钢筋混凝土结构的基本概念-文档资料.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第一章 钢筋混凝土结构的基本概念,及其材料的物理力学性能,第一节 钢筋混凝土结构的基本概念,及其特点,1,一、钢筋混凝土结构的基本概念,概念,:,钢筋混凝土结构：是由配置受力的普通钢筋或钢筋骨架的,混凝土制成的结构。,由钢筋和混凝土结合在一起共同工作的材料，该材料可,充分利用,混凝土的抗压性能和钢筋的抗拉性能。,2,素混凝土梁,承载力低，一开裂即告破坏，破坏前无预,兆（为脆性破坏）,钢筋混凝土梁,承载力高，混凝土开裂后，其承担的拉应,力转移到钢筋，钢筋屈服后梁才破坏，破,坏前有预兆（为塑性破坏）。,配筋的作用：,（,1,）提高结构的承载力；,（,2,）调整结构的破坏形态。,3,混凝土的基本特性：,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,1/81/20,破坏时具有明显的,脆性性质,第一章,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或基础垫层、柱墩、室外地坪和一些非承重结构。,4,150,300,2500,素混凝土梁,第一章,f,c,=13.4N/mm,2,f,t,=1.54N/mm,2,5,P,cr,=9.7kN,150,300,f,c,=13.4N/mm,2,f,t,=1.54N/mm,2,f,t,s,c,=,f,t,2500,素混凝土梁,第一章,跨中受拉边缘应力达到,混凝土抗拉强度,时，梁底将开裂，梁随即破坏，表现为脆性断裂，无明显预兆。,6,P,cr,=9.7kN,150,300,f,c,=13.4N/mm,2,f,t,=1.54N/mm,2,f,t,s,c,=,f,t,2500,素混凝土梁,P,u,P,cr,s,c,=,f,t,f,t,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。,混凝土抗压强度高的特点未得到充分利用,。,第一章,录像,7,钢材的基本特点,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,但细长比过大使受压钢构件容易失稳，并易生锈,将,混凝土,和,钢材,这两种材料有机地结合在一起协同工作，可以取长补短，充分利用材料的性能，从而形成钢筋混凝土结构。,第一章,8,f,c,=13.4N/mm,2,f,t,=1.54N/mm,2,f,y,=335N/mm,2,150,300,2500,钢筋混凝土梁,2,f,16,第一章,在前面素混凝土梁底部配置,2,根钢筋,9,P,cr,=9.7kN,f,c,=13.4N/mm,2,f,t,=1.54N/mm,2,f,y,=335N/mm,2,f,t,s,c,=,f,t,150,300,2500,钢筋混凝土梁,2,f,16,第一章,开裂前，与素混凝土梁受力类似。当梁底应力达到,ft,时，梁受拉区将开裂。,10,P,cr,=9.7kN,f,c,=13.4N/mm,2,f,t,=1.54N/mm,2,f,y,=335N/mm,2,f,t,s,c,=,f,t,150,300,2500,钢筋混凝土梁,2,f,16,受拉区开裂后，混凝土退出工作，拉力由钢筋承担，荷载可以继续增加。,第一章,s,s,s,c,11,P,cr,=9.7kN,f,c,=13.4N/mm,2,f,t,=1.54N/mm,2,f,y,=335N/mm,2,f,t,s,c,=,f,t,150,300,2500,钢筋混凝土梁,2,f,16,当钢筋应力达到屈服后，钢筋所能承受的拉力不能再继续增加。梁的承载力比开裂前有很大增加。,P,y,50.0kN,第一章,f,y,s,c,12,P,cr,=9.7kN,f,c,=13.4N/mm,2,f,t,=1.54N/mm,2,f,y,=335N/mm,2,f,t,s,c,=,f,t,150,300,2500,钢筋混凝土梁,P,u,52.5kN,s,c,=,f,t,f,t,s,s,s,c,2,f,16,f,y,综上所述，根据构件受力状况配置钢筋构成钢筋混凝土构件后，可以充分利用钢筋和混凝土各自材料的特点，把它们有机结合在一起共同工作，从而,提高构件的承载能力,，改善构件的,受力性能,。,P,y,50.0kN,第一章,f,c,13,配筋的基本原则：使钢筋在结构中处于受拉；使混凝土在结构中处于受压。,钢筋与混凝土共同工作的原因：,（,1,）混凝土和钢筋有足够的粘结力，,（,2,）混凝土和钢筋的温度线膨胀系数大致相同，不会因温,度变化而破坏粘结力,（,3,）混凝土对钢筋有防锈作用。,14,二、钢筋混凝土结构的特点,钢筋混凝土耐久性好；,钢筋混凝土可模性好；,材料易于就地取材,，可降低工程造价；,钢筋混凝土结构抗裂性能较差，在正常使用时,往往是带裂缝工作。,钢筋混凝土结构的截面尺寸较大，自重也较大。,钢筋混凝土结构施工受气候条件影响较大；且,施工中需耗用较多的模板。,15,第二节 混凝土,一、混凝土强度,水泥混凝土：是以水泥为胶结材料，用普通砂石为集料，并以水为,原材 料，按专门设计的配合比，经搅拌、成型、养,护而得到的复合材料。,混凝土强度：是指混凝土材料达到破坏或开裂极限状态时所能承受,的应力。,1,、混凝土的抗压强度,1,）,立方体抗压强度,立方体抗压强度标准值,：采用标准方法制作，,养护,28,天龄期,的边长为,150mm,立方体试件,，以,标准试验方法测得的具有,95%,保,证率的抗压强度,(,以,MPa,计）。,用符号,f,cu,，,k,表示,立方体抗压强度,-,f,cu,它只是抗压强度的算术平均值,立方体抗压强度标准值,-,f,cu,，,k,具有,95%,保证率的抗压强度,16,17,标准值与平均值,:,第一组数据,:95,90,50,45,平均值,=70,第二组数据,:85,80,60,55,平均值,=70,如果我们要求要有,75%,的,保证率,标准值就是,50,和,60,规范习惯用,立方体抗压强度作为混凝土的抗压强度的基本指标。,用立方体抗压强度,标准值,表示混凝土的强度等级,用,C,表示。,按照,立方体抗压强度标准值将混凝土的强度划分为,14,个等级，从,C,15,C,80,级差为,5N/mm,2,强度标准值,=,强度平均值,-1.645,倍均方差,18,一、混凝土强度,2,）混凝土轴心抗压强度,实际工程中，一般的受压构件不是立方体而是棱柱体，即构件的高度要比截面的尺寸大。一般用,h/b=3,4,的棱柱体抗压强度来代表混凝土单向均匀受压时的抗压强度。,轴心抗压强度采用棱柱体试件测定，用符号,f,C,表示，它比较接近实际构件中混凝土的受压情况，我国通常取,150mm150mm450mm,的棱柱体试件。,轴心抗压强度标准值：用符号,f,cK,表示,19,一、混凝土强度,2,、混凝土抗拉强度,混凝土轴心抗拉强度,f,t,是采用,100mm100mm500mm,的棱,柱体，两端设有螺纹钢筋,(,图,1-7),，在实验机,上受拉来测定的。,当试件拉裂时测得的,平均拉应力,即为混,凝土的,轴心抗拉强度,。,实验表明，混凝土的抗拉强度比抗压强,度低得多，混凝土轴心抗拉强度只是混凝土,立方体抗压强度的,1/18,1/8,倍,而且随混凝,土强度等级的提高而减小。,轴心抗拉强度标准值：用符号,f,tK,表示,20,3,、,混凝土强度标准值与设计值,混凝土强度的标准值具有,95%,的保证率。,混凝土强度设计值约为,0.8,0.86,倍标准值。,标准值与平均值,:,第一组数据,:95,90,50,45,平均值,=70,第二组数据,:85,80,60,55,平均值,=70,可见,平均值没有保证率。,21,混凝土的变形分为：,受力变形、非受力变形,1.,混凝土的应力,-,应变关系,混凝土在单轴短期单调加载过程中的应力,-,应变关系,(-,曲线,),是混凝土最基本的力学性能之一,它是研究钢筋混凝土构件的强度、裂缝、变形、延性所必需的依据,.,(1),受压混凝土一次短期加荷的,-,曲线,2.8,荷载作用下混凝土的变形性能,二、混凝土的变形性能,22,23,图,1-23,是实测的典型混凝土棱柱体的,-,曲线，有上升段和下降段上升段的特点：,0A:,第,I,阶段,(,弹性阶段）,(=0.3,0.4,f,c),，由于试件应力较小，混凝土的变形主要是骨料和水泥结晶体的弹性变形，应力应变的公关系接近直线，,A,点称为比例极限点。,A,B:,第,II,阶段,(,稳定裂缝扩展阶段），,临界点,B,相对应的应力可作为长期受压受强度的依据,(,一般取,0.8,f,C,),24,BC,：第,III,阶段（裂缝快速发展阶段）,，,应力达到的最高点为,f,c,。,f,c,相对应的应变称为峰值应变,0,。一般,0,=0.0015,0.0025,，平均取,0,=0.002,。,在,f,c,以后,，裂缝迅速发展，结构内部的整体性受到愈来愈严重的破坏，,试件的平均应力强度下降，当曲线下降到拐点,D,后，曲线,-,由凸向水平方向发展，在拐点,D,之后，,-,曲线中曲率最大点,E,称为,“,收敛点,”,、,E,点以后主裂缝已很宽,.,结构,内聚力几乎耗尽对于无侧向约束的混凝土已失去结构的意义。,不同强度混凝土的,-,曲线见图,1-24,所示,。,25,从混凝土的应力,-,应变曲线可以看出,:,混凝土的应力,-,应变关系图形是一条曲线,这说明,混凝土是一种弹塑性材料,只,有当压应力很小时,才可将其视为弹性材料。,曲线分为上升段和下降段,说明混凝土在破坏过程中,承载力由一个从增加到减少的过程,当混凝土的压应力,达到最大时,并,不意味着立即破坏,.,因此,混凝土最大应变对应的不是最大应力,最大应力对应的也不是最大应变,.,影响混凝土应力,-,应变曲线形状的因素很多,如,混凝土强度、组成材料的性质及配合比、试验方法及约束情况,等,.,26,强度等级越高，线弹性段越长，峰值应变也有所增大。但高强混凝土中，砂浆与骨料的粘结很强，密实性好，微裂缝很少，最后的破坏往往是骨料破坏，破坏时脆性越显著，下降段越陡。峰值应力,fc,所对应的应变,0,约为,0.002,左右，应力小于,0.3,fc,时混凝土处于弹性阶段，混凝土内部几乎没有裂缝，,0.3,0.8,fc,之间，混凝土内部裂缝发展，但能保持稳定，大于,0.8,fc,混凝土内部裂缝发展很快，塑性变形显著增大，体积应变逐渐由压缩转为扩张。,0,图,1-10,不同强度混凝土的应力,-,应变关系曲线,fc,0.3,fc,27,2.,混凝土在多次重复荷载下的应力,-,应变关系,(1),多次重复加荷,:,将混凝土棱柱体试块加荷使其压应力达到某个数值,然后卸荷至零,并把这一循环多次重复下去,就称为多次重复加荷,.,(2),混凝土的疲劳抗压强度,:,通常把能使试件在循环,200,万次或次数稍多时发生破坏的压应力,.,(3),疲劳破坏,:,混凝土在重复荷载作用下的这种破坏,.,混凝土在重复荷载作用下的应力,应变曲线,混凝土的疲劳强度,f,/,c0.5fc,28,2,）混凝土在重复荷载作用下的应力,应变曲线,混凝土的疲劳强度,f,/,c,0.5f,c,3,）,混凝土在荷载长期作用下的变形性能,徐变,:,混凝土在荷载的长期作用下，其变形随时间而不断增长的现象称为徐变。,29,徐变会使结构（构件）的（挠度）变形增大，引起预应力损失，在长期高应力作用下，甚至会导致破坏。,不过，徐变有利于结构构件产生内（应）力重分布，降低结构的受力（如支座不均匀沉降），减小大体积混凝土内的温度应力，受拉徐变可延缓收缩裂缝的出现。,与混凝土的收缩一样，徐变与时间有关。因此，在测定混凝土的徐变时，应同批浇筑同样尺寸不受荷的试件，在同样环境下同时量测混凝土的收缩变形，从徐变试件的变形中扣除对比的收缩试件的变形，才可得到徐变变形。,30,在应力（,0.5,f,c,）作用瞬间，首先产生瞬时,弹性应变,，随荷载作用时间的延续，变形不断增长，前,4,个月徐变增长较快，,6,个月可达最终徐变的（,7080,）,%,，以后增长逐渐缓慢，,23,年后趋于稳定。,t,加荷瞬时应 变,徐变应变,残余应 变,卸荷瞬时,恢复应变,卸 荷 后,弹性后效,图：,1-15,31,影响徐变得因素,内在因素,是混凝土的组成和配比。骨料的刚度（弹性模量）越大，体积比越大，徐变就越小。水灰比越小，徐变也越小。,环境影响,包括养护和使用条件。受荷前养护的温湿度越高，水泥水化作用越充分，徐变就越小。采用蒸汽养护可使徐变减少（,2035,）,%,。受荷后构件所处的环境温度越高，相对湿度越小，徐变就越大。,32,2,、混凝土的收缩变形,混凝土在水中硬化时体积会膨胀，但其值较小，对混凝土影响不大。,混凝土在空气中硬化时体积会缩小，这种现象称为混凝土的 收缩。,收缩是混凝土在不受外力情况下体积变化产生的变形。,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。,某些,对跨度比较敏感的超静定结构,（如拱结构），收缩也会引起不利的内力。,33,楼板干燥收缩裂缝与边框架的变形,图：,1-16,34,混凝土的收缩是随时间而增长的变形，,早期收缩变形发展较快，两周可完成全部收缩的,25%,，一个月可完成,50%,，以后变形发展逐渐减慢，整个收缩过程可延续两年以上。,一般情况下，最终收缩应变值约为,(25)10,-4,混凝土开裂应变为,(0.52.7)10,-4,图：,1-17,35,引起收缩的主要原因：,干燥失水是引起收缩的重要因素。,使用环境的温度越高、湿度超低，收缩越大,.,蒸汽养护的收缩值要小于常温养护的收缩值，这是因为高温可加快水化作用减少混凝士的自由水分加速了凝结与硬化的时间。,通过试验还表明，水泥用量越多、水灰比越大，收缩越大；骨料的级配好、弹性模量大，收缩越小；构件的体积与表面积比值大时，收缩小。,36,对于养护不好的混凝土构件，表面在受荷前可能产生收缩裂缝。需要说明，混凝土的收缩对处于完全自由状态的构件只会引起构件的缩短而不开裂。对于周边有约束而不能自由变形的构件，收缩会引起构件内混凝土产生拉应力，甚至会有裂缝产生。,在不受约束的混凝土结构中，钢筋和混凝土由于粘接力的作用，相互之间变形是协调的。混凝土具有收缩的性质。而钢筋并没有这种性质，钢筋的存在限制了混凝土的自由收缩,使混凝土受拉、钢筋受压，如果截面的配筋率较高时会导致混凝土开裂。,37,4),混凝土的弹性模量和变形模量,弹性模量：通过应力应变曲线原点的切线斜率，用,E,c,表示，也叫原点模量。,变形模量：在应力应变曲线上取一点，将该点与原点相连得到的直线的斜率，用,E,c,来表示，也叫割线模量。,割线模量,切线模量,弹性系数,n,随应力增大而减小,n,=10.5,原点切线模,图：,1-13,38,39,40,41,42,43,1.3,钢筋,1.3.1,钢筋的强度与变形,力学性质：在外力作用下材料在变形和破坏方面所表现出的力学性能,一 试件和实验条件,常温、静载,2-4,目 录,44,二 低碳钢的拉伸,目 录,45,46,47,48,49,50,51,钢筋的应力,-,应变曲线,明显的四个阶段,1,、弹性阶段,ob,比例极限,弹性极限,2,、屈服阶段,bc,（失去抵抗变形的能力）,屈服极限,3,、强化阶段,ce,（恢复抵抗变形的能力）,强度极限,4,、径缩断裂阶段,ef,目 录,52,两个塑性指标,:,延伸率,断面收缩率,为塑性材料,为脆性材料,低碳钢的,为塑性材料,目 录,53,四 其它材料拉伸时的力学性质,对于没有明显屈服阶段的塑性材料，用名义屈服极限,0.2,来表示。,目 录,54,三 卸载定律及冷作硬化,1,、弹性范围内卸载、再加载,2,、过弹性范围卸载、再加载,即材料在卸载过程中应力和应变是线形关系，这就是,卸载定律,。,材料的比例极限增高，延伸率降低，称之为,冷作硬化或加工硬化,。,目 录,55,对于脆性材料（铸铁），拉伸时的应力应变曲线为微弯的曲线，没有屈服和径缩现象，试件突然拉断。断后伸长率约为,0.5%,。为典型的脆性材料。,b,拉伸强度极限（约为,140MPa,）。它是衡量脆性材料（铸铁）拉伸的唯一强度指标。,目 录,56,57,58,59,