建筑结构设计原理(李章政) 04章 混凝土和钢筋

建筑结构设计原理李章政博士教授1/12/20231第4章混凝土结构

材料的性能4.1混凝土的力学性能4.2混凝土的性能指标取值4.3钢筋的种类及其性能4.4钢筋的性能指标取值4.5钢筋与混凝土的黏结1/12/202324.1混凝土的力学性能混凝土的强度等级立方抗压标准试样150mm150mm150mm标准养护28d端面不加润滑剂4.1.1混凝土的强度试验

压坏试样，取具有95%保证率的抗压强度作为立方抗压强度标准值fcu,k。1/12/20233混凝土的强度等级划分依据：立方抗压强度标准值强度等级

普通混凝土：C15C20C25C30C35C40C45C50高强度混凝土：C55C60C65C70C75C80工程实践中，已超过C100国外已经配制出C200以上的混凝土C20：fcu,k=20N/mm2C35：fcu,k=35N/mm21/12/20234混凝土棱柱体抗压强度试验棱柱体实际受压不是立方体而是棱柱体尺寸：过高，弯曲影响过低，端面摩擦影响150mm150mm300mm抗压强度轴心抗压强度fc与强度等级有关1/12/20235混凝土轴心抗拉强度试验直接拉伸试验在预埋钢筋上施加拉力拉断时截面上的平均应力作为混凝土的轴心抗拉强度ft缺陷：拉力偏心对结果影响大1/12/20236劈裂拉伸试验依据：压力作用下，中部垂直截面上存在水平拉应力拉应力到达混凝土的抗拉强度时，沿垂直截面劈裂拉断计算公式〔弹性力学结果〕1/12/20237混凝土复合受力时的强度双向应力状态主应力表示的双向应力状态双向受压，一向强度随另一向压应力的增加而增加。双向受拉，抗拉强度接近于单向抗拉强度一向受拉、一向受压，混凝土的强度低于单向受力时的强度1/12/20238正应力和剪应力表示的双向应力状态混凝土的抗压强度和抗拉强度由于剪应力的存在而下降。混凝土的抗剪强度由于拉应力的存在而下降。混凝土的抗剪强度随压应力增加增加或降低抗剪强度随压应力的增大而增大抗剪强度随压应力的增大而减小1/12/20239三向应力状态强度更加复杂约束混凝土：三向受压〔侧压力相等〕从试验曲线可知：轴心抗压强度fcc随侧压力的增加而增加侧向应力系数，4.5~7.0由钢管或间接钢筋实现约束1/12/2023104.1.2混凝土的变形性能混凝土变形荷载引起的变形短期变形长期变形徐变非荷载引起的变形收缩变形温度变形地基沉降不均匀引起的变形构造措施施工措施计算1/12/202311荷载产生的短期变形应力应变关系线弹性阶段OA：比例极限裂缝稳定扩展阶段AB裂缝不稳定扩展阶段BC：峰值应力fc峰值应变0下降段CDEF：拐点应变=极限压应变cu1/12/202312混凝土的模量切线模量割线模量弹性模量Ec=原点切线模量变形模量Ec=割线模量=e/c为混凝土弹性应变和总压应变之比，称为混凝土的弹性系数。e1/12/202313荷载产生的长期变形徐变现象变形随时间的增长而增长开始变形增加较快，而后放缓徐变最后趋于稳定徐变是材料黏弹性、黏塑性的表现假设应变不变，那么应力随时间减小=松弛1/12/202314影响徐变的主要因素应力水平：应力越大，徐变越大；混凝土龄期：施加荷载时龄期越小，徐变越大；材料配合比：水泥用量越多，徐变越大水灰比越大，徐变越大骨料强度越高，徐变越小温度、湿度：养护温度高、湿度大，徐变小工作温度越高、湿度越低，徐变越大1/12/202315徐变对结构的影响使受弯构件挠度增大使柱的附加偏心距增大使预应力混凝土的预应力损失使截面上的应力重分布徐变对结构〔构件〕产生负面影响1/12/202316非荷载变形—收缩变形混凝土结硬过程体积变化在水中结硬，体积增大——膨胀在空气中结硬，体积缩小——收缩收缩变形凝缩变形：水泥胶凝体本身的收缩干缩变形：自由水分蒸发引起的收缩1/12/202317影响收缩变形的因素水泥用量愈多、水灰比愈大，收缩愈大高标号水泥，收缩量大养护条件好，收缩量小骨料弹性模量大，收缩量小振捣密实，收缩量小使用环境湿度大，收缩量小构件体积与外表积之比大，收缩量小收缩对结构的影响产生裂缝预应力损失1/12/2023184.2混凝土的性能指标取值4.2.1混凝土的强度标准值抗压强度标准值立方抗压强度标准值C40以上混凝土脆性折减系数：C40取c2=1.0，C80取c2=0.87，中间按线性规律变化棱柱强度与立方强度之比，C50及以下取c1=0.76，C80取c1=0.82，中间按线性规律变化结果修约到0.1修正系数：结构与试件有差异1/12/202319例题4-1求C20混凝土的抗压强度标准值。解N/mm2见附表11/12/202320抗拉强度标准值结果修约到0.01混凝土立方强度变异系数fcu,kC15C20C25C30C35C40C45C50C55C60~C800.210.180.160.140.130.120.120.110.110.10公式拟合系数表4-11/12/202321例题4-2求C35混凝土的抗拉强度标准值。解N/mm2见附表11/12/2023224.2.2混凝土的强度设计值强度设计值为强度标准值，除以材料分项系数c。混凝土的材料分项系数取1.4承载力极限状态计算使用材料强度设计值正常使用极限状态计算使用材料强度标准值1/12/202323例题4-3求C40混凝土的抗压、抗拉强度设计值。解N/mm2见附表2查附表1，强度标准值N/mm2N/mm2N/mm21/12/2023244.2.3混凝土的弹性模量混凝土的弹性模量由混凝土的强度等级〔立方抗压强度标准值〕按公式计算，而不实际测定。N/mm2计算结果修约到0.05104N/mm21/12/202325例题4-4求C60混凝土的弹性模量。解N/mm2修约结果为Ec=3.60104N/mm2见附表31/12/2023264.3钢筋的种类及其性能普通钢筋预应力钢筋光圆钢筋带肋钢筋圆钢螺纹钢钢筋6mm钢丝<6mm1/12/2023274.3.1钢筋的种类普通钢筋定义钢筋混凝土结构中的钢筋预应力混凝土结构中的非预应力钢筋种类HPB235热轧光面钢筋HRB335热轧带肋钢筋HRB400热轧带肋钢筋RRB400余热处理带肋钢筋HPB300HRB5001/12/202328预应力钢筋钢绞线多根高强度钢丝扭结而成并经消除应力〔低温回火〕后的盘卷状钢丝束。三股钢绞线七股钢绞线消除应力钢丝光面消除应力钢丝螺旋肋消除应力钢丝刻痕钢丝1/12/202329热处理钢筋40Si2Mn钢48Si2Mn钢45Si2Cr钢热轧热轧钢筋加温、淬火、回火热处理钢筋强度大幅度提高塑性降低不多合金钢的标注方法平均含碳量万分数、主要合金元素符号、含量百分数<1.5%不标注，1.5%标注2，2.5%标注3，…解释三种合金钢1/12/2023304.3.2钢筋的力学性能材料强度热轧钢筋比例极限fp弹性极限fe屈服极限fy屈服点fy强度极限fu屈强比fy/fu——强度储藏的标志1/12/202331钢材硬化冷拉硬化时效硬化强度提高，但塑性、韧性下降现代结构中不利用这一现象来提高强度，塑性、韧性下降对结构抗震不利。1/12/202332预应力钢筋没有明显屈服将剩余伸长率为0.2%所对应的应力定义为名义屈服点，用表f0.2表示标准为统一起见，取极限抗拉强度的0.85倍1/12/202333材料的伸长率5%，塑性材料<5%，脆性材料钢筋的冷弯性能冷弯试验弯180后，放大镜检查钢筋外表无裂纹、分层现象，冷弯合格检验塑性应变能力和钢筋质量的综合指标1/12/2023344.3.3混凝土结构对材料的要求混凝土结构对钢筋质量的要求适当的屈强比足够的塑性可焊性与混凝土的黏结力低温性能1/12/202335混凝土结构对混凝土强度的要求钢筋混凝土结构混凝土强度等级不应低于C15当采用HRB335级钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C20当采用HRB400和RRB400级钢筋以及承受重复荷载的构件，混凝土强度等级不得低于C20预应力混凝土结构混凝土强度等级不应低于C30当采用钢绞线、钢丝、热处理钢筋作预应力钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C401/12/2023364.4钢筋的性能指标取值4.4.1钢筋强度标准值钢筋强度标准值热轧钢筋HPB235：fyk=235N/mm2HRB335：fyk=335N/mm2HRB400：fyk=400N/mm2RRB400：fyk=400N/mm2屈服强度标准值fyk，=钢筋级别后面的数字：预应力钢筋抗拉强度标准值fptk附表6附表5HPB300：fyk=300N/mm2HRB500：fyk=500N/mm21/12/2023374.4.2钢筋强度设计值普通钢筋强度设计值根本条件材料分项系数s=1.10抗拉强度和抗压强度取值相同计算公式计算结果修约到10N/mm21/12/202338HPB235:N/mm2修约结果为210N/mm2HRB335:N/mm2修约结果为300N/mm2HRB400、RRB400:N/mm2修约结果为360N/mm2见附表8HPB300:fy=270N/mm2HRB500:fy=435N/mm21/12/202339预应力钢筋强度设计值抗拉强度设计值材料分项系数取s=1.20条件屈服强度取极限抗拉强度的0.85倍计算结果修约到10N/mm21/12/202340抗压强度设计值钢材的抗拉能力和抗压能力相同预应力钢筋的抗拉强度很高混凝土到达最大压应力时，高强度钢筋应力达不到屈服或条件屈服以混凝土峰值应变0.002作为钢筋抗压强度的限制条件钢筋的弹性模量，见附表4预应力钢筋的强度设计值见附表7不宜用高强度钢筋受压1/12/2023414.5钢筋与混凝土的黏结黏结力定义：钢筋和混凝土之间相互作用力组成混凝土结硬时体积收缩，将钢筋紧紧握住而产生的摩擦力钢筋外表凹凸不平产生的机械咬合力混凝土与钢筋外表间的胶结力采用锚固措施后所造成的机械锚固力4.5.1黏结强度1/12/202342拔出试验试验方法一端埋于混凝土中另一端施力拔出钢筋平均黏结应力黏结应力精确计算很困难1/12/202343拔出试验定性结果黏结应力沿钢筋长度曲线分布最大黏结应力在离开端部的某一位置出现且随拔出力的大小而变化钢筋埋入长度越长，拔出力越大；但假设过长，尾部黏结应力很小，根本不起作用黏结强度随混凝土强度等级的提高而增大带肋钢筋优于光面钢筋；光面钢筋末端做弯钩可大大提高拔出力。1/12/202344钢筋端部处理光圆钢筋：180弯钩非光圆钢筋〔1〕末端直钩〔2〕机械锚固末端带135弯钩，末端与钢板塞焊末端与短钢筋双面贴焊4.5.2保证黏结强度的措施1/12/202345钢筋锚固长度根本锚固长度ft—混凝土轴心抗拉强度设计值，强度等级高于C40时按C40取值—钢筋的外形系数钢筋类型光面钢筋带肋钢筋刻痕钢丝螺旋肋钢丝三股钢绞线七股钢绞线0.160.140.190.130.160.171/12/202346锚固失效——混凝土保护层脱落1/12/202347锚固长度特殊情况下的修正〔1〕带肋钢筋直径>25mm时，修正系数1.1〔2〕HRB335、HRB400、RRB400级的环氧树脂涂层钢筋，1.25〔3〕钢筋在施工过程中易受扰动〔如滑模施工〕时，1.1〔4〕带肋钢筋在锚固区的混凝土保护层厚度>钢筋直径的3倍且配有箍筋时，0.8〔5〕实配钢筋的面积大于计算值时，可按计算面积与实配面积之比进行修正〔抗震和受动力荷载构件除外〕修正系数可以连乘1/12/202348修正后的锚固长度，不应小于计算长度的0.7倍，且不小于250mm钢筋末端采用机械锚固措施时，锚固长度为计算长度的0.7倍，即0.7la。受压钢筋锚固长度受压钢筋锚固长度不应小于受拉钢筋根本锚固长度的0.7倍，即0.7la。钢筋连接受拉钢筋绑扎搭结长度搭结接头面积百分率（%）25501001.21.41.6任何情况下不小于300mm1/12/202349绑扎接头区段：1.3倍搭结长度。该范围内属于同一连接区段。接头面积百分率：

梁板墙：不宜大于

25%柱