混凝土结构设计原理第一章材料性能.ppt

第第1 1章章 混凝土结构用材料的性能混凝土结构用材料的性能1.1钢筋钢筋1.2混凝土混凝土1.3钢筋与混凝土的粘结钢筋与混凝土的粘结 1.1 钢筋（钢筋（steel reinforcement）热轧钢筋热轧钢筋冷加工钢筋冷加工钢筋钢丝及钢绞线钢丝及钢绞线1.1.1 钢筋的品种钢筋的品种(reinforcement types)与性能与性能第第1 1章章 混凝土结构用材料的性能混凝土结构用材料的性能按化学成分按化学成分碳素钢碳素钢 普通低合普通低合金钢金钢 锰系锰系 硅矾系硅矾系 低碳钢低碳钢中碳钢中碳钢高碳钢高碳钢硅钛系硅钛系 硅锰系硅锰系 硅铬系硅铬系 C0.8fcsh时时，混混凝凝土土内内部部的的微微裂裂缝缝进进入入非非稳稳态态发发展展，导导致致混混凝凝土土破破坏坏。取取=0.8fcsh作作为为混混凝凝土土的的长长期期抗抗压压强强度度。初初应力越大，徐变也越大。应力越大，徐变也越大。第第1 1章章 混凝土结构用材料的性能混凝土结构用材料的性能加载时混凝土的龄期越长，徐变越小。加载时混凝土的龄期越长，徐变越小。为为了了减减少少徐徐变变，应应避避免免过过早早地地给给结结构构施施加加长长期期荷荷载载，例例如如在在施施工工期期内内避避免免过过早早地地撤撤除除构构件件的的模模板板支支柱柱等等，也也可可以以采采取取加加快快混混凝凝土土硬硬结结的的措措施来减小龄期对徐变的影响。施来减小龄期对徐变的影响。4)龄期影响龄期影响第第1 1章章 混凝土结构用材料的性能混凝土结构用材料的性能2.混凝土的非受力变形混凝土的非受力变形 混凝土的收缩与膨胀混凝土的收缩与膨胀 混混凝凝土土在在水水中中或或处处于于饱饱和和湿湿度度情情况况下下结结硬硬时时体体积积增增大大的现象称为膨胀的现象称为膨胀。混凝土在空气中结硬时体积减小的现象称为收缩。混凝土在空气中结硬时体积减小的现象称为收缩。混凝土的收缩混凝土的收缩第第1 1章章 混凝土结构用材料的性能混凝土结构用材料的性能影响混凝土收缩的因素影响混凝土收缩的因素 水水泥泥用用量量越越多多、水水灰灰比比越越大大，收收缩缩就就越越大大。骨骨料料的的级级配配好好、弹弹性性模模量量高高，可可减减小小混混凝凝土土的的收收缩缩。高高温温蒸蒸养养，收收缩缩减减少少；使使用用环环境境的的温温度度越越高高，相相对对湿湿度度越越低低，收收缩缩就就越越大大。此此外外，水水泥泥品品种种、混混凝凝土土的的密密实实度度、构构件件的的体体表表比比等等都都会会对对混混凝凝土的收缩有影响。土的收缩有影响。收收缩缩和和膨膨胀胀是是在在混混凝凝土土不不受受力力的的情情况况下下而而产产生生的的变变形形，一一般般来来说说，收收缩缩值值比比膨膨胀胀值值大大得得多多。混混凝凝土土的的膨膨胀胀特特性性对对混混凝土构件往往是有利的，故一般不予考虑。凝土构件往往是有利的，故一般不予考虑。第第1 1章章 混凝土结构用材料的性能混凝土结构用材料的性能收缩的性质收缩的性质自由收缩自由收缩约束收缩约束收缩来自内部的钢筋约束来自内部的钢筋约束来自支座的外部约束来自支座的外部约束收缩对结构的影响收缩对结构的影响自由收缩一般不会引起拉应力，故不自由收缩一般不会引起拉应力，故不会开裂会开裂约束收缩产生收缩应力甚至开裂约束收缩产生收缩应力甚至开裂梁梁板板或或其其他他构构件件，由由于于养养护护不不好好，在在使使用用前前就就可可能能因因混混凝凝土土收收缩缩而而产产生生裂裂缝缝；整整片片大大面面积积的的混混凝凝土土地地面面或或楼楼面面，在在施施工工后后就就可可能能因因混混凝凝土土的的收收缩缩而而产产生生裂裂缝缝；在在预预应应力力混混凝凝土土结结构构中中，混混凝凝土土的的收收缩缩会会导导致致预预应应力力的的损损失失。收收缩缩也也对对超超静静定定结结构构（如如拱拱）产产生生不不利利的的内内力力，导导致致钢钢筋筋混混凝凝土土结结构构出出现现过大裂缝，造成不利影响。过大裂缝，造成不利影响。收缩的不利影响收缩的不利影响第第1 1章章 混凝土结构用材料的性能混凝土结构用材料的性能 混凝土的温度混凝土的温度变形形 当当温温度度变化化时，混混凝凝土土也也随随之之热胀冷冷缩。温温度度变形形也也是是混混凝凝土土在在非非荷荷载状状态下下，产生生内内力力的的一一个个重重要要因因素素。混混凝凝土土的的 线 膨膨 胀 系系 数数 随随 骨骨 料料 性性 质 及及 配配 合合 比比 而而 变 化化，约 为(11.5)10-5，一般取，一般取1.010-5。温温度度的的变变化化与与水水泥泥种种类类、水水泥泥含含量量、新新拌拌混混凝凝土土的的温温度度、混凝土硬化速度、构件尺寸等因素有关。混凝土硬化速度、构件尺寸等因素有关。影响温度变化的因素影响温度变化的因素第第1 1章章 混凝土结构用材料的性能混凝土结构用材料的性能混混凝凝土土与与钢钢筋筋的的线线膨膨胀胀系系数数是是相相近近的的。温温度度变变化化时时，在在混混凝凝土和钢筋之间引起的内应力很小，不致产生相对的变形。土和钢筋之间引起的内应力很小，不致产生相对的变形。温度变形的影响温度变形的影响 水水泥泥在在水水化化作作用用时时排排出出的的热热量量导导致致构构件件内内部部的的温温度度上上升升，构构件件表表面面由由于于便便于于散散热热而而温温度度相相对对较较低低。构构件件内内外外的的这这种种温温差差就会引起应力，从而导致表层混凝土开裂。就会引起应力，从而导致表层混凝土开裂。大大体体积积混混凝凝土土结结构构以以及及水水池池、烟烟囱囱等等结结构构由由温温度度变变化化引引起起的的温度应力必须予以考虑。温度应力必须予以考虑。第第1 1章章 混凝土结构用材料的性能混凝土结构用材料的性能1.2.3 混凝土的选用原则混凝土的选用原则建筑工程中，建筑工程中，钢筋混凝土构件的混凝土筋混凝土构件的混凝土强度等度等级不不应低于低于C15 当采用当采用HRB335级钢筋筋时，不宜不宜低于低于C20 当采用当采用HRB400和和RRB400级钢筋以及承受重复荷筋以及承受重复荷载的构的构件，件，不得不得低于低于C20 预应力混凝土力混凝土结构构不不应低于低于C30 采用采用钢绞线、钢丝、热处理理钢筋作筋作预应力力钢筋筋时，不宜不宜低低于于C40第第1 1章章 混凝土结构用材料的性能混凝土结构用材料的性能1.3 钢筋与混凝土的粘结钢筋与混凝土的粘结钢筋筋与与混混凝凝土土之之间的的粘粘结是是这两两种种材材料料共共同同工工作作的的保保证，使之能共同承受外力、共同使之能共同承受外力、共同变形、抵抗相互之形、抵抗相互之间的滑移。的滑移。产生钢筋和混凝土粘结力的主要原因：产生钢筋和混凝土粘结力的主要原因：混凝土收缩将钢筋紧紧握固而产生的摩擦力；混凝土收缩将钢筋紧紧握固而产生的摩擦力；混混凝凝土土颗颗料料的的化化学学作作用用产产生生的的混混凝凝土土与与钢钢筋筋之之间间的的胶合力；胶合力；钢钢筋筋表表面面凹凹凸凸不不平平与与混混凝凝土土之之间间产产生生的的局局部部机机械械咬咬合力；合力；钢筋端部在混凝土内的锚固作用。钢筋端部在混凝土内的锚固作用。第第1 1章章 混凝土结构用材料的性能混凝土结构用材料的性能1.3.1 粘结力的定义粘结力的定义若若钢筋筋和和混混凝凝土土有有相相对变形形（滑滑移移），就就会会在在钢筋筋和和混混凝凝土土交交界界面面上上产生生沿沿钢筋筋轴线方方向向的的相相互互作作用用力力，这种种力力称称为钢筋与混凝土的粘筋与混凝土的粘结力。力。是是指指相相邻邻两两个个开开裂裂截截面面之之间间产产生生的的钢钢筋筋拉拉力力，通通过过裂裂缝缝两两侧侧的的粘粘结结应应力力部部分分地地向向混混凝凝土土传传递递，使使未未开开裂裂的混凝土受拉。的混凝土受拉。裂缝之间局部粘结应力裂缝之间局部粘结应力粘结应力粘结应力局部粘结应力局部粘结应力锚固粘结应力锚固粘结应力第第1 1章章 混凝土结构用材料的性能混凝土结构用材料的性能是是指指钢钢筋筋伸伸入入支支座座或或支支座座负负弯弯矩矩钢钢筋筋在在跨跨间间截截断断时时，必必须须具具有有足足够够的的锚锚固固长度，通过锚固长度积累的粘结力。长度，通过锚固长度积累的粘结力。按按钢钢筋筋所所处处部部位位和和所所起起作作用用不不同同受受压压、受受拉拉、支支座座、节节点点及及钢钢筋筋截截断断时时，锚锚固长度各异。固长度各异。钢筋端部的锚固粘结应力钢筋端部的锚固粘结应力第第1 1章章 混凝土结构用材料的性能混凝土结构用材料的性能lTdmax 以锚固粘结应力为例：以锚固粘结应力为例：u锚固设计的基本原则锚固设计的基本原则是必须保证足够的锚是必须保证足够的锚固粘结强度以使钢筋固粘结强度以使钢筋强度得以充分利用，强度得以充分利用，即即第第1 1章章 混凝土结构用材料的性能混凝土结构用材料的性能1.3.2 粘结力的组成粘结力的组成1.粘粘结力的力的组成成 化学胶化学胶结力力混混凝凝土土凝凝结时，由由于于水水泥泥的的水水化化作作用用在在钢筋筋与与混混凝凝土土接接触触面面上上产生生的的化化学学吸吸附附作作用用力力；来来源源于于浇筑筑时水水泥泥浆体体向向钢筋筋表表面面氧氧化化层的的渗渗透透和和养养护过程程中中水水泥泥晶晶体体的的生生长和和硬硬化化。取取决决于于水水泥泥的的性性质和和钢筋筋表表面面的的粗粗糙糙程程度度。这种种力力 一一般般很很小小，只只在在钢筋筋和和混混凝凝土土界界面面存存在在，当当接接触触面面发生生相相对滑滑移移时就就消消失，失，仅在局部无滑移区内起作用。在局部无滑移区内起作用。第第1 1章章 混凝土结构用材料的性能混凝土结构用材料的性能 摩擦力摩擦力混混凝凝土土收收缩缩后后将将钢钢筋筋紧紧紧紧地地握握裹裹住住，当当钢钢筋筋和和混混凝凝土土产产生生相相对对滑滑移移时时，在在钢钢筋筋和和混混凝凝土土界界面面上上将将产产生生摩摩擦擦力力。它它取取决决于于混混凝凝土土发发生生收收缩缩、荷荷载载和和反反力力等等对对钢钢筋筋的的径径向向压压应应力力、钢钢筋筋和和混混凝凝土土之之间间的的粗粗糙糙程程度度等等。钢钢筋筋和和混混凝凝土土之之间间的的挤挤压力越大、接触面越粗糙，则摩擦力越大。压力越大、接触面越粗糙，则摩擦力越大。第第1 1章章 混凝土结构用材料的性能混凝土结构用材料的性能钢钢筋筋表表面面凹凹凸凸不不平平与与混混凝凝土土产产生生的的机机械械咬咬合合作作用用而而产产生生的的力力，即即混混凝凝土土对对钢钢筋筋表表面面斜斜向向压压力力的的纵纵向向分分力力，取决于混凝土的抗剪强度。取决于混凝土的抗剪强度。机械咬合力机械咬合力变变形形钢钢筋筋的的横横肋肋会会产产生生这这种种咬咬合合力力，它它的的咬咬合合作作用用往往往很大，是变形钢筋粘结力的主要来源。往很大，是变形钢筋粘结力的主要来源。钢筋端部的锚固力钢筋端部的锚固力采取锚固措施后所造成的机械锚固力。采取锚固措施后所造成的机械锚固力。第第1 1章章 混凝土结构用材料的性能混凝土结构用材料的性能2.光面钢筋的粘结性能光面钢筋的粘结性能光面钢筋的粘结力以化学胶结力和摩擦力为主。光面钢筋的粘结力以化学胶结力和摩擦力为主。钢钢筋筋与与混混凝凝土土的的粘粘结结强强度度通通常常采采用用拔拔出出试试验验来来测测定定。设设拔拔出出力力为为F，则则以以粘粘结结破破坏坏（钢钢筋筋拔拔出出或或混混凝凝土土劈劈裂裂）时时钢钢筋筋与与混混凝凝土土截截面面上上的的最最大大平均粘结应力作为粘结强度。平均粘结应力作为粘结强度。第第1 1章章 混凝土结构用材料的性能混凝土结构用材料的性能3.变形钢筋的粘结性能变形钢筋的粘结性能粘粘结结强强度度仍仍由由化化学学胶胶结结力力、摩摩擦擦力力和和钢钢筋筋表表面面凹凹凸凸不不平平的的机机械械咬咬合合力力组组成成，但但主主要要是是钢钢筋筋表表面面突突出出肋肋与与混混凝凝土土之之间间的的机机械械咬咬合合力力。变变形形钢钢筋筋和和光光圆圆钢钢筋筋的的主主要要区区别别是是钢钢筋筋表表面具有不同形状的横肋或斜肋面具有不同形状的横肋或斜肋。变形钢筋外围混凝土的内裂缝变形钢筋外围混凝土的内裂缝第第1 1章章 混凝土结构用材料的性能混凝土结构用材料的性能4.影响粘结强度的因素影响粘结强度的因素(1)混凝土的强度等级高，粘结强度高；混凝土的强度等级高，粘结强度高；(2)保护层厚度大，钢筋的净距大，粘结强度高；保护层厚度大，钢筋的净距大，粘结强度高；(3)钢筋的直径小，粘结强度高；螺纹钢筋比月牙钢筋高；钢筋的直径小，粘结强度高；螺纹钢筋比月牙钢筋高；(4)横向箍筋，提高粘结强度；横向箍筋，提高粘结强度；(5)横向压应力，提高粘结强度；横向压应力，提高粘结强度；(6)钢筋端部的弯钩、弯折及附加锚固措施，提高粘结强度。钢筋端部的弯钩、弯折及附加锚固措施，提高粘结强度。第第1 1章章 混凝土结构用材料的性能混凝土结构用材料的性能钢筋的筋的间距和混凝土的保距和混凝土的保护层不能太小；不能太小；优先采用小直径的先采用小直径的变形形钢筋，光面筋，光面钢筋末端筋末端应设弯弯钩；钢筋筋伸伸入入支支座座应有有足足够的的锚固固长度度；搭搭接接时应有有足足够的的搭搭接接长度；度；钢筋不宜在混凝土的拉区截断；筋不宜在混凝土的拉区截断；在大直径在大直径钢筋的搭接和筋的搭接和锚固区域内宜固区域内宜设置横向置横向钢筋。筋。1.3.3 保证可靠粘结的构造措施保证可靠粘结的构造措施第第1 1章章 混凝土结构用材料的性能混凝土结构用材料的性能1.4 公路桥涵钢筋混凝土的材料性能公路桥涵钢筋混凝土的材料性能 2.4.1 普通钢筋普通钢筋 钢钢筋筋混混凝凝土土及及预预应应力力混混凝凝土土构构件件中中的的纵纵向向普普通通钢钢筋筋应应选选用用R235（Q235）、HRB335、HRB400及及KL400钢钢筋筋，预预应应力力混混凝凝土土构构件件中中的的箍箍筋筋应应选选用用其其中中的的带带肋肋钢钢筋筋。钢钢筋筋的的抗抗拉强度标准值应具有不小于拉强度标准值应具有不小于95%的保证率。的保证率。第第1 1章章 混凝土结构用材料的性能混凝土结构用材料的性能普通钢筋的抗拉强度标准值普通钢筋的抗拉强度标准值普通钢筋的抗拉强度设计值和抗压强度设计值普通钢筋的抗拉强度设计值和抗压强度设计值第第1 1章章 混凝土结构用材料的性能混凝土结构用材料的性能预预应应力力钢钢筋筋 第第1 1章章 混凝土结构用材料的性能混凝土结构用材料的性能预预应应力力钢钢筋筋 第第1 1章章 混凝土结构用材料的性能混凝土结构用材料的性能弹性模量弹性模量第第1 1章章 混凝土结构用材料的性能混凝土结构用材料的性能2.4.2 混凝土混凝土 公公路路桥桥规规中中同同样样是是按按边边长长为为150mm的的立立方方体体试试件件的的抗抗压压强强度度标标准准值值确确定定，抗抗压压强强度度标标准准值值的的测测试试方方法法与与混混凝凝土土结结构构设设计计规规范范相相同同，混混凝凝土土强强度度等等级级用用C表表示示，采采用用C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C55，C60，C65，C70，C75，C80 14个个等等级级。C50及及以以下下为为普普通通混混凝凝土土，C50以以上上为高强混凝土。为高强混凝土。1.强度等级强度等级 公公路路桥桥涵涵的的混混凝凝土土强强度度等等级级应应按按以以下下规规定定选选用用：钢钢筋筋混混凝凝土土构构件件不不应应低低于于C20，当当用用HRB400、KL400级级钢钢筋筋时时，不不应应低于低于C25；预应力混凝土构件不应低于预应力混凝土构件不应低于C40。第第1 1章章 混凝土结构用材料的性能混凝土结构用材料的性能 2.轴心抗压强度和轴心抗拉强度标准值轴心抗压强度和轴心抗拉强度标准值 采采用用轴轴心心抗抗压压强强度度试试验验得得出出混混凝凝土土单单向向均均匀匀受受压压时时的的强强度，并用表示其标准值。度，并用表示其标准值。第第1 1章章 混凝土结构用材料的性能混凝土结构用材料的性能 3.轴心抗压强度和轴心抗拉强度设计值轴心抗压强度和轴心抗拉强度设计值 轴轴心心抗抗压压强强度度和和轴轴心心抗抗拉拉强强度度标标准准值值除除以以相相应应的的材材料料分分项项系数系数1.45，可其相应设计值。，可其相应设计值。第第1 1章章 混凝土结构用材料的性能混凝土结构用材料的性能 4.混凝土的弹性模量混凝土的弹性模量 混混凝凝土土的的受受压压弹弹性性模模量量与与受受拉拉弹弹性性模模量量相相等等，用用Ec表表示示，其其取取值值与与混混凝凝土土结结构构设设计计规规范范规规定定相相同同，混混凝凝土土的的剪剪变模量变模量Gc=0.4Ec，混凝土的泊松比采用混凝土的泊松比采用0.2。第第1 1章章 混凝土结构用材料的性能混凝土结构用材料的性能练习题练习题1、衡量钢筋性能的指标是什么？、衡量钢筋性能的指标是什么？2、什么是钢筋的冷拉？钢筋冷拉之后性能有何变化？、什么是钢筋的冷拉？钢筋冷拉之后性能有何变化？3、钢筋如何进行冷拔？冷拔之后钢筋的性能有何变化？、钢筋如何进行冷拔？冷拔之后钢筋的性能有何变化？4、什么叫条件屈服强度？、什么叫条件屈服强度？5、砼的强度等级是根据什么确定的？、砼的强度等级是根据什么确定的？6、什么是砼的弹性模量、割线模量和切线模量？各具有、什么是砼的弹性模量、割线模量和切线模量？各具有什么作用？什么作用？7、砼强度等级改变时，应力、应变关系将发生什么改变、砼强度等级改变时，应力、应变关系将发生什么改变？8、砼结构对钢筋性能的要求有哪些？、砼结构对钢筋性能的要求有哪些？9、钢筋与砼为什么能共同工作？、钢筋与砼为什么能共同工作？10、什么是钢筋与砼的粘结？粘结力由哪些部分组成？、什么是钢筋与砼的粘结？粘结力由哪些部分组成？11、钢筋为什么要锚固？钢筋的锚固长度是怎样确定的、钢筋为什么要锚固？钢筋的锚固长度是怎样确定的？12、如何增加钢筋与砼的锚固性能？、如何增加钢筋与砼的锚固性能？13、在公路桥涵工程中，砼与钢筋的标准值和设计强度、在公路桥涵工程中，砼与钢筋的标准值和设计强度取值与建筑工程有什么不同取值与建筑工程有什么不同