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思维导图

U745848833

2023-09-27

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钢筋混凝土结构

有利方面

影响因素

原因

钢筋混凝土结构详解

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思维导图大纲

概述

一、钢筋混凝土结构的定义

钢筋混凝土结构:由配置受力的普通钢筋或钢筋⻣架的混凝土制成的结构

混凝土:非均匀材料:抗压强度高，抗拉强度很低，为抗压强度的 (1/8~1/18)

钢筋:抗拉和抗压强度都很高，主要承受拉力

钢筋混凝土是如何互相成就

钢筋的加入改善了梁的性能

承载力提高

脆性变延性

钢筋和混凝土共同工作的原因

二者之间有良好的粘结力

两者温度线膨胀系数接近

混凝土 ct = 1.0 ~ 1.5 10–5

钢筋 st = 1.2 10–5

混凝土包住钢筋，可以防止钢筋生锈

钢筋混凝土结构的主要优缺点

优点

就地取材，节约钢筋;

耐久性好，耐火性好;

建筑耐火性

一级:钢筋混凝土结构或砖墙与钢筋混凝土结构组成的混合结构;

二级:钢结构屋架、钢筋混凝土柱或砖墙组成的混合结构;

三级:木屋顶和砖墙组成的砖木结构;

四级:木屋顶、难燃烧体墙壁组成的可燃结构

可模性好，便于结构型式的实现;

现浇结构的整体性好

建筑的整体性

砌体结构

预制楼板结构

框架结构

框架-剪力结构

缺点

自重大使用轻⻣料砼

抗裂性能差，带裂缝工作;解决方法是施加预应力

施工受气候条件影响，建造期⻓

耗费较多的模具和木料

加固和改建较困难，隔热和隔声性能较差

混凝土

定义

混凝土是用水泥、砂子和石子三种材料，经水拌和凝固硬化后制成的人工石材

混凝土的强度（三个强度指标）

f cu 混凝土立方体抗压强度

定义

真实反映以受压为主的混凝土结构构件的抗压强度，用150mm×150mm×300mm棱柱体为标准试件测得的抗压强度

换算

100×100 ×300 换算系数 0.95 200×200 ×400 换算系数 1.05

轴心抗压强度标准值与立方体抗压强度标准值的换算(一般不用): fck =0.88αfcu,k

C50及以下混凝土， α=0.76 ;C55~C80混凝土， α=0.76~0.82考虑C40以上混凝土具有脆性，还需取折减系数C40~C80为1.0~0.87，中间按直线插入

fc 混凝土(轴心)棱柱体抗压强度

定义

是钢筋混凝土构件设计中确定混凝土抗裂度的重要指标

试验方法

直接拉伸法

劈裂法

ft 混凝土轴心抗拉强度

换算方法（无法试验时使用）

作用

根据混凝土立方体抗压强度标准值，可将混凝土强度从C25~C80共分为14个等级，中间以5MPa进级。C50以下为普通强度混凝土， C50 及以上为高强度混凝土。

复杂应力状态下的混凝土强度

双向正应力作用

正应力和剪应力作用(混凝土的抗压强度由于剪应力的存在而降低)

当 σ/fc<(0.5~0.7)时,抗剪强度随压应力的增大而增大

当 σ/fc >(0.5~0.7)时,抗剪强度随压应力的增大而减小

当压应力在0.6fc 左右时，抗剪强度达到最大，压应力继续增大，则由于内裂缝发展明显，抗剪强度将随压应力的增大而减小

三轴受压（抗压强度提高）

混凝土圆柱体三向受压的轴心抗压强度与f侧压的经σ验公式:

工程应用

钢管混凝土、密配螺旋箍筋、纵向钢筋、螺旋钢筋

混凝土的变形

受力变形

瞬间（一次短期、单调）加载下的变形

混凝土的应力应变曲线

影响因素

混凝土强度

混凝土强度愈高，下降强度愈陡，延性愈差（延性是材料承受变形的能力）

加载速度

应变速率小，fc降低， c0 增大，下降段减缓

测试条件

采用等应变加载

试验机的刚度应足够大，否则无法测出应力应变曲线的下降段

应变测量的标距也有影响，应变量测的标距愈大，曲线坡度陡;标距愈小，坡度愈缓

侧向约束

无润滑剂，破坏时，形成两个对顶叠置的截头方锥体，测得的强度较高

涂润滑剂，破坏时，竖向平行裂缝，测得的强度较低

弹性模量

原点弹性模量

初始弹性模量) ——过原点作切线，该切线的斜率

切线弹性模量

过应力应变曲线上某一点 (h)作切线，该切线的斜率

割线弹性模量

—连接混凝土应力应变曲线的原点o及曲线上某一点K，该割线的斜率，称割线模量或弹塑性模量

重复荷载作用下的变形

经验公式

长期荷载作用下的变形

徐变

定义

在荷载的⻓期作用下，混凝土的变形将随时间而增加，亦即在应力不变的情况下，混凝土的应变随时间继续增⻓，这种现象被称为徐变。

原因

在荷载⻓期作用下，混凝土凝胶体中的水分逐渐压出，水泥石逐渐发生粘性流动，微细空隙逐渐闭合，结晶体内部逐渐滑动，微细裂缝逐渐发生等各种因素的综合结果。(凝胶体的粘性流动要持续一个较⻓时间，内部裂缝不断产生和发展)

影响因素

加载龄期

加载龄期越老，水泥石晶体所占比重越大，胶体粘流就越小，徐变就越小

加载应力大小

当应力 σ ≤ 0.5 fc 时，徐变大致与应力成正比

当应力 σ ≤ (0.5 ~ 0.8) fc 时，徐变的增⻓较应力快

当应力 σ > 0.8 fc 时，徐变急剧增加

周围湿度

混凝土周围的湿度是影响徐变大小的主要因素之一，外界相对湿度越低，混凝土的徐变就越大。(高温干燥环境加大徐变)

混凝土的组成成份和配合比

水泥用量、水灰比、水泥品种，养护条件等对徐变有影响，水泥用量多，水灰比大，徐变则大，水泥的活性越低，徐变越大

影响

不利方面

引起挠度增大，造成预应力损失

有利方面

减少由于支座不均匀沉降产生的应力

分散应力集中，引起应力重分布(由于徐变而使应力集中缓和);降低温度应力。

收缩

定义

定义:在混凝土凝结和硬化的物理化学过程中体积随时间推移而减小的现象称为收缩

原因

硬化初期，水泥石在凝固过程中产生的体积变化(化学性收缩，本身的体积收缩); 后期，主要是混凝土内自由水分蒸发而引起的干缩(物理收缩，失水干燥)

影响因素

混凝土的组成和配比;

构件的养护条件、使用环境的温度和湿度以及凡是影响混凝土中水分保持的因素;

构件的体表比:比值越小，收缩越大

对结构的影响

构件未受荷之前产生裂缝

预应力构件中预应力损失

超静定结构产生次内力

对混凝土的要求

和易性好

强度要高

耐久性好

经济上要节省

钢筋

品种

《公路桥规》规定公路桥梁钢筋混凝土结构使用的热轧钢筋牌号为HPB300、HRB400、HRB500、HRBF400和RRB400。预应力钢筋应选用钢绞线和钢丝，中小型构件或竖、横向钢筋也可选用精轧螺纹钢筋

分类

按化学成分分类＇

碳素钢

低碳钢

中碳钢

高碳钢

普通低合金钢

按钢筋的加工方法

热轧钢筋

光圆钢筋

HPB300

带肋钢筋

(HRB400、HRB500、HRBF400和RRB400

热处理钢筋

冷拉钢筋

冷轧带肋钢筋

冷轧扭钢筋

冷加工钢筋

按力学能力分类

软钢:有明显屈服台阶的钢筋(热轧钢筋、冷拉钢筋)

硬钢:无明显屈服台阶的钢筋(高强碳素钢丝、钢绞线)

钢筋的强度

软钢

四个弹性阶段

四个特征值

取屈服强度 fy 作为强度设计依据

屈强比

屈服强度比极限抗拉强度

表示结构的可靠性潜力，屈强比小则结构可靠性高，但太小刚才利用率太低

硬刚（无明显流幅钢筋）

经加载、卸载后尚存有0.2%的残余变形时的应力，用 0.2表示。一般取极限强度的85%

钢筋的变形

塑性指标-伸⻓率和冷弯性能

伸⻓率——又称延伸率，e点所对应的横坐标，用(指标注为10倍或5倍钢筋直径)表示

冷弯性能——指钢材在冷加工过程中产生塑性变形时，对产生裂缝的抵抗能力。通过冷弯试验，检查试件表面是否有裂纹或分层断裂来反映塑性

钢筋应力——应变曲线数学模型

双直线模型

三折线模型

双斜模型

钢筋的松弛

定义

钢筋受力⻓度保持不变的情况下，应力随时间增⻓而降低的现象

影响因素

初始应力、温度、钢筋品种

分类

分普通松弛和低松弛(低松弛约为普通松弛值的1/3)两类

钢筋的接头、弯钩和弯折

钢筋的接头

焊接接头

对焊

电弧搭接焊(夹杆式电弧焊搭叠式电弧焊)

机械连接接头

套筒挤压接头

镦粗直螺纹接头

绑扎接头

绑扎接头的钢筋直径:一般不宜大于28mm; 受压构件中的受机械连接接头压钢筋可不大于32mm

钢筋的搭接⻓度⻅规范

有绑扎接头的受力钢筋的截面积:受拉区不超过25%;受压区不超过50%

钢筋的弯钩和弯折

受拉的光面钢筋需在端头设半圆弯钩

带肋钢筋设直⻆形弯钩

弯折处钢筋内侧弯曲直径D 不得小于20d

混凝土结构对钢筋的要求

钢筋的强度

屈强比小则结构的可靠性高，但太小钢材利用率太低

钢筋的塑性

为了使钢筋在断裂前有足够的变形需要求钢材有一定的塑性。钢筋的伸⻓率和冷弯性能是施工单位验收钢筋是否合格的主要指标

钢筋的可焊性

可焊性是评定钢筋焊接后的接头性能的指标。可焊性好，即要求在一定的工艺条件下钢筋焊接后不产生裂纹及过大的变形

钢筋的耐火性

热轧钢筋的耐火性能最好，冷轧钢筋其次，预应力钢筋最差。结构设计时应注意混凝土保护层厚度满足对构件耐火极限的要求

钢筋与混凝土的粘结力

为了保证钢筋与混凝土共同工作，要求钢筋与混凝土之间必须有足够的粘结

钢筋和混凝土的粘结

基本概念

粘结

钢筋和混凝土界面之间的一种相互作用力

粘结应力

钢筋与混凝土接触面上所产生的沿钢筋纵向的剪应

粘结强度

粘结失效(钢筋被拔出或混凝土被劈裂)时的最大平均粘结应力

粘结的作用

抵抗钢筋滑动，保证两种材料共同工作

粘结机理

粘结力的组成

化学胶着力

钢筋和混凝土表面的化学吸附作用

摩擦力

混凝土收缩紧握钢筋而产生的

机械咬合力

钢筋表面凹凸不平和混凝土之间产生机械咬合力

粘结应力分析(以拉拔试验为例)

粘结应力分布呈曲线形

光圆钢筋和带肋钢筋的粘结应力分布图形不同

带肋钢筋与混凝土的粘结强度比光圆钢筋高得多

破坏过程

光面钢筋

粘结力

胶着力、摩擦力、机械咬合力

破坏过程

没有产生滑移前，只有化学吸附作用，一旦混凝土和钢筋发生滑移后，则由摩擦力和钢筋表面粗糙不平产生的机械咬合力提供

破坏形态

剪切破坏(钢筋从混凝土中被拔出)，破坏面是钢筋和混凝土之间的接触面

措施

端部做弯钩和足够的锚固⻓度(受压时，可不做弯钩)

带肋钢筋

粘结力

胶着力、摩擦力、机械咬合力

破坏过程

没有产生滑移前，只有化学吸附作用，一旦混凝土和钢筋发生滑移后，则由摩擦力和机械咬合力(主要)提供

破坏形态

剪切型粘结破坏 (保护层厚度较厚或有环向箍筋约束)

劈裂型粘结破坏(保护层厚度较小，或未配环向箍筋)

粘结强度影响因素

混凝土的强度等级

浇注混凝土时钢筋所处的位置有关

钢筋之间的净距

混凝土保护层厚度

钢筋的表面形状

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