×150mm×300mm

6、的棱柱体作为混凝土轴心抗压强度试验的标准试件。棱柱体试件与立方体试件的制作条件相同，试件上下表面不涂润滑剂。根据普通混凝土和高强度混凝土的试验资料，混凝土轴心抗拉强度与立方体抗压强度存在如下的关系混凝土结构设计规范（GB50010）给出的混凝土轴心抗拉强度的标准值与立方体抗压强度标准值存在如下的换算关系2-7混凝土强度等级是如何确定的？混凝土结构设计规范（GB50010）覆盖的混凝土强度等级范围是什么？答：混凝土强度等级按立方体抗压强度标准值（用符号表示）确定，即用按上述标准试验方法测得的具有95%保证率的立方体抗压强度作为混凝土的强度等级。C15-C80共14个强度等级。2-8混凝土轴心受压

7、应力应变关系曲线的主要特点是什么？试举一常用的应力应变关系曲线数学模型加以说明。答：图2.2 混凝土轴心受压应力-应变曲线关系a点前内部裂缝没有发展，应力应变近似直线。b点称为临界应力点,内部裂缝有发展,但处于稳定状态。c点的应变称为峰值应变,e0约为0.002,内部裂缝延伸到表面， c点后出现应变软化。d点为极限压应变,对普通混凝土取0.0033。美国的E.Hognestad建议的模型图2.3 Hognestad建议的应力应变曲线关系公式表达如下：2-9如何确定混凝土的变形模量和弹性模量？答：变形模量是应力与应变之比。由于轴心受压混凝土应力应变关系是一条曲线，在不同的应力阶段变形模量是一个变

8、数。混凝土的变形模量有三种表示方法，及原点弹性模量、割线模量、切线模量。混凝土的弹性模量通常是指原点弹性模量，其值可用Ec表示。我们GB50010规范给出的混凝土弹性模量值是这样得到的：对棱柱体试件，加载至，然后卸载至零，这样重复加载卸载510次后，卸载曲线接近直线且其斜率趋于稳定，将该直线的斜率定为混凝土的弹性模量。根据实验结果进行统计分析，可将混凝土的弹性模量与立方体抗压强度的关系表示为：2-10什么是混凝土的疲劳强度？重复荷载下混凝土应力应变关系曲线有何特点？答：对混凝土棱柱体试件，当加载应力小于混凝土疲劳强度时，如图中的加载应力1或更大的加载应力2，经过多次重复加载试验后，应力应变关系

9、曲线与图2-30（a）的情况类似，只是随着荷载重复次数的增多，加载和卸载过程形成的环状曲线趋于闭合，但即使荷载重复次数达到数百万次也不会发生疲劳破坏。如果加载应力高于混凝土疲劳强度，如图中的加载应力3，起先加载阶段混凝土应力应变关系曲线是凸向应力轴的，在多次重复施加荷载后逐渐变成直线，再经过多次重复加载卸载后演变成为凸向应变轴，以致加载和卸载阶段的曲线不能形成封闭的环形，随着应力应变关系曲线斜率的不断减小，表明混凝土即将发生疲劳破坏。2-11什么是混凝土的徐变和收缩？影响混凝土徐变和收缩的因素有哪些？答：徐变：应力不变的情况下，应变随荷载持续时间的增长而增大。影响因素：应力大小，内在因素，环境

10、影响。混凝土的组成成分对徐变也有很大的影响，混凝土的水灰比越大，徐变越大；混凝土中的水泥用量越多，徐变也越大，此外，采用坚硬的、弹性模量大的骨料，有利于减小徐变，增加混凝土中骨料所占的体积比，也有利于于减小徐变。在温度和湿度较高的条件下养护时，能促使水泥充分进行水化作用，减小徐变。如果在受载期间所处的环境温度较高而湿度较低，则会增大徐变。混凝土的龄期对徐变也有影响，加载时混凝土的龄期越短则徐变越大。收缩：混凝土在空气中凝结硬化时体积会收缩。影响因素：水泥品种、水泥用量、骨料性质、外部环境、施工质量、构件的体表比。2-12混凝土的徐变和收缩对钢筋混凝土构件的受力状态各有何影响？答：徐变导致应力重

11、分布，收缩导致开裂。思考题3-1什么是钢筋与混凝土之间的粘结作用？有哪些类型？答：由于钢筋与混凝土的变形差沿钢筋与混凝土接触面上产生的剪应力称为粘结应力。钢筋和混凝土之间的粘结作用分为明显的两类：锚固粘结和裂缝间的局部粘结。3-2钢筋与混凝土间的粘结力有哪几部分组成？哪一种作用为主要作用？答：胶着力、摩擦力、机械咬合作用。光圆钢筋主要为摩擦力、机械咬合作用起作用，带肋钢筋主要为机械咬合作用起作用。3-3带肋钢筋的粘结破坏有哪些？答：（a）带肋钢筋拔出试验中的机械咬合作用（b）径向分量引起的混凝土中的拉应力（c）径向分量引起梁底的纵向裂缝（d）径向分量引起的梁侧的纵向裂缝（e）纵向分量引起的混凝

12、土的撕裂（f）纵向分量引起的混凝土局部挤碎（g）纵向分量引起的刮出式破坏。3-4影响钢筋与混凝土之间的粘结强度的主要因素有哪些？答：主要有混凝土强度、浇注位置、保护层厚度及钢筋净距离、横向配筋及侧向压力。3-5确定基本锚固长度的原则是什么？如何确定钢筋的基本锚固长度？答：原则：在钢筋受力屈服的同时刚好发生锚固破坏。拔出实验是确定钢筋锚固长度最直接的方法；也可以由公式计算。3-6对水平浇筑的钢筋混凝土梁，其顶部钢筋与混凝土间的粘结强度和底部钢筋与混凝土间的粘结强度相比有何区别？为什么？答：顶部水平钢筋，钢筋地面的混凝土由于水分、气泡的溢出和混凝土泌水下沉，并不与钢筋紧密接触，形成轻度较低的疏松空

13、隙层，削弱了钢筋与混凝土的粘结作用。3-7两根钢筋在混凝土搭接时是否允许钢筋并拢？为什么？答：不允许。增大钢筋外部混凝土保护层厚度和保持一定的钢筋净距，可以提高外围混凝土的劈裂能力，保证粘结强度的充分发挥。3-8钢筋传递长度ltr和锚固长度la之间的区别和联系是什么？答：传递长度钢筋通过粘结作用把加于其上的拉力T传递给混凝土所需的粘结长度。锚固长度将钢筋在混凝土中延伸一段长度来实现钢筋与混凝土之间的锚固。联系最小的锚固长度实际上就是钢筋屈服时的传递长度，或称钢筋应力达到屈服强度时的发展长度。思考题4-1为什么轴心受拉构件开裂后，当裂缝增至一定数量时，不再出现新的裂缝？答：随着荷载的增加，裂缝不

14、断增加，裂缝处混凝土不断推出工作，钢筋不断通过粘结力将拉力传递给相邻的混凝土。当相邻裂缝之间的距离不足以使混凝土开裂的拉力传递给混凝土时，构件中不再出现新的裂缝。4-2如何确定受拉构件的开裂荷载和极限荷载？答：当t=to时，混凝土开裂，构件的开裂荷载为Ntcr=EcAoto=EcA(1+E) to当钢筋应力达到屈服强度，构件即进入第阶段，荷载基本保持不变，但变形急剧增加。这时构件达到极限承载力Ntu=fyAs4-3在轴心受压短柱的短期荷载试验中，随着荷载的增加，钢筋的应力增长速度和混凝土的应力增长速度哪个快？为什么？答：第一阶段钢筋应力增长快，第二阶段钢筋应力不再增加，混凝土应力继续增加。由于

15、混凝土的非线性，使得应变增长较应力增加速率大。4-4如何确定轴心受压短柱的极限承载能力？为什么在轴压构件中不宜采用高强钢筋？答：由于=o=s=0.002,相应的纵筋应力值为：s=Ess200×103×0.002=400N/mm2。由此可知，轴心受压短柱中，当钢筋的强度超过400N/mm2时，其强度得不到充分发挥。故对于屈服强度大于400N/mm2的钢筋，在计算fy值时只能取400N/mm2。4-5构件设计时，为什么要控制轴心受力构件的最小配筋率？如何确定轴心受拉和轴心受压构件的最小配筋率？答：为了防止构建出现脆性破坏。轴心受力构件的最小配筋率是按极限抗拉承载力和开裂荷载相等

16、的原则来确定的。（钢筋屈服的同时混凝土被压碎破坏）4-6配有普通箍筋的钢筋混凝土轴心受压构件中，箍筋的作用主要是什么？答：固定纵筋以形成钢筋骨架，防止纵向钢筋压曲，便于施工。4-7钢筋混凝土轴心受压构件在长期荷载作用下，随着荷载作用时间的增长，钢筋的应力和混凝土的应力各发生什么变化？混凝土的徐变是否会影响短柱的承载力？答：轴心受压构件在不变荷载的长期作用下，由于混凝土的徐变影响，其压缩变形将随时间的增加而增大，由于混凝土和钢筋共同作用，混凝土的徐变还将使钢筋的变形也随之增大，钢筋的应力相应地增大，从而使钢筋分担外荷载的比例增大。理论上来说，钢筋分担应力增大，混凝土相应卸载，短柱的承载力相应增大

17、。4-8钢筋混凝土轴心受压构件的承载力计算公式中为什么要考虑稳定系数，稳定系数与构件两端的约束情况有何关系？答：在荷载不大时，柱全截面受压，由于有弯矩影响，长柱截面一侧的压应力大于另一侧。随着荷载增大，这种应力差更大。同时，横向挠度增加更快，以致压应力打的一侧混凝土首先压碎，并产生纵向裂缝，钢筋被压屈并向外凸出，而另一侧混凝土可能由受压转变为受拉，出现水平裂缝。由于初始偏心距产生附加弯矩，附加弯矩又增大了横向的挠度，这样相互影响的结果，导致长柱最终在弯矩和轴力共同作用下发生破坏。若果长细比很大时，还有可能发生“失稳破坏”现象。因此需要考虑稳定系数。两端约束越强，计算长度越短，值越大。4-9为什

18、么长细比l0/b>12的螺旋筋柱，不考虑螺旋筋对柱承载力的有利作用？答：因为长细比过长，初弯曲产生的影响就比较大，螺旋箍约束作用不明显，构件承载力明显降低，甚至出现“失稳破坏”。因此不考虑螺旋箍对柱的有利作用。4-10如箍筋能起到约束混凝土的横向变形作用，则轴心受压短柱的承载力将发生什么变化？为什么？答：承载力增大；随着变形的增大核芯部分的混凝土横向膨胀使螺旋筋所受的环向拉力增加。反过来，被张紧的螺旋筋又紧紧地箍住核芯混凝土，对它施加径向压力，限制了混凝土横向膨胀，使核芯混凝土处于三向受压状态，因而提高了混凝土的抗压强度和变形能力。当荷载增加到使螺旋筋屈服时，螺旋筋对核芯混凝土约束作用不

19、在增加，柱子开始破坏。练习题4-1已知某轴心受拉构件的截面尺寸b×h=300mm×400mm，配有820钢筋，混凝土和钢筋的材料指标为：ft=2.0N/mm2,Ec=2.1×104N/mm2,fy=270N/mm2,Es=2.1×105N/mm2。试问此构件开裂时和破坏时的轴向拉力分别为多少？解：开裂时：破坏时：故4-2已知某钢筋混凝土轴心受拉构件，截面尺寸为b×h=200mm×300mm，构件的长度l=2000mm,混凝土抗拉强度ft=2.95N/mm2,弹性模量Ec=2.55×104N/mm2,纵向钢筋的截面积As=61

20、5mm2,屈服强度fy=270N/mm2,弹性模量Es=2.1×105N/mm2，求（1） 若构件伸长0.2mm，外荷载是多少？混凝土和钢筋各承担多少外力？（2） 若构件伸长0.5mm，外荷载是多少？混凝土和钢筋的应力是多少？（3） 构件的开裂荷载是多少？即将开裂时构件的变形是多少？（4） 构件的极限承载力时多少？解：1）外荷载：混凝土：钢筋：2）判断根据第4）中的结果：0.5mm>0.23mm，即混凝土已经开裂，不再承受拉力，构件拉力由钢筋承担。3)4)故取4-3某钢筋混凝土轴心受拉构件的截面尺寸为b×h=300mm×300mm，配有822的纵向受力钢筋，

21、已知ft=2.3N/mm2，Ec=2.4×104N/mm2，fy=345N/mm2, Es=1.96×105N/mm2。（1） 若允许构件开裂，求构件所能承受的最大轴向拉力（2） 若不允许构件开裂，求构件所能承受的最大轴向拉力（3） 对上述结果进行比较分析解：1）2）3）由计算结果可知，构件的极限抗拉承载力远大于开裂荷载，如果不允许开裂就会造成材料的极大浪费，因此常见的钢筋砼构件都是带裂缝工作的。4-4有一钢筋混凝土下弦杆，承受轴向拉力Nt=150KN,若钢筋的屈服强度fy=270N/mm2,且下弦允许出现裂缝，试求此下弦杆的配筋。解：选配612，实配，可以。4-5某钢筋混

22、凝土受压短柱b×h=400mm×400mm，柱长2m，配有纵筋425，fc=19N/mm2, Ec=2.55×104N/mm2，fy=357N/mm2, Es=1.96×105N/mm2，试问：（1） 此柱子的极限承载力为多少？（2） 在Nc=1200KN作用下，柱的压缩变形量为多少？此时钢筋和混凝土各承受多少压力？（3） 使用若干年后，混凝土在压力Nc=1200KN作用下的徐变变形为cr=0.001，求此时柱中钢筋和混凝土各承受多少压力？解：1）2）所以：解之得：3）4-6某轴心受压短柱，长2m，b×h=350mm×350mm，配有425的纵筋，fc=15N/mm2, f