第二章-混凝土结构设计原理知识讲解

第22.1混凝土的物理力学性能2.1.1单轴向应力状态下的混凝土强度凝土的强度是复合应力状态下强度的基础和重要参数。国对各种单轴向受力下的混凝土强度都规定了统一的标准试验方法。1混凝土的抗压强度(1)混凝土的立方体抗压强度f和强度等级cu,k我国《混凝土结构设计规范》规定以边长为150mm的立方体为标准试件，标准立方体试件在℃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/mm。2用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。《混凝土结构设计规范》规定的混凝土强度等级有C15C20C25C30C35C40C45、C50、C55、C60、、C70、C75和C80，共14个等级。例如，C30表示立方体抗压强度标准值为30N/mmC50～C80属高强度混凝土范畴。2图(2)混凝土的轴心抗压强度混凝土的抗压强度与试件的形状有关,采用棱柱体比立方体能更好地反映混凝土结构的实际抗压能力。用混凝土棱柱体试件测得的抗压强度称为轴心抗压强度。图我国《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T—2002)规定以150mm×150mm×300mm的棱柱体作为混凝土轴心抗压强度试验的标准试件。95%保证率的抗压强度为混凝土轴心抗压强度标准值，用符号f表示，下标c表示受压，k表示标准值。ck图立方体抗压强度标准值的关系按下式确定：f0.88f1c2,k为棱柱体抗压强度与立方体抗压强度之比，对混凝土强度等级为C50及以下的取10.76，对C80取0.82，两者之间按直线规律变化取值。为高强度混凝土的脆性折减系数，对C40及以下取，对C80取c2线规律变化取值。0.88为考虑实际构件与试件混凝土强度之间的差异而取用的折减系数。土协会都采用直径6英寸(152mm)、高12英寸(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f′c和立方体抗压强度标准值fcu,k之间的关系可按下式计算。当f超过60N/mm后随着抗压强度的提高，f′c与f的比值（即公式中2cu,kcu,k的系数）也提高。CEB-FIP和MC-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。ffc,cu,k2混凝土的轴心抗拉强度抗拉强度是混凝土的基本力学指标之一，其标准值用f表示，下标tk表示标准值。混凝土的轴心抗拉强度可以采用直接轴心受拉的试验方法来测定。tk图ff0.55tk)0.45cu,kc22Ff0dlt图2.1.2复合应力状态下混凝土的强度混凝土结构构件实际上大多处于复合应力状态，例如框架梁要承受弯矩和剪力的作用；时，研究复合应力状态下混凝土的强度，对于认识混凝土的强度理论也有重要的意义。图图2图f,f(4.57.0)f,cccL2.1.3混凝土的变形1图混凝土应力应变曲线的形状和特征是混凝土内部结构发生变化的力学标志。较大的差异，混凝土强度越高，下降段的坡度越陡，即应力下降相同幅度时变形越小，延性越差。图混凝土单轴向受压应力应变本构关系曲线图图混凝土轴向受拉时的应力应变关系图混凝土的变形模量混凝土的弹性模量（即原点模量）混凝土的变形模量EtanC0EcceEE,1cCcc混凝土的切线模量,,tanCE可以看出，混凝土的切线模量是一个变值，它随着混凝土应力的增大而减小。需要注意的是，混凝土不是弹性材料，所以不能用已知的混凝土应变乘以规范中所给近似相等。混凝土的弹性模量可按下式计算：102E(KN/mm)234.7c2.2fcu,k2荷载长期作用下混凝土的变形性能图)图3混凝土的收缩与膨胀图2-18混凝土的收缩影响混凝土收缩的因素有：(1)水泥的品种：水泥强度等级越高制成的混凝土收缩越大。(2)水泥的用量：水泥越多，收缩越大；水灰比越大，收缩也越大。(3)骨料的性质：骨料的弹性模量大，收缩小。(4)养护条件：在结硬过程中周围温、湿度越大，收缩越小。(5)混凝土制作方法：混凝土越密实，收缩越小。(6)使用环境：使用环境温度、湿度大时，收缩小。(7)构件的体积与表面积比值：比值大时，收缩小。2.1.4混凝土的疲劳混凝土的疲劳是在荷载重复作用下产生的。载作用下的破坏称为疲劳破坏。图2-19混凝土在重复荷载作用下的受压应力应变曲线混凝土的疲劳强度用疲劳试验测定。疲劳试验采用100mm×100mm×300mm或150mm×150mm×450mm200万次或其以上循环荷载而发生破坏的压应力值称为混凝土的疲劳抗压强度。随着疲劳应力比值的减小而增大。2.2钢筋的物理力学性能2.2.1钢筋的种类框架梁、柱以及剪力墙和筒体结构中。钢筋是低碳钢、普通低合金钢在高温状态下轧制而成的软钢，其应力应变曲线有明显的屈服点和流幅，断裂时有颈缩现象，伸长率比较大。国产普通钢筋按其屈服强度标准值的高低，分为4个强度等级：、335MPa、400MPa和500MPa。《混凝土结构设计规范》提出了推广高强度、高性能钢筋HRB400和HRB500的要求。HRB400。箍筋宜采用HRB400、、HRB335和HPB300。光圆钢筋HPB300虽然也可用作纵向受力钢筋，因其强度较低，故主要用作箍筋。当HRB500和HRBF500用作箍筋时，只能用于约束混凝土的间接钢筋，即螺旋箍筋或焊接环筋，见5.2.2节。细晶粒系列HRBF钢筋、HRB500和热处理钢筋RRB400都不能用作承受疲劳作用的钢筋，这时宜采用HRB400钢筋。工地上常把上述4个强度等级的钢筋俗称为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级和Ⅳ级钢筋，但在施工图和正式文件中，都不应采用此俗称。2.2.3钢筋的强度与变形图对有明显流幅的钢筋，在计算承载力时以屈服点作为钢筋强度限值。有明显流幅的热轧钢筋屈服强度是按屈服下限确定的。图对没有明显流幅或屈服点的预应力钢筋，一般取残余应变0.2%所对应的应力作为其条件屈服强度标准值。2.2.4钢筋本构关系钢筋单调加载的应力应变本构关系曲线有以下三种：1描述完全弹塑性的双直线模型双直线模型适用于流幅较长的低强度钢材2描述完全弹塑性加硬化的三折线模型应力强化，并能正确地估计高出屈服应变后的应力。3描述弹塑性的双斜线模型双斜线模型可以描述没有明显流幅的高强钢筋或钢丝的应力应变曲线。2.2.5钢筋的疲劳断裂的现象。吊车梁、桥面板、轨枕等承受重复荷载的钢筋混凝土构件在正常使用期间会由于疲劳发生破坏。应力集中。应力过高，钢材晶粒滑移，产生疲劳裂纹，应力重复作用次数增加，裂纹扩展，高。度试验结果是很分散的。我国采用直接做单根钢筋轴拉试验的方法。2.2.6混凝土结构对钢筋性能的要求2.3混凝土与钢筋的粘结2.3.1粘结的意义图2.3.2粘结力的组成光圆钢筋与混凝土的粘结作用主要由以下三部分组成：浆体对钢筋表面氧化层的渗透以及水化过程中水泥晶体的生长和硬化。这种胶结力一般很小，仅在受力阶段的局部无滑移区域起作用，当接触面发生相对滑移时即消失。力。这种压应力越大，接触面的粗糙程度越大，摩阻力就越大。粗糙不平。图τ2.3.4钢筋的锚固1基本锚固长度labGB—2010规定的受拉钢筋锚固长度l为钢筋的基本锚固长度。ab图flabdytf2受拉钢筋的锚固（1）受拉钢筋的锚固长度200mm。llaa1）当带肋钢筋的公称直径大于25mm时，取1.10；2）环氧树脂涂层带肋钢筋取1.25；3）施工过程中易扰动的钢筋取1.10；4）当纵向受力钢筋的实际面积大于其设计计算面积时，修正系数取设计计算面积与实际配筋面积的比值，但对有抗震设防要求及直接承受动力荷载的结构构件，不应考虑此项修正；53d时修正系数可取0.805d时修正系数可取0.70，中间按内插取值，此处d为锚固钢筋直径；6）当多于上述一项时，可按连乘计算，但不应小于0.6；对预应力筋，可取1.0。（2）锚固区的横向构造钢筋当锚固钢筋的保护层厚度不大于5d时，锚固长度范围内应配置直径不小于d/4的横向构造钢筋。（3）锚固措施当纵向受拉普通钢筋末端采用弯钩或机械锚固措施时，包括弯钩或锚固端