绪论第一章材料性能简课件

给水排水工程结构绪论

一、开设本课程的意义给水排水工程是关系到国计民生的重要工程。人们的衣食住行及赖以生存的生产活动，一刻也离不开水。水的利用与排放是一个系统工程，它由泵站、水池、管渠等构成。本课程就是学习这些构筑物和建筑物的结构设计基本知识。在给水排水工程工程中，构筑物和建筑物的结构部分资金占用大、工期长，结构设计与施工的质量与给水排水工程的安全性、适用性、耐久性有着密切的关联。因此给水排水工程结构的设计与施工在整个给排水工程领域中占有重要的位置，希望通过本课程的学习，能够初步掌握结构设计的基本知识和方法。二、给水排水工程结构的发展（一）给水排水工程结构作为结构工程的一个专门领域，在我国是解放后才形成的。给水排水工程结构特殊性1、给水排水的构筑物大多数是形状比较复杂的空间薄壁结构，对抗裂抗渗漏、防冻保温及防腐等有较严格的要求；2、在荷载方面，除一般工程结构可能遇到的重力荷载、风荷载、雪荷载及水压力、土压力外，给、排水构筑物还常须考虑温度作用、混凝土收缩及地基不均匀沉陷等引起的外加变形或约束变形。完成了《给水排水工程结构设计规范》（GBJ-69-84）、《给水排水工程构筑物结构设计规范》（GB50069-2002）、《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》、《给水排水工程水塔结构设计规程》等国家标准和协会标准。在给水排水工程结构设计领域的理论更加成熟，设计方法更加完善。三、混凝土结构的基本概念（一）我国的给水排水工程构筑物主要采用混凝土结构。混凝土结构，是指用混凝土材料建造的构筑物或建筑物，包括素混凝土结构、钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构，但主要是钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构。不配置钢筋的素混凝土结构由于抗拉能力差，通常只用于以受压为主的基础及必须依靠自身的重量来保持稳定性的重力式支挡结构（如挡土墙、挡水墙）等。三、混凝土结构的基本概念（二）

钢筋混凝土梁的承载力为39.42KN，素混凝土梁承载力为5.775KN。

（5）整体性好。由于混凝土结构可以整体浇注，所以其整体性好，对于抵抗地震作用非常有利。（6）便于就地取材。组成混凝土的材料砂、石、水泥容易就地取材，以降低制作成本。

四、混凝土结构优缺点（二）混凝土结构的不足主要是：（1）结构自重大。结构的自重与地震作用成正比，结构自重大地震作用也大，造成对结构抗震的恶性循环。（2）抗裂性差。混凝土的抗压强度高，抗拉强度低，抗拉强度基本是抗压强度的1/10。建筑工程中的一般混凝土构件多数都是带裂缝工作的。给水排水工程结构中抗裂是非常重要的问题。（3）混凝土结构的施工工艺复杂、模板用量大、工期长，施工费用高，且施工受季节性影响大，冬季施工费用高。上述缺点随着科学技术的发展，在逐渐被克服。如采用轻骨料混凝土可以大幅度减轻结构自重，采用预应力技术可以彻底改变混凝土的抗裂性能等等。混凝土价格低性能好，目前仍然是土木工程结构中的主要材料。五、本课程的特点（一）两大部分：一部分为基本理论部分，即第一章到第七章，包括材性、计算原则、受弯构件抗弯、抗剪计算、受压受拉构件计算、裂缝和变形验算。另一部分为结构设计部分，即第八、九章，主要是楼盖结构和水池结构的设计。混凝土结构课程不像其他力学课程那样有严格的逻辑关系，混凝土结构的计算理论主要依据实验研究和工程经验，每一类构件有一种计算方法，本课程的计算公式多，公式的适用条件多，构件的构造要求多，同样的构件可以多种设计结果。六．几点要求1、按时上课，不得无故缺课，有事履行请假手续；2、上课时，不做与本课程无关事情，更不要影响教师讲课、或者影响其他同学听课；3、按时交作业，过期作业一般不再批改或登记成绩；4、习题讨论课要积极主动，保证讨论课的顺利进行；5、如有机会，可能会组织大家进行施工现场参观，希望能够服从指挥，避免事故发生；6、有问题及时向教师反映，加强师生间的沟通。第一章钢筋和混凝土的力学性能钢筋与混凝土的物理力学性能以及共同工作的特性直接影响混凝土结构和构件的性能，也是混凝土结构计算理论和设计方法的基础。本章讲述钢筋与混凝土的主要物理力学性能以及混凝土与钢筋的粘结。1.1钢筋的物理力学性能

1.1.1、钢筋的种类（一）

1、按化学成分分类

高碳钢（含碳量0.6％～1.4％）碳素钢中碳钢（含碳量0.25％～0.6％）低碳钢（含碳量<0.25％）锰系（20MnSi.25MnSi）硅钒系（40Si2MnV.45SiMnV）普通合金钢硅钛系（45SiMnTi）锰硅系（40Si2Mn.48Si2Mn）硅铬系（45Si2Cr）

3、按钢筋外表面形状分类光圆钢筋：主要有HPB235（Ⅰ级钢筋）钢丝月牙纹（月牙肋）变形钢筋螺纹（等高肋）（带肋钢筋）人字纹

4、按钢筋的骨架类型分类柔性钢筋钢筋骨架劲性钢筋劲性钢筋是由各种型钢、钢轨或者用型钢与钢筋焊成骨架。劲性钢筋本身刚度很大，施工时模板及混凝土的重力可以由劲性钢筋本身来承担，承载能力也比较大。钢筋的应力应变曲线

条件屈服强度的概念对于有明显流幅的钢筋，一般取屈服强度作为钢筋强度设计值的依据。当构件某一截面的钢筋应力达到屈服强度后，其塑性变形将急剧增加，构件出现很大的变形和过宽的裂缝，以致不能正常使用；钢筋的极限抗拉强度不能过低，若与屈服强度过分接近是非常危险的，应该使极限抗拉强度与屈服强度之间具有足够大的差值，以保证钢筋混凝土构件在其受力钢筋屈服后，不致因钢筋很快达到极限抗拉强度被拉断造成结构的倒塌。对无明显流幅钢筋，其比例极限相当于极限抗拉强度的0.65倍。当应力超过比例极限后，钢筋逐渐表现出塑性特征，曲线逐渐弯曲，直到经历极限抗拉强度后，钢筋被拉断。由于没有屈服点，仿照有明显流幅钢筋，假想一个屈服点，并以此点的应力作为条件屈服强度。其条件是以应力－应变曲线上对应于残余应变为0.2％的应力值σ0.2作为其屈服极限，称为“条件屈服极限”。记为σ0.2＝0.85σb（σb为国家标准规定的极限抗拉强度）。钢筋拉伸率试件2、冷弯性能

冷弯是将钢筋在常温下围绕一个规定直径为D的辊轴（弯心）弯转（图1－4），要求在达到规定的冷弯角度时，钢筋受弯曲部位表面不发生裂纹、皱褶。冷弯试验较受力均匀的拉伸试验能更有效地揭示材质的缺陷，比伸长率试验更为严格的试验。钢筋的连接无论何种方式，接头的受力性能都难以做到和被连接钢筋的性能完全一致，接头的存在可能使钢筋的净距减小，影响混凝土浇注振捣的密实性；钢筋保护层厚度变小，钢筋的粘结锚固受影响等等，从而接头处成为薄弱环节。在设计和施工中，对于钢筋接头必须注意：尽可能将接头布置在构件的受力较小处，并将钢筋接头适当错开，以及必要时对钢筋接头比较集中的区段采取增设构造钢筋以减小接头的不利影响等等。1.1.4混凝土结构对钢筋性能的要求混凝土结构对钢筋性能的最基本要求是强度高和塑性好，具有良好的工作性能（即具有良好的可焊性、可加工性），具有良好的耐火性，与混凝土有良好的粘结性。1、钢筋的强度钢筋的强度是指钢筋的屈服强度及极限强度。钢筋的屈服强度是设计计算时的主要依据（对无明显流幅的钢筋，取它的条件屈服点）。采用高强度钢筋可以节约钢材，取得较好的经济效果。改变成分，采用高碳或合金钢；提高钢筋强度生产新的钢种；进行冷加工（冷拉或冷拔）。2、钢筋的塑性钢筋的伸长率和冷弯性能是施工单位验收钢筋是否合格的主要指标。3、钢筋的可焊性与可加工性可焊性是评定钢筋焊接后的接头性能的指标。可焊性好，即要求在一定的工艺条件下的钢筋焊接后不产生裂纹及过大的变形。可加工性是指工程中对钢筋容易进行加工制作。主要控制钢筋中的有害成分和合金元素的含量。

4、钢筋的耐火性在各类钢筋中，热轧钢筋的耐火性能最好，冷轧钢筋其次，预应力钢筋最差。结构设计时应注意混凝土保护层厚度满足对结构耐火极限的要求。

5、钢筋与混凝土的粘结力为了保证钢筋与混凝土共同工作，要求钢筋与混凝土之间必须有足够的粘结力。钢筋表面的形状是影响粘结力的重要因素。1.2混凝土的物理力学性能1.2.1混凝土的组成结构通常把混凝土的结构分为三部分：水泥凝胶微观结构：即水泥石结构晶体骨架未水化完的水泥颗粒凝胶孔亚微观结构：即混凝土中的水泥砂浆结构宏观结构：即砂浆和粗骨料两组分体系1.2.2单轴向应力状态下的混凝土强度实际工程中的混凝土构件和结构一般处于复合应力状态，但是单向受力状态下混凝土的强度是研究复合应力状态下强度的基础和重要参数。混凝土的强度与水泥强度、水灰比的大小有很大关系，骨料的性质、级配、混凝土的成型方法、硬化时的环境条件及混凝土的龄期等也不同程度地影响着混凝土的强度。试件的大小和形状、试验方法和加载速率也影响混凝土强度的试验结果。因此各国对单向受力下的混凝土强度都规定统一的标准试验方法。一、混凝土的抗压强度

1、混凝土的立方体抗压强度和强度等级国家标准《普通混凝土力学性能试验方法》（GBJ81——85）规定以边长为150mm的立方体为标准试件，在标准条件下（温度为20±3℃，湿度≥90%）养护28天，用标准试验方法（加载速度0.15~0.3N/mm2/s，两端不涂润滑剂）测得的混凝土的抗压强度称作为立方体抗压强度，单位为N/mm2。立方体试件的强度比较稳定，我国把立方体强度值作为评定混凝土强度基本指标，用符号fcu,k表示。即按标准方法制作、标准条件养护、标准方法实验所测得的具有95%保证率的立方体抗压强度，作为混凝土的强度等级，用Cx表示之。《混凝土结构设计规范》规定的混凝土强度等级从C15～C80，共14个等级，每个等级的级差为5N/mm2。C50～C80属高强度混凝土范畴。混凝土强度的选择钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不低于C15；采用HRB335级钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C20；预应力混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C30；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C40。现浇钢筋混凝土水池、水塔、渠道以及处于其他地下和水中的结构，不低于C25的混凝土。试验方法对混凝土强度的影响评定混凝土的强度等级，一般都用立方体试块，必须是标准制作、标准养护、标准试验所得的平均强度。A：混凝土强度的离散性较大，与制作方法、养护条件有很大的关系，必须规定统一的标准，否则，就失去了判定的标准；B：混凝土的强度，受试验影响大。试件在试验机上单向受压时，竖向缩短，横向扩张，混凝土与压力机垫板弹性模量与横向变形系数不同，所以垫板通过接触面上的摩擦力约束混凝土试块的横向变形，就像在试件上下端各加了一个套箍，使混凝土破坏时形成两个对顶的角锥形破坏体，抗压强度比没有约束的情况要高。

如果在试件上下表面涂一些润滑剂，这时试件与压力机垫板间的摩擦力大大减小，其横向变形几乎不受约束，受压时没有“套箍作用”的影响，试件沿着平行于力的作用方向产生几条裂缝而破坏，测得的抗压强度较低。我国《混凝土结构设计规范》规定的标准试验方法不涂润滑剂。σ＝

σmax微裂缝贯通失去承载能力σ=0.85σmax裂缝有贯通的趋势σ=0.65σmax微裂缝周边由于应力集中，致使裂缝有所扩展σ=0粗骨料周边有气泡产生微小裂缝用X光观测的混凝土单轴受压的裂缝过程C：加载速度对立方体强度也有影响，加载速度越快，测得的强度越高。通常规定加载速度为：混凝土强度等级低于C30时，取每秒0.3～0.5N/mm2；混凝土强度等级高于或等于C30时，取每秒钟0.5～0.8N/mm2。D：混凝土的立方体强度还与成型后的龄期有关。混凝土的立方体抗压强度，随着成形后的龄期逐渐增长，增长速度开始较快，后来逐渐缓慢，强度增长过程延续几年，在潮湿环境中延续更长。

2、混凝土的轴心抗压强度（一）

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的实际抗压能力。用混凝土棱柱体测得的抗压强度称为轴心抗压强度。我国《普通混凝土力学实验方法》规定以150×150×300mm3棱柱体作为混凝土轴心抗压强度的标准试件。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。棱柱体试件的高度越大，实验机压板与试件之间的摩擦力对试件高度中部横向变形的约束影响越小，所以棱柱体试件的抗压强度比立方体的强度值小；棱柱体试件高宽比越大，强度越小。当高宽比达到一定值后，这种影响就不明显了。

棱柱体试件尺寸的确定：1）考虑到试件具有足够的高度以不受实验机压板与试件摩擦力的影响，在试件的中间区段形成纯压状态；2）试件过高，在破坏前产生较大的附加偏心会降低抗压极限强度。试件的高宽比为2～3时，基本消除上述两种因素的影响。《混凝土结构设计规范》规定以上述棱柱体试件试验测得的具有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fck表示。混凝土棱柱体与立方体抗压强度对比试验结果得出，其比值在0.70～0.92之间，砼强度值高则其比值也大一些。考虑到实际结构构件制作、养护和受力情况，实际构件强度与试件强度之间存在的差异，《混凝土结构设计规范》基于安全取偏低值，轴心抗压强度标准值与立方体抗压强度标准值的关系如下：式中：—棱柱体强度与立方体强度之比，对混凝土等级为C50以下的取，对C80取,两者之间按线性规律变化取值。—高强度混凝土的脆性折减系数，对C40及以下取，对C80取，中间按线性规律变化取值。0.88：考虑实际构件与试件混凝土强度之间的差异取用的折减系数。国外常采用混凝土圆柱体试件来确定混凝土轴心抗压强度。美国、日本和欧洲混凝土协会采用直径6英寸（152mm）、高12英寸（3.5mm）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。

3、混凝土轴心抗拉强度抗拉强度是混凝土的基本力学指标之一，间接衡量混凝土的冲切强度等其他力学性能。混凝土的轴心抗拉强度采用直接轴心受拉的试验方法。混凝土内部的不均匀性，安装试件的偏差等原因，准确测定抗拉强度很困难。常用圆柱体或立方体的劈裂试验间接测试混凝土的轴心抗拉强度。劈裂强度计算：

式中：

F—破坏荷载；

d—圆柱体直径或立方体边长；

l—圆柱体长度或立方体边长。

劈裂抗拉强度略大于直接受拉强度，劈拉试件的大小对试验结果有一定影响。轴心抗拉强度只有立方体抗压强度的1/17～1/8，混凝土强度等级愈高，这个比值愈小。考虑到构件与试件的差别、尺寸效应、加载速度等因素的影响，《混凝土结构设计规范》考虑了从普通混凝土到高强度混凝土的变化规律，取轴心抗拉强度标准值与立方体抗压强度标准值的关系为：

式中：δ—变异系数；

0.88—考虑实际构件与试件之间的差异取用的折减系数；

a2—高强度混凝土的脆性折减系数，对C40及以下取1.00，对C80取0.87，中间按线性规律变化取值。

图1－12混凝土轴心抗拉与立方体抗拉强度的关系二、复合应力状态下混凝土的强度

实际混凝土结构构件大多处于复合应力状态，例如框架梁、柱既受到柱轴向力作用，又受到弯矩和剪力的作用。节点区混凝土受力状态更为复杂。混凝土构件同时受到弯矩和剪力作用时，其截面将产生正应力和剪应力。取一个单元体，法向应力与剪应力组合的强度曲线如下图。

混凝土三向受压：侧向压力的约束作用，最大主压应力轴的抗压强度有较大的增长，常规的三轴受压是在圆柱体周围加液压，在两侧等压情况下进行。当侧向液压值不很大时，最大主压应力轴的抗压强度随侧向压应力的增大而提高，经验公式：

式中：—有侧向压力约束试件的轴心抗压强度；—无侧向压力约束的轴心抗压强度；—侧向约束压应力。公式中前的数字为侧向应力系数，平均值为5.6，侧向压应力较低时得到的系数值较高。

1.2.3混凝土的变形受力变形：混凝土在一次短期加载、荷载长期作用和多次重复荷载作用下产生的变形。体积变形：混凝土由于硬化过程中的收缩以及温度和湿度变化产生的变形。变形是混凝土的一个重要力学性能。

1、一次短期加载下混凝土的变形性能

（1）混凝土受压时的应力－应变关系

混凝土受压时的应力－应变关系是混凝土最基本的力学性能之一。一次短期加载：荷载从零开始单调加至试件破坏，也称单调加载。我国采用棱柱体试件测定一次加载下混凝土受压应力－应变全曲线。混凝土应力应变曲线的分解上升段:分三阶段

第一阶段：从至（0.3～0.4）的A点；应力较小，混凝土的变形主要是骨料和水泥结晶体受力产生的弹性变形，而水泥胶体的粘性流动以及初始微裂缝变化的影响一般很小，所以应力－应变关系接近直线，称A点为比例极限点。第二阶段：从A点到B点；（0.3～0.4）至0.8；裂缝处于稳定扩展状态，B点称为临界点；临界点的应力可以作为构件长期抗压强度的依据。

第三阶段：从B点到峰值C点；0.8fc至；试件处于裂缝快速发展的非稳定状态，C点的峰值应力通常作为混凝土棱柱体的抗压强度fc

，相应的应变称为峰值应变，其值在0.0015～0.0025之间波动，通常取0.002。下降段：分三段CD段：裂缝迅速发展阶段（裂缝的非稳定阶段）混凝土到达峰值应力以后，裂缝迅速发展，内部结构的整体性受到愈来愈严重的破坏，试件的平均承压强度下降，应力－应变曲线向下弯曲，直到凹向发生改变，曲线出现“拐点”D点。DE段：非稳定裂缝不断发展阶段曲线超过拐点“D”点，开始凸向应变轴，试件只靠骨料之间的咬合力及摩擦力与残余承压面来承受荷载。此段曲线中曲率最大的一点E点称为“收敛点”。

EF段：收敛段；从E点开始以后的曲线；贯通的主裂缝已很宽，对无侧向约束的混凝土，收敛段EF已失去结构意义。在普通实验机上获得有下降段的应力－应变曲线较困难。若采用能控制下降段应变速度的特殊实验机，可测出具有真实下降段的应力－应变全曲线。混凝土达到极限强度后，在应力下降幅度相同的情况下，变形能力越大则混凝土的延性越好。不同强度等级混凝土的应力－应变曲线不同强度的混凝土的应力－应变曲线有相似的形状，也有实质性的区别。随混凝土强度的提高，上升段和峰值应变变化不显著，下降段的形状有较大差异，混凝土强度越高，下降段的坡度越陡，延性越差。混凝土受压应力－应变曲线的形状与加载速度也密切相关。不同强度等级混凝土的应力－应变曲线国内外对混凝土应力－应变关系的数学模型（常称为本构方程）进行了大量研究。我国《混凝土结构设计规范》采用了在峰点连续的分段（上升段和下降段）曲线方程来拟合混凝土的应力－应变曲线。（2）混凝土的变形模量与弹性材料不同，混凝土受压应力－应变关系是一条曲线，在不同的应力阶段，应力与应变之比的变形模量是一个变数。混凝土的变形模量有三种表示方法。1）混凝土的弹性模量（即原点模量）混凝土棱柱体受压时，应力－应变曲线的原点作一切线，其斜率为混凝土的原点模量，称为弹性模量，以表示。（1－5）式中：——混凝土应力－应变切线在原点处的切线与横坐标的夹角。各国对弹性模量的试验尚无统一的标准。在混凝土一次加载应力－应变曲线上作原点的切线，找出切线夹角很难，通用做法：标准尺寸150mm×150mm×300mm的棱柱体试件，先加载至(0.4-0.5)fc，然后卸载至零，再重复加载卸载5～10次。卸载至零时，都存在一定的残余变形，随着加载次数的增加，残余变形逐渐减小，曲线渐稳定并趋于直线。该直线的斜率即定为混凝土的弹性模量。混凝土进入塑性阶段后，初始的弹性模量已不能反映这时的应力－应变性质，用变形模量或切线模量来表示塑性阶段的应力－应变关系。2）混凝土的变形模量割线模量（变形模量）：在混凝土应力－应变曲线任意点应力为σC处的割线斜率；（1－5）总变形中包含弹性变形和塑性变形两部分，称为弹塑性模量或割线模量。混凝土的变形模量是个变值，随应力大小而不同。3）混凝土的切线模量在混凝土应力－应变曲线上某一应力σC处作一切线，其应力增量与应变增量之比值称为相应于应力σC时混凝土的切线模量。（1－6）混凝土的切线模量是一个变值，它随混凝土的应力增大而减小。注意：混凝土不是理想的弹性材料，不能用已知的混凝土应变乘以规范中所给的弹性模量值求混凝土的应力。只有当混凝土应力很低时，弹性模量与变形模量值近似相等。混凝土弹性模量计算：

（3）混凝土轴向受拉时的应力－应变关系受拉弹性模量与受压弹性模量值基本相同。2、混凝土在长期荷载作用下的变形性能1）徐变的概念结构或构件承受的荷载或应力不变，应变或变形随时间增长的现象。混凝土的徐变主要与时间参数有关。混凝土的典型徐变曲线。当对棱柱体试件加载，应力达到0.5时，其加载瞬间产生的应变为瞬时应变。徐变开始增长较快，以后逐渐减慢，经过较长时间后逐渐稳定。徐变应变值约为瞬时应变的1～4倍。两年后卸载，试件瞬时恢复的一部分应变称为瞬时恢复应变，比加载时的瞬时变形略小。长期荷载完全卸除后，混凝土并不处于静止状态，而经历一个徐变的恢复过程（约20d），卸载后的徐变恢复称为弹性后效，其绝对值为徐变变形的1/12左右。在试件中绝大部分应变是不可恢复的，成为残余应变。2）影响混凝土徐变的因素(一）：

时间：混凝土的徐变与混凝土的应力大小有着密切的关系。应力越大，徐变越大；混凝土应力小于0.5fc时，徐变一应力成正比，称为线性徐变。线性徐变，加载初期徐变增张较快，6个月时，一般完成徐变的大部分，后期徐变变形逐渐减小，一年以后趋于稳定，一般认为3年左右徐变基本终止。2）影响混凝土徐变的因素(二）

应力：混凝土应力大于0.5fc，徐变变形与应力不成正比，徐变变形比应力增长快，称为非线性徐变。加载应力过高时，徐变变形急剧增加，高应力作用下可能造成混凝土的变形破坏。一般取混凝土应力约等于0.7fc～0.8fc为混凝土的长期极限强度。混凝土构件在使用期间，应避免经常处于不变的高应力状态。2）影响混凝土徐变的因素（三）加载龄期：加载时混凝土的龄期越早，徐变越大。混凝土的组份影响：水泥用量大徐变大；水灰比大徐变大；骨料坚硬、弹性模量高对水泥石徐变的约束作用大，徐变量小。制作方法、养护条件、养护温度的影响：养护温度高、湿度大，水泥水化作用充分，徐变小。受到荷载作用后所处的环境温度越高、湿度越低，徐变越大。有钢筋也能够减小混凝土的徐变。构件的形状、尺寸影响：大尺寸试件内部失水受到限制，徐变减小。3）徐变对结构或构件的影响：徐变对混凝土结构和构件的工作性能有很大的影响;（1）混凝土的徐变，会使构件的变形增加，（2）在钢筋混凝土截面中引起应力重分布（造成卸载后混凝土发生断裂）；（3）在预应力混凝土结构中会造成预应力损失。4）徐变产生的原因

混凝土的徐变主要源于两个原因：（1）混凝土内部水泥与水的水化物——水泥胶体的塑性流动。水泥胶体在高应力状态下其形状会在一定范围内逐渐发生改变。这种微观状态下的形体改变，会累计形成宏观上的形变。

（2）混凝土受力后，其内部产生了大量的不可恢复的细小裂缝。但是由于荷载并没有达到混凝土的临界破坏荷载，因此细小裂缝形成后，逐渐稳定并不再继续开展成为破坏性裂缝。细小的微观状态的裂缝也会在宏观上形成形变。影响混凝土徐变的因素影响混凝土徐变的因素很多，归结起来使混凝土产生徐变的原因主要在以下三个方面：内在因素；环境影响；应力因素。在应力较大的情况下，混凝土内部微裂缝在荷载长期作用下不断发展和增加，也将导致混凝土变形的增加。5）避免与减小徐变的方法

从混凝土的徐变的原因分析可以知道，控制水泥胶体的流动、控制微观裂缝的开展是控制徐变的主要方法。

A：控制并减小水泥胶体在混凝土内部的总体积。减水剂可以在混凝土强度与坍落度不变的前提下有效减少水泥用量；良好的砂石骨料级配备可有效的形成混凝土内部较高的骨料密实度与骨架结构，施工中的振捣可提高混凝土的密实度而减少水泥胶体的体积。5）避免与减小徐变的方法B：控制并减小混凝土内部微观裂缝的数量减水剂可以有效减少水的用量，减少多余水分蒸发所产生的毛细孔隙以及混凝土内部游离水分所形成的空洞；配置相应的钢筋，可以有效改善混凝土内部微观的受力状况，约束混凝土裂缝的开展。良好的养护可以使混凝土内部形成良好均匀的强度状态。3、与荷载无关的混凝土体积变形在钢筋混凝土结构中，混凝土在结硬过程中所产生的体积变化，以及在长期使用过程中由于外界温度、湿度变化所引起的体积变化都属于与荷载无关的变形，这些变形对结构的工作都会产生影响，需加以注意。1）混凝土的收缩和膨胀（1）收缩和膨胀的概念与特点混凝土是水硬性材料，在空气中结硬时体积回收缩，在水中结硬时体积要膨胀。一般膨胀值比收缩值要小很多，膨胀对结构的影响甚小，通常不予考虑。混凝土的收缩混凝土的收缩主要源于两方面：a)干缩：由于混凝土失水所导致的体积减小；b)凝缩：水泥胶体凝结硬化过程中所形成的体积收缩。收缩变形随时间而增长。结硬初期收缩变形发展较快，后期发展缓慢。混凝土在空气中结硬的收缩值范围很大，最终收缩值一般约为2.0×10－4～4.5×10－4。

图1－23混凝土的收缩2)混凝土收缩的原因水泥水化生成物的体积小于原物料的体积（化学性收缩，凝缩），以及游离水分蒸发后骨料颗粒受毛细管压力的压缩（物理性收缩，干缩），与混凝土是否受力无关。此外，空气中二氧化碳和混凝土表层的碳化作用，也引起少量的局部收缩。

混凝土的收缩是个长期过程。试验表明，收缩变形在混凝土开始结硬时发展较快，以后逐渐减慢，大部分收缩在龄期3个月内出现，但龄期超过20年后收缩变形仍未终止。收缩变形随时间的发展如表1－1所示。1.3钢筋和混凝土共同工作原理

1.3.1共同工作的基本条件1、混凝土与钢筋存在着良好的粘结力。混凝土在结硬过程中产生的凝胶体和体积收缩的作用，使混凝土与钢筋粘结为一体。2、混凝土与钢筋二者具有相近的线膨胀系数（混凝土平均为1.0×105；钢筋为.2×105）。1.3.2钢筋与混凝土之间的粘结

一、粘结的定义与作用

钢筋混凝土受力后会沿着钢筋和混凝土接触面上产生剪应力，通常把这种剪应力称为粘结应力。若构件中的钢筋和混凝土之间既不粘结，钢筋端部也不加锚具，在荷载作用下，钢筋与混凝土就不能共同受力。钢筋与混凝土之间的粘结分为：裂缝间的局部粘结应力和钢筋端部的锚固粘结应力。裂缝间的局部粘结应力是在相邻两个开裂截面之间产生的，钢筋应力的变化受到粘结应力的影响，粘结应力是相邻两个裂缝之间混凝土参与受拉。局部粘结应力的丧失会导致构件刚度的降低和裂缝的开展。钢筋伸进支座或在连续梁中承担负弯矩的上部钢筋在跨中截断时，需要延伸一段长度，即锚固长度。要使钢筋承受所需的拉力，就要求受拉钢筋有足够的锚固长度以积累足够的粘结应力，否则，将发生锚固破坏。同时常用钢筋端部加弯钩、弯折，或在锚固区贴焊短钢筋、贴焊角钢等来提高锚固能力。光圆钢筋末端均设置弯钩。二、粘结力的组成

1、光圆钢筋（1）钢筋与混凝土接触面上的化学吸附作用力（胶结力）。主要来自于水泥晶体的生成和硬化。这种吸附作用力很小，当接触表面发生相对滑移时，改力即消失。（2）混凝土收缩握裹钢筋而产生摩阻力。摩阻力是由于混凝土凝固时收缩，对钢筋产生垂直于摩擦面的压应力。这种压应力越大，接触面的粗糙程度越大，摩阻力就越大。（3）钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的机械咬合作用力（咬合力）。对于光圆钢筋这种咬合力来自表面的粗糙不平。2、变形钢筋变形钢筋与混凝土之间的机械咬合作用大幅增强，显著提高了粘结强度。变形钢筋的咬合力是由于变形钢筋肋间嵌入混凝土而产生的。在变形钢筋中也存在咬合力和摩擦力，但变形钢筋的粘结主要来自钢筋表面凸出的肋与混凝土的机械咬合作用。变形钢筋的横肋对混凝土的挤压如同一个楔，会产生很大的机械咬合力，从而提高了变形钢筋的粘结能力（图1－24）。光圆钢筋的粘结机理与变形钢筋的主要差别是，光圆钢筋粘结力主要来自胶结力和摩阻力，而变形钢筋的粘结力主要来自机械咬合作用。这种差别类似于钉入木料中普通钉与螺丝钉的差别。三、粘结强度

钢筋的粘结强度通常采用如图1－25所示的直接拔出试验来确定，由直接拔出试验，钢筋和混凝土之间的平均粘结应力τ可表示为：

四、影响粘结强度的因素

影响钢筋与混凝土粘结强度的因素有很多，主要影响因素有混凝土强度、保护层厚度及钢筋的净间距、横向配筋及侧向压应力，以及浇注混凝土时钢筋的位置等。光圆钢筋及变形钢筋的粘结强度都随混凝土强度等级的提高而提高，但不与立方体强度成正比横向钢筋（如梁中的箍筋）可以限制混凝土内部裂缝的发展，提高粘结强度。横向钢筋还可以限制到达构件表面的裂缝宽度，从而提高粘结强度。因此在使用较大直径钢筋的锚固区、搭接长度范围内，以及当一排的钢筋数目较多时，应设置一定数量的附加箍筋，以防止混凝土保护层的劈裂剥落。同时，配置箍筋对保护后期粘结强度，改善钢筋延性也有明显作用。五、钢筋的锚固与搭接

1、保证粘结的构造措施

由于粘结破坏机理复杂，影响粘结力的因素很多，工程结构中粘结受力的多样性，目前尚无比较完整的粘结计算理论。《混凝土结构设计规范》用构造措施来保证混凝土与钢筋粘结的方法。保证粘结的构造措施有如下几方面：

（1）对于不同等级的混凝土和钢筋，要保证最小搭接长度和锚固长度

（2）为了保证钢筋与混凝土之间有足够的粘结，必须满足钢筋最小间距和混凝土保护层最小厚度的要求；（3）在钢筋的搭接接头范围内应加密箍筋；（4）为了保证足够的粘结在钢筋端部应设置弯钩。钢筋表面粗糙程度影响摩阻力，从而影响粘结强度，轻锈蚀的钢筋，其粘结强度比新轧制的无锈蚀钢筋要高，比除锈处理的钢筋更高。一般除重锈外，可不必除锈。2、基本锚固长度

为保证钢筋与混凝土之间有可靠的粘结，钢筋必须有一定的锚固长度。钢筋的基本锚固长度取决于钢筋强度，《混凝土结构设计规范》规定纵向受拉钢筋的锚固长度作为钢筋的基本锚固长度，它与钢筋强度、混凝土抗拉强度、钢筋直径及外形有关，可按下式计算：式中：——受拉钢筋的锚固长度；——受拉钢筋的抗拉强度设计值；

——钢筋的外形系数。钢筋的锚固也可采用机械锚固。机械锚固，主要有弯钩、贴焊钢筋及焊锚板等，如图1－27所示。3、钢筋的搭接

钢筋搭接的原则是：接头应设置在受力较小处，同一根钢筋应尽量少设接头，机械连接接头能产生较牢固的连接力，所以应优先采用机械连接。同一截面内受力钢筋的搭接接头率为：梁、板、墙类受拉构件不宜大于25％；柱类受压构件不宜大于50％。式中：——纵向受拉钢筋的搭接长度；——纵向受拉钢筋的锚固长度；——纵向受拉钢筋搭接长度修正系数，

按表1－4采用。

在任何情况下，纵向受拉钢筋绑扎搭接接头的搭接长度均不应小于300mm纵向受拉钢筋绑扎搭接接头的搭接长度按下式计算：纵向受拉钢筋搭接长度修正系数表1－4纵向受拉钢筋的搭接接头面积百分率（％）≤25501001.21.41.6构件中的纵向受压钢筋的搭接长度不应小于纵向受拉钢筋搭接长度的0.7倍，且在任何情况下不应小于200mm。

六、钢筋混凝土保护层厚度

混凝土保护层最小厚度的取值主要取决于构件的耐久性要求和受力钢筋锚固性能的要求。《混凝土结构设计规范》和《给水排水工程构筑物结构设计规范》分别给出了受力钢筋的最小保护层厚度。

4、混凝土的温度和湿度变形

构件在正常使用过程中，已结硬的混凝土由于温度和湿度的变化，还会产生体积变化，即热胀冷缩和湿胀干缩，热胀冷缩和湿胀干缩虽然是两种不同的物理效应，但给结构带来的影响却是相同的。当温度和湿度变化引起的变形受到约束时，就会产生内应力，如果不采取必要的措施就可能导致构件开裂甚至破坏。例如水池内外介质温度不同而引起的壁面温差，所引起的结构约束变形和内力就必须进行计算，以采取相应的措施。混凝土的温度线膨胀系数比较稳定，当温度不超过1000C时，线膨胀系数为1.0×10－50,当混凝土表面温度可能超过1000C时，应采取适当的隔热措施。温度和湿度引起的结构效应计算方法将在第九章中进行介绍。

1.2.4混凝土耐久性

1、耐久性的概念

材料的耐久性是指它在使用环境下，抵抗各种物理和化学作用的能力。对钢筋混凝土结构而言，钢筋被浇筑在混凝土内，受混凝土保护可以与混凝土有同样的耐久性。如果对钢筋混凝土根据使用条件，进行正确的设计和施工，在使用过程中对混凝土认真的进行定期维护，其使用年限可达百年及以上，因此，它是一种耐久性能良好的材料。由于混凝土表面暴露在大气中，特别是在恶劣的环境中时，长期受到有害物质的侵蚀，以及外界温度、湿度等不良气候环境循环往复的影响，使混凝土随使用时间的增长而质量劣化，钢筋发生锈蚀，致使结构物承载能力降低。因此，建筑物在承载能力设计同时，应根据其所处环境、重要性程度和使用年限的不同，进行必要的耐久性设计，这是保证结构安全、延长使用年限的重要条件。2、影响材料耐久性的因素

1）材料的质量结构的耐久性主要取决于材料的耐久性能。试验表明，混凝土的水灰比大小是影响混凝土质量的主要因素。水灰比愈大，微裂缝增加也愈多，在混凝土内所形成的毛细孔率、孔径和畅通程度也随之增加，因此，对材料的耐久性影响也愈大。试验表明，当水灰比不大于0.55时，其影响明显减小。混凝土的水泥用量过少和强度等级过低，使材料的孔隙率增加，密实性差，对材料的耐久性影响也大。2）钢筋的锈蚀

钢筋混凝土结构中钢筋的锈蚀，是由于保护钢筋的混凝土碳化和氯离子引起的锈蚀作用而产生的。1、混凝土的碳化混凝土的碳化是指大气中的CO2不断向混凝土孔隙中渗透，并与孔隙中碱性物质Ca(OH)2溶液发生中和反应，使混凝土孔隙内碱度（pH值）降低的现象。

2)氯离子引起的锈蚀

当钢筋表面的混凝土孔隙溶液中氯离子浓度超过某一定值时，使钢筋锈蚀。混凝土中氯离子的来源是从混凝土所用的拌和水和外加剂引入的，此外，不良环境中氯离子逐渐扩散和渗透进入混凝土的内部，在施工时应严格禁止或控制氯盐的掺量，一般对处于正常环境下的混凝土结构，混凝土氯离子的含量不应大于水泥用量的1.0％。3）碱－集料反应

碱－集料反应（英文简写A.A.R）是指混凝土中所含有的碱（Na2O+K2O）与其活性集料之间发生化学反应，引起混凝土的膨胀、开裂、表面渗出白色浆液，造成结构的破坏。混凝土中的碱是从水泥和外加剂中来的。水泥中的碱主要由其原料粘土和燃料煤。研究表面，水泥的碱含量（Na2O+0.66K2O）一般在（0.6～1.0）％范围，当碱含量低于0.6％时，称为低碱水泥，不会引起碱－集料反应的破坏。