结构设计原理 201297 chapter1

第1章钢筋混凝土结构的基本概念

及材料的物理力学性能1.1钢筋混凝土(reinforcedconcrete)结构基本概念1、为什么要将钢筋配置在混凝土结构中？素混凝土梁

破坏特征：一裂即断，脆性，破坏无预兆；Fmax≈8kN

破坏特征：裂不等于坏，破坏有预兆；Fmax≈46kN钢筋混凝土梁2在素混凝土结构中加入少量钢筋以后，构件的承载能力有很大提高，受力性能和破坏特征有明显改善。素混凝土柱与钢筋混凝土柱钢筋的作用：代替混凝土受拉或协助混凝土受压2、钢筋和混凝土为什么能共同工作？混凝土结硬后与钢筋牢固地粘结在一起，能相互传递应力，共同变形。钢筋与混凝土有相近的温度线膨胀系数钢筋：

c=1.2×10-5℃-1

混凝土：

c=1.0×10-5—1.5×10-5℃-1混凝土可以保护钢筋不发生锈蚀。材料性能

重点：混凝土和钢筋的种类及选用原则，钢筋与混凝土的黏结锚固问题。

难点：混凝土的收缩与徐变性能，

混凝土的本构关系与多轴受力下的强度。1.2混凝土concrete1.2.1混凝土的强度(thestrengthofconcrete)（1）混凝土立方体抗压强度fcu

形状：边长为150mm的立方体

1）试件：温度：20℃±3℃

相对湿度：90%以上养护时间：28天.2）影响因素:

——

试验方法（套箍作用）(图1-3)——

试件尺寸（尺寸越小,摩阻力影响越大,强度越高）。换算系数：1.05和0.95(a)Withoutgrease

(b)Withgrease

Cubicsizeofside(mm)Thecalculatingcoefficient200×200×2001.05150×150×1501.00100×100×1000.95●Thecubestrengthofconcreteisclassifiedintothefollowinggrades:C15,C20,C25,C30,C35,C40,C45,C50,C55,C60,C65,C70,C75,C80◆The“C”standsfor“concrete”andthefollowingnumeralsindicatethestandardcubestrengthfcu,k­(立方体抗压强度标准值)oftheconcreteinMPa.立方体抗压强度标准值：测得的具有95%以上保证率的抗压强度作为立方体抗压强度的标准值。（2）混凝土轴心抗压强度fc

(棱柱体强度)1)试件:150mm×150mm×300mm,制作方法同立方体试件.2)影响因素:

试件高度h与边长b之比,比值越大,轴心抗压强度越小.(图1-4)

Axially-compressedStrength(prismcompressivestrength)ofConcrete

测试方法(如下图）

（3）TensileStrengthofConcreteft(混凝土抗拉强度)1）Directpullingtest(直接拉伸试验)2）Splittingtest(劈裂试验)Empiricalformulaforthetensilestrengthofconcrete(混凝土抗拉强度经验公式)Directpullingtest:

Splittingtest:

◆Astheworkingconditionsbetweentheactualconcretememberandthespecimenaredifferent,intheChinesecode,thetensilestrengthofconcreteftistakenas

（4）复合应力状态下的混凝土强度1)双向应力：两个垂直平面上作用有法向应力,第三个平面上应力为零.强度变化特点:双向受压；双向受拉；一向受拉、一向受压

2)三向应力

混凝土三向受压时，各个方向上的抗压强度都有很大的提高。轴心抗压强度与侧压应力

2的关系有如下线性经验式.

混凝土强度提高的原因是由于侧向约束了混凝土受压后横向变形，限制了混凝土内部裂缝的产生和发展，从而提高了混凝土在受压方向上的抗压强度

混凝土圆柱体抗压强度三向受压状态下混凝土强度1.2.2deformationofConcrete(混凝土的变形)1.混凝土在单调、短期加载作用下的变形性能(1)Stress-straincurve(应力应变曲线)1）

上升段

OA线性段—虎克定理

AB塑性，裂纹稳定发展阶段

BC塑性，裂纹非稳定发展阶段2）

下降段CD3）

收敛段DE影响混凝土应力应变曲线的主要因素

1）混凝土的强度。上升段影响较小，下降段影响较大。强度越高，延性越差。延性是材料承受变形的能力）2）应变速率。（即加载速度）应变速率小，峰值应力降低，

增大。3）测试技术和试验条件（2）混凝土的弹性模量，变形模量（如图）

ModulusofElasticityofConcrete2)Tangentmodulusofelasticity(切线模量)3)Secantmodulusofelasticity(割线模量)弹塑性模量、变形模量适用于应力较大的情况1)Initialmodulusofelasticity(原点弹性模量)适用于应力较小的情况根据试验统计分析Ec的经验公式为弹性模量测定方法：受拉弹性模量=受压弹性模量theshearmodulusofelasticity(剪切模量)ofconcrete=0.4EcthePoissonratio(泊松比=横向应变/纵向应变)ofconcrete,inChinesecode=0.2.2.混凝土在长期荷载作用下的变形性能Long-termPropertiesofConcrete（1）CreepofConcrete(混凝土的徐变)混凝土的徐变：是指在荷载长期作用下应变随时间增长的现象影响徐变的因素：1）混凝土长期荷载作用下的应力

应力

≤0.5时，线性徐变；

0.5≤

≤0.8，时，非线性徐变

>0.8，非稳定徐变,不收敛。

3）混凝土的组成成分和配合比水泥用量越多，徐变越大；水灰比越大，徐变越大；骨料的弹性模量愈大，骨料体积在混凝土中所占的比重愈高，则徐变愈小。2）加载时混凝土的龄期加载时混凝土的龄期越短，则徐变变形越大4）养护及使用条件下的温度与湿度养护时温度高，湿度大，则水泥水化作用充分，徐变减小；受荷后所处环境的温度越高，湿度越低，则徐变越大5）构件尺寸、体表比（图1-17）尺寸越大，体表比越大，徐变越小徐变对钢筋混凝土结构的影响：产生应力重分布结构变形增大。在高应力状态，导致构件破坏。（2）ShrinkageofConcrete(混凝土的收缩)混凝土在空气中结硬时体积缩小的现象称为收缩混凝土在水中或处于饱和湿度情况下结硬时体积增大的现象称为膨胀①Plasticshrinkageofconcrete(混凝土的塑性收缩)硬化初期水泥石在水化凝固结硬过程中产生的体积变化②Dryingshrinkageofconcrete(混凝土的干燥收缩)自由水分蒸发而引起的干缩影响混凝土收缩的因素1）Amountofcement(水泥用量)和.Water-cementratio(水灰比).2）Aggregate(骨料).3）Mediumambientcondition(环境条件).4）Sizeoftheelement(构件尺寸).se◆1.steelwithaclearyieldingstrength(mildsteel)a’—proportionallimit

s=Esea’a—elasticlimitade—strainhardeningstagebb—upperyieldstrengthc—loweryieldstrength，即yieldstressfyccd—yieldplateauefue—ultimatetensilestrength

fu

fyfod1.3钢筋steelreinforcement1.3.1钢筋的强度与变形力学性能指标(1)Yieldingstrength(屈服强度)

(2)Ultimatetensilestrength(极限抗拉强度)

Theratioofultimatetensilestrength

toYieldingstrength(强屈比)(3)Percentageelongation(伸长率)

(4)Cold-bentProperty(冷弯性能图1-20)2.Hardeningsteelwithoutaclearyieldingstrength(硬钢-没有明显流幅的钢筋).a：

proportionallimit

，about0.75fu定义一个名义的屈服点，该点称为条件屈服点。残余应变为0.2%所对应的应力《规范》取s0.2=0.85

sb

1.3.2钢筋的成份、级别和品种1.成份碳素钢：以铁为主，加少量C、Mn等。按含C量又分为低碳

钢（C≤0.22%），中碳钢（C=0.25～0.6%），高碳

钢（C>0.6%）.普通低合金钢：在碳素钢成分中加入少量的合金元素，如Si、

Mn等。

2.等级

《公路桥规》对热轧钢筋按照强度分为五个等级，即I、II、III。

3.品种按外形特征分为：光圆钢筋和变形钢筋。变形钢筋分为螺旋钢筋、“人”字形钢筋和月牙形钢筋(图1-21。)HPB235(R235)HotrolledPlainBarHRB335HotrolledRibbedBarRRB400RolledRibbedBar1.4钢筋与混凝土之间的粘结一粘结力

1.粘结力：构件中的钢筋受到拉或压后，混凝土与钢筋之间存在水泥胶结力、摩擦力、机械咬合力，这些力统称为粘结力。

2.粘结应力：钢筋与混凝土由于受变形差（相对滑移）沿钢筋与混凝土接触面上产生的剪应力。3.平均粘结应力钢筋被拔出或者混凝土被劈裂时的最大平均粘结应力。

4.钢筋锚固长度确定锚固长度的原则：使钢筋拉到屈服时，钢筋和混凝土之间的粘结力未破坏。

2．变形钢筋与混凝土的粘结主要是变形钢筋表面凸出的肋与混凝土之间的机械咬合作用，如图1-25。变形钢筋的肋对混凝土的挤压如同一个楔，会产生很大的机械咬合