建筑结构课件：第三章 混凝土结构

第三章混凝土结构第一节钢筋和混凝土材料的力学性能一.混凝土结构的基本概念钢筋混凝土结构、型钢混凝土结构、钢管混凝土结构、预应力混凝土结构和素混凝土结构等均称为混凝土结构。型钢混凝土结构、钢管混凝土结构通常被称为钢-混凝土组合结构。本课程讲的主要是钢筋混凝土和预应力混凝土结构。 钢筋与混凝土共同工作的条件：钢筋和混凝土两种材料的物理力学性能很不相同，它们可以结合在一起共同工作，是因为：ò钢筋和混凝土之间存在有良好的粘结力，在荷载作用下，可以保证两种材料协调变形，共同受力；ò钢筋与混凝土具有基本相同的温度线膨胀系数：钢材为1.2×10-5，混凝土为(1.0~1.5)×10-5，因此当温度变化时，两种材料不会产生过大的变形差而导致两者间的粘结力破坏。ò混凝土裹住钢筋，使其不易锈蚀，也不致因火灾使其迅速达到软化温度而破坏 二.混凝土混凝土的组成水泥(或胶凝体）、水、骨料、砂，拌合后形成水泥石、水泥凝胶、晶体骨架、未水化完的水泥颗粒和凝胶孔。水胶比（水灰比）：混凝土的用水量与所有胶凝材料的比值（重量），实际就是用水量。混凝土中起到凝结作用的称为胶凝材料，水泥都很熟悉，还有粉煤灰、矿粉、硅灰、火山灰、沸石粉等有凝结作用的材料。 1．混凝土的强度荷载的性质和受力条件不同，使混凝土具有不同的强度。立方体抗压强度单向应力状态下的强度轴心抗压强度轴心抗拉强度复合应力状态下的强度双向受力强度三向受压强度 （1）混凝土的立方体抗压强度和强度等级fcuk,我国将立方体抗压强度值作为混凝土强度的基本指标，以此来划分混凝土的强度等级。立方体抗压强度值由试验得到：标准试验条件 混凝土强度等级－－－f是按立方体抗压强度标准值确定的―－cu,k共14级，用C表示：C15,C20,C25,C30,……C80。•例如C20,表示2f=20Nmm/cuk, （2）混凝土的轴心抗压强度fckfc用标准棱柱体试件（150X150X300mm3）采用标准试验方法（与立方体相同）测定的混凝土抗压强度――轴心抗压强度。一般认为当h/b=2~3时，可以消除摩擦力的影响，中间段为纯压状态，接近实际受力情况。 （3）混凝土的轴心抗拉强度ftftk一般只为抗压强度的1/17~1/8。混凝土强度越高，f与f的比值越小。tkcu,k轴心抗拉强度可由试验直接测得。 ò混凝土的三向受压强度ò混凝土在三向受压时，由于侧向压应力的约束作用，最大的主压应力轴的抗压强度大大增大。ò实际工程中，配有螺旋钢箍柱、钢管混凝土柱等都是利用此性质，使混凝土强度、延性大大提高。ò“套箍作用”、约束混凝土 2.混凝土的变形混凝土的变形分为:一次短期加载下的变形ò混凝土的受力变形荷载长期作用下的变形ò混凝土的体积变形收缩、膨胀、温度变化 （1）混凝土的受力变形混凝土的应力——应变曲线（通过应力——应变曲线，可以了解混凝土各阶段的强度和变形）采用棱柱体试件测定混凝土受压时应力——应变全曲线，包括：上升段和下降段 特点：ò混凝土的应力应变图形是一曲线，说明混凝土是一种弹塑性材料，只有压应力很小时，才可视为弹性材料。ò混凝土强度对应力应变曲线下降段有较大影响，混凝土强度高，应力下降快，延性越差；强度低，下降段越平缓，延性好。ò不同等级的混凝土达到轴心抗压强度时，ε=0.0020 (2)荷载长期作用下混凝土的变形性能混凝土在长期荷载持续作用下，随时间而增长的变形，称为混凝土的徐变。徐变产生的原因：混凝土中一部分未转化为结晶体的水泥胶凝体，在应力的长期作用下产生变形；混凝土内部的微裂缝，在荷载的作用下不断增加和扩展徐变的增长是先快后慢，前6个月可达最终徐变的70～80％，第一年可完成90％，2～3年后徐变基本终止。 徐变对混凝土结构性能的影响：可以增大构件变形（如梁的挠度增大）；可使偏心受压构件的偏心距增大，降低构件的承载力；引起内力重分布；在预应力混凝土构件中，会导致预应力损失。减小徐变的措施：1）选用优质骨料、优质水泥，减小水泥用量和水灰比。2）尽量振捣密实，加强养护，保持温度、湿度。3）适当控制混凝土的加载龄期和初应力的大小。 （3）混凝土的收缩－－体积变形混凝土在空气中结硬时体积减小的现象——收缩收缩与时间有关，一个月完成总收缩量的50％，半年完成80～90％。一般两年后趋于稳定。最终收缩应变为2～5×10-4混凝土收缩由胶凝体本身的体积收缩和混凝土失水体积收缩组成。当这种自发的变形受到外部（支座）或内部（钢筋）的约束时，将使混凝土中产生拉应力，甚至引起混凝土的开裂。混凝土收缩会使预应力混凝土构件产生预应力损失。 三钢筋的主要力学性能1、钢筋的品种和级别（一）钢筋的品种（分类）按化学成分分类：低碳钢碳素钢中碳钢随含碳量增加，钢筋强度提高，高碳钢塑性性能降低。普通低合金钢：除碳素钢已有的成分外，再加入少量的硅、锰、钛、钒、铬等合金元素。加入后可有效提高钢材强度，改善钢材其它性能。 按外形分类光面钢筋——表面光滑，与混凝土粘结力差。变形钢筋——表面带肋，螺旋纹、人字纹、月牙纹，与混凝土粘结力高。热轧钢筋（用于钢筋混凝土结构）按生产工艺分类预应力钢丝和钢绞线、热处理钢筋（用于预应力混凝土结构）冷加工钢筋（用于预应力混凝土结构） （二）钢筋的级别热轧钢筋：由普通（低碳）碳素钢、普通低合金钢或细晶粒钢轧制而成。一般有8个牌号。常用热轧钢筋的级别、符号和形状屈服强度标准值屈服强度设计值牌号符号形状300270HPB300光面HRB335335300变形HRBF335HRB400400360HRBF400变形RRB400HRB500变形500435HRBF500性能：随着钢筋级别的增加，强度提高，塑性降低。 刻痕钢丝D—公称直径A—3股钢绞线量测尺寸螺旋肋钢丝钢绞线图2-1常用钢筋形式 2、钢筋的强度和变形应力——应变曲线分两类：•有明显的流幅：热轧钢筋（软钢）•无明显的流幅：高碳钢（硬钢）（预应力钢丝、钢绞线、热处理钢筋）设计强度取值依据：•有明显流幅钢筋，取其屈服点强度作为设计取值依据。•无明显流幅钢筋，取σ0.2作为条件屈服强度。 四、钢筋和混凝土的粘结1.粘结力的组成钢筋和混凝土接触面上的化学胶着力混凝土收缩握裹钢筋而产生的摩阻力钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的机械咬合力钢筋端部的锚固力光圆钢筋粘结力主要来自胶着力和摩阻力。变形钢筋粘结力主要来自机械咬合力。 2、影响粘结强度的主要因素：混凝土强度等级：粘结强度与混凝土的抗拉强度大致成比例，随混凝土强度等级的提高而提高；保护层厚度及钢筋净距：越大，粘结强度越高；横向钢筋及侧向压应力：可以限制裂缝的发展、提高粘结强度；浇筑混凝土处钢筋所处的位置：钢筋表面特征：钢筋表面粗糙，粘结强度高。 3.保证钢筋和混凝土粘结力的构造措施钢筋要保证基本的锚固长度和最小搭接长度；满足钢筋最小间距和混凝土保护层最小厚度；加密箍筋（接头范围内）；钢筋端部设弯钩（光面钢筋）。