第三章钢筋混凝土

第三章钢筋混凝土构件的基本受力性能有两类构件——轴心受拉构件和轴心受压构件正截面承载力的计算。有些构件，如恒载很大的多层多跨房屋的底层中间柱、桁架的受拉及压腹杆，圆形贮液池的池壁等，实际存在的弯矩很小，常可以忽略不计，可以按照轴心受力构件设计。3.1轴心受拉构件的受力性能如图钢筋混凝土轴心受拉构件，混凝土截面积Ac，钢筋面积As，受轴拉力N。 轴心受拉构件其受力过程可分为三个受力阶段。第1阶段为从加载到混凝土受拉开裂前；第2阶段为混凝土开裂后至钢筋屈服；第3阶段为受拉钢筋开始屈服到全部受拉钢筋达到屈服，此时，混凝土裂缝开展很大，可认为构件达到了破坏状态，即达到极限荷载N.1、开裂前，钢筋与混凝土应变相等。有:εs=εc=ε由材料的物理关系可得：σs=Esεs=Esεσc=Ec’εc=νEcεc=νEcεν—为混凝土的弹性系数。所以 αE=Es/Ec---称为钢筋和混凝土的换算系数。由受力平衡关系可得：N=σcAc+σsAs即令ρ=As/Ac---称为配筋率---称为换算截面。故有N=σcA0荷载的增加，混凝土的应力增大，弹性系数减小，当混凝土达抗拉强度时，弹性系数ν为0.5，可得轴拉构件的开裂荷载Ncr为：Ncr=ftAc(1+2αEρ） 开裂后，裂缝处混凝土应力变为0，此处钢筋应力有一增量，即钢筋应力为σs=Ncr/As可见，在混凝土开裂时，构件截面上的应力分布发生变化，即产生了应力重分布。应力重分布是所以钢筋混凝土构件开裂时共有的。如配筋足够，混凝土开裂后，拉力可继续增加直到钢筋屈服，构件即达到极限承载力：Nu=fyAs可以看到钢筋混凝土受拉构件有以下受力特性：1、荷载与应力及变形的关系不是线性关系，材料力学的分析方法不适用；2、配筋多少几乎不影响混凝土的开裂荷载； 3、混凝土开裂后，截面发生内力重分布；4、构件通常带裂缝工作。最小配筋率---钢筋混凝土受拉构件的极限承载力Nu与相同截面素混凝土构件的承载力Nc(开裂荷载）相等，此时的配筋率称为钢筋最小配筋率。3.2轴心受压构件的受力性能钢筋混凝土短柱在轴心荷载作用下，截面的压应变基本为均匀分布，从开始加载直到破坏，其纵筋与混凝土的压应变始终相同。构件截面积为A，混凝土面积为Ac，纵筋面积为A’s,截面平衡条件：N=σcAc+σsA’s试验表明，素混凝土棱柱体构件达到最大压应力值fc时的压应变值约为0.0015-0.002，而钢筋混凝土短柱达到应力峰值时的压应变一般为0.0025--0.0035之间。 其主要原因是纵向钢筋起到了调整混凝土应力的作用，使混凝土的塑性性质得到了较好的发挥，改善了受压破坏的脆性性质。破坏时，一般是纵筋先达到屈服强度，此时可继续增加一些荷载；最后混凝土达到极限压应变值，构件破坏。《混规》规定，混凝土达到轴心受压强度fc时，取压应变为ε0=0.002。1、屈服应变小于ε0的钢筋钢筋达到屈服时，构件压应变未达ε0，荷载继续增加，钢筋应力保持不变，混凝土应力继续增加达轴心抗压强度fc，构件压应变达ε0，构件达最大承载力：Nu=fcAc+f’yA’s 2、屈服应变大于ε0的钢筋构件压应变达到ε0时，混凝土应力达到抗压强度fc，此时钢筋处于弹性阶段，应力未达屈服强度fy。相应轴压力为：Nu=fcAc+Esε0A’s即为构件能承受的最大轴压力。综上所述，混凝土峰值应力对应的应变约为，对应的钢筋应力为Esε0=400N/mm2。因此受压纵筋抗压强度大于400N/mm2，只能取400N/mm2参与计算，故配高强钢筋不能充分利用其抗压强度。轴压短柱的承载力为：Nu=fcAc+f’yA’s 3.3收缩和徐变的影响1、收缩的影响混凝土收缩，但钢筋的存在要限制其自由收缩，引起收缩应力。因此钢筋中要产生压应力和压应变；混凝土中要产生拉应力和拉应变。配筋率愈大，混凝土的拉应力愈大，可能超过混凝土抗拉强度使混凝土开裂。2、徐变的影响在外荷载不变的情况下，徐变随时间的增长而增加，因此钢筋的压应力不断增大，混凝土的压应力不断减小，即徐变引起了应力重分布。配筋率愈大，混凝土压应力减小愈多。 3.4梁的受弯性能3.4.1适筋梁的试验研究纵向受拉钢筋配置适当（不太多，也不太少）的梁，称为适筋梁。1．试验概况 适筋梁的受力全过程可分为三个阶段，各阶段的受力性能和特征如下：（1）第I阶段——截面整体工作阶段开始加载到混凝土开裂前。截面应变分布符合平截面假定，截面应力为直线变化，如图（a）。当混凝土拉应力达到抗拉强度时，相应的弯矩称为开裂弯矩Mcr。此时受拉区混凝土有明显塑性，拉应力 呈曲线分布，而压应力较小，应力是直线分布，如图（b）。（2）第II阶段——带裂工作阶段由于受拉区混凝土开裂而退出工作，拉力几乎全部由纵向受拉钢筋承担，仅中和轴附近很少一部分混凝土仍未开裂而承担很少一点拉力。受压区混凝土应力呈微弯的曲线分布，如图（c)。钢筋混凝土梁正常工作基本处于这个阶段，故钢筋混凝土梁是带裂缝工作的，因此裂缝宽度和变形要以此阶段受力状态分析为依据。（3）第III阶段——破坏阶段理论上它是从受拉钢筋屈服开始到受压区混凝土破坏的一个阶段，但纵向受拉钢筋屈服后，其拉力大小不变，荷载（弯矩）的增加只能靠裂缝宽度的开展，中 性轴上移，受压区混凝土压应力合力作用线上移，从而增大内力偶臂来实现，增幅有限。由于混凝土压碎前构件有很大的变形，适筋梁的破坏属于延性破坏。破坏时的弯矩称为极限弯矩Mu。3.4.2钢筋混凝土梁的受力特点1、钢筋和混凝土的应力不与弯矩成正比；2、钢筋混凝土梁的中性轴随弯矩的增加不断抬高；3、钢筋混凝土梁的随弯矩的增加不断减小，即梁的刚度不是常数；3.4.3破坏特征与配筋率的影响钢筋面积与构件截面积之比称为配筋率。配筋率适当的适筋梁，破坏时受拉钢筋屈服，尔后混凝土压碎，构件有很大变形。 当配筋率较大时，梁破坏时受压混凝土压碎，但受拉钢筋没有屈服，构件变形很小，属脆性破坏。此时梁常称为超筋梁。当配筋率较小时，受拉区混凝土开裂后，释放的应力使钢筋屈服梁迅速破坏，即“一裂就坏”，构件几乎没有变形。此时梁称为少筋梁，属脆性破坏。钢筋混凝土梁的设计应使配筋满足适筋梁的要求。 3.4.4截面应力分析试验证明，钢筋混凝土虽然是弹塑性材料，但平截面假定还是合适的，应力分析可按材料力学线弹性梁的思路进行。分析时要根据钢筋和混凝土所处的受力状态，采用相应的材料物理关系。3.4.5极限弯矩当受压边缘混凝土达到极限压应变，此时受拉区混凝土严重开裂，可以认为不参予受力，此时的弯矩为钢筋混凝土梁的极限弯矩。3.5承载力和延性钢筋混凝土破坏有三种基本形式： 1、延性破坏配筋合适的构件（如适筋梁）破坏时，有较大的变形，材料能得到充分利用，构件承载力取决于配筋率和钢筋屈服强度。2、受拉脆性破坏承载力小，并取决于混凝土的抗拉强度，破坏特征与素混凝土相似，一般配筋少得构件（如少筋梁）发生此类破坏。3、受压脆性破坏有较大的承载力，且取决于混凝土抗压强度，破坏有突然性，变形能力与混凝土受压基本相同，如超筋梁等发生此类破坏。延性---指构件在破坏阶段的变形能力，一般用延性系数表示。