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第二篇 各种建筑结构一、混凝土结构二、砌体结构三、钢结构四、钢筋混凝土单层厂房五、多高层钢筋混凝土结构六、大跨度建筑结构CH.4混凝土结构钢筋和混凝土材料的力学性能钢筋混凝土受弯构件钢筋混凝土受压构件预应力混凝土结构的基本知识钢筋混凝土平面楼盖环球金融中心混凝土浇筑钢筋混凝土桩内部一、基本概念是钢筋和砼按一定方式组成的能共同工作的建筑材料。钢筋混凝土:钢筋混凝土结构:是钢筋混凝土为主要承重骨架的结构。4.1钢筋和混凝土材料的力学性能4.1.1混凝土结构——以混凝土为主要材料制作的结构。4.1.1混凝土结构(1/2)4.1钢筋和混凝土结构的力学性能(1/4)二、混凝土结构的分类素混凝土结构钢筋混凝土结构型钢(钢骨)混凝土结构钢管混凝土结构预应力混凝土结构其它混凝土结构钢筋混凝土——ReinforcedConcrete(1)◆除在构件的受拉区配筋外,还有许多其他配筋方式钢筋混凝土梁钢筋混凝土——ReinforcedConcrete(2)在复杂应力区域(如梁在受剪区段、受扭构件、节点区、剪力墙等),可以配置箍筋或纵横交错的钢筋
当构件受力很大时,可以直接配置钢骨
梁中配置箍筋钢骨混凝土柱受扭构件配筋钢筋混凝土——ReinforcedConcrete(3)还可以利用箍筋约束混凝土来提高混凝土的抗压强度,甚至直接采用钢管
螺旋箍筋约束混凝土钢管混凝土柱◆采用纤维(钢纤维、玻璃纤维等)与混凝土一起搅拌形成的纤维混凝土,其抗拉强度可以达到提高混凝土的特点◆混凝土:
◎抗压强度高,而抗拉强度却很低
◎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因此,素混凝土构件在实际工程的应用很有限,主要用于以受压为主的基础、柱墩和一些非承重结构。◆钢材:
◎抗拉和抗压强度都很高
◎具有屈服现象,破坏时表现出较好的延性◎但细长的钢筋受压时极易压曲,仅能作为受拉构件而纯钢构件的承载力也往往取决于钢材的压曲,强度一般得不到充分地发挥。将混凝土和钢材这两种材料有机地结合在一起,可以取长补短,充分利用材料的性能。二、共同工作原理钢筋和砼之间存在粘结力钢筋和砼线膨胀系数接近砼保护钢筋主要是由于混凝土硬化后钢筋与混凝土之间产生了良好的粘结力(Bond)
,使两者可靠地结合在一起,从而保证在外荷载的作用下,钢筋与相邻混凝土能够共同变形(SameDeformationunderload)。其次,钢筋与混凝土两种材料的温度线膨胀系数的数值颇为接近(钢为1.2×10-5;混凝土为1.0×10-5—1.5×10-5),当温度变化时,不致产生较大的温度应力而破坏两者之间的粘结。素混凝土梁钢筋混凝土梁:受拉区配220钢筋FF=13.4KN截面开裂并破坏Fcr=15KN截面开裂;Fu=87KN截面破坏。200300Fft200300220梁的承载力大大提高,梁的受力性能改善。BACK4.1.1混凝土结构(2/2)4.1钢筋和混凝土结构的力学性能(1/4)示例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,破坏表现为脆性断裂,无明显预兆。素混凝土梁试验TestofPlainConcreteBeam
钢筋混凝土梁试验TestofReinforcedConcreteBeam
混凝土结构的优点(1)⑴材料利用合理:钢筋和混凝土的材料强度可以得到充分发挥,结构的承载力与其刚度比例合适,基本无局部稳定问题,单位应力价格低,对于一般工程结构,经济指标明显优于钢结构?⑵可模性好:混凝土可根据设计需要浇筑成各种性质和尺寸的结构,适用于各种形状复杂的结构,如空间薄壳、箱形结构等。混凝土模板混凝土结构的优点(2)⑶耐久性和耐火性较好,维护费用低:钢筋有混凝土的保护层,不易产生锈蚀,而混凝土的强度随时间的增加而增长;混凝土是不良导体,一般30mm厚混凝土保护层,可耐火2小时,使钢筋不致因升温过快而丧失强度。⑷现浇混凝土结构的整体性好,且通过合适的配筋,可获得较好的延性,适用于抗震、抗爆结构;同时防振性和防辐射性能较好,适用于防护结构。混凝土结构的优点(3)⑸刚度大、阻尼大,有利于结构的变形控制。⑹易于就地取材:混凝土所用的大量砂、石,易于就地取材,近年来,已有利用工业废料来制造人工骨料,或作为水泥的外加成分,改善混凝土的性能。普通混凝土结构的缺点(1)⑴自重大:不适用于建造大跨、高层结构。轻质、高强和预应力。⑵抗裂性差:普通RC结构,在正常使用阶段往往带裂缝工作,工作环境较差(露天、沿海、化学侵蚀)时会影响耐久性;也限制了普通RC用于大跨结构,高强钢筋无法应用。混凝土结构的缺点(2)⑶承载力有限:在重载结构和高层建筑底部结构,构件尺寸太大,减小使用空间。高强、钢骨、钢管混凝土⑷施工复杂,工序多(支模、绑钢筋、浇筑、养护),工期长,施工受季节、天气的影响较大。钢模、飞模、滑模等,泵送、早强、商品、高性能、免振自密实混凝土等混凝土结构的缺点(3)⑸混凝土结构一旦破坏,其修复、加固、补强比较困难。但新型混凝土结构加固技术不断得到发展,如最近研究开发的采用碳纤维加固混凝土结构技术,快速简便。火灾后混凝土结构地震后混凝土结构【回顾】1.建筑结构基本要求?3.什么是混凝土结构?什么是钢筋混凝土?2.材料的基本力学指标有哪些?以混凝土为主要材料制作的结构。结构材料要有足够的、有一定环境适应度的强度;结构材料要有足够的刚度;结构材料要有相对低廉的价格。包括:强度、弹性、塑性、冲击韧性与冷脆性、徐变和松弛。是钢筋和砼按一定方式组成的能共同工作的建筑材料。一、钢筋的种类及选用强度高,塑性低强度高,粘结性好强度高预应力钢筋钢筋热轧钢筋钢丝钢绞线热处理钢筋HPB235HRB335HRB400RRB400光圆钢筋变形钢筋变形钢筋变形钢筋非预应力钢筋强度塑性弱强高低4.1.2钢筋4.1.2钢筋(1/7)4.1钢筋和混凝土结构的力学性能(2/4)钢筋的化学成分碳素钢:除含有铁元素外还有少量的碳、硅、锰、硫、磷等元素。碳素钢分为:低碳钢(含碳量<0.25%)、中碳钢(含碳量0.25%一0.6%)及高碳钢(含碳量0.6%一1.4%)。含碳量越高强度越高,但塑性和可焊性降低,反之则强度降低而塑性和可焊性好。钢筋混凝土结构所采用的钢材按其化学成分可分为碳素钢及普通低合金钢。
Fig.我国常见钢筋外形4.1.2钢筋(2/7)4.1钢筋和混凝土结构的力学性能(2/4)二、钢筋的力学性能有明显屈服点(软钢)0
dabce
oa—弹性阶段bc—屈服阶段cd—硬化阶段de—颈缩阶段d0
条件屈服点
0.2
是残余应变为0.2%时的应力c—条件屈服强度0.2=0.85fu无明显屈服点(硬钢)c
0.20.2%a—比例极限fp
c—屈服强度fy
d—极限强度fu
1.强度相关4.1.2钢筋(3/7)4.1钢筋和混凝土结构的力学性能(2/4)→是钢筋强度的设计依据屈强比反映钢筋的强度储备,fy/fu=0.6~0.7。Es冲击韧性:是对于钢结构使用钢材的特殊要求,是检验钢材对于冲击荷载的承受能力。2.塑性性能伸长率:钢材拉断后的塑性变形量较钢材原始尺度的变化率,是衡量钢材变形能力的重要指标。冷弯指标:是检验钢材冷加工性能的指标,对于钢筋与钢板,其冷弯指标是指在常温下被检验材料对于某一相对的半径(相对板材厚度与钢筋直径)的弯曲角度。伸长率:d0
4.1.2钢筋(4/7)4.1钢筋和混凝土结构的力学性能(2/4)越大,钢筋延性或塑性越好3.钢材的加工性能常见的建筑工程钢材加工有冷加工、热加工两类:冷加工:板材、线材的冷弯;线材的冷拉、冷拔;热加工:焊接。冷拉后的钢筋没有明显的屈服阶段,如B图。冷拉卸载后经过一段时间的停滞,再对其张拉,会重新恢复屈服阶段而呈现出屈服强度提高的应力应变图形;这种现象被称为时效硬化现象;冷拉仅提高钢筋的抗拉强度,不提高其抗压强度;冷拉工艺不改变钢筋的强度级别。0σεAB冷拉4.1.2钢筋(5/7)4.1钢筋和混凝土结构的力学性能(2/4)冷拔是指将光圆钢筋以强力拉拽使其通过小直径的硬质合金模具,使其截面减小而长度增长;冷拔后的钢筋的强度会大大提高;冷拔后钢筋的塑性会降低;冷拔后的钢筋与之前的钢筋不属于同一种钢筋。0σε冷拔4.1.2钢筋(6/7)4.1钢筋和混凝土结构的力学性能(2/4)冷加工钢筋冷拉钢筋冷拔钢筋冷轧带肋钢筋冷轧扭钢筋三、钢筋的计算指标钢筋的强度标准值钢筋的强度设计值具有95%保证率的基本代表值。其中,热轧钢筋根据屈服强度确定,用表示;预应力钢绞线、钢丝和热处理钢筋的强度根据极限抗拉强度确定,用表示。热轧钢筋强度设计值:预应力钢筋强度设计值:见P391表4-2见P392表4-5四、钢筋的截面面积常规直径:d=6,8,10,12,14,16,18,20,22,25,28,32mm12种。——等于标准值除以分项系数。4.1.2钢筋(7/7)4.1钢筋和混凝土结构的力学性能(2/4)五钢筋的疲劳指的是钢筋在承受重复、周期性的动荷载作用下,经过一定次数后突然脆性断裂的现象。钢筋的疲劳强度低于其静荷载作用下的极限强度。六混凝土结构对钢筋性能的要求·
(1)强度:屈服强度和极限强度(2)塑性:延伸率,冷弯性能(3)可焊性:(4)耐火性:(5)与混凝土的粘结力差热轧钢筋冷拉钢筋预应力钢筋钢筋的屈服强度、极限强度、伸长率和冷弯性能是施工单位验收钢筋是否合格的四个主要指标。(1)强度:所谓强度指的是钢筋的屈服强度和极限强度。钢筋的屈服强度是设计计算时的主要依据(如无明显流幅的钢筋,取它的条件屈服应力,约相当于80%的极限强度)。fy/fu=0.6~0.7。2.1钢筋(2)塑性:
要求钢材在断裂前应有足够的变形使钢筋混凝土梁在将要破坏时能给人们以预告信号。
检验指标:延伸率,冷弯性能钢筋的屈服强度、极限强度、伸长率和冷弯是施工单位验收钢筋是否合格的四个主要指标。3)可焊性:在一定的工艺条件下要求钢筋焊接后不产生裂纹及过大的变形,保证焊接后的接头性能良好。
4)耐火性:差热轧钢筋冷拉钢筋预应力钢筋工程中通过调整保护层厚度来满足结构耐火极限要求。5)与混凝土的粘结力(又称握裹力):
为了保证钢筋与混凝土共同工作,两者之间必须有足够的粘结力,钢筋表面的形状对粘结力有重要的影响。2.1钢筋4.1.3混凝土一、混凝土的强度定义:水泥胶体(水泥结晶体和水泥胶块)弹性骨架(混凝土)水泥+水石子、沙子立方体抗压强度是指按照标准方法制作养护的边长为150mm的立方体试件,在标准养护()28天龄期,用标准试验方法测得的抗压强度。砼强度等级立方体抗压强度150mm150mm150mm4.1.3混凝土(1/11)4.1钢筋和混凝土结构的力学性能(3/4)强度等级:C15,C20,C25,C30,C35,C40,C45,C50~C80共14级C—混凝土15—立方体抗压强度的标准值为15N/mm2(温度20±3,相对湿度90%以上)定义:折算:轴心抗压强度是指按照标准方法制作养护的截面为150mm×150mm高300mm的棱柱体,在28天龄期,用标准试验方法测得的抗压强度。轴心抗压强度(棱柱体抗压强度)—轴心抗压强度与立方体抗压强度比值—高强混凝土脆性折减系数0.88—经验折减系数4.1钢筋和混凝土结构的力学性能(3/4)150mm300mm4.1.3混凝土(2/11)轴心抗拉强度4.1钢筋和混凝土结构的力学性能(3/4)混凝土的抗拉强度比抗压强度低得多,一般只有抗压强度的5%~10%4.1.3混凝土(3/11)4.1钢筋和混凝土结构的力学性能(3/4)4.混凝土在复合应力作用下的强度a.混凝土的双向受力强度双向受拉:强度接近单向受拉强度双向受压:抗压强度和极限压应变均有所提高一拉一压:强度降低4.1.3混凝土(4/11)4.1钢筋和混凝土结构的力学性能(3/4)b.混凝土的三向受压强度三向受压时,混凝土的抗压强度和极限变形都有较大提高4.1.3混凝土(5/11)4.1钢筋和混凝土结构的力学性能(3/4)在有剪应力作用时,混凝土的抗压强度将低于单轴抗压强度c.混凝土在正应力和剪应力作用下的复合强度4.1.3混凝土(6/11)二、混凝土的变形
cu
c
c0ABCDfc
0残余变形弹性变形OA—弹性阶段AB—微裂缝开展BC—弹塑性,竖向裂缝形成CD—下降段混凝土是弹塑性材料一)混凝土的受力变形1、混凝土的应力-应变关系4.1钢筋和混凝土结构的力学性能(3/4)受压混凝土一次短期加荷的应力-应变曲线4.1.3混凝土(7/11)2、混凝土的弹性模量测定4.1钢筋和混凝土结构的力学性能(3/4)4.1.3混凝土(8/11)影响因素:配合比、养护、应力条件对构件影响:增大变形;引起内力重分布;引起预应力损失3、徐变——砼在长期荷载作用下随时间而增长的变形原因:水泥胶凝体的流动性及内部微裂缝开展4.1钢筋和混凝土结构的力学性能(3/4)4.1.3混凝土(10/11)原因:水分蒸发影响因素:配合比、养护、体表比对构件影响:构件产生裂缝;引起预应力损失收缩——砼在空气中硬化体积减小的现象4.1钢筋和混凝土结构的力学性能(3/4)4.1.3混凝土(9/11)二)混凝土的非受力变形2、膨胀——砼在水中硬化体积增大的现象
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