工程结构第一章道桥

1.了解钢筋混凝土的基本概念及特点2.掌握钢筋的物理性能及主要强度指标，理解混凝土及钢筋在工程实际当中的应用。3.论述钢筋与混凝土之间的黏结及相互影响第一节钢筋混凝土的基本概念及特点第二节混凝土第三节钢筋第四节钢筋与混凝土的特性本章目录基本要求第一章钢筋混凝土结构的基本概念和材料的物理力学性能第一节钢筋混凝土的基本概念及特点1.钢筋混凝土结构的基本概念2.钢筋混凝土结构的特点了解钢筋混凝土的基本概念及特点本节目录基本要求1.钢筋混凝土结构的基本概念定义：由两种力学性能完全不同的材料---钢筋和混凝土结合成整体，共同发挥作用的一种建筑材料。混凝土的基本特性抗压强度高，抗拉强度低。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。

混凝土有良好的抗压强度，适用于承压为主的构件，如柱和拱。另一方面，混凝土是一种脆性材料、抗拉强度远低于抗压强度，故素混凝土不适用于制作完全受拉或部分截面受拉的结构构件。素混凝土梁与钢筋混凝土梁的对比

极限状态：素砼梁：无明显变形，开裂即破坏钢筋砼梁：有明显变形，钢筋屈服，砼压碎承载能力：素砼梁：取决于混凝土的抗拉，低钢筋砼梁：取决于钢筋抗拉和砼抗压强度，高抗裂能力：配筋后略有增加，但不显著（后附素混凝土梁例子）Pcr=9.7kN150300fc=13.4N/mm2ft=1.54N/mm2

ftsc=ft2500素混凝土梁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=9.7kN150300fc=13.4N/mm2ft=1.54N/mm2

ftsc=ft2500素混凝土梁Pu≈Pcrsc=ft

ft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。共同工作的基础，因为：两者之间存在较好的传递应力的能力，粘结力；两种材料的温度线膨胀系数相近；混凝土对钢筋的保护，抗火和耐久性提高。1）就地取材；2）耐久性好；3）整体性好；4）可模性好；5）耐火性好。1）自重大；2）抗裂性能差；3）现浇结构模板用量大；4）工期长等等。2、钢筋混凝土结构的特点主要优点：主要缺点：第二节混凝土一、混凝土的强度二、混凝土的变形性能掌握钢筋混凝土的抗压强度与抗拉强度知识，了解混凝土的变形性能内容。本节目录基本要求一、混凝凝土的强度度混凝土重要要的力学性性能-----混凝土强度度，对安全全性和耐久久性有直接接的影响。。定义：指混混凝土材料料达到破坏坏或开裂极极限状态时时所能够承承受的压力力。相关因素：：材料的组组成、养护护条件及龄龄期、受力力状态等1.混凝土的抗抗压强度1）立方体抗抗压强度我国规定用用立方体抗抗压强度作作为混凝土土强度的基基本指标。。新修订《桥规》中规定以边长为150的立方体试试件，按标标准方法制制作，在标标准的环环境里养护护28d，采用标准准试验方法法进行加压压，取具有有95％保证率时时得出的抗抗压强度作作为混凝土土强度的等等级标准，，称为立方体抗压压强度标准值，用用符号fcu,k表示。图2-1混凝土立方方体试块的的破坏特征征

a)不不涂润滑剂剂b)涂涂润滑剂《混凝土结构构设计规范范》规定混凝土土强度等级级应按立方方体抗压强强度标准值值fcu,k确定。混凝土强度度C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75和C80，共14个等级。例例如，C30表示立方体体抗压强度度标准值为为30N/mm2。其中，C50～C80属高强度混混凝土范畴畴。实际工程中中如采用200mm或100mm的立方体试试块，测得得的立方体体抗压强度度分别诚意意换算系数数1.05和0.95。公路桥涵受受力构件的的混凝土强强度等级选选择规定：：（1）钢筋混凝凝土构件不不应低于从从C20，当采用HRB400、KL400级钢筋配筋筋时，不应应低于C25。（2）预应力混混凝土构件件不应低于于C40.2）轴心抗压压强度《混凝土结构构设计规范范》规定以150mm×150mm×300mm的棱柱体试试件试验测测得的具有有95％保证率的的抗压强度度为混凝土土轴心抗压压强度标准准值，用符符号fck或fc表示。混凝土的抗抗压强度与与试件的形形状有关,采用棱柱体体比立方体体能更好地地反映混凝凝土结构的的实际抗压压能力。用混凝土棱棱柱体试件件测得的抗抗压强度称称为轴心抗抗压强度。。图2-2混凝土棱柱柱体抗压试试验和破坏坏情况《混凝土结构构设计规范范》规定以上述述棱柱体试试件试验测测得的具有有95%保证率的抗抗压强度为为混凝土轴轴心抗压强强度标准值值，用符号号fck表示，下标标c表示受压，，k表示标准值值。图2-3混凝土轴心心抗压强度度与立方体体抗压强度度的关系混凝土的抗抗压强度与与试件形状状有关，在在实际工程程中，一般般的受压构构件不是立立方体而是是棱柱体，，即构件的的高度要比比截面的宽宽度或长度度大。并且且棱柱体试试件高宽比比越大，强强度越小。。考虑到实际际结构构件件制作、养养护和受力力情况等方方面与试件件的差别，，实际构件件强度与试试件强度之之间将存在在差异，《混凝土结构构设计规范范》基于安全取取偏低值，，轴心抗压压强度标准准值与立方方体抗压强强度标准值值的关系按按下式确定定：为棱柱体抗抗压强度与与立方体抗抗压强度之之比，对混混凝土强度度等级为C50及以下的取取0.76，对C80取0.82，两者之间间按直线规规律变化取取值。为高强度混混凝土的脆脆性折减系系数，对C40及以下取1.00，对C80取0.87，中间按直线线规律变化化取值。0.88为考虑实际际构件与试试件混凝土土强度之间间的差异而而取用的折折减系数。。2.混凝土的轴轴心抗拉强强度ftft是钢筋混凝凝土及预应应力混凝土土构件的抗抗裂度和裂裂缝宽度及及构件斜截截面强度时时的主要强强度指标。。测试方法用用浇注成型型的100mm*100mm*500mm的立方体试试块，通过过预埋在试试件轴线两两端的钢筋筋，对试件件施加压力力，试件破破坏时即为为混凝土轴轴心抗拉强强度。抗拉强度是是混凝土的的基本力学学指标之一一，其标准准值用ftk表示，下标标t表示受拉，，k表示标准值值。混凝土土的轴心抗拉强强度可以采用直直接轴心受受拉的试验验方法来测测定。图2-4混凝土轴心心抗拉强度度和立方体体抗压强度度的关系F——破坏荷载；；d——圆柱体直径径或立方体体边长；l——圆柱体长度度或立方体体边长。图2-5混凝土劈裂裂试验示意意图(a)用圆柱体进进行劈裂试试验；(b)用立方体进进行劈裂试试验；(c)劈裂面中水水平应力分分布1—压力机上压压板；2—弧形垫条及及垫层各一一条；3—试件；4—浇模顶面；；5—浇模底面；；6—压力机下压压板；7—试件破裂线线《规范》规定材料强强度的标准准值fk应具有不小小于95%的保证率。。3.混凝土强度度标准值与与设计值二、混凝凝土的变形形性能混凝土变形形的分类荷载作用下下的受力变变形体积变形混凝土在一一次短期加加载、长期期加载和多多次重复荷荷载作用下下都会产生生变形，这这类变形称称为受力变形。另外，混混凝土的收收缩以及温温度和湿度度变化也会会产生变形形，这类变变形称为体积变形。混凝土的的变形是其其重要物理理力学性能能之一。1.混凝土的受受力变形混凝土在一一次短期荷荷载作用下下应力—应变关系图2-10不同强度的的混凝土的的应力-应变曲线比比较混凝土应力力-应变曲线的的形状和特特征是混凝凝土内部结结构发生变变化的力学学标志。随着混凝土土强度的提提高，尽管管上升段和和峰值应变变的变化不不很显著，，但是下降降段的形状状有较大的的差异，混混凝土强度度越高，下下降段的坡坡度越陡，，即应力下下降相同幅幅度时变形形越小，延延性越差。。混凝土在重重复荷载作作用下的应应力～应变变关系混凝土在长长期荷载作作用下的变变形—徐变混凝土在荷荷载长期作作用下，应应力不变，，其应变随随时间的增增长而继续续增长的现现象缺点：徐变会使使结构（构构件）的（（挠度）变变形增大，，引起预应应力损失，，在长期高高应力作用用下，甚至至会导致破破坏。优点：徐变有利利于结构构构件产生内内（应）力力重分布，，降低结构构的受力（（如支座不不均匀沉降降），减小小大体积混混凝土内的的温度应力力，受拉徐徐变可延缓缓收缩裂缝缝的出现。。注意：与混凝土土的收缩一一样，徐变变也与时间间有关。因因此，在测测定混凝土土的徐变时时，应同批批浇筑同样样尺寸不受受荷的试件件，在同样样环境下同同时量测混混凝土的收收缩变形，，从徐变试试件的变形形中扣除对对比的收缩缩试件的变变形，才可可得到徐变变变形。影响因素★★内在因因素：是混混凝土的组组成和配比比。1）水灰比：：（应力不不变）水灰灰比越大，，徐变越大大；2）水泥用量量：若水灰灰比不变，，水泥用量量越多，徐徐变越大；；3）骨料弹性性性质：骨骨料越坚硬硬，骨料(aggregate)的刚度（（弹性模量量）越大，，体积比越越大，水泥泥的徐变约约束作用越越大；4）骨料级配配：级配越越好，徐变变越小；(4)混凝土的变变形模量图2-14混凝土变形形模量的表表示方法1)混凝土的弹弹性模量（（即原点模模量）2)混凝土的变变形模量3)混凝土的切切线模量可以看出，，混凝土的的切线模量量是一个变变值，它随随着混凝土土应力的增增大而减小小。需要注意的的是，混凝凝土不是弹弹性材料，，所以不能能用已知的的混凝土应应变乘以规规范中所给给的弹性模模量值去求求混凝土的的应力。只只有当混凝凝土应力很很低时，它它的弹性模模量与变形形模量值才才近似相等等。混凝土土的弹性模模量可按下下式计算：：4.混凝土的收收缩混混凝凝土在空气气中硬化时时体积会缩缩小，这种种现象称为为混凝土的的收缩。收缩是是混凝土在在不受外力力情况下体体积变化产产生的变形形。当这种种自发的变变形受到外外部（支座座）或内部部（钢筋））的约束时时，将使混混凝土中产产生拉应力力，甚至引引起混凝土土的开裂。。混凝土收收缩会使预预应力混凝凝土构件产产生预应力力损失。某某些对跨跨度比较敏敏感的超静静定结构（（如拱结构构），收缩缩也会引起起不利的内内力。图2-18混凝土的收收缩混凝土的收收缩是随时时间而增长长的变形，，早期收缩缩变形发展展较快，两两周可完成成全部收缩缩的25%，一个月可可完成50%，以后变形形发展逐渐渐减慢，整整个收缩过过程可延续续两年以上上。一般情情况下，最最终收缩应应变值约为为（2~5）×10-4，混凝土土开裂应变变为（0.5~2.7）×10-4。影响混凝土土收缩的因因素有：(1)水泥的品种种：水泥强度度等级越高高制成的混混凝土收缩缩越大。(2)水泥的用量量：水泥越多多，收缩越越大；水灰灰比越大，，收缩也越越大。(3)骨料的性质质：骨料的弹弹性模量大大，收缩小小。(4)养护条件：在结硬过过程中周围围温、湿度度越大，收收缩越小。。(5)混凝土制作作方法：混凝土越越密实，收收缩越小。。(6)使用环境：使用环环境温度、、湿度大时时，收缩小小。(7)构件的体积积与表面积积比值：比值大时时，收缩小小。一、钢筋筋的种类二、钢筋筋的强度和和变形三、钢筋筋的接头、、弯钩和弯弯折掌握钢筋的的接头、弯弯钩和弯折折等内容，，了解钢筋筋的种类和和强度、变变形。本节目录基本要求第三节钢钢筋第三节钢钢筋按化学成分分一、钢筋的的种类按生产工艺艺分碳素钢热处理钢筋筋普通低合金金钢冷加工（冷冷拉、冷轧轧）钢筋热轧钢筋钢丝《桥规》中推荐热轧轧钢筋、碳碳素钢丝和和精轧螺纹纹钢筋三大大类热压钢筋按按外形可分分为光圆钢筋带肋钢筋螺旋纹人字纹月牙纹(1)热轧轧钢筋热热轧钢筋由由低碳钢、、普通低合合金钢或细细晶粒钢在在高温状态态下轧制而而成。(2)碳素素钢丝分分光面钢钢丝、螺纹纹肋钢丝和和刻痕钢丝丝等(3)钢绞绞线(S)由多根根高强钢丝丝扭结而成成，抗拉强强度为1570~1960MPa。桥梁工程中中常用的钢钢绞线有：：1*2（两股）、、1*3（三股）、、1*7（七七股股））（4）精精轧轧螺螺纹纹钢钢筋筋用于于中中小小跨跨径径的的预预应应力力混混凝凝土土桥桥梁梁构构件件（5）冷冷轧轧带带肋肋钢钢筋筋公路路混混凝凝土土桥桥涵涵的的钢钢筋筋按按以以下下规规定定采采用用：：（1）钢钢筋筋混混凝凝土土及及预预应应力力混混凝凝土土构构件件中中的的普普通通钢钢筋筋选选用用：：热热轧轧R235HRB335HRB400KL400预应应力力混混凝凝土土构构件件中中的的箍箍筋筋应应选选用用其其中中的的带带肋肋钢钢筋筋按构构造造要要求求配配置置的的钢钢筋筋网网可可采采用用冷冷轧轧带带肋肋钢钢筋筋。。（2）预预应应力力混混凝凝土土构构件件中中的的预预应应力力钢钢筋筋应应选选用用钢钢绞绞线线、、钢钢丝丝；；中中、、小小型型构构件件或或竖竖横横向向预预应应力力钢钢筋筋，，也也可可选选用用精精轧轧螺螺纹纹钢钢筋筋二、、钢钢筋筋的的强强度度和和变变形形1.钢筋筋的的应应力力～～应应变变关关系系图2-21有明明显显流流幅幅的的钢钢筋筋的的应应力力-应变变曲曲线线对有有明明显显流流幅幅的的钢钢筋筋，，在在计计算算承承载载力力时时以以屈屈服服点点作作为为钢钢筋筋强强度度限限值值。。有有明明显显流流幅幅的的热热轧轧钢钢筋筋屈屈服服强强度度是是按按屈屈服服下下限限确确定定的的。。对没有有明显显流幅幅或屈屈服点点的预预应力力钢筋筋，一一般取取残余余应变变0.2%所对应应的应应力作作为其其条件件屈服服强度度标准准值。。图2-22无明显显流幅幅的钢钢筋的的应力力-应变曲曲线2.钢筋的的塑性性性能能钢筋塑塑性性性能以以伸长长率钢筋的的冷弯弯试验验α－冷弯弯角度度A－辊轴轴直径径D－钢筋筋直径径和冷弯弯性能能来表表述3.钢筋的的松弛弛与疲疲劳松弛：：钢筋在在多次次重复复荷载载作用用下，，发生生脆性性突然然断裂裂的现现象。。钢筋受受力后后在保保持长长度不不变的的情况况下，，应力力随时时间的的增长长而逐逐渐降降低的的现象象。预应力力混凝凝土结结构中中，预预应力力钢筋筋张拉拉后长长度基基本保保持不不变，，将产产生松松弛现现象，，引起起应力力损失失。疲劳：：《桥规》给出的的钢筋筋松弛弛损失失中间间值和和终极极值的的比值值钢筋的的松弛弛与时时间关关系松弛与与初始始应力力、温温度和和钢筋筋品种种等因因素有有关目前我我国生生产的的高强强钢丝丝和钢钢绞线线按其其生产产工艺艺不同同分为为Ⅰ级松弛弛和Ⅱ级松弛弛。4.钢筋的的冷加加工和和热处处理钢筋的的冷加加工：：冷拉冷冷拔拔冷冷轧冷拉是是在常常温下下用机机械方方法将将具有有明显显屈服服点的的钢筋筋拉到到超过过屈服服强度度，即即强化化阶段段中的的某一一个应应力值值，然然后卸卸载至至零。。钢筋筋经冷冷拉后后，屈屈服强强度提提高，，但塑塑性降降低，，称冷冷拉硬硬化。。冷拉只只能提提高钢钢筋的的抗拉拉强度度。钢筋的的热处处理：：淬火、、回火火冷拉前前、后后的应应力～～应变变曲线线钢筋的的冷拔拔冷拔是用强强力把把光圆圆钢筋筋通过过比其其本身身直径径稍小小的、、硬质质合金金模上上的锥锥形拔拔丝孔孔，使使钢筋筋产生生变形形，横横截面面减小小，长长度增增大。。冷拔可可以同同时提提高钢钢筋的的抗拉拉强度度和抗抗压强强度。。5.钢筋的的标准准强度度和设设计强强度（（见教教材表表）三、钢钢筋筋的接接头、、弯钩钩和弯弯折钢筋接接头形形式：：焊接接接头头、绑绑扎接接头和和机械械连接接接头头。1）焊接接接头头闪光接接触对对焊和和电弧弧搭接接焊。。闪光焊焊是将将两根根钢筋筋安放放成对对接形形式，，利用用电阻阻热使使接触触点金金属融融化，，产生生强烈烈飞溅溅，形形成闪闪光迅迅速施施加顶顶锻力力完成成的，，质量量高，，加工工简单单。电弧搭搭接焊焊是以以焊条条作为为一级级，钢钢筋为为另一一极，，利用用焊接接电流流通过过产生生的电电弧热热进行行焊接接的一一种熔熔焊方方法。。钢筋电电弧焊焊可采采用搭搭接焊焊和帮帮条焊焊两种种形式式。电弧焊焊一般般采用用双面面焊缝缝（不不应小小于5d），困困难时时采用用单面面焊缝缝（不不应小小于10d）。2）机械械连接接接头头《桥规》推荐采采用套套筒挤挤压接接头和和镦粗粗直螺螺纹接接头（1）套筒挤挤压接接头将两根根待连连接的的带肋肋钢筋筋用刚刚套筒筒作为为连接接体，，套于于钢筋筋端部部，使使用挤挤压设设备沿沿筒径径向挤挤压，，是套套筒产产生塑塑性变变形，，使变变形的的套筒筒与钢钢筋紧紧密结结合为为一个个整体体。适用于于直径径为14-16mm的HRB335和HRB400带肋钢钢筋。。2）镦粗粗直螺螺纹接接头将钢筋筋的连连接端端先行行镦粗粗，再再加工工出圆圆柱螺螺纹，，并用用连接接套筒筒连接接的钢钢筋接接头。。适用于于直径径为18-40mm的HRB335和HRB400钢筋的的连接接。绑扎接接头的的钢筋筋直径径不宜宜大于于28mm，轴心心受压压和偏偏心受受压钢钢筋，，不大大于32mm。轴心心受拉拉和小小偏心心受拉拉构件件不得得采用用绑扎扎接头头。3）绑扎扎接头头《桥规》对绑扎扎接头头应用用范围围、搭搭接长长度及及接头头布置置如下下：2.钢筋的的弯钩钩和弯弯折为了防防止钢钢筋在在混凝凝土中中的滑滑动，，对于于承受受拉力力的光光面钢钢筋、、需在在端头头设置置半圆圆弯钩钩；受受压的的光面面钢筋筋可不不设弯弯钩。。弯钩的的内侧侧弯曲曲直径径D不宜过过小，，对光光面钢钢筋D一般不不大于于2.5d；带肋肋钢筋筋D一般应应大于于4-5d，在弯弯折处处钢筋筋内侧侧弯曲曲直径径D不得小小于20d。钢筋端端部的的“弯弯钩””是钢钢筋锚锚固的的需要要；钢钢筋端端部的的“弯弯折””实际际上是是钢筋筋端部部的““直钩钩”，，常用用在柱柱子插插入基基础的的下端端部分分，是是为了了便于于将它它绑扎扎在基基础底底面的的钢筋筋网上上。一、钢钢筋筋与混混凝土